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鉄道ブレーキは、鉄道車両の減速、加速（下り坂時）の制御、停車時の静止などを可能にするために使用されるブレーキの一種です。基本的な原理は道路車両の場合と似ていますが、連結された複数の車両を制御する必要があり、原動機のない車両でも効果を発揮する必要があるため、動作特性はより複雑です。クランプブレーキは、歴史的に鉄道で使用されてきたブレーキの一種です。
鉄道黎明期には、ブレーキ技術は原始的でした。初期の列車では、機関車の炭水車と列車内の車両にブレーキが装備されており、そこで「ポーター」または米国ではブレーキマンと呼ばれる係員が、その目的のために車両に乗り込みブレーキを操作していました。一部の鉄道では、ポーターにブレーキをかける必要があることを知らせるために、機関車に特別な低音のブレーキホイッスルを取り付けていました。この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にねじとリンク機構を作動させることで作動し、車両が停車しているときにも使用できました。初期の頃、ポーターは車両の外にある粗末な小屋で移動していましたが、乗客車両内に乗り込み、持ち場にあるブレーキホイールを操作できる「補助車掌」が彼らに取って代わりました。制動力は限られており、また信頼性も低かった。なぜなら、警備員によるブレーキ操作は、彼らがブレーキの合図の笛を聞き取り、素早く反応することに依存していたからである。[ 1 ]
初期の発展の一つとして、蒸気ブレーキが機関車に採用された。これは、ボイラーの圧力を機関車の車輪にあるブレーキブロックに加える仕組みだった。列車の速度が上がるにつれて、運転士が瞬時に作動・解除できる、より強力なブレーキシステムが不可欠となった。これは、列車の全長にわたって継続的に効くことから、連続ブレーキと呼ばれた。
英国では、 1876年1月に発生したアボッツ・リプトン鉄道事故は、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。この停止距離は、悪条件下では、位置決め信号で想定され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行われた鉄道ブレーキの試験から明らかになったもので、当時鉄道事故を検討していた王立委員会を支援するためのものであった。当時の鉄道関係者の言葉を借りれば、
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、最速の特急列車の通常の走行速度よりもはるかに低いものです。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・リプトンが報告した後に行われた試験では、関係する条件（例えば、200分の1の下り坂だが、好条件でのブレーキはなし）にほぼ一致する急行列車について、以下のことが報告された。[ 2 ]
しかし、列車全体にわたって比較的均一な制動力を実現する必要性、そして走行中に頻繁に車両を追加・削除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存在しなかった。（当時、ユニットトレインは稀な存在だった。）
主な解決策の種類は以下のとおりです。
注：これらのシステムにはすべて、数多くの派生型や発展型が存在します。
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制動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、他の理由から[ 15 ]、英国の鉄道では一般的に真空システムが採用されました。
イギリスでは、1930年頃までは旅客列車のみに連続ブレーキが装備されていました。貨物列車や鉱石列車は低速で走行し、機関車と炭水車、そして列車の最後尾に設置され車掌が乗る大型車両であるブレーキ車の制動力に頼っていました。
貨物車両や鉱石運搬車両には、地上の係員が操作する手動レバーで操作する手動ブレーキが装備されていました。これらの手動ブレーキは、車両が停車しているときだけでなく、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、車掌が前に歩いてブレーキのハンドルを「固定」し、下降中はブレーキが部分的に作動するようにしました。初期の貨物車両にはブレーキハンドルが片側のみにありました。しかし、1930年頃からは貨物車両の両側にブレーキハンドルが必要になりました。手動ブレーキ付きの車両を含む列車は「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、連続ブレーキを備えた貨物車両が機関車の隣に連結され、非装備の列車よりも高速で走行するのに十分な制動力を備えた、半装備列車が導入されました。 1952年1月の試験では、52両編成、850トンの石炭列車が127マイル（204km ）を平均時速38マイル（61km /h）で走行した。これは、装備のない貨物列車のミッドランド本線での通常の最高速度である時速25マイル（40km /h）と比較したものである。[ 16 ] 1952年には、開放型貨車の14%、有蓋貨車の55%、家畜運搬車の80%に真空ブレーキが装備されていた。[ 17 ]
ディーゼル機関車の初期の頃は、ブレーキ装置のない列車を牽引する際の制動力を高めるため、専用のブレーキテンダーが機関車に取り付けられていた。ブレーキテンダーは低い位置に設置されていたため、ブレーキテンダーが機関車の前方に押し出された場合でも、運転士は前方の線路や信号を確認することができた。実際、そのような状況は頻繁に発生していた。
1878年までに、さまざまな国でブレーキシステムに関する特許が105件以上あったが、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、制動はより重要な問題となった。19 世紀後半には、大幅に改良された連続ブレーキが登場し始めた。最も初期の連続ブレーキはチェーンブレーキ[ 19 ]で 、列車の全長にわたって張られたチェーンを使用して、すべての車両のブレーキを同時に作動させた。
チェーンブレーキはすぐに 空気圧式または真空式ブレーキに取って代わられた。これらのブレーキは、列車のすべての車両をホースで接続し、運転士が機関車内の単一のバルブでブレーキをかけたり解除したりすることができた。
これらの連続ブレーキは、単純なものと自動式のものがあり、その本質的な違いは、列車が二つに分断された場合にどうなるかという点にある。単純なブレーキでは、ブレーキをかけるには圧力をかける必要があり、何らかの理由で連続ブレーキホースが破損すると、すべての制動力が失われる。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、本当に深刻な事態が発生した場合には全く役に立たない。
一方、自動ブレーキは、各車両に搭載されたリザーバーに空気圧または真空圧をかけてブレーキを解除し、列車の配管内の圧力/真空が失われた場合にブレーキを作動させます。そのため、自動ブレーキは基本的に「フェイルセーフ」ですが、ホースのバルブの閉じ方が不適切だと、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。
標準的なウェスティングハウス製空気ブレーキには、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ており、空気圧をわずかに低下させるだけでブレーキを完全に作動させることができ、すべての圧力が大気中に放出されないため、ブレーキ解除にかかる時間を短縮できます。
非自動ブレーキは、機関車や先頭の数両の貨車において依然として重要な役割を果たしており、自動ブレーキを作動させることなく列車全体を制御するために使用できる。
これは鉄道用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記載しています。
ほとんどの牽引車、客車、および一部の貨車には、手動式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。このブレーキを作動させると、空気ブレーキとは独立して車輪の回転が防止されるため、停車中の貨車や客車が意図せず動くのを防ぐのに適しています。空気ブレーキはコンプレッサーが作動していないと保持力が維持できないため、この目的には機械式ブレーキのみを使用できます。
2種類あります。車両に搭載して操作できるハンドブレーキは、まず車両が転がり出ないようにするため、次に特定の入換作業の速度を調整したり、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。通常はスクリュー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客車内、通常は入口エリアから操作します。UICの貨車では、このブレーキウェイトは白で囲まれています（ブレーキの刻印の他の部分と同じ白、または白または明るい色の背景に黒）。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。
手動式パーキングブレーキは、静止した鉄道車両が転がり出ないように固定する用途にのみ適しています。手動式またはバネ式のブレーキとして設計できます。
ラック式鉄道の車両には、方向に応じて作動するラチェット式ブレーキがよく用いられます。このブレーキは下り坂でのみ作動し、上り坂で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、列車の後退を防ぎます。
20世紀初頭、イギリスの多くの鉄道では、世界の他の地域で広く用いられていた空気ブレーキではなく、真空ブレーキが採用されていた。真空ブレーキの主な利点は、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点である。一方、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となる。
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もはるかに効果的に使用できます。空気ブレーキコンプレッサーは通常、90 psi (620 kPa 、6.2 bar )の圧力を発生させることができますが、真空の場合はわずか15 psi (100 kPa、1.0 bar)です。真空システムの場合、最大圧力差は大気圧 (海面で14.7 psi、101 kPa、1.01 bar、高地ではそれ以下) です。したがって、空気ブレーキシステムは、同じ制動力を発生させるために、真空システムよりも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、高地でさらに大きくなります。例えば、ペルーやスイスでは、現在でも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衰退により、空気ブレーキは広く普及しましたが、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、近い将来には減少していくでしょう。ジェーンズ・ワールド・レイルウェイズを参照してください。
2 つのシステムの視覚的な違いは、高圧で作動する空気ブレーキと、車両の両端にある空気ホースの直径が小さい真空ブレーキで示されます。真空ブレーキは低圧で作動し、車両の両端にあるホースの直径が大きくなっています。列車の最外側の車両の空気ブレーキは、コックを使用してオフにします。列車の最外側の車両の真空ブレーキは、真空パイプの開口部が配置される固定プラグ (「ダミー」) によって密閉されます。真空によってゴムワッシャーに密着し、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あります。[ 20 ] [ 21 ]
自動空気ブレーキの改良点の一つとして 、列車に沿って2本目の空気ホース（メインリザーバーまたはメインライン）を設置し、各車両の空気リザーバーに空気を補充する仕組みが挙げられます。この空気圧は、小麦貨車や石炭・バラスト貨車の積み下ろし扉の開閉にも使用できます。客車の場合、メインリザーバーパイプは、扉や空気サスペンションの作動に必要な空気供給にも使用されます。
カウンタープレッシャーブレーキは、駆動シリンダーを用いて蒸気機関車を制動するタイプのブレーキである。このブレーキは、シリンダーを空気圧縮機として利用し、運動エネルギーを熱エネルギーに変換することで作動する。
電気機関車とディーゼル電気機関車に共通する機能として、ダイナミックブレーキがあります。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利用することで、列車の速度を落とす仕組みです。
渦電流ブレーキは、渦電流を発生させることで列車の運動エネルギーを熱として放散させ、列車の速度を落としたり停止させたりする。
高性能なEPブレーキは、「メインリザーバーパイプ」と呼ばれる管を通して列車のすべてのブレーキリザーバーに空気を供給し、ブレーキバルブは3線式制御回路で電気的に制御されます。配線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機能が維持されます。このシステムは、列車のクラスに応じて4～7段階の制動レベルを提供します。また、電気制御信号が列車内のすべての車両にほぼ瞬時に伝達されるため、ブレーキの作動が速くなります。一方、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最後尾まで完全に伝わるまでに数秒から数十秒かかる場合があります。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。
電子制御式空気ブレーキ（ECP）は、20世紀後半にアメリカで開発された、非常に長くて重い貨物列車に対応するためのもので、EPブレーキをさらに高度な制御レベルに発展させたものです。さらに、各貨車のブレーキ作動状況に関する情報が運転士の操作パネルにフィードバックされます。
ECPでは、列車の先頭から最後尾まで、車両間を電力と制御のための配線が敷設されます。電気制御信号は、配管の空気抵抗によって伝播速度が制限される空気圧の変化とは異なり、実質的に瞬時に伝達されます。そのため、すべての車両のブレーキを同時に作動させることができ、さらには先頭から後方へではなく、後方へブレーキをかけることも可能です。これにより、後部の車両が先頭の車両を「押し出す」ことを防ぎ、制動距離の短縮と機器の摩耗軽減につながります。
北米では、ECPブレーキには2つのブランドがあり、1つはNew York Air Brake社製、もう1つはWabtec社製です。これら2つのタイプは互換性があります。
ヘーバーラインブレーキは、ドイツで使用されている連続式鉄道ブレーキで、機械式ケーブルによって作動します。列車の制動は、機関車から巻き上げ機を用いて中央で開始されます。これにより、車軸の回転を利用したサーボシステムによって、各貨車にブレーキクリップが取り付けられます。ケーブルが切断された場合は、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に用いられるブレーキの一種で、蒸気シリンダーがブレーキリンク機構に直接作用する仕組みになっている。
貨車が常に同じ方向を向いている場合、貨車間のブレーキ接続は簡素化される可能性がある。ただし、転車台や三角台の上で方向転換することが多い機関車は例外となる。
2008年に開通したフォーテスキュー鉄道線では、貨車は編成単位で運行されるが、港のバルーンループで進行方向が変わる。ECP接続は片側のみで、一方向のみの運行となる。
ブレーキの不具合や不適切な操作は、列車の暴走につながる可能性があり、実際に列車事故を引き起こした事例もある。
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