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랙식 철도

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목차

1. 개요

랙식 철도는 급경사에서도 운행이 가능하도록 랙 레일과 피니언을 사용하여 동력을 전달하는 철도 시스템이다. 1812년 영국에서 처음 개발되어, 1868년 미국에서 실용화되었다. 랙식 철도는 다양한 방식으로 분류되며, 마쉬식, 리겐바흐식, 아브트식, 로허식, 슈트룹식, 폰롤식 등이 있다. 랙 레일 형태에 따라 사다리형, 복합형, 협착식, 단순형으로 나뉘며, 랙 레일과 주행 레일의 관계에 따라 순수 랙 노선과 랙 및 접착식 노선으로 구분된다. 랙 철도는 랙 레일과 피니언, 분기기 등으로 구성되며, 기관차는 증기 기관차에서 전기 기관차/전동차로 발전했다. 랙 철도는 안전을 위해 강력한 브레이크와 랙 레일을 잡는 장치를 갖추고 있다.

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랙식 철도
개요
유형급경사 철도
특징톱니바퀴 레일 사용
급경사 등반 가능
기술적 정보
원리톱니바퀴와 맞물리는 톱니바퀴 레일을 사용하여 구동력을 확보
구동 방식톱니바퀴 철도 차량의 톱니바퀴를 톱니바퀴 레일에 맞물려 구동
접착력만으로는 등반 불가능한 급경사 구간에서 사용
제한 사항일반 철도 차량과의 호환성 문제
톱니바퀴 레일 설치 및 유지 보수 비용 발생
활용
사용 목적산악 지역
채광 지역
관광 노선 등
장점급경사 극복
단점건설 및 유지 비용이 많이 듦
기타
참고철도관련큰사전
현대로템 공식 블로그
Rack Railways of Australia

2. 역사적 배경

다양한 랙 시스템: 왼쪽부터, 리겐바흐, 슈트룹, 아브트, 로허


랙식 철도는 19세기 초, 일반 철도(접착식 철도)의 등판 능력 한계를 극복하기 위해 개발되었다. 일반 철도는 차륜과 레일 사이의 마찰력만으로 구동되는데, 급경사에서는 미끄러짐이 발생하기 쉽다.

: '''접착식 철도에서의 등판 한계 경사 추정(단위 ‰)'''[34]

열차 전체 중량/동륜 상 중량[35]접착 계수 0.15접착 계수 0.20접착 계수 0.25
1배(전축 구동 동력차)135185235
2배6085110
2.5배456585
3배355269



실제 포르투갈 리스본 트램(최대 135‰), 오스트리아 페스트링베르크 철도(최대 116‰) 등 유럽 노면 전차는 100‰ 전후 경사가 한계이다.

1811년 영국 존 브렌킨소프(John Blenkinsop)가 랙식 철도 특허를 취득, 1812년 매슈 머레이(Matthew Murray)가 제작한 미들턴 철도(Middlesbrough Railway) 증기 기관차에 처음 채용되었다. 초기에는 급경사 등판 목적이 아닌 기관차 空転(공전) 방지용이었다.[37]

1868년 세계 최초 등산용 랙식 철도인 미국 워싱턴 산 치차 철도(Mount Washington Cog Railway)가 개통되었다. 19세기 말~20세기 초, 랙식 철도가 세계 각지에 건설되었으나, 케이블카(鋼索鉄道), 삭도(索道) 발달로 신규 노선은 드물어졌다.

20세기 말, 산악 관광지에서 친환경 교통 기관으로 랙식 철도가 재조명되었다. 오스트레일리아에서 신규 노선이 개업하고, 일본 스가다이라 고원에 랙식 등산 철도 계획이 있었다.

랙/기어 형상에 따라 마쉬식, 리겐바흐식, 아브트식, 로허식, 슈트룹식 등이 있다.

:'''랙 철도의 방식별 실용화 개시년'''[40]

방식특징실용 개시년실용 개시 장소(실용 개시 장소의)
최대 경사[41]		문서
마쉬식사다리형1869년워싱턴 산 치차 철도[42](Mount Washington Cog Railway)375 ‰세계 최초의 랙식 등산 철도
리겐바흐식사다리형1871년스위스: 알트 리기 철도[43]250 ‰유럽 최초의 랙식 등산 철도
아프트식2~3조1885년독일: 하르츠 산 철도[44](Rübeland Railway)60 ‰아프트식 최초의 실용화 사례
로히어식[45]수평형1888년스위스: 피라투스 철도(Pilatusbahn)[46]480 ‰세계 최대 경사의 랙식 등산 철도
슈트룹식1조1898년스위스: 융프라우 철도(Jungfraubahn)250 ‰



세계적으로 아프트식이 약 80%를 차지하며,[38] 일본 영업 노선은 아프트식만 채용한다.[39]

랙식 철도는 피니언 구동력 의존형, 평지 바퀴/급경사 랙 레일 병용형으로 나뉜다.

스위스는 랙식 철도 최다 보급국으로, 산악 관광 철도, 고개 구간 랙 레일 사용 간선 철도가 있다.

2. 1. 초기 개발

한쪽 레일 바깥쪽에만 톱니가 있는 블렌킨솝 랙과 피니언


존 블렌킨솝은 금속 레일 위 금속 바퀴의 마찰력이 충분하지 않다고 생각하여, 1812년에 미들턴 철도용 증기 기관차를 제작하면서 랙 철도를 고안했다. 이 기관차는 레일 바깥쪽의 랙 톱니(피트당 2개)에 맞물리는, 왼쪽에 20개의 이빨을 가진 지름 약 0.91m의 코그 휠(피니언)을 가지고 있었다. 랙이 있는 금속 '어배' 엣지 레일은 약 0.91m 길이의 선반에 모두 주조되었다.[55] 블렌킨솝 시스템은 미들턴 철도에서 25년 동안 사용되었으나, 평평한 지면에서 운영되는 철도에서는 단순한 마찰로도 충분하다는 것이 밝혀지면서, 이 방식은 단지 신기한 기술 정도로 여겨지게 되었다.[3]

1860년대에 개발된 펠 산악 철도 시스템은 톱니가 없어 엄밀히 말하면 랙 철도는 아니다. 이 시스템은 선로의 가파른 부분에 두 개의 주행 레일 사이에 매끄럽게 올라온 중앙 레일을 설치하고, 마찰력을 높이기 위해 양쪽에서 이 레일을 잡는 방식을 사용했다. 열차는 바퀴로 추진되거나, 중앙 레일을 수평으로 누르는 브레이크 슈를 사용하여 제동하며, 일반적인 주행 바퀴도 사용한다.

2. 2. 랙 철도의 발전

마쉬 랙과 피니언 체계


미국 최초의 성공적인 랙 철도는 실베스터 마쉬가 개발한 마운트 워싱턴 코그 철도였다.[56] 마쉬는 1861년 9월에 랙 철도의 일반적인 아이디어에 대한 미국 특허를 냈고,[57] 1867년 1월에는 L자형 연철 레일 사이에 랙 톱니 두 개의 사다리 가로대처럼 배열된 롤러 형태를 취하는 실용적인 랙에 대한 미국 특허를 취득했다.[58] 1866년 8월 29일 워싱턴 산에서 마쉬 랙의 최초 공개 시험이 있었는데, 이때 402m의 트랙만 완성되었다.[59] 마운트 워싱턴 코그 철도는 1868년 8월 14일에 대중에게 공개되었다.[59] 기관차의 피니언 휠에는 깊은 톱니가 있어 항상 적어도 두 개의 톱니가 랙에 맞물릴 수 있었다. 이 조치는 피니언이 랙 밖으로 올라올 가능성을 줄이는 데 도움이 되었다.[54]

리겐바흐 랙 시스템


리겐바흐 랙 시스템은 니클라우스 리겐바흐가 마쉬와 거의 동시에 작업했지만 마쉬와는 독립적으로 개발했다. 리겐바흐는 잠재적인 스위스 후원자들의 관심을 끌기 위해 사용한 작업 모델을 기반으로 1863년에 프랑스 특허를 받았다. 이 기간 동안 주미 스위스 영사는 마쉬의 마운트 워싱턴 코그 철도를 방문하여 열정적으로 스위스 정부에 보고했다. 스위스 관광 산업을 활성화하기 위해 정부는 리겐바흐에게 리기산까지 철도를 건설할 것을 의뢰했다. 베른 근처의 채석장에서 기관차 프로토타입과 테스트 트랙을 건설한 후 1871년 5월 22일에 피츠나우-리기 철도가 개통되었다.[54]

리겐바흐 시스템은 마쉬 시스템과 디자인이 유사하다. 일정한 간격으로 원형 또는 사각형 막대로 연결된 철판 또는 채널로 구성된 사다리 랙을 사용한다. 리겐바흐 시스템은 고정 래더 랙이 다른 시스템보다 복잡하고, 구축 비용이 많이 든다는 문제를 안고 있다. 피츠나우-리기 철도의 성공에 이어 리겐바흐는 국제 산악 철도 협회 기계 공장(IGB)을 설립했다. 이 회사는 그의 설계에 따라 랙 기관차를 생산했다.[54]

스노든 산악 철도에 사용된 압트 랙 시스템


압트 시스템은 스위스 기관차 엔지니어인 카를 로만 압트가 고안했다. 압트는 올텐의 리겐바흐에서 근무했으며, 나중에는 IGB 랙 기관차 회사에서 근무했다. 1885년에 그는 자신의 토목 공학 회사를 설립했다.

1880년대 초반에 압트는 리겐바흐 시스템의 한계를 극복한 개선된 랙 시스템을 고안하기 위해 노력했다. 특히 리겐바흐 랙은 제조와 유지관리 비용이 많이 들고 스위치가 복잡했다. 1882년 압트는 수직 톱니가 가공된 단단한 막대를 사용하여 새로운 랙을 설계했다. 이 막대 중 2개 또는 3개는 톱니가 오프셋된 상태로 레일 사이 중앙에 장착된다. 오프셋 톱니가 있는 여러 막대를 사용하면 기관차 구동 바퀴의 피니언이 랙과 지속적으로 맞물리게 된다. 압트 시스템은 주어진 길이에 걸쳐 더 낮은 중량의 랙이 필요하기 때문에 리겐바흐 보다 구축 비용이 저렴하다. 그러나 리겐바흐 시스템은 압트보다 더 큰 내마모성을 가진다. 압트 시스템은 1885년에 개통된 독일의 하르츠 협궤 철도에서 처음 사용되었다. 압트 시스템은 1894년부터 1896년까지 웨일즈의 스노든 산악 철도 건설에도 사용되었다.[60]

토마소 아우그디오가 발명한 아우그디오 랙 시스템은[63] 1884년에 개통한 사시-수페르가 트램웨이에서만 사용되었다. 중앙 랙의 양쪽에 톱니바퀴가 있는 수직 랙을 사용했다. 독특한 특징은 '기관차'가 경사면 기슭의 엔진 하우스에서 구동되는 끝없는 케이블을 통해 추진되었다는 것이다. 상당한 기계적 복잡성에도 불구하고 이 라인은 1934년까지 작동했다.

로허 랙 시스템(위에서 본 모습)


에뒤아르트 로허가 발명한 로허 랙 시스템은 기관차의 두 개의 톱니바퀴에 의해 맞물리는 레일 상단이 아닌 측면에 톱니가 절단되어 있다. 이 시스템을 사용하면 톱니가 랙에서 튀어나올 수 있는 다른 시스템보다 가파른 경사면에서 사용할 수 있다. 필라투스 철도에서 사용된다. 로허는 50%와 같은 가파른 경사에서 사용할 수 있는 랙 시스템을 설계하기 시작했다. 당시 스위스에서 가장 일반적인 랙 시스템인 압트 시스템은 최대 기울기가 25%로 제한되었다. 로허는 가파른 경사에서 압트 시스템이 압트 박사가 예측한 대로 잠재적으로 치명적인 탈선을 유발하여 랙을 오버라이딩하는 구동 피니언이 발생하는 경향이 있음을 보여주었다. 이 문제를 극복하고 필라투스의 가파른 면을 따라 랙이 정렬되도록 하기 위해 로허는 랙이 대칭 수평 톱니가 있는 평평한 막대인 랙 시스템을 개발했다. 랙 아래에 플랜지가 있는 수평 피니언은 중앙에 장착된 막대와 맞물려 기관차를 구동하고 트랙 중앙을 유지한다. 이 시스템은 트랙에 매우 안정적인 부착을 제공하며, 가장 심한 측풍에서도 차량이 넘어지는 것을 방지한다. 이러한 기어는 또한 차를 이끌 수 있으므로 주행 중인 바퀴의 플랜지도 선택 사항이다. 이 시스템의 가장 큰 단점은 표준 철도 스위치를 사용할 수 없고, 선로의 분기가 필요한 곳에서는 이송 테이블이나 기타 복잡한 장치를 사용해야 한다는 것이다. 테스트 후 로허 시스템은 1889년에 개통된 필라투스 철도에 배치되었다.

슈트룹 시스템 랙을 사용한 Panoramique des Domes의 랙 철도 선로


슈트룹 시스템은 1896년 에밀 슈트룹에 의해 발명되었다. 이 시스템은 약 100mm 간격으로 헤드에 가공된 랙 톱니가 있는 롤링된 평평한 바닥 레일을 사용한다. 기관차에 장착된 안전 턱은 탈선을 방지하고 브레이크 역할을 하기 위해 머리의 아래쪽과 맞물린다.[54] 1898년에 부여된 슈트룹의 미국 특허에는 랙 레일이 분기 메커니즘과 통합되는 방법에 대한 세부 정보도 포함되어 있다.[64] 슈트룹 시스템의 가장 잘 알려진 용도는 스위스의 융프라우 철도이다.[54] 슈트룹은 유지 관리가 가장 간단한 랙 시스템이며, 점점 인기를 얻고 있다.[65]

1919년 굿맨 카탈로그에서 나온 모건 랙의 무동력 변형


1900년에 시카고의 EC 모건은 기계적으로 리겐바흐 랙과 유사하지만 랙이 전기 기관차에 동력을 공급 하는 세 번째 레일로 사용되는 랙 철도 시스템에 대한 특허를 받았다.

스키튜브 알파인 철도의 라멜라 시스템


라멜라 시스템(폰 롤 시스템이라고도 함)은 슈트룹 시스템에 사용된 압연 강철 레일을 사용할 수 없게된 후 폰 롤 회사에서 개발했다. 압트 시스템과 유사한 모양으로 절단된 단일 블레이드로 형성되지만 일반적으로 단일 압트 바보다 넓다. 라멜라 랙은 원래 슈트룹 시스템의 기능이었던 안전 턱이 사용되지 않는 한 리겐바흐 또는 슈트룹 시스템에서 사용하도록 설계된 기관차에서 사용할 수 있다.

3. 랙 철도의 종류

랙식 철도 노선은 랙 레일의 연속 여부에 따라 두 가지로 분류된다. 랙 레일이 전 구간에 연속적으로 설치되어 기어 구동이 계속 사용되는 노선은 순수 랙 노선이다. 반면, 가장 가파른 구간에만 랙 레일을 설치하여 기어 구동을 사용하고, 나머지 구간에서는 일반 철도처럼 운행하는 노선은 랙 및 접착식 노선이다.

랙 및 접착식 노선에서 열차는 주행 레일 바퀴와 기어 바퀴 모두를 통해 작동할 수 있는 추진 및 제동 시스템을 갖추고 있다. 랙 레일 유무에 따라 주행 레일 바퀴 또는 기어 바퀴를 사용한다. 랙 및 접착식 노선은 마찰 구동에서 랙 구동으로 전환될 때 부드럽게 연결되도록 하는 시스템을 사용해야 한다. 대개 피니언 기어의 이빨이 점진적으로 맞물리도록 스프링이 장착된 랙 구간을 사용한다. 이 시스템은 아브트식을 발명한 로만 아프트가 고안했다.[2]

순수 랙 노선에서 열차의 주행 레일 바퀴는 열차를 지지하는 역할만 하고, 추진이나 제동은 기어 바퀴를 통해서만 이루어진다. 순수 랙 노선은 기어 바퀴가 항상 랙 레일과 맞물려 있기 때문에 별도의 전환 시스템이 필요 없다. 하지만 측선과 차량기지를 포함한 모든 선로에 경사도와 관계없이 랙 레일을 설치해야 한다.

구동 방식 전환 구간

3. 1. 랙 레일의 형태에 따른 분류

랙 레일은 여러 가지 형태로, 그에 맞는 톱니바퀴와 함께 개발되었다. 랙 레일 방식은 크게 사다리형, 복합형, 협착식, 단순형으로 나눌 수 있다.

  • '''사다리형'''
  • '''마쉬식 (Marsh):''' 미국의 기술자 실베스터 마쉬가 고안한 방식으로, L자형 강재 두 개 사이에 원형 단면 핀을 놓은 사다리 모양이다. 세계 최초의 랙식 철도인 워싱턴 산 치차 철도에서 사용되었다.[42]
  • '''리겐바흐식 (Riggenbach):''' 스위스의 기술자 니클라우스 리겐바흐가 고안한 방식으로, 마쉬식과 유사하지만 얕은 코자형 강재와 사다리꼴 단면 핀을 사용하여 물림을 더 완벽하게 했다. 1970년대 통계에 따르면 세계에서 두 번째로 많이 사용되었다.[49]
  • '''복합형'''
  • '''아프트식 (Abt):''' 스위스의 기술자 칼 로만 아프트가 고안한 방식으로, 위상을 어긋나게 한 2\~3장의 판 모양 랙 레일을 사용한다. 증기 기관차의 랙 레일 상승 대책으로 개발되었으며, 무거운 차량에도 적합하여 3열식은 간선 철도에도 사용되었다. 1970년대 통계에서 가장 많이 사용되는 방식이었다.[48]
  • '''협착식'''
  • '''로허식 (Locher):''' 랙의 이빨이 측면에 있고, 차체 측의 피니언 두 개로 좌우에서 끼우는 형태이다. 랙에서 뜨지 않도록 피니언 아래에 차륜 플랜지와 비슷한 원반이 있다. 여러 방식 중 가장 급경사에 대응할 수 있지만, 분기기 사용이 어려워 특수한 분기기나 트래버서를 사용해야 한다. 피라투스 철도에서 사용되며, 세계에서 가장 경사가 급한 랙식 철도이다.[46] 스위스의 기술자 에두아르트 로허가 고안하였다.
  • '''단순형'''
  • '''슈트룹식 (Strub):''' 스위스의 에밀 슈트룹이 고안한 방식으로, 머리가 큰 레일 모양 강재에 이빨을 붙여 만들었다. 아프트식, 리겐바흐식에 이어 세 번째로 많이 사용된다.[49]
  • '''폰롤식 (Von Roll):''' 스위스의 폰롤사가 개발한 방식으로, 폭이 넓은 단일 랙을 사용한다. 구조가 간단하여 리겐바흐식, 슈트룹식 랙 레일 교체용이나 새로운 노선에서 자주 사용된다.


폰 롤 시스템은 슈트룹 시스템에 사용된 압연 강철 레일을 사용할 수 없게 된 후 폰 롤 회사에서 개발했다. 아프트식과 유사하지만 단일 블레이드로 형성되어 더 넓다. 라멜라 랙은 리겐바흐 또는 슈트룹 시스템에서 사용하도록 설계된 기관차에서 사용할 수 있다. 일부 철도는 여러 시스템의 랙을 사용하는데, 예를 들어 스위스의 장크트갈렌 가이스 아펜첼 철도는 리겐바흐, 슈트룹 및 라멜라 랙 구간이 있다.[54] 20세기 후반부터 건설된 대부분의 랙 철도는 라멜라 시스템을 사용했다.[54]

랙 철도의 방식별 실용화 개시년[40]
방식특징실용 개시년실용 개시 장소(실용 개시 장소의)
최대 경사[41]		문서
마쉬식사다리형1869년워싱턴 산 치차 철도[42]375‰세계 최초의 랙식 등산 철도
리겐바흐식사다리형1871년스위스: 알트 리기 철도[43]250‰유럽 최초의 랙식 등산 철도
아프트식2\~3조1885년독일: 하르츠 산 철도[44]60‰아프트식 최초의 실용화 사례
로허식[45]수평형1888년스위스: 피라투스 철도[46]480‰세계 최대 경사의 랙식 등산 철도
슈트룹식1조1898년스위스: 융프라우 철도250‰


3. 2. 랙 레일과 주행 레일의 관계에 따른 분류



랙 시스템을 사용하는 노선은 랙 레일의 연속 여부에 따라 두 가지로 분류된다.

  • 랙 및 접착식: 랙 레일 구간과 일반 레일 구간을 모두 사용하는 방식이다. 열차는 주행 레일 바퀴와 톱니바퀴 모두를 통해 작동하는 추진 및 제동 시스템을 갖추고 있다. 랙 레일 유무에 따라 주행 레일 바퀴 또는 톱니바퀴를 사용한다. 마찰 구동에서 랙 구동으로 전환을 부드럽게 하기 위해, 피니언 톱니를 점차적으로 맞물리게 하는 스프링 장착 랙 구간을 사용한다. 이는 압트 랙 시스템을 발명한 로만 압트가 발명했다.[83],[2]
  • 순수 랙식: 모든 구간에서 랙 레일을 사용하는 방식이다. 열차의 주행 레일 바퀴는 열차를 운반하는 데만 사용되며, 추진 또는 제동은 톱니바퀴를 통해서만 이루어진다. 톱니바퀴가 항상 랙 레일과 맞물려 있기 때문에 전환 시스템이 필요하지 않지만, 측선과 차량기지를 포함한 모든 선로에 랙 레일을 설치해야 한다.

4. 랙 철도의 구성 요소



랙 철도의 철로 전환. 분기기가 라멜라 랙 철도에서 사용되지만, 전체적인 설계는 슈트룹에 의해 선도되었다. 분기기 밖의 트랙은 리겐바흐 랙 레일을 사용한다. (스위스 시니게 플라테 철도)


마운트 워싱턴 코그 철도 운행사, 2000


마운트 워싱턴 코그 철도의 자동 유압식 분기기


랙 철도는 톱니바퀴를 사용하여 급경사를 오르내리는 철도 시스템이다. 랙 철도의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

  • 랙 레일: 톱니가 있는 특수 레일로, 선로 중앙에 설치된다. 랙 레일에는 여러 종류가 있는데, 대표적으로 다음과 같은 방식이 있다.
  • 마쉬(Marsh)식: 1861년 실베스터 마쉬가 특허를 낸 방식으로, 롤러 형태의 톱니를 가진다.[57][58] 마운트 워싱턴 코그 철도에서 사용되었다.
  • 리겐바흐(Riggenbach)식: 니클라우스 리겐바흐가 개발한 방식으로, 사다리 모양의 랙을 사용한다.[54] 피츠나우-리기 철도에서 처음 사용되었다.
  • 압트(Abt)식: 카를 로만 압트가 개발한 방식으로, 2~3개의 랙 레일을 톱니가 엇갈리게 배치하여 피니언과 지속적으로 맞물리도록 한다.[60] 스노든 산악 철도 등에서 사용된다.
  • 로허(Locher)식: 에뒤아르트 로허가 개발한 방식으로, 레일 측면에 톱니를 만들어 랙 레일이 튀어나오는 것을 방지한다.[54] 필라투스 철도에서 사용된다.
  • 피니언: 랙 레일과 맞물리는 톱니바퀴로, 기관차의 구동축에 연결되어 동력을 전달한다. 기관차의 피니언 휠에는 깊은 톱니가 있어 항상 적어도 두 개의 톱니가 랙에 맞물릴 수 있다.[54]
  • 분기기(스위치): 랙 철도 전용 분기기가 사용된다. 일부 시스템에서는 분기기 대신 환승 테이블을 사용하기도 한다.
  • 돌더반(Dolderbahn)식: 3개의 레일을 모두 구부리는 방식으로 작동한다.
  • 슈트룹(Strub)식: 랙이 주행 레일 위로 올라간다.
  • 전환대: 마운트 워싱턴 코그 철도와 로허 랙에서 사용된다.

5. 한국의 랙 철도

오이가와 철도 이가와선은 일부 구간에서 아프트식 랙 철도를 사용한다. 이 구간은 나가시마 댐 건설로 선로가 변경되면서 1990년에 도입되었으며, 최대 경사는 90‰이다.[39]

한국에서는 과거 유원 시설 내부에 랙 철도와 유사한 형태의 시설들이 있었으나, 현재는 대부분 운영되지 않는다. 예를 들어, 아시오 동산 관광 트롤리 철도는 변형된 리겐바흐식을 사용했고, 시그너스 삼림 철도는 리겐바흐식을 사용했으며 최대 경사 138‰였으나 2022년 2월 폐지되었다. 나스 린도 호수 LAKE VIEW 스위스 철도는 폰롤식을 사용했고 최대 경사 38‰였으나 2019년 운행이 종료되었고, 차량은 전시 중이다. 이러한 시설들은 철도사업법 등에 준거하지 않는 유희 시설로 취급되었다.[39]

6. 운행 차량

리트너 철도의 초기 전기 톱니바퀴 기관차와 객차


랙식 철도에서는 증기 기관차가 주를 이루었지만, 현재는 디젤 기관차나 전기 기관차도 사용된다. 특히 전기 기관차는 랙 철도 초기에 증기 기관차의 보일러 수평 문제와 안전 문제들을 해결하기 위해 도입되었다.

랙 전용 철도에서 기관차는 안전상의 이유로 항상 차량의 아래쪽에 위치하며, 랙 레일을 단단히 고정하는 후크나 클램프가 포함된 강력한 브레이크가 장착되어 있다. 일부 기관차에는 속도가 너무 높을 때 작동하여 폭주를 방지하는 자동 브레이크가 장착되어 있다. 기관차와 객차 사이에는 연결 장치가 없는 경우가 많다. 전기로 구동되는 차량에는 종종 전자기 트랙 브레이크도 있다.

톱니바퀴 철도에서 운행하는 열차의 최고 속도는 경사도와 추진 방법에 따라 일반적으로 시속 9~25km로 매우 낮다. 스키튜브는 일반적인 노선보다 경사가 완만하기 때문에 속도가 더 빠르다.

6. 1. 증기 기관차

피츠나우-리기 철도의 수직 보일러 기관차


미국 마운트 워싱턴 톱니 철도의 "Old Peppersass"


평탄한 궤도에서 경사진 보일러를 가진 시네베르크 톱니 철도 증기 기관차


원래 거의 모든 톱니바퀴 철도는 증기 기관차로 운행되었다. 증기 기관차는 급경사에서 효과적으로 작동하기 위해 광범위하게 개조되어야 했다. 디젤 기관차나 전기 기관차와 달리 증기 기관차는 동력 장치(보일러)가 수평일 때만 작동한다. 기관차 보일러는 보일러 튜브와 화실 시트, 특히 화실 금속 상단인 크라운 시트를 항상 물로 덮어야 한다. 물이 덮이지 않으면 불의 열 때문에 보일러 압력이 약해져 치명적인 고장으로 이어진다.

극심한 경사의 랙 시스템에서는 기관차의 보일러, 운전실 및 일반 상부 구조를 바퀴에 대해 앞쪽으로 기울여, 가파른 경사면의 트랙에서 거의 수평이 되도록 한다. 이러한 기관차는 수평 트랙에서 작동할 수 없으므로 정비 공장을 포함한 전체 선로를 경사면에 설치해야 한다. 이는 랙 철도가 최초로 전철화된 이유 중 하나이며, 오늘날 대부분의 랙 철도가 전기로 운행되는 이유이기도 하다. 경우에 따라 트랙 경사에 덜 민감한 수직 보일러를 사용할 수도 있다.

6. 2. 전기 기관차/전동차

현대의 랙 철도는 대부분 전기로 구동되며, 전동차나 전기 기관차가 사용된다.[38] 이는 랙 철도가 초기에 증기 기관차로 운행되면서 발생했던 문제점을 해결하기 위한 것이다. 증기 기관차는 보일러가 수평을 유지해야 안전하게 작동하는데, 경사가 심한 랙 철도에서는 보일러 내부의 물이 한쪽으로 쏠려 화실 상단이 노출될 위험이 있었다. 이러한 이유로 랙 철도는 전철화되었으며, 오늘날 대부분의 랙 철도는 전기로 운행된다.[38]

전기 기관차나 전동차는 랙 레일을 이용해 급경사를 오르내릴 수 있으며, 강력한 브레이크 시스템을 갖추고 있어 안전하다. 일부 기관차에는 속도가 너무 빨라지는 것을 방지하기 위한 자동 브레이크가 장착되어 있으며, 전기로 구동되는 차량에는 전자기 트랙 브레이크도 사용된다.[38]

6. 3. 안전 장치

랙식 철도 차량에는 안전 운행을 확보하기 위해 여러 장치가 마련되어 있다. 우선, 강력한 브레이크가 필수적으로 장착된다. 일부 기관차에는 속도가 너무 빨라질 때 자동으로 작동하는 브레이크가 있어, 차량의 폭주와 탈선을 방지한다.[54]

또한, 랙 레일을 단단히 고정하는 후크나 클램프가 포함되어 있다.[54] 이 장치는 차량이 랙 레일에서 벗어나지 않도록 잡아주는 역할을 한다.

대부분의 랙식 철도에서 기관차는 항상 차량의 아래쪽에 위치한다. 이는 중력이 항상 차량을 기관차 쪽으로 밀어내기 때문에 별도의 연결 장치(커플러)가 필요 없도록 한다. 전기로 구동되는 차량에는 전자기 트랙 브레이크가 추가로 장착되기도 한다.[54]

7. 랙 철도의 장단점

차륜과 레일 사이의 마찰력(점착력)만으로 구동과 지지가 이루어지는 일반적인 철도를 접착식 철도라고 한다. 접착식 철도는 등판 가능 경사에 한계가 있어, 이를 극복하기 위해 랙식 철도가 사용된다. 랙식 철도는 19세기 말부터 20세기 초에 걸쳐 세계 각지에서 많이 건설되었지만, 케이블카나 삭도(索道)의 발달로 신규 노선 개설은 거의 이루어지지 않았다. 그러나 최근에는 산악 관광지에서 환경 부하가 적은 교통 기관으로 재검토되고 있다.

랙식 철도는 다음과 같은 장단점을 가진다.

'''장점:'''


  • 급경사를 오를 수 있다. 일반 철도(접착식 철도)는 오르기 힘든 가파른 경사도 랙 레일과 톱니바퀴(피니언)를 사용하여 안정적으로 등판할 수 있다.
  • 기관차의 공전을 방지할 수 있다.


'''단점:'''

  • 건설 비용이 비싸다. 랙 레일과 피니언 등 특수 부품이 필요하며, 설치 및 유지 보수에 더 많은 비용이 소요된다.
  • 속도가 느리다. 랙 레일과 피니언의 구조적 특성상 고속 주행이 어렵다.
  • 소음과 진동이 크다. 랙 레일과 피니언이 맞물리면서 발생하는 소음과 진동이 일반 철도보다 크다.

참조

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[41] 문서 原文では「最急勾配」
[42] 문서 原文は「ワシントン山鉄道」
[43] 문서 原文ママ
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[47] 문서 24時間体制で運行されており、年間の貨物輸送量は1.000万 tに達する。
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[50] 문서 対策方法はラックレールを梯子状にして左右に外れないようにしたり（マーシュとリッゲンバッハ）、複数列用意してどれかとかみ合うようにする（アプト）など。
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[52] 웹사이트 철도관련큰사전 https://terms.naver.[...] 도서출판 골든벨 2021-05-25
[53] 웹사이트 알아두면 쓸데있는 산악 철도 상식 https://blog.hyundai[...] 현대로템 공식 블로그 2021-05-25
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