鉄道ブレーキ

鉄道ブレーキは、鉄道車両の車両に使用されるブレーキの一種で、減速、加速の制御（下り坂）、または停車中の車両の静止を可能にします。基本原理は道路車両での使用と同様ですが、連結された複数の客車を制御する必要があり、原動機のない車両で効果を発揮する必要があるため、操作機能はより複雑です。クランプブレーキは、歴史的に列車で使用されてきたブレーキの一種です。

鉄道の初期の頃、ブレーキ技術は原始的でした。最初の列車には、機関車の炭水車と列車内の車両に作動するブレーキがあり、それらの車両でその目的のために移動する「ポーター」、つまり米国ではブレーキマンがブレーキを操作しました。一部の鉄道会社は、ブレーキをかける必要があることをポーターに知らせるために、機関車に特別な深いブレーキホイッスルを取り付けました。この開発段階のブレーキはすべて、車輪の踏面に取り付けられたブレーキブロックへのねじとリンクを操作することで作動し、これらのブレーキは車両が駐車されているときに使用できました。初期の頃、ポーターは車両の外にある粗末なシェルターで移動していましたが、旅客車両内を移動し、持ち場のブレーキホイールにアクセスできる「アシスタントガード」が彼らに取って代わりました。達成可能なブレーキ力は限られており、また信頼性も低かった。なぜなら、警備員がブレーキをかけるには、彼らの聴覚とブレーキの笛に対する素早い反応に依存していたからである。^[1]

初期の開発では、機関車に蒸気ブレーキを採用し、ボイラー圧力を機関車の車輪のブレーキ ブロックに適用しました。列車の速度が上がるにつれて、列車の運転手が即座にブレーキをかけたり解除したりできる、より強力なブレーキ システムの提供が不可欠になりました。これは、列車の全長にわたって継続的に効果を発揮するため、 連続ブレーキと呼ばれています。

イギリスでは、1876年1月にアボッツ・リプトン鉄道事故が起きたが、これは連続ブレーキのない急行列車の長い停止距離によって悪化した。悪条件では、信号機の位置を想定する距離を大幅に超える可能性があることが明らかになった。 ^[2]これは、前年にニューアークで鉄道事故を検討していた王立委員会を支援するために行われた鉄道ブレーキの試験から明らかになっていた。当時の鉄道関係者の言葉によれば、これらの

通常の条件下では、時速45.5～48.5マイルで走行している列車を停止させるには800～1200ヤードの距離が必要であることが示されました。これは、最速の急行列車の通常の走行速度よりはるかに低いものでした。鉄道当局はこの結果に備えておらず、ブレーキ力を大幅に増強する必要があることがすぐに認められました^[3]

アボッツ・リプトンが急行列車に対して、おおよそ関係する条件（例えば、下り坂で1/200の速度で走行するが、好条件下ではブレーキをかけない）に一致する以下の結果を報告した後に実施された試験：^[2]

しかし、列車全体でブレーキ力を適度に均一にする必要があり、また、旅程の途中で頻繁に列車に車両を追加したり削除したりする必要があったため、この問題に対する明確な技術的解決策はありませんでした。(当時、ユニットトレインは珍しいものでした)

主なソリューションの種類は次のとおりです。

• バネ式システム:ランカシャー・アンド・ヨークシャー鉄道の客車製造業者であったジェームズ・ニューオールは、1853年に、列車の全長にわたって回転するロッドを使用して、シリンダー内の円錐バネの力に逆らって各客車のブレーキレバーを巻き上げるシステムの特許を取得しました。客車の屋根にあるゴム製のジャーナルに取り付けられたロッドには、ユニバーサルジョイントと短いスライドセクションが取り付けられており、バッファーを圧縮できます。ブレーキは列車の片側から制御されました。ブレーキを解除するには、車掌がロッドを巻き上げてバネを圧縮し、車掌の制御下にある単一のラチェットによってバネが保持されます(ただし、緊急時には、運転手がコードを引いてラチェットを解放できます)。ラチェットが解放されると、バネによってブレーキが作動します。列車が分割すると、車掌室のラチェットではブレーキが保持されず、各客車のバネによってブレーキが車輪に押し付けられます。連結部の遊びが大きかったため、この装置の有効性は約 5 両に制限されました。この数を超えると、追加のガードとブレーキ コンパートメントが必要になった。この装置は数社に販売され、このシステムは商務省から推奨を受けた。L &Y は、別の従業員であるチャールズ フェイが設計した同様のシステムと同時試験を行ったが、その効果にはほとんど違いがなかった。1856 年に特許を取得したフェイのバージョンでは、ロッドがキャリッジの下を通過し、各ブレーキへの直接スプリング アプリケーションに介在するウォーム ドライブが与えられた。ニューオールのシステムの重要な「自動」機能は保持されていたが、ウォーム ドライブにより、ブレーキが解放されたときに激しく動作しすぎないようにした。1875 年 6 月のニューアーク ブレーキ試験に同社が参加したのはフェイのバージョンのシステムであり、そこでは、通常、テストされた 8 つのシステムのうちの中間の位置にある適度なパフォーマンスが達成された。^{[4] [5] [6] [7] [8]}
• チェーンブレーキは、列車の底部に沿ってチェーンが連続的に接続されています。チェーンを強く引っ張ると、摩擦クラッチが作動し、車輪の回転を利用してその地点でブレーキシステムを締めます。このシステムでは、扱える列車の長さ（3両目以降はブレーキの強度がかなり弱くなるため）と調整のしやすさ（固定長チェーンでは対応できないピンカプラーに必要なたるみを考​​慮する）に厳しい制限があります。米国では、チェーンブレーキは1848年にコネチカット州ハートフォードのルーシャス・ステビンズ、 1855年にメリーランド州ウェバートンのウィリアム・ラフリッジによって独立して開発され、特許を取得しました。 ^[9]英国版は、1840年代を通じて開発を行ったジョン・クラークと1875年に完成させたフランシス・ウィリアム・ウェッブにちなんで、クラーク・アンド・ウェッブ・ブレーキと呼ばれていました。 ^{[10]チェーンブレーキは、米国では1870年代まで[9]}、英国では1890年代まで使用されていました。 ^[10]
  • ヘーベルライン ブレーキは、ドイツで人気のチェーン ブレーキの注目すべきバリエーションであり、下連結チェーンの代わりに頭上ケーブルを使用します。
• 油圧ブレーキ。ブレーキをかけるための作動圧力は油圧で伝達される（自動車のブレーキと同様）。英国では（例えばミッドランド鉄道やグレート・イースタン鉄道など）好まれていたが、油圧液として水が使われており、英国でも「凍結の恐れがあると油圧ブレーキは不利だったが、グレート・イースタン鉄道は塩水を使用することでこれを克服した」^[11]。

• シンプルな真空システム。機関車のエジェクターが列車に沿った連続パイプ内に真空を作り出し、外部の空気圧で各車両のブレーキ シリンダーを作動させます。このシステムは非常に安価で効果的でしたが、列車が分断されたり、列車のパイプが破裂したりすると作動しなくなるという大きな弱点がありました。
• 自動真空ブレーキ。このシステムは、単純な真空システムと似ていますが、列車のパイプに真空を発生させると、各車両の真空リザーバーが空になり、ブレーキが解除される点が異なります。運転手がブレーキをかけると、運転手のブレーキ バルブから列車のパイプに大気が入り、この大気圧によって真空リザーバーの真空に抗してブレーキがかかります。自動ブレーキであるため、列車が分断されたり、列車のパイプが破裂したりすると、このシステムによってブレーキがかかります。欠点は、各車両に大きな真空リザーバーが必要で、その大きさとかなり複雑な機構が問題視されたことです。
• ウェスティングハウスの空気ブレーキシステム。このシステムでは、各車両に空気タンクが備えられており、機関車は列車パイプに正圧を充填し、これにより車両のブレーキが解除され、車両の空気タンクが充填されます。運転手がブレーキをかけると、ブレーキバルブが列車パイプから空気を放出し、各車両の三連バルブが圧力損失を検出して空気タンクからブレーキシリンダーに空気を取り込み、ブレーキをかけます。ウェスティングハウスのシステムでは、適度に高い空気圧を使用できることから、対応する真空装置よりも小さな空気タンクとブレーキシリンダーを使用します。ただし、圧縮空気を生成するには空気圧縮機が必要であり、鉄道の初期には、これには大型の往復蒸気空気圧縮機が必要であり、多くの技術者がこれを非常に望ましくないと考えていました。さらに欠点は、ブレーキを再度適用する前に完全に解除する必要があることでした。当初は「段階的解除」が利用できず、ブレーキ力が一時的に利用できない間に多くの事故が発生しました。^[13]

注: これらすべてのシステムには、さまざまなバリエーションと開発が存在します。

ニューアークでの試験では、ウェスティングハウスの空気ブレーキのブレーキ性能が明らかに優れていることが示されました。^[14]しかし、他の理由^[15]により、英国の鉄道では真空システムが一般的に採用されました。

イギリスの慣例では、1930 年頃までは旅客列車にのみ連続ブレーキが装備されていました。貨物列車や鉱物列車は低速で走行し、機関車と炭水車、ブレーキ車(列車の後部に設置され、車掌が乗る大型車両)のブレーキ力に依存していました。

貨物車と鉱石車にはハンドブレーキがあり、地上のスタッフが手動レバーで操作しました。これらのハンドブレーキは、車両を停車させるときだけでなく、列車が急勾配を下っているときにも必要に応じて使用されました。列車は勾配の頂上で停止し、車掌が前方に歩いてブレーキハンドルを「固定」するため、降下中はブレーキが部分的にかかりました。初期の貨物車には片側にのみブレーキハンドルがありましたが、1930 年頃からは貨物車の両側にブレーキハンドルが必要になりました。ハンドブレーキ付き車両を含む列車は「非装備」と呼ばれ、イギリスでは 1985 年頃まで使用されていました。1930 年頃からは半装備列車が導入され、連続ブレーキを備えた貨物車が機関車の横に配置され、非装備列車よりも高速で走行するのに十分なブレーキ力が得られました。 1952年1月の試験では、52両の貨車、850トンの石炭列車が127マイル（204 km）を平均時速38マイル（61 km/h）で走行したが、これはミッドランド本線の非装備の貨物列車の通常の最高速度である時速25マイル（40 km/h）を大幅に上回るものであった。^[16] 1952年には、無蓋貨車の14％、有蓋貨車の55％、および家畜運搬車の80％に真空ブレーキが装備されていた。^[17]

ディーゼル機関車が発明された初期の頃は、ブレーキ装置が装備されていない列車を牽引する際にブレーキ力を高めるために、専用のブレーキ炭水車が機関車に取り付けられていました。ブレーキ炭水車は低く設置されていたため、ブレーキ炭水車が機関車より先に推進（押）されても、運転手は前方の線路や信号を見ることができました。ブレーキ炭水車は、よくあったように、前方に推進（押）されても、運転手は前方の線路や信号を見ることができました。

1878年までに、ブレーキシステムに関する特許が各国で105件以上取得されたが、そのほとんどは広く採用されなかった。^[18]

列車の積載量、勾配、速度が増加するにつれて、ブレーキはより重大な問題になりました。19世紀後半には、大幅に改善された連続ブレーキが登場し始めました。最も初期の連続ブレーキは、列車の全長にわたってチェーンを使用してすべての車両のブレーキを同時に操作するチェーンブレーキ^[19]でし た。

チェーン ブレーキはすぐに 空気作動式または真空作動式のブレーキに取って代わられました。これらのブレーキは、列車のすべての貨車を接続するホースを使用していたため、オペレーターは機関車内の 1 つのバルブでブレーキをかけたり解除したりできました。

これらの連続ブレーキは、単純なものでも自動のものでもかまいませんが、本質的な違いは、列車が真っ二つに折れた場合に何が起こるかです。単純なブレーキでは、ブレーキをかけるために圧力が必要であり、連続ホースが何らかの理由で破損すると、すべてのブレーキ力が失われます。したがって、単純な非自動ブレーキは、アーマー鉄道事故で示されたように、事態が本当に悪化したときには役に立ちません。

一方、自動ブレーキは、各車両に搭載されたリザーバーに対して空気圧または真空圧を使用してブレーキをかけ、列車の配管内の圧力/真空が失われた場合にブレーキをかけます。自動ブレーキは、このように大部分が「フェイルセーフ」ですが、ホースの栓が誤って閉じられると、リヨン駅の事故のような事故につながる可能性があります。

標準のウェスティングハウス エア ブレーキには、各貨車にトリプル バルブとローカル リザーバーが追加され、空気圧をわずかに下げるだけでブレーキを完全に作動させることができるため、すべての圧力が大気中に放出されないため、ブレーキを解除するのにかかる時間が短縮されます。

非自動ブレーキは、自動ブレーキをかけなくても列車全体を制御できるため、機関車や先頭車両ではまだ役割を果たしています。

これはすべての鉄道ブレーキの完全なリストではありませんが、一般的な例のほとんどをリストしています。

ほとんどの牽引ユニット、客車、および一部の貨車には、手動パーキング ブレーキ (ハンドブレーキ) が装備されています。これは車両のブレーキ リンケージに直接 (機械的に) 作用します。このようなブレーキを作動させると、空気圧ブレーキとは無関係に車輪の回転が防止されるため、駐車中の貨車や客車を不意に動かないように固定するのに適しています。空気ブレーキの保持力は避けられない漏れによって低下する可能性があるため、この目的には機械式ブレーキのみを使用できます。

2 つのタイプがあります。車上で操作できるハンドブレーキは、第一に車が横転するのを防ぐため、第二に特定の入換操作で速度を調節するため、および自動ブレーキが故障した場合に列車を停止させるために使用されます。これは通常、ねじ式ブレーキとして設計されており、ブレーキマンのプラットフォームから、または客車の場合は車内、通常は出入口から操作します。UIC 貨車では、このブレーキウェイトは白枠で囲まれています (ブレーキ銘板の残りの部分と同じ白色、または白色または明るい色の背景に黒色)。炭水車やタンク機関車のハンドブレーキは、多くの場合、カウンターウェイト ブレーキとして設計されています。

手動で操作するパーキング ブレーキは、静止した鉄道車両が動き出すのを防ぐのにのみ適しています。ハンド ホイールまたはスプリング ブレーキとして設計できます。

ラック式鉄道の車両には、方向依存型のポールブレーキが装備されていることが多い。下り坂のときのみブレーキが効き、上り坂のときはラチェット機構によって作動中のラチェットブレーキが解除され、列車が後進するのを防ぐ。

20 世紀初頭、多くのイギリスの鉄道は、世界の他の多くの国で使用されていた鉄道空気ブレーキではなく、真空ブレーキを採用していました。真空の主な利点は、可動部品のない蒸気エジェクター(蒸気機関車の蒸気で駆動可能) によって真空を作り出すことができるのに対し、空気ブレーキ システムでは騒音が大きく複雑なコンプレッサーが必要になることです。

しかし、同じサイズのブレーキシリンダーであれば、空気ブレーキは真空ブレーキよりはるかに効果的です。空気ブレーキコンプレッサーは通常、90  psi (620  kPa、6.2  bar ) の圧力を生成できますが、真空の場合はわずか 15 psi (100 kPa、1.0 bar) です。真空システムでは、最大圧力差は大気圧です (海面で 14.7 psi または 101 kPa または 1.01 bar、標高ではそれ以下)。したがって、空気ブレーキシステムでは、同じブレーキ力を生成するために真空システムよりはるかに小さなブレーキシリンダーを使用できます。空気ブレーキのこの利点は、標高の高い場所では増大します。たとえば、ペルーやスイスでは、現在、二次鉄道で真空ブレーキが使用されています。空気ブレーキのはるかに高い有効性と蒸気機関車の廃止により、空気ブレーキが普及しましたが、真空ブレーキはインド、アルゼンチン、南アフリカではまだ使用されていますが、近い将来に減少するでしょう。^[要出典] Jane's World Railwaysを参照。

2 つのシステムの視覚的な違いは、空気ブレーキが高圧で作動し、車両の端にある空気ホースの直径が小さいことと、真空ブレーキが低圧で作動し、車両の端にあるホースの直径が大きいことです。列車の最も外側の車両の空気ブレーキは、蛇口を使ってオフにします。列車の最も外側の車両の真空ブレーキは、真空パイプの開いた端が置かれた固定プラグ (「ダミー」) によって密閉されます。真空によってゴム製ワッシャーに対して密閉され、ブレーキ中に真空が低下したときにパイプを所定の位置に保持するためのピンが付いています。^{[20] [21]}

自動空気ブレーキの強化点の 1 つは、各貨車の空気貯蔵庫に空気を充填するために、列車に沿って 2 つ目の空気ホース (メイン貯蔵庫またはメイン ライン) を設置することです。この空気圧は、小麦貨車、石炭貨車、バラスト貨車の積み込みドアと積み下ろしドアの操作にも使用できます。客車では、メイン貯蔵管はドアとエア サスペンションの操作に空気を供給するためにも使用されます。

逆圧ブレーキは、駆動シリンダーを使用して機関車をブレーキするタイプの蒸気機関車ブレーキです。ブレーキは、シリンダーを空気圧縮機として使用し、運動エネルギーを熱に変換することによって機能します。

電気機関車とディーゼル電気機関車に共通する機能はダイナミックブレーキです。これは、通常は車輪を回転させる電気モーターを発電機として使用して作動し、列車の速度を落とします。

渦電流ブレーキは、渦電流を発生させて運動エネルギーを熱として放散させること で、列車を減速または停止させます。

高性能のEPブレーキは、列車のすべてのブレーキ リザーバーに空気を供給する「メイン リザーバー パイプ」を使用し、ブレーキ バルブは 3 線制御回路で電気的に制御されます。ワイヤが切断されると、ブレーキが自動的に作動するため、他のブレーキ システムのフェイルセーフ性が維持されます。これにより、列車のクラスに応じて 4 ～ 7 段階のブレーキ レベルが提供されます。また、従来のシステムではブレーキを作動させる空気圧の変化が列車の後部に完全に伝わるまでに数秒から数十秒かかるのに対し、電気制御信号は列車のすべての車両に瞬時に効果的に伝わるため、ブレーキの適用が速くなります。ただし、このシステムはコストの問題から貨物列車には使用されていません。^[要出典]

電子制御空気ブレーキ（ECP）は、非常に長く重い貨物列車に対応するために20世紀後半にアメリカで開発されたもので、EPブレーキをさらに高度な制御で発展させたものです。また、各貨車のブレーキの動作に関する情報は、運転士のコントロールパネルに返されます。

ECP では、列車の先頭から最後尾まで、貨車から貨車へと電力および制御ラインが敷設されます。空気圧の変化は実際には配管の空気流抵抗によって制限されるかなり遅い速度で伝播しますが、電気制御信号は瞬時に効果的に伝播するため、すべての貨車のブレーキを同時に適用したり、前から後ろではなく後ろから前に適用したりできます。これにより、後ろの貨車が前の貨車を「押し出す」ことがなくなり、停止距離が短縮され、機器の摩耗が少なくなります。

北米では、New York Air Brake 社製とWabtec 社製の2 つの ECP ブレーキ ブランドが販売されています。これら 2 つのタイプは互換性があります。

ヘーベルラインブレーキは、ドイツで使用されている連続鉄道ブレーキで、機械ケーブルによって作動します。したがって、列車のブレーキは、ワインダーを使用して機関車から集中的に開始されます。これにより、車軸の回転を利用するサーボシステムの支援を受けて、ブレーキクリップが個々の貨車に適用されます。ケーブルが切れると、ブレーキは自動的に作動します。

蒸気ブレーキは、蒸気機関車とその炭水車用のブレーキの一種で、蒸気シリンダーがブレーキリンクに直接作用します。

貨車が常に同じ方向を向いている場合は、貨車間のブレーキ接続を簡素化できます。ただし、ターンテーブルや三角形の上で方向転換することが多い機関車の場合は例外となります。

2008 年に開通した新しいフォーテスキュー鉄道では、貨車はセットで運行されていますが、港のバルーン ループで方向が変わります。ECP 接続は片側のみで、一方向のみです。

ブレーキの欠陥や不適切な使用は列車の暴走につながる可能性があり、場合によっては列車事故を引き起こしています。

• ケベック州ラック・メガンティック脱線事故（2013年）では、無人駐車中の原油列車のサイドブレーキが不適切に設定され[ 22 ]、暴走した^タンク車が坂道を転がり落ち、町の中心部のカーブでスピードを出し過ぎたために脱線し、500万リットル（110万英ガロン、130万米ガロン）の石油が流出して火災が発生し、47人が死亡した。
• コンゴ民主共和国カナンガ西部（2007年）– 100人死亡。^[23]
• イガンドゥ列車事故、タンザニア（2002年） – 後ろ向きに暴走 – 281人死亡。
• テンガ鉄道事故、モザンビーク（2002年） – 後ろ向きに暴走 – 192人死亡。
• カリフォルニア州サンバーナーディーノ列車事故（1989年） - 貨物列車のブレーキが故障し、住宅に衝突した。
• フランス、リヨン駅列車事故（1988年） – バルブが誤って閉じられ、暴走につながった。
• 列車183号事故、ベトナム（1982年） - 破壊工作により列車がバウカ駅付近で転覆、200人以上が死亡。
• チェスタージェネラル鉄道事故、英国（1972年） - 燃料列車のブレーキが故障し、停車中のディーゼル機関車に衝突
• チャペル・アン・ル・フリス、イギリス（1957年） - 蒸気管が破損し、乗組員がブレーキをかけることができなくなった。
• フェデラル エクスプレスの列車事故、ワシントン DC のユニオン駅 (1953 年) – 設計不良のバッファー プレートによってバルブが閉じられた。
• スペイン、トッレ・デル・ビエルソ鉄道事故（1944年） - 過積載の旅客列車のブレーキが故障し、トンネル内で別の列車と衝突。3番目の列車はそれに気付かず、同様に衝突した。
• サン・ミッシェル・ド・モリエンヌ脱線事故、フランス、1917年 – 3.3%の勾配で列車が暴走、19両のうち3両のみに空気ブレーキがかかっており、機関車は列車を規定速度以下に抑えることができず、700名が死亡。
• 北アイルランドのアーマー鉄道事故（1889年） - 後進的な暴走により法律の変更が行われた。
• オックスフォード、シップトン・オン・チャーウェル列車事故（1874年） – 客車の車輪の破損が原因。

• 
  ウガンダの機関車。連結部とタップの上に小さなエアブレーキホースが付いている。
• 
  ギリシャNGエアブレーキ、上部の細いホースとタップ

• Rane Group of Companies (Rane Brake Lining Limited)、チェンナイ、タミル・ナードゥ州、インド
• ウェスティングハウス・エア・ブレーキ・カンパニー（WABCO）、後のワブテック、米国
• フェヴレー交通、フランス^[25]
• クノールブレムゼ鉄道車両システム、ドイツ
• ウェスティングハウス・ブレーキ・アンド・シグナル・カンパニー（現在はクノール・ブレムゼの一部門）、英国
• ニューヨーク・エア・ブレーキ（現在はクノール・ブレムゼの一部門）、米国
• MTZトランスマッシュ、ロシア^[26]
• MZT HEPOS、マケドニア^[27]（現在はWabtecの一部門）
• 三菱電機、日本
• ナブテスコ（日本）^[28]
• デルナー、スウェーデン^[29]
• アフリンク、南アフリカ^[30]
• Hanning & Kahl GmbH LRT列車、油圧ブレーキおよび制御部品、ドイツ^[24]
• フォイト、ドイツ^[31]
• ユジンマシナリー株式会社、韓国^[32]

• 英国運輸委員会、ロンドン（1957：142）。鉄道蒸気機関車機関士ハンドブック

• マーシュ、GHとシャープ、AC 鉄道ブレーキの発展。第1部 1730-1880鉄道工学ジャーナル2(1) 1973, 46–53; 第2部 1880-1940 鉄道工学ジャーナル2(2) 1973, 32-42
• Winship, IR 『英国における鉄道への連続ブレーキの導入』技術史11 1986, 209–248。1850 年から 1900 年頃までの発展を網羅。

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