일본국유철도 D50형 증기 기관차
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1. 개요
일본국유철도 D50형 증기 기관차는 1923년부터 1931년까지 가와사키 조선소 등에서 380량이 제조된 화물용 증기 기관차이다. 9600형의 후계기로 개발되어 보일러, 실린더 등을 대형화하고 미국식 설계를 도입하여 견인력을 향상시켰다. D50형은 주요 간선에서 화물 열차를 견인하는 데 사용되었으며, D51형과 D60형으로 개조되기도 했다. 일부는 만주와 중국으로 수출되었으며, 현재는 D50 140과 D50 25가 보존되어 있다.
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| 일본국유철도 D50형 증기 기관차 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 증기 기관차 |
| 차륜 배열 | 2-8-2 (1D1) |
| 궤간 | 1067mm |
| 제작 기간 | 1923년 ~ 1931년 |
| 총 생산량 | 380량 |
| 운행 최고 속도 | 70km/h |
| 별칭 | 데고마루, 데고레 |
| 보존 현황 | 2량 보존 (D50 25, D50 140) |
| 설계 및 제작 | |
| 설계자 | 오가사와라 도키치와 시마 히데오 |
| 제작사 | 가와사키 중공업 히타치 제작소 기샤 세이조 닛폰 차량 |
| 크기 및 무게 | |
| 전체 길이 | 17248mm |
| 전체 높이 | 3955mm |
| 기관차 무게 | 78.14t |
| 탄수차 무게 | 49t |
| 축중 | 14.70t |
| 동륜 지름 | 1400mm |
| 기술 사양 | |
| 실린더 개수 | 2개 (외부) |
| 실린더 크기 | 570mm x 660mm |
| 보일러 압력 | 13.0 kg/cm² (1.27 MPa) |
| 화격자 면적 | 3.25 m² |
| 전열 면적 | 222.3 m² |
| 과열기 전열 면적 | 64.4 m² |
| 견인력 | 165.977 kN |
| 운영 | |
| 운영 기관 | 일본국유철도 지창 지둔 철도 만주국 철도 중국 중화 철도 중국 철도 |
| 기관차 번호 | D50 1-D50 380 (구 9900-9999, 19900-19999, 29900-29975) |
| 퇴역 시기 | 1965년 |
| 중국 철도 명칭 | ㄇㄎ16 → 解放16 |
2. 설계 및 제조
제1차 세계 대전 당시 일본의 화물 수요 증가는 9600형 후계기 개발 계획으로 이어졌다. 철도성은 하코네 고개와 같은 급경사 구간의 수송량 증가를 위해 9600형보다 강력한 화물 기관차를 원했다. 초기에는 9600형의 동축을 하나 추가한 데카포드형 차륜 배치(2-10-0)가 검토되었다.
그러나 개궤 논쟁이 협궤 유지로 결론나고, 18900형(후에 C51형으로 개칭)이 성공하면서, 화물 기관차도 미카도형 차륜 배치(2-8-2)를 채택하여 9600형을 능가하는 고성능 기관차로 계획이 변경되었다.[42]
D50형은 철도성의 오가와라 후지요시[43]를 주임으로 철도성과 가와사키 조선소, 기샤세이조, 닛폰차량제조, 히타치 제작소가 공동 설계하였다. 1923년부터 1931년까지 380량이 제조되었으나, 세계 대공황으로 화물 수송량이 감소하면서 강력한 화물 기관차 수요가 줄어 제조가 중단되었고, 이후 증기 기관차 생산은 개량형인 D51형으로 넘어갔다.
미국식 기관차 설계 기법을 적극 도입한 D50형은 제조 직후 성능 비교 시험에서 9600형보다 보일러 성능과 출력이 크게 향상되어 60% 정도의 성능 향상을 보였다.
하지만 철도성 내 독일 기관차 지지파였던 아사쿠라 키이치는 D50형의 설계에 대해 "연관이 과대하다"고 비판했다.[47] 그럼에도 불구하고, D50형은 9600형(700t 견인)보다 훨씬 많은 950t(이후 1,000t)을 견인할 수 있어 운전 부서의 호평을 받았다.
초기 D50형은 도카이도 본선 야마키타역 - 누마즈 구간, 조반선 다바타 - 미토 구간 등에서 사용되었다. 도카이도 본선에서는 C51형이나 C53형처럼 90km/h 이상으로 운행되기도 했다.[48] D50형은 시코쿠를 제외한 전국 주요 노선에서 화물 열차 견인 또는 급경사 구간 여객 및 화물 열차 견인에 사용되었다.
호쿠리쿠 본선, 주오 본선, 신에쓰 본선 등 경사 구간에서는 D51형 배치 이후에도 D50형 배치를 요구할 정도로 승무원들의 신뢰가 높았다.[49] 또한, 선대차와 동륜 사이 공간이 넓어 검수가 용이하여 기관구 및 공장 직원들에게도 지지를 받았다. 그러나 이는 곡선 통과 성능에 어려움이 있다는 의미이기도 하여, D50형은 역행 또는 추진 운전 시 2축 경량 차량 탈선 사고를 자주 일으켰다.[50]
무로란 본선 석탄 열차는 1930년부터 9600형이 2,000t급 열차를 운행했지만, 1936년 D50형 투입으로 2,400t급 열차 운행이 가능해졌다. 그러나 전쟁 전후 혹사로 1955년경부터 노후화 폐차가 시작되어 1965년경 대부분 폐차되거나 D60형으로 개조되었다.
마지막까지 남은 D50 140은 초쿠호 기관구에 배치되어 1971년까지 운행 후 우메코지 증기기관차관에 보존되었다. D50형의 성능 제원은 간선 화물 열차 견인 정수, 역 길이, 화차 길이 등 철도 시설 규격 결정에 영향을 미쳐 일본 철도의 기초를 닦았다고 할 수 있다.
D50형 보일러 설계와 구조는 C53형, D51형(C61형)에서 C59형(C60형)까지 보일러 기본이 되었고, 후계 차종인 D51, D52형에 거의 그대로 계승되었다.
D50형은 C51형이나 D51형에 비해 눈에 띄지 않지만, 국철 증기 기관차 설계, 지상 설비 정비 계획, 수송 계획에 큰 영향을 미쳐 일본 국철 증기 기관차 기술 발달 역사상 중요한 기관차 중 하나이다.
2. 1. 구조
D50형 증기 기관차는 이전의 화물용 표준형 증기 기관차였던 9600형보다 보일러, 실린더 등을 더 크게 만들었지만, 대부분의 부품을 새로 설계하여 미국식 대형 기관차의 특징을 강하게 드러냈다. 표준궤 기관차에 가까운 획기적인 설계였지만[8], 선로 조건을 무시한 과대 기관차라는 반대도 있었다[9]。 너무 무거웠기 때문에 운용을 위해 간선 레일 강화, 침목 증대, 도상 두께 증가 등 궤도 강화도 병행되었다[10]。- 보일러: 3개의 강철 통으로 구성된 넓은 화실의 과열식 스트레이트 보일러를 탑재했다. 연관 길이는 5500mm이고, 화격자 면적은 9600형보다 1.4배 확대된 3.25m2이다. 국철 제식 기기 최초로 급수 예열기[11]를 탑재하여 열효율 향상을 꾀했고, 자동 공기 브레이크 채용으로 동력원[12]이 확보되어 동력식 불문을 채용, 승무원의 노고를 덜었다.
- 주행 장치: 선대차는 1축 심향(링크)식, 종대차는 콜식을 채용했고, 동륜 직경은 1400mm로 확대되었다.
- 제동 장치: 웨스팅하우스 에어브레이크(WABCO) 사제 K-14 자동공기제동장치가 처음부터 탑재되었고, 공기압축기와 공기탱크 등도 보일러 좌우 측면의 보행판 주변에 설치되었다.[46]
- 탄수차: 초기에는 20m3형 탄수차가 채용되었으나, 이후 12-17형 탄수차로 변경되었다.
2. 1. 1. 보일러
3개의 강철 통으로 구성된 넓은 화실의 과열식 스트레이트 보일러를 탑재했다. 연관 길이는 18900형의 설계를 답습하여 5500mm로, 화격자 면적은 3.25m2이다. 종대차 장비로 인해 화격자를 대차 사이에 수납할 필요가 없어졌기 때문에 9600형과 비교하여 1.4배로 확대되었다. 사용 증기압은 12.7기압으로, 국철 제식 기기에서는 처음 채용된 급수 예열기[11]를 전방 데크 위에 탑재하여 보일러의 열효율 향상을 꾀했다. 또한 자동 공기 브레이크의 채용에 따라 동력원[12]이 확보되었기 때문에 동력식 불문이 채용되어 승무원의 노고를 덜었다.1927년 제조된 19992부터 아메리칸 로코모티브 (알코사)에서 수입된 8200형 (후의 C52형)의 최신 설계를 참고하여 화실에 아치 관을 추가하고, 연관의 전열 면적을 축소, 과열 면적을 확대함으로써 연소 효율의 개선과 성능 향상을 꾀했다.
화상 면적이나 연관 길이 등의 특징과 구조로 보아 이 보일러의 설계에 있어서는, 1910년 (메이지 43년)에 알코사가 남아프리카 연방 철도에 1량을 납입한, 역시 종축으로 넓은 화실을 지지하는 구조의 보일러를 갖춘 10D형 기관차가 참고되었을 가능성이 지적되고 있다.
2. 1. 2. 주행 장치
선대차는 1축이고, 종대차는 18900형이 성능을 입증한 콜식을 채용했으며, 동륜의 지름은 9600형의 1250mm에서 1400mm로 확대되었다.새롭게 설계된 링크식 선대차는 설계가 적절하지 않아 탈선 사고나 제1 동륜의 편마모가 자주 발생했다. 또한 탄수차와 기관차 본체의 연결 장치 설계도 적절하지 않아, 유치선 등에서 사용되는 선로분기점[44]을 통과할 때 탈선 사고가 빈번하게 발생했다. 기관차 본체만으로 선로분기점을 통과했을 때는 탈선이 발생하지 않았으나, 탄수차를 연결했을 때만 탈선하는 현상 등을 통해 문제점을 파악했다. 이에 기관차 본체와 탄수차 연결 장치를 양측식에서 중앙식으로 변경하고, 선대차 심향봉을 단축하여 기관차 전체의 곡선 통과 성능을 향상시키는 조치를 취했다. D50 364 ~ 369, D50 376 ~ 380은 C10형에서 좋은 성적을 거두었던 콜식 선대차로 변경하여 문제를 해결했다.[45]
선대차는 1축 심향(링크)식, 종대차는 18900형의 실적을 바탕으로 개량된 콜식을 채용했고, 동륜 직경은 고속 화물 열차 견인을 염두에 두고 9600형의 1250mm에서 1400mm로 확대되었다.
동축 지지는 당초 짊어짐 스프링을 구미와 같이 하부 스프링(언더슬렁)식으로 하였으나, 9922 이후 검사 시 동륜 착탈(차 빼기·차 넣기) 간략화를 위해 상부 스프링(오버슬렁)식으로 설계 변경되었다.[13] 이에 따라 간섭하는 부품 위치 관계를 수정하면서 화실 지지 후부 대차를 연장하고, 보일러 자체도 후퇴시키는 대대적인 설계 변경이 이루어졌다. D50형 승무 경험이 있는 승무원들은 "전기형 차량이 훨씬 좋았다"는 평가를 남겼는데, 이는 운동 부품 관성 질량 증가와 상부 스프링화에 따른 롤 센터 상승이 주행 중 차체 진동에 직접적인 영향을 주었음을 보여준다.
링크식 선대차는 심향봉과 차축 상자 결합 및 안내 장치 설계가 부적절하여 탈선 사고와 제1동륜 플랜지 편마모가 자주 발생했다. 탄수차와 기관차 본체 연결 장치 설계 역시 부적절하여 측선 등에서 사용되는 8번 분기[14] 통과 시 탈선이 빈번했다. 기관차 본체만으로 8번 분기 통과 시 탈선이 발생하지 않고 탄수차 연결 시에만 탈선하는 현상 등을 통해, 기관차 본체와 탄수차 연결 장치를 양측식에서 중앙식으로 변경하고 선대차 심향봉을 단축하여 기관차 전체 곡선 통과 성능을 향상시켰다. D50 364 - 369·376 - 380은 C10형에서 좋은 성적을 보인 콜식으로 선대차를 변경하여 최종 해결했다.[15]
대차는 팔팔함대 계획이 워싱턴 해군 군축 조약 체결로 중단되면서 대량으로 남은 육후 압연 강판을 활용, 일본에서 제조된 철도원(철도성) 제식기 중 처음으로 90mm 두께 강판을 파내 가공한 부재를 사용한 봉대차 구조가 되었다.
철도원 제식기에서는 이미 1912년(메이지 45년) 제조된 8850형과 4100형에서 봉대차가 채용되었지만, 8850형은 프로이센 왕국, 4100형은 바이에른 왕국(모두 현재의 독일)에서 수입한 차량이었다. 당시 일본 조강 생산량 대부분을 차지했던 관영 야하타 제철소는 제2기 확장 공사(강재 생산 연간 300000ton 목표) 중이어서 국내 시장에서 적절한 판두께의 압연 강판 조달이 어려웠다. 때문에 가와사키 조선소에서 8850형을 스케치 생산할 때는 주강제 대차를, 4100형 모방 개량형인 4110형에서는 판대차를 대용 설계로 채택했다.[16] 야하타 제철소 제3기 확장 공사(강재 생산 연간 650000ton 목표)가 완료된 1917년(다이쇼 6년) 이후 설계된 본 형식도 전함, 순양전함만으로 야하타 제철소 연간 생산 목표량을 초과하는 방대한 양의 조강을 소비할 예정이었던 팔팔함대 계획[17]이 중단되지 않았다면 봉대차 채용은 어려웠을 것이다.
2. 1. 3. 제동 장치
D50형 증기 기관차는 자동공기제동장치 채용과 연결기의 자동 연결기 교환으로 열차 중량이 증대되어 제동력이 상승하였다. 이에 따라 웨스팅하우스 에어브레이크(WABCO) 사제 K-14 자동공기제동장치가 처음부터 탑재되었고, 공기압축기와 공기탱크 등도 보일러 좌우 측면의 보행판 주변에 설치되었다.[46]1930년대 초반까지 화차에는 진공 브레이크만 장착된 차량이 남아 있었기 때문에, 해당 차량들이 완전히 사라질 때까지 진공 브레이크용 장비도 함께 탑재되었다.[20]
2. 1. 4. 탄수차
D50형에서는 탄수차로써 20m3형이라 불리는 수조 용량 20.3m3, 탄고 용량 8.13t의 전용 설계품이 채용되었지만, 이는 수조 용량이 크기 때문에 장거리 운전을 하는 여객 열차용 C51 · C53형 등과 교체되는 사례가 많았다. 실제로 많은 수의 D50형이 C51 · C53형에서 옮겨 온 12-17형 탄수차를 연결하고 있었다. 이러한 실정을 반영하여 1927년 제조분부터는 12-17형 탄수차를 채용했다.2. 2. 주요 제원
(지름×왕복 거리)(지름×길이×수)
(지름×길이×수)