鉄道空気ブレーキ

鉄道空気ブレーキは、圧縮空気を作動媒体とする鉄道ブレーキ動力ブレーキシステムです。 ^[1]現代の列車は、1869年4月13日にジョージ・ウェスティングハウスが特許を取得した設計に基づくフェイルセーフ空気ブレーキシステムに依存しています。 ^[2]その後、ウェスティングハウスの発明品を製造および販売するために、 ウェスティングハウス空気ブレーキ会社が設立されました。さまざまな形で、ほぼ普遍的に採用されています。

ウェスティングハウスのシステムは、空気圧を利用して各車両の空気貯蔵タンクに空気を充填します。空気圧が最大になると、各車両のブレーキが解除されます。その後、空気圧が低下すると、各車両は貯蔵タンクに蓄えられた圧縮空気を使用してブレーキをかけます。^[3]

空気ブレーキの最も単純な形式はストレートエアシステムと呼ばれ、圧縮空気がシリンダー内のピストンを押します。ピストンは機械的連結部を介してブレーキシューに接続され、ブレーキシューが列車の車輪にこすれ、その摩擦を利用して列車を減速します。機械的連結部は、1 つの加圧空気シリンダーから 8 つまたは 12 個の車輪に力を均等に分配するため、非常に複雑になることがあります。

圧縮空気は機関車の空気圧縮機から供給され、各車両の下のパイプと車両間のホースで構成された線路によって車両から車両へと送られます。ストレートエアブレーキシステムの主な問題は、ホースとパイプの間に隙間があると空気圧が失われ、ブレーキをかける力が失われることです。これにより、列車が暴走する可能性があります。ストレートエアブレーキは今でも機関車で使用されていますが、通常は各台車（台車）に独自の回路がある 二重回路システムです。

ウェスティングハウスは、ストレートエアシステムの欠点を解消するシステムを設計するために、鉄道車両の各部分に空気貯蔵庫とトリプルバルブ（制御弁とも呼ばれる）を装備したシステムを発明しました。^[4]

ストレートエアシステムとは異なり、ウェスティングハウスシステムは、列車線路内の空気圧の低下を利用して間接的にブレーキをかけます。

トリプル バルブは、3 つの機能を果たすことからそのように名付けられました。空気タンクに空気を送り込み、ブレーキをかけ、ブレーキを解除します。その際に、他の特定の動作をサポートします (つまり、ブレーキの適用を「保持」または維持し、ブレーキ解除中にブレーキ シリンダー圧力を排出してリザーバーを再充填します)。特許出願では、ウェスティングハウスは、この装置が 3 つのバルブ部品 (ブレーキ シリンダーにリザーバー空気を送るダイヤフラム操作のポペットバルブ、リザーバー充填バルブ、ブレーキ シリンダー解放バルブ) で構成されていることを踏まえて「トリプル バルブ装置」と呼んでいます。ウェスティングハウスはすぐに、ポペット バルブの動作をなくして装置​​を改良しました。この 3 つの部品は、ピストン バルブ、スライド バルブ、および段階的バルブになりました。

• 列車線路の圧力がリザーバーの圧力より低い場合、ブレーキ シリンダーの排気口が閉じられ、車両のリザーバーから空気がブレーキ シリンダーに送り込まれます。シリンダー内の圧力が上昇してブレーキがかかり、リザーバー内の圧力は下がります。この動作は、ブレーキ パイプの圧力とリザーバーの圧力が均衡するまで続きます。均衡が取れた時点で、リザーバーからブレーキ シリンダーへの空気の流れが遮断され^{[説明が必要]}、シリンダーは一定の圧力に維持されます。
• トレインラインの圧力がリザーバーの圧力よりも高い場合、トリプルバルブがトレインラインをリザーバーフィードに接続し、リザーバー内の空気圧が上昇します。また、トリプルバルブによりブレーキシリンダーが大気中に排出され、ブレーキが解除されます。
• 列車線路の圧力とリザーバーの圧力が等しくなると、トリプルバルブが閉じてリザーバー内の空気が密閉され、ブレーキシリンダーは加圧されなくなります。

機関士が機関車のブレーキ バルブを操作してブレーキをかけると、列車ラインが制御された速度で大気中に放出され、列車ラインの圧力が低下し、各車両の 3 連バルブが作動してブレーキ シリンダーに空気が送り込まれます。機関士がブレーキを解除すると、機関車のブレーキ バルブの大気への入り口が閉じられ、機関車のコンプレッサーによって列車ラインが再充填されます。その後列車ラインの圧力が上昇すると、各車両の 3 連バルブがブレーキ シリンダーの内容物を大気中に放出し、ブレーキが解除されてリザーバーが再充填されます。

ウェスティングハウスのシステムは、このようにフェイルセーフです。列車の分離（「2つに分かれる」）を含む線路のあらゆる故障により、線路圧力が失われ、ブレーキが作動して列車が停止し、列車の暴走が防止されます。

現代の空気ブレーキ システムには 2 つの機能があります。

• サービスブレーキは、通常の操作中にブレーキをかけたり解除したりします。
• 緊急ブレーキは、ブレーキパイプの故障時や、機関士または乗客の緊急警報/コード/ハンドルによる緊急操作の際に、ブレーキを急速に作動させます。

通常運転中に列車ブレーキが作動すると、機関士は「サービス アプリケーション」または「サービス レートの低下」を行います。これは、ブレーキ パイプの圧力が制御された速度で低下することを意味します。ブレーキ パイプの圧力が低下するには数秒かかり、その結果、列車全体にブレーキが作動するまでに数秒かかります。サービス低下中の圧力変化の速度は、列車の全長にわたって比較的小径のパイプと多数のエルボの流動抵抗、および先頭機関車の比較的小さな排気口を克服する圧縮空気の能力によって制限されます。つまり、最後尾の車両のブレーキは、最後尾の車両のブレーキが作動してからしばらくしてから作動するため、ある程度の緩み慣らし運転が予想されます。ブレーキ パイプの圧力を徐々に低下させることで、この影響が緩和されます。

現代の機関車は 2 つの空気ブレーキ システムを採用しています。ブレーキ パイプを制御するシステムは自動ブレーキと呼ばれ、列車全体のサービス ブレーキと緊急ブレーキの制御を行います。列車の先頭 (「先導編成」) の機関車には、独立ブレーキと呼ばれる 2 番目のシステムがあります。 独立ブレーキは「ストレート エア」システムで、自動ブレーキとは独立して列車の先頭の機関車編成にブレーキをかけ、よりきめ細かな列車制御を可能にします。2 つのブレーキ システムは、機関車製造者または鉄道会社の好みによって、異なる方法で相互作用する場合があります。一部のシステムでは、自動ブレーキと独立ブレーキが加算されます。一部のシステムでは、2 つのうち大きい方が機関車編成に適用されます。独立システムには、先頭の機関車のブレーキを解除するベイル オフメカニズムも備わっています。これは、列車の残りの部分のブレーキの適用に影響を与えません。

列車が緊急停止する必要がある場合、機関士は「緊急ブレーキ」をかけることができます。これにより、ブレーキ管の圧力がすべて大気中に急速に放出され、列車のブレーキがより速く作動します。ブレーキ管の完全性が失われた場合にも、すべての空気が直ちに大気中に放出されるため、緊急ブレーキがかかります。

緊急ブレーキをかけると、各車両のエアブレーキ システムの追加コンポーネントが作動します。トリプル バルブは 2 つの部分に分かれています。サービス セクションには、サービス削減中にブレーキをかけるときに使用するメカニズムが含まれており、緊急セクションには、列車線路圧力のより急速な緊急削減を感知します。さらに、各車両のエアブレーキ リザーバーは、サービス部分と緊急部分の 2 つのセクションに分かれており、「デュアル コンパートメント リザーバー」と呼ばれています。通常のサービス アプリケーションでは、サービス セクションからブレーキ シリンダーに空気圧が転送されますが、緊急アプリケーションでは、トリプル バルブによってデュアル コンパートメント リザーバーの両方のセクションのすべての空気がブレーキ シリンダーに送られ、20 ～ 30 パーセント強力に作用します。

各トリプルバルブの緊急部分は、ブレーキ管圧力のより高い低下率によって作動します。^[方法]列車が長く、ブレーキ管の直径が小さいため、低下率は列車の先頭近く (機関士が緊急作動を開始した場合) またはブレーキ管の破損近く (ブレーキ管の完全性が失われた場合) で最も高くなります。緊急作動の発生源から離れるほど、低下率は、トリプルバルブが緊急低下として作動を検知しないレベルまで低下する可能性があります。これを防ぐために、各トリプルバルブの緊急部分には補助ベントポートが含まれており、緊急作動によって作動すると、ブレーキ管の圧力が局所的に大気に直接放出されます。これにより、ブレーキ管のベントがより迅速に行われ、列車の全長にわたって緊急低下率が伝播するのが速まります。

分散電源（列車の中間および/または最後尾にある遠隔制御の機関車ユニット）を使用すると、長い列車で発生するタイムラグの問題がいくらか緩和されます。これは、先頭の機関車の機関士からの遠隔無線信号が、遠くのユニットにブレーキ圧力の低下を開始するよう指示し、それが近くの車両に素早く伝播するためです。

現代の多くのエアブレーキシステムでは、トリプルバルブの代わりにディストリビューター^{[説明が必要]}が使用されています。これらはトリプルバルブと同じ機能を果たしますが、ブレーキを部分的に解除する機能などの追加機能があります。^[6]

機関車の空気圧縮機は通常、主リザーバに 125～140 psi (8.6～9.7 bar; 860～970 kPa) の空気を充填します。列車のブレーキは、機関士の自動ブレーキバルブを介して、減圧および調整された主リザーバの空気圧をブレーキパイプに送り込むことで解除されます。アメリカでは、完全に充填されたブレーキパイプは通常、貨物列車では 90 psi (6.2 bar; 620 kPa)、旅客列車では 110 psi (7.6 bar; 760 kPa) で作動します。^[7]機関士が自動ブレーキハンドルを「サービス」位置に動かすとブレーキが作動し、ブレーキパイプの圧力が低下します。

通常の使用中、ブレーキ管内の圧力がゼロになることはなく、実際、ブレーキ管圧力を節約するために、十分なブレーキ応答を引き起こす最小の圧力低下が使用されています。ブレーキ管の完全性の喪失（例：ホースの破裂）、列車が2つに分かれてエアホースが外れること、または機関士が自動ブレーキ弁を緊急位置に動かすことによって引き起こされる突然の大幅な圧力低下は、緊急ブレーキを適用します。^[8] 一方、空気圧縮機が作動しておらず、メインリザーバ圧力を維持できない場合に発生する可能性のある、ブレーキ管圧力を徐々にゼロに低下させるゆっくりとした漏れでは、緊急ブレーキを適用しません。

電空ブレーキ（EPブレーキ）は、空気ブレーキの一種で、列車全体に順次ブレーキをかけるのではなく、即座にブレーキをかけることができます。EPブレーキは1949年からイギリスで使用されており、1980年代後半からはドイツの高速列車（最も有名なのはICE）でも使用されています。詳細は「イギリスの鉄道列車の電空ブレーキシステム」で説明されています。2005年時点で^[update]、電空ブレーキは北米と南アフリカで、自社サービスの鉱石列車と石炭列車で試験中でした。

旅客列車には長い間、最大 7 段階のブレーキ力を発揮する 3 線式の電空ブレーキが搭載されてきました。

北米では、ウェスティングハウス エア ブレーキ カンパニーが、第二次世界大戦後の流線型旅客列車向けに高速制御ブレーキ装置を供給しました。これは、従来の D-22 旅客ブレーキ装置と 24-RL 機関車ブレーキ装置に電気制御オーバーレイされたものでした。従来のブレーキ装置では、制御バルブがボリューム内の基準圧力を設定し、リレー バルブを介してブレーキ シリンダー圧力を設定します。電気ブレーキ装置では、2 番目のストレート エア トレインラインからの圧力が双方向チェック バルブを介してリレー バルブを制御します。この「ストレート エア」トレインラインは、各車両のリザーバーから充電され、各車両のマグネット バルブによって放出されます。マグネット バルブは 3 線式トレインラインによって電気的に制御され、制御機関車の電空マスター コントローラによって制御されます。この制御装置は、直通空気列車ラインの圧力と機関士のバルブの自動ラッピング部分から供給される圧力を比較し、列車内のすべての「適用」または「解放」マグネットバルブに同時に開くように信号を送り、機関車から直接空気を供給するだけの場合よりもはるかに迅速かつ均一に直通空気列車ラインの圧力を変化させます。リレーバルブには、4 つのダイヤフラム、マグネットバルブ、電気制御装置、車軸に取り付けられた速度センサーが装備されており、速度が 60 mph (97 km/h) を超えると完全なブレーキ力が適用され、60、40、20 mph (97、64、32 km/h) で段階的にブレーキ力が低減され、列車は緩やかに停止します。各車軸にはアンチロックブレーキ装置も装備されていました。この組み合わせによりブレーキ距離が最小限に抑えられ、停止間の全速走行が可能になりました。システムの直通空気（電空列車線路）、アンチロック、速度段階部分は互いに依存せず、これらのオプションのいずれかまたはすべてを個別に供給することができました。^[9]

最近のシステムでは、自動空気ブレーキの代わりに、列車全体を円状に巡る電線が採用され、ブレーキを効かなくするためには常に通電しておく必要があります。英国では、これは列車電線と呼ばれています。この電線は、コンプレッサー、ブレーキパイプ、エアリザーバーなどの重要な部品を監視するさまざまな「調速機」（空気圧で作動するスイッチ）に配線されています。列車が分断すると、電線が切断され、すべてのモーターが停止し、列車の両方の部分に緊急ブレーキが直ちにかかります。

最近の技術革新は、電子制御空気ブレーキです。これは、すべての貨車と機関車のブレーキが一種のローカル エリア ネットワークで接続され、各貨車のブレーキを個別に制御し、各貨車のブレーキの性能を報告することを可能にします。

ウェスティングハウスの空気ブレーキシステムは非常に信頼性が高いが、絶対確実というわけではない。車両のリザーバーは、ブレーキパイプの圧力がリザーバーの圧力よりも高い場合にのみ再充填される。長い列車のリザーバーを完全に再充填するにはかなりの時間（場合によっては8～10分^[10]）が必要であり、その間、ブレーキパイプの圧力は機関車のリザーバーの圧力よりも低くなる。

再充填が完了する前にブレーキをかけなければならない場合、システムはより低い平衡点（より低い全体圧力）から始まるため、望ましいブレーキ力を得るためには、より大きなブレーキ パイプの縮小が必要になります。短期間に何度もブレーキ パイプの縮小が行われると（鉄道用語で「ブレーキを扇ぐ」）、車両のリザーバ圧力が著しく低下し、ブレーキ シリンダーのピストン力が大幅に低下してブレーキが効かなくなる場合があります。下り坂では、結果として暴走します。

リザーバの枯渇によりブレーキが効かなくなった場合、各車両のデュアル コンパートメント リザーバの緊急部分は完全に充填されているはずであり、通常のサービス削減の影響を受けないため、機関士は緊急ブレーキをかけることで制御を取り戻すことができます。トリプル バルブは、ブレーキ パイプの圧力低下率に基づいて緊急削減を検出します。したがって、十分な量の空気がブレーキ パイプから急速に排出される限り、各車両のトリプル バルブによって緊急ブレーキがかかります。ただし、ブレーキの使用回数が多すぎてブレーキ パイプの圧力が低すぎると、緊急ブレーキをかけてもトリプル バルブを作動させるのに十分な量の空気の流れが得られず、機関士は列車を停止できなくなります。

ブレーキ圧の喪失による暴走を防ぐために、ダイナミック（レオスタティック）ブレーキを使用して、機関車が列車の減速を補助します。多くの場合、ダイナミックブレーキとトレインブレーキを同時に適用するブレンドブレーキを使用して、安全な速度を維持し、下り坂でたるみを寄せ付けないようにします。サービスブレーキとダイナミックブレーキを解除するときは、列車のたるみが突然なくなることで牽引装置が損傷しないように注意する必要があります。

ブレーキ圧力の損失に対するもう 1 つの解決策は、機関車牽引の客車や多くの貨車に装備されている 2 パイプ システムです。従来のブレーキ パイプに加えて、この強化により、機関車のメイン リザーバーから直接継続的に空気が充填されるメイン リザーバーパイプが追加されます。メイン リザーバーは、機関車の空気圧縮機の出力が保存される場所であり、最終的には接続されたすべてのシステムの圧縮空気の供給源となります。

メイン リザーバ パイプは機関車によって常に加圧されているため、車両リザーバはブレーキ パイプとは独立して充填できます。これは、パイプへの逆流を防ぐチェック バルブを介して行われます。この配置により、前述の圧力損失の問題が軽減され、ブレーキ パイプは自身を再充填するだけで済むため、ブレーキの解除に必要な時間も短縮されます。

メイン リザーバ パイプの圧力は、空気圧ドア オペレーターやエア サスペンションなどの補助システムに空気を供給するためにも使用できます。ほぼすべての旅客列車 (すべて英国と米国) と多くの貨物列車には現在、2 パイプ システムが搭載されています。

各車両の両端にはアングルコックが取り付けられている。これらのバルブは列車線路からの空気を遮断し、連結ホースを排気して車両を切り離す。空気ブレーキは、機関車の前部と列車の最後部にあるアングルコックを除いて、アングルコックが開いている場合にのみ作動する。^[11]

エアブレーキは、アングルコックの 1 つが誤って閉じられると機能しなくなる可能性があります。この場合、閉じたコックの後ろにある貨車のブレーキは、運転手の指示に反応しません。これは、1953 年のペンシルバニア鉄道の列車事故で発生しました。この事故では、ペンシルバニア鉄道の旅客列車であるフェデラル エクスプレスがワシントン D.C.のワシントン ユニオン駅に向かっているときに暴走し、乗客用コンコースに衝突して床を突き抜けて転落しました。同様に、リヨン駅の鉄道事故では、乗務員が誤ってバルブを閉じたため、ブレーキ力が低下しました。

こうした事故を防ぐために、通常はさまざまな安全対策が講じられています。鉄道会社には、ヤードで列車を編成するときや途中で車両を回収するときに空気ブレーキ システムをテストするための、政府認定の厳格な手順があります。これには通常、空気ブレーキ ホースの接続、ブレーキ システムの充填、ブレーキの設定、ブレーキが効いているかどうかを確認するための車両の手動検査、次にブレーキを解除してブレーキが解除されているかどうかを確認するための車両の手動検査が含まれます。通常、手動検査または自動化された列車終端装置によって、列車の最後尾の車両に特別な注意が払われ、列車全体でブレーキ パイプの連続性があることを確認します。列車全体でブレーキ パイプの連続性がある場合、1 台以上の車両でブレーキが効いたり解除されたりしない場合は、車両のトリプル バルブが故障していることを示しています。空気テストの場所、利用可能な修理施設、列車内で許容される作動しないブレーキの数を規定する規則に応じて、車両は修理のために出発するか、修理できる次のターミナルに運ばれる場合があります。

エアブレーキ システムの故障 (エアブレーキ ホースの破損など) によりエアブレーキが予期せず作動すると、別の種類の事故が発生する可能性があります。この問題の例としては、1900 年 4 月 30 日にミシシッピ州ヴォーンのイリノイ中央鉄道本線でジョン ルーサー "ケイシー" ジョーンズが死亡した事故が挙げられます。

現代の空気ブレーキは、トリプルバルブの設計に若干の変更が加えられたため、オリジナルの空気ブレーキと同一ではありません。バージョン間で完全な互換性はなく、段階的に導入する必要があります。ただし、世界中の鉄道で使用されている基本的な空気ブレーキは、驚くほど互換性があります。

欧州のブレーキシステムは国によって異なりますが、動作原理はウェスティングハウスの空気ブレーキと同じです。国営鉄道網で使用される欧州の客車はTSI LOC&PAS規制に準拠する必要があり、^[12]セクション4.2.4.3ですべてのブレーキシステムがEN 14198:2004規格に準拠する必要があると規定されています。この規格は、多くの鉄道運営会社によって承認された文書であるUICリーフレット540に基づいており、それに沿っています。^[13] UICリーフレット540は、以下のブレーキシステムを明示的に承認しています。

• エリコンESG 121、ESH 100/200
• SAB-ワブコSW 4、C3WR、WU-C、GF4 SS1、GF4 SS2、GF6 SS1、GF6 SS2
• クノールKKL II、KE および類似品
• ダコCV1nD
• MZT HEPOS MH3f/HBG310 および類似品
• Bumar -ファブロックMBF-01A、MBF-01B、MBF-02
• Faiveley Transport SW4S および類似品、FT SS1 / FT SS2 および類似品
• ケシュワリ電子システム EDS 300

歴史的に、そして UIC 540 によれば、1927 年から 1932 年の間に技術的に承認されたシステムを、Westinghouse W ^[a]、Knorr K ^[b]、Kunze-Knorr、Drolshammer、Bozic、Hildebrand-Knorr などと区別しています。

蒸気機関車時代、イギリスの鉄道は真空ブレーキと空気ブレーキの2種類に分かれていたが、真空ブレーキは徐々に標準化されていった。ロンドン・ブライトン・アンド・サウスコースト鉄道などの機関車は真空ブレーキと空気ブレーキのどちらの列車でも運転できるよう、二重装備されていた。ディーゼル機関車時代になると、このプロセスは逆転し、イギリス鉄道は1960年代に真空ブレーキから空気ブレーキの車両に切り替えた。^[14]

• エアブレーキと部品
• 
  クンツェ・クノールブレーキシステム（図）
• 
  エリコンFV4a 列車ブレーキバルブ
• 
  ČD電気機械式Dako BSE列車バルブとDako BP機関車ブレーキバルブ
• 
  ロンドン・ブライトン・アンド・サウスコースト鉄道の機関車。3本のパイプに注目してください。1本は真空ブレーキ用、1本は空気ブレーキ用、もう1本は蒸気加熱用です。

空気ブレーキの主な競合製品は、負圧で作動する真空ブレーキです。真空ブレーキは空気ブレーキよりも少し単純です。蒸気機関車には空気圧縮機の代わりに可動部品のないエジェクターがあり、ディーゼル機関車や電気機関車には機械式または電気式の「エキゾースター」があります。車両の端にある切断タップは不要で、緩んだホースは取り付けブロックに吸い込まれます。

しかし、真空システムの最大圧力は大気圧に制限されるため、それを補うためにすべての装置がはるかに大きく重くならなければなりません。この欠点は、高高度ではさらに悪化します。真空ブレーキはブレーキの作動と解除にかなり時間がかかるため、運転手には高度なスキルと予測が求められます。逆に、真空ブレーキにはもともと段階的な解除が可能という利点がありましたが、ウェスティングハウスの自動空気ブレーキはもともと直接解除形式のみで、貨物サービスでは現在でも一般的でした。

真空ブレーキの主な欠点は、漏れを簡単に見つけられないことです。正圧空気システムでは、漏れは加圧空気の漏れによってすぐに見つかります。真空漏れの発見はより困難ですが、修理は簡単です。ゴム片（例えば）を漏れの周りに巻き付けるだけで、真空によってしっかりと固定されるからです。

南アフリカの電車では、電気真空ブレーキがかなりの成功を収めて使用されています。前述のように、より大きく重い装置を必要とするにもかかわらず、電気真空ブレーキの性能は現代の電気空気ブレーキに近づいています。しかし、電気真空ブレーキは再使用されていません。

• エアブレーキ（道路車両）  – 車両用摩擦ブレーキの種類
• 運転席ブレーキバルブ
• デュアルブレーキ
• グラッドハンドコネクタ – ブレーキ用の加圧空気を供給するホースに取り付けられたインターロックホースカップリング
• 鉄道踏面ブレーキ – 鉄道車両の部品Pages displaying short descriptions of redirect targets

• 空気ブレーキおよび列車操作マニュアル。著作権 2006 アラスカ鉄道株式会社
• 空気ブレーキおよび列車操作マニュアル。著作権 2003 BNSF Railway Company
• AARホイールダイナモメーター - ブレーキ: [1]
• 圧縮空気操作マニュアル、ISBN 0-07-147526-5、McGraw Hill Book Company 

情報

• 鉄道技術：空気ブレーキ
• ビル・ライヒ著『How Your Train Stops』1951年のイラスト付き記事