자동공기제동

3. 자동 브레이크 밸브

3. 1. 작동 위치

• 해제: 원 공기 탱크의 압축 공기(주로 890kPa)를 직접 브레이크 관 및 균형 공기 탱크에 채운다. 열차 브레이크를 급속히 해제하거나 브레이크 관 관통을 확인할 때 사용한다.
• 운전: 브레이크 관 및 균형 공기 탱크에 압축 공기(490kPa)를 채운다. 운전 중에는 항상 이 위치에 자변을 두고, 피견인 차량에 압축 공기를 채운다. 기관차 브레이크가 풀리려면 자변이 "운전" 위치에 있고, 단변(단독 브레이크 밸브)도 "운전" 위치에 있어야 한다.
• 유지: 기관차 브레이크를 유지한 채 브레이크 관에 압축 공기를 채워 피견인 차량 브레이크를 해제한다. 내리막길에서 기관차 브레이크를 남겨 속도를 억제하면서 주행하거나, 브레이크 해제 시 충격을 없애기 위해 사용한다.
• 제거: 브레이크 핸들을 착탈하기 위한 위치이다. 차량에 따라 겹침 위치를 제거 위치와 공용하기도 한다.
• 겹침: 브레이크 관 압력을 유지한다. 브레이크 관 감압도 증압도 하지 않는다. "상용 브레이크" 위치에서 감압 후 이 위치에 둔다. 차량 간 브레이크 관 연결 부분에서 약간의 공기가 새나가 실제로는 조금씩 브레이크가 강해진다. 이를 방지하기 위해 보충 제동을 한다.
• 상용 브레이크: 브레이크 관 공기를 대기 중으로 배출하여 관 내 압력을 낮춰 피견인 차량에 브레이크를 작용시킨다. 이 위치에 두는 시간에 따라 감압량, 즉 브레이크 힘이 달라진다.
• 비상 브레이크: 브레이크 관 압력을 급격하게 대기 중으로 배출하여 피견인 차량에 비상 브레이크를 작용시킨다. 즉시 정지해야 할 때 사용한다. M 삼동 밸브나 A 동작 밸브 등은 일반 보조 공기 탱크의 공기압 공급 외에, 부가 공기 탱크에 축적된 공기압을 바이패스 밸브 경유로 브레이크 실린더에 보내 상용 브레이크보다 더 큰 힘으로 브레이크를 작동시킨다. 브레이크 관 압력을 한꺼번에 방출하므로 "쉭" 하는 큰 소리가 난다. 상용 브레이크 사용 시보다 브레이크 관 내압이 크게 떨어지므로, 해제를 위한 가압에는 시간이 오래 걸린다.

4. 브레이크 제어 밸브

자동 공기 브레이크 시스템의 핵심 부품은 브레이크 제어 밸브이다. 제동관 압력 변화에 따라 브레이크 실린더에 공기압을 공급하거나 배출한다. 이 밸브는 지령 압력이 낮아지면 제어 압력이 높아지는 역비례 특성을 가진 유량 증폭 밸브의 일종으로, 삼동 밸브, 동작 밸브, 분배 밸브라고도 불린다.^[1]

제어 과정은 다음과 같다.

1. 제동관에 압축 공기(490kPa)를 상시 가압한다.

2. 제동 시 제동관 압력을 감압한다.

3. 브레이크 제어 밸브를 통해 브레이크 실린더에 압축 공기를 채운다.

이러한 제동 방식은 제동관을 통해 상시 공기압을 각 차량의 삼동 밸브에 공급하고, 각 차량의 보조 공기실(상용 브레이크용) 및 부가 공기실(비상 브레이크용)에 공기를 축압하여 브레이크 실린더 구동에 사용한다. 즉, 제어 및 지령 계통 공기 배관 1계통으로 동력 공급원을 겸하고, 상시 가압 상태에서 압력 저하를 통해 열차 분리 등의 비상 상황을 감지하며, 가압 공기가 빠지면 브레이크가 작동하는 페일 세이프(fail-safe) 기능을 구현한다.^[1]

브레이크 밸브로 직접 브레이크 관 압력을 제어하면 편성 길이에 따라 제동력에 차이가 발생할 수 있다. 이를 보완하기 위해 브레이크 밸브에 균형 공기실을 병설하여, 브레이크 밸브 조작 시간과 압력 저하 방식의 관계가 편성 길이에 영향을 덜 받도록 한다. 브레이크 관 압력은 균형 피스톤의 상하에 따른 토출 밸브 개폐를 통해 균형 공기실과 같은 압력으로 제어된다.^[1]

또한, 원 공기실 관(MRP 또는 MR관)을 편성 전체에 연결하여 빈번한 브레이크 조작에 따른 브레이크력 저하를 억제할 수 있다. 이 방식은 기관차에 견인되는 객차나 화차보다 가감속이 잦은 전동차나 기동차, 고속 운행 객화차에 사용된다.^[1]

브레이크 제어 밸브에는 크게 2압력식과 3압력식 두 종류가 있으며, 3압력식 제어 밸브가 점차 널리 사용되고 있다.

4. 1. 2압력식 제어 밸브

WABCO 이외의 일본에서 실용화된 이중 압력식 브레이크 제어 밸브는 다음과 같다.

4. 2. 3압력식 제어 밸브

• 브레이크 제어 밸브
• 기준 압력용 정압 공기 탱크
• 상용 브레이크와 비상 브레이크에 함께 사용할 수 있는 공급 공기 탱크
• 공기원인 원 공기 탱크

• 정상적인 운전 상태 (브레이크 밸브는 운전 위치): 브레이크관 (2)에 항상 압축 공기가 채워져 있으며, 이 공기는 밸브 (3)과 밸브 (5)를 통해 공급 공기 저장고 (1)와 정압 공기 저장고 (4)로도 보내진다.
• 브레이킹 시작 (브레이크 밸브는 상용 브레이크 또는 비상 브레이크 위치): 브레이크관 (2)의 압력이 감소하면 밸브 (3)과 밸브 (5)는 공급 공기 저장고 (1)과 정압 공기 저장고 (4)의 압력에 의해 차단된다. 정압 공기 저장고 (4)는 감압되기 전 브레이크관의 압력으로 유지되므로, 정압 공기 저장고에 연결된 (A)실과 브레이크관에 연결된 (B)실 사이에 압력 차이가 발생한다. (A)실과 (B)실 사이의 칸막이(그림의 굵은 선)는 막으로 되어 있으며, 이 막은 압력 차이에 의해 (B)실 쪽으로 부풀어 오른다. 막에는 중공축이 부착되어 있으며, 중공축이 (D)밸브를 밀어 (C)실과 공급 공기 저장고 사이가 열리고, (C)실을 통해 브레이크 실린더 (6)에 압축 공기가 공급된다. 이 상태는 (C)실의 대기압과 접한 막(굵은 검은 선)이 대기압 쪽으로 팽창하고, 축이 대기압 쪽으로 밀려 (D)밸브를 닫을 때까지 지속된다.
• 브레이크 힘을 유지 (브레이크 밸브는 중첩 위치): 브레이크관의 감압이 멈추고, 팽창된 (A)실 (팽창에 의해 감압)과 (B)실 (브레이크관은 감압 완료)의 균형이 유지되어, AB실 간의 막이 중립 상태로 돌아간다. 동시에 중공축도 (A)실 쪽으로 돌아가므로 (D)밸브가 차단되어 브레이크 실린더로의 압축 공기 공급이 차단된다. 또한 브레이크 실린더의 압력은 그대로 유지된다.
• 브레이크 힘을 약하게 (브레이크 밸브는 운전 또는 해제 위치): 브레이크관의 증압이 시작되어 (B)실 쪽의 압력이 높아지고, AB실 간의 막은 (A)실 쪽으로 부풀어 오른다. 동시에 중공축도 (A)실 쪽으로 움직인다. 이때, (D)밸브에 압착되어 있던 중공축이 (D)밸브로부터 떨어져, (C)실과 대기 사이의 통로가 형성된다. 따라서 브레이크 실린더 (6)의 압력은 대기로 개방되어 감압된다.

5. 셀프 랩 기구

WABCO에서 개발한 자동공기제동의 셀프 랩 기구는 브레이크 밸브의 개방 각도에 따라 브레이크관을 감압한다. 셀프 랩 기구의 브레이크 핸들에는 브레이크 노치가 새겨져 있으며, 이 개방도에 따라 제동력이 강해진다. 이러한 셀프 랩 기구의 채용으로 브레이크 조작이 간편해지고, 필요에 따라 제동력을 쉽게 확보할 수 있어 운전 시간 단축에도 기여한다.

일본에서는 DE10형 디젤 기관차에 채용되었고, 기동차의 고속화 및 브레이크 응답성 개선을 위해 KiHa90계에서 시험 제작된 후, KiHa181계에서 양산화되었다.

6. 전자기 자동 공기 브레이크

자동 공기 브레이크의 파생형인 전자기 자동 공기 브레이크는 공기압 명령식 자동 공기 브레이크에 전기 신호에 의한 감압 명령으로 작동하는 전자기 급배기 밸브의 감압을 병용하는 방식이다. 자동 공기 브레이크는 브레이크 밸브 조작의 감압에 따른 브레이크관의 압력 변화 전파 지연으로 인해 브레이크 조작부터 정지까지의 시간이나 거리가 증가하는 단점이 있는데, 전자기 급배기 밸브를 병용함으로써 브레이크관의 압력 변화 전파 지연을 없애고, 편성 각 차량의 브레이크 응답성 향상과 균등화를 도모한 것이다.

초기에는 WABCO에 의해 구형 P밸브나 M밸브를 탑재한 차량에서 브레이크 제어 밸브를 U밸브 등의 고가 기종으로 교체하지 않고, 저렴하게 장대 편성을 실현하는 수단으로 연구 개발이 이루어졌으며, 1910년대부터 미국의 인터어반 등에서 실용화되었다.

일본에서는 전부터 시험이 이루어졌지만 본격 채용에는 이르지 못했고, 제2차 세계 대전 후, 국철 80계 전동차에서 국철이 개발한 ARE 브레이크가 16량 편성 실현의 비장의 카드로 채용되면서 일시에 보급되었다.

전자기 직통 브레이크와 비교하여 응답성이나 조작성에서 뒤떨어지지만, 브레이크 계통을 중복시키지 않아도 되는 점^[15], 기존 자동 브레이크 차량과도 병결 가능한 점 때문에, 전자기 직통 브레이크가 일반화된 후에도 일부 사철의 전동차에서 최근까지 채용이 계속되었다. 또한, 국철은 기동차에서 주로 장대 편성 실현의 수단으로, 기하 58계 급행형 기동차에서 DAE 브레이크^[16], 특급형 기동차 등에서 DARS 브레이크^[17] 혹은 CLE 브레이크^[18]라는 명칭으로 이를 채용한 외에, 기관차 견인의 여객・화물 열차의 고속화 실현의 수단^[19]으로도 채용되고 있다.

현재의 전동차에서는 브레이크의 제어를 모두 전기적인 신호로 행하는 전기 지령식 브레이크가 일반적이지만, 전자기 자동 공기 브레이크는 객화차용으로 현재도 다용되고 있으며, 전기 지령식 브레이크 탑재 차량에서도 비상 브레이크에 대해서는 대부분의 차량에서 자동 공기 브레이크의 동작 원리에 기초한 브레이크 기구가 탑재되고 있다^[20]。

7. 역사

1872년 조지 웨스팅하우스가 세계 최초로 자동 공기 브레이크를 발명하였다. 이후 웨스팅하우스 에어 브레이크사(WABCO)를 중심으로 다양한 개량이 이루어졌다.

웨스팅하우스사는 약 30년에 걸친 시행착오를 거쳐 객차용 P변, 화차용 K변, 전동차용 M변, 객차·전동차의 장대화(長大化)·고속화에 대응한 U자재변(自在弁) 등 목적에 따라 다양한 파생 모델을 개발하였다. 이러한 모델들은 진공제동을 오랫동안 고집한 영국을 제외한 세계 여러 나라에 널리 보급되었다.

주요 모델은 다음과 같다.

참조

_[1] 문서
_[2] 문서
_[3] 문서
_[4] 문서
_[5] 서적 鉄道辞典 上巻 https://transport.or[...] 日本国有鉄道 1958
_[6] 문서
_[7] 문서
_[8] 문서
_[9] 문서
_[10] 문서
_[11] 문서
_[12] 문서
_[13] 문서
_[14] 문서
_[15] 문서
_[16] 문서
_[17] 문서
_[18] 문서
_[19] 문서
_[20] 문서