철도차량 제동장치의 조건 및 분류

□ 제동장치의 조건

제동은 열차속도 증가를 억제하거나 필요한 장소에 정차시킬 때에 사용된다. 열차를 계획대로 운전하기 위해서는 동력제어와 더불어 억속, 감속 또는 정지 등이 필요하므로 열차를 구성하는 각 차량에는 제동장치를 구비하고 있다. 열차의 제동장치로서 그 사명을 다하기 위하여는 다음과 같은 조건이 절대 필요하다.

 

1. 임의의 지점에 마음대로 정차시킬 수 있어야 할 것 (열차 또는 차량의 정지)

 

2. 신속하고 확실하게 정지시킬 수 있어야 할 것 (신속, 정확한 제동작용)

 

3. 운전 중 필요에 따라서는 마음대로 열차 또는 차량의 속도를 낮출 수 있어야 할 것 (속도의 감속)

 

4. 정지 중에 있는 열차 또는 차량에 대하여는 그 상태를 그대로 확보할 수 있어야 할 것 (유동방지)

 

 

□ 철도차량 제동장치의 분류

제동장치는 열차가 주행 중에 갖는 운동에너지를 다른 형태의 에너지로 변환시켜 제동의 목적을 달성하게 된다. 일반적으로 열차의 제동에는 제륜자를 차륜의 답면에 밀착시키는 형식이 주로 사용되며 이 형식의 제동은 운동에너지를 차륜과 제륜자 간의 마찰열로 흡수하며 이때 생기는 열을 대기중에 방산하게 되는데 이러한 제동을 마찰제동이라고 한다. 그리고 열차의 운동에너지를 일단 전기에너지로 변환시킨 후 저항체를 통하여 열로써 방산하거나 동력원에 공급하는 형식의 제동을 전기제동이라 한다. 제동장치는 열차의 고속화, 장대화 또는 경량화에 따라 안전성과 정확성이 요구되어 이에 적합하도록 발전을 거듭해 가고 있다.

 

1. 제동력의 발생방법에 의한 분류

가. 마찰제동

마찰제동의 원리는 제륜자를 차륜 또는 차축 회전방향과 반대방향으로 힘을 작용시켜 이 힘에 의하여 발생하는 마찰력을 이용하여 차량을 정지시키는 방식이다. 이것은 차륜과 레일간의 점착계수에 따라 결정되는 한계가 있어 점착 제동이라고도 한다.

 

나. 답면제동

일반적으로 철도차량에 가장 많이 사용되고 있는 것으로 제륜자를 차륜답면에 밀착시켜 제동을 체결하는 방식이다.

 

다. 디스크제동

제륜자를 차축에 부착된 디스크에 밀착시켜 그의 마찰력에 의해 차축에 제동력을 전달하는 방식이다.

 

라. 드럼제동

차축에 고정되어 있는 제동드럼을 내축 또는 외축에서 브레이크 라이닝을 확장하거나 조여 붙여 차축에 제동력을 발생하는 방식이다.

 

마. 레일제동

이 제동 방식은 제륜자를 직접 레일에 밀어 붙이거나 레일을 흡인하여 레일과 제륜자간의 마찰력을 이용하여 제동을 하는 것이다.

 

 

2. 제동의 원동력에 의한 분류

가. 공기제동

공기제동은 압력공기를 사용하여 제동력을 발휘하도록 만든 제동장치로써 직통공기제동, 전자직통제동, 자동공기제동, 전자자동공기제동장치로 구분된다.

1) 직통공기제동

직통 공기제동은 제동변과 제동통을 연락하는 직통관을 설치하고 제동변을 조작하면 주공기통의 압력공기가 제동통에 직접 송기되어 제동작용을 이룬다. 이것은 구조가 간단하고 작용이 확실하기 때문에 주로 단차 운전을 하는 차량에 사용된다.

2) 전자직통제동

열차가 고속화되고 편성량이 길어지게 되면서 직통관도 길어져서 제동작용이 둔화되기 때문에 앞에서 언급한 직통공기제동 방식을 그대로 채용할 수 없으나 편성된 각 차량에 전자변을 설치하고 제동변을 조작하면 이 전자변이 동작하여 직통관에 압력공기의 급･배기를 제어하도록 하면 단차의 경우와 같이 조작이 용이하고 동기적인 작용도 기대된다.

이와 같은 제동방식을 전자직통 공기제동장치라 한다. 그러나 이 방식은 전기 부분의 신뢰성이 높아야 실용이 가능하며 열차분리와 전기회로의 고장등에 의한 예기치 않은 사고에 대비하여 일반적으로 자동 공기제동장치를 병용하고 있다.

3) 자동공기제동

자동공기제동은 압력공기만으로 제동작용을 열차의 각 차량에 전달하여 제동력을 제어하는 방식으로서 장치가 간단하면서도 응답성도 비교적 좋으므로 각국의 철도에서 많이 사용되는 대표적인 제동장치라 할 수 있다. 선두차에서 전열차에 걸쳐 연결된 제동관이라 부르는 공기관을 통하여 각 차량에 설치된 보조공기통에 제동관과 동등한 압력의 공기를 충기시켜 놓는다.

제동제어는 선두차에서 자동제동변을 조작하여 제동관의 공기압력을 감압하므로서 아주 자유롭게 제동제어를 할 수 있을 뿐 아니라 제동 전달속도도 100～ 150 m/s 정도로 확보된다. 그리고 열차가 분리되었을 때는 제동관도 분리되어 자동적으로 제동이 작용이 이루어지는 등의 잇점이 있다.

최근에 개발된 제어변이 사용되고 있는 제동장치에서는 제동 전달 속도가 300m/s에 이르는 우수한 것도 있으며 고속 객차에 사용된다.

4) 전자자동 공기제동

자동 공기제동은 열차 편성 차량이 많으면 제동과 완해 작용이 신속하게 이루어지지 못할 뿐만 아니라 완해 직후에 반복하여 제동을 작용을 시켰을 때는 보조공기통 내에 충기가 완전하지 못하여 제동력이 현저히 저하되므로 제동을 자주 사용하는 열차에는 적합하지 못하다.

따라서 이것을 보완하기 위하며 전기적인 제어 방식에 의하여 각 차량에 설치된 전자변을 작동시켜 제동관에 대한 압력공기를 급･배기하므로서 제동과 완해를 신속하고 동시적으로 작용시킨다.

 

나. 전기제동

전기제동은 제동시에 견인전동기(주전동기)를 발전기와 같은 역할을 하도록 전환시켜 제동력을 발생하는 방식의 발전제동, 회생제동과 레일제동 및 와전류제동장치 등이 있다.

1) 발전제동

이 제동은 전기를 저항기에 공급하여 열로 발산하므로서 제동력을 발휘하는 것이며, 긴 하구배에서 타력 운전때 사용하는 억속제동과 속도를 낮추어야 할 때 사용하는 감속제동이 있다.

동력차에 장착되어 있는 견인전동기는 발전기와 구조가 같기 때문에 이 전동기(직류직권전동기의 특성활용)를 일시 발전기로 결선을 변경하여 운행중인 열차가 가지고 있는 운동에너지를 전기적에너지로 바꿔 소모시킴으로서 제동효과를 발휘하는 것으로, 이것은 견인전동기가 장치된 차량에만 가능하며 또한 열차 속도가 저속인 경우에는 운동에너지가 적어 소정의 효과를 발휘할 수 없어 열차의 감속용으로만 사용하여야 하는 단점이 있다.

2) 회생제동

이 제동은 제동시에 발전된 전력을 가공 전차선을 통하여 변전소 또는 다른 차량에 반환하는 방식으로서 에너지를 절약한다는 점에서도 바람직한 제동방식이라 할 수 있다.

기본원리는 발전제동과 같으나 이 제동방법을 사용하기 위하여는 전차선, 전압변환장치 및 주파수변환장치 등을 설치하여야하는 어려움이 있다.

 

다. 레일제동

자기력을 이용한 제동방법으로 레일과 차량에 서로 반대되는 극성을 가진 자기력을 발생시키도록 함으로서 레일이 차량을 끌어 당기도록 하여 제동효과를 발생시키는 제동장치이다.

 

라. 와류제동

레일제동과 유사한 방법이나 이것은 궤도의 궤간에 별도의 와류 발생장치를 설치하여 자력선에 의한 와류를 일으켜 제동효과를 발생시키는 장치이다.

 

마. 수용제동(hand brake)

열차의 정지제동을 목적으로 하는 것이 아니고 정차중인 차량의 전동방지용으로 설치한 것이며 원시적인 제동방법이다. 이 제동은 정지되어 있는 차량이 스스로 움직이는 것을 방지하거나 저속으로 주행하는 차량을 정차시키기 위하여 인력으로 작동되는 제동장치이다. 인력으로 핸들을 조작하여 제동레버의 작용으로 브레이크 슈우를 차륜에 밀어붙여 제동이 작용하게 되며, 일반적으로 철도 차량에는 수용제동 장치를 구비하고 있다.

 

바. 컨버터 제동

이 제동은 운동에너지를 기계적 마찰 이외의 수단에 의하여 열로 변환시켜 제동력을 발생하는 것으로서, 액체식 디젤동차에서 토오크 컨버터를 통하여 에너지를 흡수하는 방식으로, 디젤기관의 엔진 브레이크와 함께 억속용으로 사용되고 있으나 제동에너지가 크지 못하다.