기관차

Locomotive
호주의 퍼시픽 내셔널 디젤 기관차는 캡 유닛(앞), 후드 유닛(가운데), 박스 캡(뒤)의 3가지 차체 타입을 보여줍니다.
호주의 빅토리아 철도 R급 증기기관차
중국 철도 HXD1D 전기 기관차

기관차 또는 엔진기차동력을 제공하는 철도 수송 차량입니다. 기관차가 적재물을 운반할 수 있는 경우, 일반적으로 다중 장치, 모터 코치, 레일카 또는 동력차라고 합니다.

전통적으로 기관차는 열차를 앞쪽에서 끌어 올렸습니다. 그러나 열차의 앞쪽, 뒤쪽 또는 양쪽 끝에 기관차(또는 기관차)가 있을 수 있는 푸시-풀(push-pull) 작동이 일반화되었습니다. 가장 최근에 철도는 DPU 또는 분산 전원을 채택하기 시작했습니다. 프론트에는 1대 또는 2대의 기관차가 있고 리드 유닛에서 원격으로 제어되는 중간 열차 기관차가 있을 수 있습니다.

어원

기관차라는 단어는 라틴어 로코 'from a place'와 locus 'place'의 합성어인 중세 라틴어 motivus 'cause motion'에서 유래되었으며,[1] 1814년에[2] 자체 추진 증기 기관과 정지 증기 기관을 구분하기 위해 처음 사용된 기관차라는 용어의 축약된 형태입니다.

분류

기관차 이전에 철도의 동력은 인력, 마력, 중력 또는 케이블 시스템을 구동하는 정지된 엔진과 같은 다양한 하위 기술 방식에 의해 생성되었습니다. 그러한 시스템은 오늘날에도 거의 존재하지 않습니다. 기관차는 연료(목재, 석탄, 석유 또는 천연 가스)로 동력을 생산하거나 외부 전력원에서 동력을 얻을 수 있습니다. 기관차는 에너지원에 따라 분류하는 것이 일반적입니다. 일반적인 것은 다음과 같습니다.

스팀

Wainwright SECR Class P on the Bluebell Railway
핀란드 중부 오스트로보트니아에 위치한 코코라 마을의 VR Class Tk3 증기기관차

증기 기관차는 증기 기관을 주요 동력원으로 하는 기관차입니다. 증기 기관차의 가장 일반적인 형태에는 엔진에서 사용하는 증기를 생성하기 위한 보일러도 포함되어 있습니다. 보일러의 물은 증기를 생산하기 위해 가연성 물질(일반적으로 석탄, 나무 또는 석유)을 태움으로써 가열됩니다. 증기는 "구동 바퀴"라고 알려진 기관차의 주 바퀴에 연결된 왕복 피스톤을 움직입니다. 연료와 물 공급 모두 기관차와 함께 운반되며, 기관차 자체에 벙커탱크(이 배치는 "탱크 기관차"라고 함) 또는 기관차 뒤로 당겨집니다(이 배치는 "텐더 기관차"라고 함).

트레비틱의 1802년식 기관차

최초의 본격적인 철도 증기 기관차는 1802년 Richard Trevithick에 의해 만들어졌습니다. 그것은 영국의 슈롭셔에 있는 콜브룩데일 제철소를 위해 건설되었지만 그곳에서 그것이 작동했다는 기록은 남아있지 않습니다.[3] 1804년 2월 21일, 트레비틱의 또 다른 기관차가 머티르 타이드필에 있는 페니다렌 제철소에서 사우스 웨일즈의 애버시논으로 열차를 끌고 가면서 최초의 증기 운반 철도 여행이 이루어졌습니다.[4][5] 앤드류 비비안과 함께, 그것은 엇갈린 성공을 거두었습니다.[6] 이 디자인은 엔진의 무게를 줄이고 효율성을 높인 고압 증기 사용을 포함한 여러 가지 중요한 혁신을 통합했습니다.

달링턴 철도센터와 박물관의 1번 로코모션

1812년 매튜 머레이의 2기통 랙 기관차 살라망카는 처음으로 가장자리 철도 랙 앤 피니언 미들턴 철도를 운행했습니다.[7][8][9] 또 다른 유명한 초기 기관차는 뉴캐슬어폰타인 근처 와일람 콜리어리를 위해 윌리엄 헤들리 엔지니어에 의해 1813-14년에 제작된 퍼핑 빌리(Puffing Billy)였습니다. 이 기관차는 보존된 것 중 가장 오래되었고, 런던의 과학 박물관에 정적으로 전시되어 있습니다. 조지 스티븐슨(George Stephenson)은 세계 최초의 공공 증기 철도인 스톡턴 앤 달링턴 철도(Stockton & Darlington Railway)를 위한 1호 기관차를 만들었습니다. 1829년 그의 아들 로버트는 뉴캐슬어폰타인에 로켓을 만들었습니다. Rocket은 Rainhill Trials에 참가하여 우승했습니다. 이 성공은 영국, 미국 및 유럽 대부분의 철도에 사용되는 증기 기관차의 뛰어난 초기 제작자로 부상하게 했습니다.[10] 스티븐슨이 건설한 리버풀 & 맨체스터 철도는 1년 후 승객과 상품 열차에 증기 동력을 독점적으로 사용하여 개통되었습니다.

증기 기관차는 제2차 세계 대전 이후까지 가장 일반적인 기관차 유형으로 남아 있었습니다.[11] 증기 기관차는 현대의 디젤 및 전기 기관차에 비해 효율이 낮고, 이를 운용하고 서비스하기 위해서는 훨씬 더 많은 인력이 필요합니다.[12] 영국 철도 수치에 따르면 증기 기관차를 만들고 연료를 공급하는 비용은 동급 디젤 기관차를 지원하는 비용보다 약 2.5배 컸고, 이들이 운행할 수 있는 일일 주행 거리는 더 낮았습니다.[citation needed] 1950년에서 1970년 사이에 대부분의 증기 기관차는 상용 서비스에서 은퇴하고 전기 및 디젤 전기 기관차로 대체되었습니다.[13][14] 북미는 1950년대에 증기에서, 유럽 대륙은 1970년대에, 세계의 다른 지역에서는 그 변화가 나중에 일어났습니다. 스팀은 널리 사용 가능한 연료를 사용하는 친숙한 기술이었고 저임금 경제에서는 비용 격차가 크지 않았습니다. 20세기 말까지 많은 나라에서 계속 사용되었습니다. 20세기 말까지 전 세계에서 정기적으로 사용되는 증기 동력은 거의 유일하게 유산 철도에 있었습니다.

내연

내연기관차는 내연기관을 사용하며, 변속기에 의해 구동 바퀴에 연결됩니다. 일반적으로 그들은 기관차가 정지해 있든 이동 중이든 엔진을 거의 일정한 속도로 계속 작동시킵니다. 내연기관차는 연료 유형에 따라 분류되고 변속기 유형에 따라 세분화됩니다.

벤젠

벤젠 기관차에는 벤젠을 연료로 사용하는 내연 기관이 있습니다. 1890년대 후반에서 1900년대 사이에 벤젠 기관차를 위한 많은 상업적 제조업체들이 운영되었습니다. 이것은 기센의 망간 광산에 대한 설계 프로토타입을 기반으로 운영 체제를 생산한 Deutz에서 시작되었습니다. 그 후 1900년대 초에 여러 채광 및 터널링 작업을 위해 판매되었습니다. 1900년대 이후에는 광범위한 사용이 필요하거나 필요하지 않았으며 휘발유 및 디젤 기관차의 존재와 함께 그 부적절성이 증가했습니다.

등유

1887년 다임러 건조기

등유 기관차는 등유를 연료로 사용합니다. 그들은 디젤 및 기타 석유 기관차보다 몇 년 앞서 세계 최초의 내연 기관차였습니다. 최초로 알려진 등유 철도 차량은 1887년 고틀립 다임러가 만든 드레인이었지만,[15] 이것은 탑재체를 운반했기 때문에 엄밀히 말하면 기관차가 아니었습니다.

등유 기관차는 1894년 킹스턴 사제 형제가 헐 부두에서 사용하기 위해 만들었습니다. 이 기관차는 4륜 왜건 섀시에 장착된 300rpm으로 작동하는 12마력의 복동식 해양형 엔진을 사용하여 제작되었습니다. 출력이 낮기 때문에 한 번에 한 대의 적재된 마차만 끌 수 있었고 큰 성공을 거두지 못했습니다.[16] 최초로 성공한 등유 기관차는 리처드 혼즈비(Richard Hornsby & Sons)에 의해 제작되어 1896년 울위치 아스널(Woolwich Arsenal) 철도에 인도되었습니다. 이 회사는 1896년에서 1903년 사이에 아스널에서 사용하기 위해 4대의 등유 기관차를 만들었습니다.

가솔린

1902년식 마우드슬레이 가솔린 기관차

가솔린 기관차(미국: 가솔린 기관차)는 가솔린(휘발유)을 연료로 사용합니다. 상업적으로 성공한 최초의 휘발유 기관차는 1902년 모드슬레이 자동차 회사런던의 뎁포드 소 시장을 위해 만든 휘발유 기계식 기관차였습니다. 3기통 수직 가솔린 엔진을 사용하는 80마력의 기관차로, 2단 기계식 기어박스가 장착되어 있었습니다.

가솔린-기계식

가솔린 기관차의 가장 일반적인 유형은 가솔린-기계 기관차로, 엔진의 동력 출력을 자동차와 같은 방식으로 구동 휠에 전달하기 위해 기어박스(때로는 체인 드라이브와 함께) 형태의 기계적 변속기를 사용합니다. 두 번째 휘발유-기계 기관차는 F.C.에 의해 제작되었습니다. 1903년 1월 리치먼드 메인 하수도 위원회를 위해 블레이크.[17][18][16]

가솔린-전기

가솔린-전기 기관차는 엔진의 동력 출력을 구동 휠로 전달하기 위해 전기 변속기를 사용하는 가솔린 기관차입니다. 이를 통해 엔진의 회전식 기계력다이나모에 의해 전기 에너지로 변환한 다음 다단 전기 트랙션 모터에 의해 휠에 동력을 공급함으로써 기어박스가 필요하지 않습니다. 이를 통해 기어를 변경할 필요가 없으므로 가속이 더 원활해지지만, 기계식 변속기보다 더 비싸고 무겁고 때로는 부피가 큽니다.

주목할 만한 초기 휘발유 전기 기관차는 1913년 미니애폴리스, 세인트 폴, 로체스터 두부크 전기 견인 회사를 위해 만들어졌습니다. 무게는 60톤, 350마력을 발생시키고 Bo-Bo 배열로 한 쌍의 보기를 통과했습니다.[19][20]

디젤

디젤 기관차디젤 엔진으로 구동됩니다. 디젤 추진 개발 초기에는 다양한 변속기 시스템이 사용되었으며, 전기 변속기가 가장 인기 있는 것으로 입증되었습니다.

디젤-기계식
North Alabama Railway Museum의 초기 디젤-기계 기관차

디젤-기계식 기관차는 기계식 변속기를 사용하여 바퀴에 동력을 전달합니다. 이러한 변속기 유형은 일반적으로 저출력 저속 션팅(전환) 기관차, 경량 다중 장치 및 자체 추진 레일카로 제한됩니다. 가장 초기의 디젤 기관차는 디젤 기계식이었습니다. 1906년 루돌프 디젤, 아돌프 클로제, 증기 및 디젤 엔진 제조업체인 게브뤼더 술저는 디젤 엔진 기관차를 제조하기 위해 디젤-술저-클로제 GmbH를 설립했습니다. 1909년 프로이센 국영 철도 회사는 디젤 기관차를 회사에 주문했습니다. 세계 최초의 디젤 기관차(디젤-기계 기관차)는 1912년 여름 스위스의 윈터더-로만혼 철도에서 운행되었지만 상업적으로 성공하지 못했습니다.[21] 1920년대 중반까지 다수의 국가에서 소수의 시제 디젤 기관차가 생산되었습니다.

디젤-전기
세계 최초 장거리용 유용한 디젤 기관차(디젤 전기 기관차) S 키이우 D Eel2, 1924년 키이우

디젤-전기 기관차는 전기 변속기를 사용하는 디젤 기관차입니다. 디젤 엔진은 전기 DC 제너레이터(일반적으로 트랙션의 경우 3,000마력(2,200kW) 미만) 또는 전기 AC 교류 정류기(일반적으로 트랙션의 경우 3,000마력(2,200kW) 이상)를 구동하며, 그 출력은 기관차를 구동하는 트랙션 모터에 동력을 제공합니다. 디젤 엔진과 바퀴 사이에는 기계적 연결이 없습니다. 오늘날 디젤 기관차의 대부분은 디젤 전기입니다.

1914년 제너럴 일렉트릭 전기 엔지니어 헤르만 렘프(Hermann Lemp)는 신뢰할 수 있는 직류 전기 제어 시스템을 개발하여 특허를 받았습니다(이후 개선 사항도 렘프에 의해 특허를 받았습니다).[22] Lemp의 디자인은 엔진과 발전기를 조정된 방식으로 제어하기 위해 단일 레버를 사용했으며 모든 디젤-전기 기관차 제어의 원형이었습니다. 1917-18년에 GE는 Lemp의 제어 설계를 사용하여 3대의 디젤-전기 기관차를 생산했습니다.[23] 1924년에 디젤 전기 기관차(E2 원래 번호는 ю э 001/Yu-e 001)가 운행을 시작했습니다. 유리 로모노소프(Yury Lomonosov)가 이끄는 팀이 설계하고 독일의 마스치넨파브릭 에슬링겐(Maschinenfabrik Esslingen)이 1923-1924년에 건설했습니다. 5개의 주행 차축(1'E1')이 장착되어 있었습니다. 몇 번의 시승 끝에 1925년부터 1954년까지 거의 30년 동안 열차를 끌었습니다.[24]

디젤 유압식
독일의 DB 클래스 V 200 디젤-유압 기관차, 베를린 테크닉뮤지엄

디젤-유압 기관차는 유압 변속기를 사용하는 디젤 기관차입니다. 이 장치에서는 하나 이상의 토크 컨버터를 기어와 조합하여 디젤 엔진에서 휠로 동력을 전달하는 기계적 최종 구동 장치를 사용합니다.

전 세계적으로 주요 유압 변속기 기관차 사용자는 도이치 분데스반(Deutsche Bundesbahn)이었고, DB 클래스 V 200DB V 160 제품군을 포함한 디자인이었습니다. 브리티시 레일1955년 현대화 계획 기간 동안 디젤 유압 설계를 도입했습니다: 처음에는 독일 설계의 라이센스 제작 버전이었습니다. 스페인에서 렌페는 1960년대부터 1990년대까지 고속 열차를 견인하기 위해 높은 동력 대 중량 비율의 쌍발 독일 설계를 사용했습니다(렌페 클래스 340, 350, 352, 353, 354 참조).

CMI 그룹(Belgium)에 의한 350~750마력(260~560kW)의 단락 기관차와 같은, 수력 구동 시스템이 철도용에도 적용되었습니다.[25] 정수압 드라이브는 탬퍼레일 그라인더와 같은 철도 유지 보수 기계에도 사용됩니다.[26]

가스터빈

일리노이 철도 박물관에 보존되어 있는 가스 터빈 전기 기관차인 유니언 퍼시픽 18.

가스터빈 기관차가스터빈으로 구성된 내연기관 기관차입니다. ICE 엔진은 바퀴에 동력을 공급하기 위해 변속기가 필요합니다. 기관차가 정지되었을 때 엔진이 계속 작동하도록 해야 합니다.

가스터빈-기계식 기관차는 기계식 변속기를 사용하여 가스터빈의 동력 출력을 바퀴로 전달합니다. 가스 터빈 기관차는 1861년 마크 앙투안 프랑수아 메논스(영국 특허 제1633호)에 의해 특허를 받았습니다.[27] 기관차가 실제로 만들어졌다는 증거는 없지만 설계에는 압축기, 연소실, 터빈 및 공기 예열기를 포함한 가스 터빈 기관차의 본질적인 특징이 포함되어 있습니다. 1952년 르노는 터빈에 일체형인 동축 다단 압축기가 아닌 페스카라 "자유 터빈" 가스 및 압축 공기 생산 시스템이 장착된 4축 1150마력의 가스 터빈 기계 기관차를 납품했습니다. 이 모델은 1959년에 두 개의 터빈과 페스카라 피드가 있는 6축 2400마력 기관차 한 쌍에 의해 계승되었습니다. 비슷한 기관차들이 소련에서 하르코프 기관차 웍스에 의해 만들어졌습니다.[28]

가스 터빈 전기 기관차가스 터빈을 사용하여 전류를 생성하는 전기 발전기 또는 교류 발전기를 구동하여 바퀴를 구동하는 견인 모터를 작동시킵니다. 1939년 스위스 연방 철도브라운 보베리로부터 1,620 kW(2,170 hp)의 최대 엔진 출력을 갖는 GTEL인 Am 4/6을 주문했습니다. 1941년에 완공되었으며, 정규 서비스에 들어가기 전에 테스트를 거쳤습니다. Am 4/6은 최초의 가스 터빈 – 전기 기관차였습니다. British Rail 18000은 Brown Boberi에 의해 만들어졌고 1949년에 인도되었습니다. 영국 철도 18100호메트로폴리탄 비커스에 의해 만들어졌고 1951년에 인도되었습니다. 세 번째 기관차인 British Rail GT3는 1961년에 제작되었습니다. Union Pacific은 1950년대부터 터빈을 동력으로 하는 화물 기관차의 대규모 함대를 운영했습니다.[29] 이것들은 장거리 노선에서 널리 사용되었고, 석유 산업의 "남은" 연료를 사용하기 때문에 연비가 좋지 않음에도 불구하고 비용 효율적이었습니다. 철도회사는 이 철도가 Union Pacific의 화물 열차의 약 10%를 운행한 것으로 추정했는데, 이는 이 클래스의 다른 어떤 예보다 훨씬 광범위한 용도입니다.

가스 터빈은 피스톤 엔진에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 움직이는 부품이 거의 없어 윤활의 필요성을 줄이고 잠재적으로 유지 보수 비용을 절감할 수 있으며 전력 대 중량 비율이 훨씬 높습니다. 주어진 출력의 터빈은 또한 물리적으로 동등하게 강력한 피스톤 엔진보다 작기 때문에 기관차가 지나치게 크지 않고 매우 강력합니다. 그러나 동력 곡선이 비교적 평평한 피스톤 엔진과 달리 터빈의 동력 출력과 효율은 회전 속도에 따라 급격히 떨어집니다. 따라서 GTEL 시스템은 주로 장거리 고속 주행에 유용합니다. 가스 터빈 전기 기관차의 추가적인 문제는 매우 시끄럽다는 것을 포함했습니다.[30]

우드 가스 발생

보통 프랑스와 이탈리아에 있는 몇몇 기관차들은 우드 가스 발전기로 달렸습니다.[31][self-published source][32][user-generated source]

전기

전기 기관차는 전기로만 움직이는 기관차입니다. 전기는 선로를 따라 달리는 (거의) 연속적인 전도체를 가진 움직이는 열차에 공급됩니다: 선로를 따라 기둥이나 타워에 매달리거나 구조물이나 터널 천장에 매달린 오버헤드 라인; 선로 레벨에 장착된 제3 레일; 또는 온보드 배터리. 오버헤드 와이어 및 제3 레일 시스템 모두 일반적으로 주행 중인 레일을 리턴 도체로 사용하지만 일부 시스템에서는 이를 위해 별도의 제4 레일을 사용합니다. 사용되는 전력 유형은 직류(DC) 또는 교류(AC)입니다.

Southern Railway (영국) 20002는 팬터그래프와 콘택트 슈즈를 모두 갖추고 있었습니다.

수거방법은 바퀴 또는 신발과 선을 연결하는 길고 유연한 폴(pole)인 트롤리 폴(trolley pole); 전선에 긴 수거용 로드를 고정시키는 프레임인 활 수집기(bow collector); 전선에 고정된 기하학적 구조로 수거용 신발을 전선에 고정시키는 힌지 프레임인 팬터그래프(pantograph); 또는 접촉식 신발(contact shoe) 등 다양합니다. 세 번째 레일과 접촉하는 신발입니다. 셋 중 팬터그래프 방식이 고속 운행에 가장 적합합니다.

전기 기관차는 거의 보편적으로 차축에 매달린 견인 모터를 사용하며, 각 동력 차축에 하나의 모터가 있습니다. 이 배열에서 모터 하우징의 한쪽 면은 지면 위에 있는 평 베어링과 차축에 필수적인 연마 저널에 의해 지지됩니다. 하우징의 다른 측면에는 트럭(보기) 볼스터의 매칭 슬롯과 맞물리는 텅 형상의 돌출부가 있으며, 그 목적은 토크 반응 장치 및 지지대 역할을 하는 것입니다. 모터에서 액슬로의 동력 전달은 모터 축의 피니언이 액슬의 황소 기어와 맞물리는 스퍼 기어에 의해 이루어집니다. 두 기어 모두 윤활유가 들어 있는 액체 밀폐형 하우징에 둘러싸여 있습니다. 기관차가 사용되는 서비스 유형에 따라 사용되는 기어비가 결정됩니다. 수치적으로 높은 비율은 화물 단위에서 흔히 볼 수 있는 반면, 수치적으로 낮은 비율은 일반적으로 여객 엔진에서 볼 수 있습니다.

전기는 일반적으로 크고 비교적 효율이 높은 발전소에서 생산되며, 철도 네트워크로 전송되어 열차에 분배됩니다. 일부 전기 철도에는 전용 발전소와 송전선이 있지만 대부분은 전기 유틸리티에서 전력을 구입합니다. 철도는 일반적으로 자체 배전선로, 스위치 및 변압기를 제공합니다.

전기 기관차는 일반적으로 디젤 기관차보다 비용이 20% 적게 들고, 유지 보수 비용이 25~35% 적게 들며, 운행 비용이 최대 50% 적게 듭니다.[33]

직류

베르너 폰 지멘스 실험용 직류 전동차, 1879
볼티모어 & 오하이오 전기 엔진, 1895

가장 초기의 시스템은 DC 시스템이었습니다. 최초의 전기 여객열차는 1879년 베르너지멘스베를린에서 선보였습니다. 기관차는 2.2 kW, 직렬 권선 모터에 의해 구동되었고, 기관차와 3량으로 구성된 열차는 13 km/h의 속도에 도달했습니다. 4개월 동안, 그 기차는 9만명의 승객들을 300미터 길이의 원형 트랙에 태웠습니다. 전기(150 V DC)는 선로 사이에 세 번째 절연 레일을 통해 공급되었습니다. 접촉 롤러를 사용하여 전기를 모았습니다. 세계 최초의 전기 트램 노선은 1881년 독일 베를린 근처의 리히터펠데에서 개통되었습니다. 베르너 폰 지멘스에 의해 건설되었습니다(그로스-리히터펠데 트램웨이베를린 스트라 ß엔반 참조). 볼크 전기 철도는 1883년 브라이튼에서 개통되었으며, 현존하는 가장 오래된 전기 철도입니다. 또한 1883년 오스트리아 빈 근처에 뫼들링과 힌터브ü 트램이 개통되었습니다. 오버헤드 라인으로 구동되는 일반 서비스에서는 세계 최초였습니다. 5년 후, 미국에서는 1888년에 프랭크 J. 스프래그(Frank J. Sprague)가 설계한 장비를 사용하여 리치몬드 유니언 여객철도(Richmond Union Passenger Railway)에서 전기 카트가 개척되었습니다.[34]

최초로 전기적으로 작동한 지하선은 시티 사우스 런던 철도로 증기 동력 사용을 금지하는 가능한 법 조항에 의해 촉발되었습니다.[35] 1890년 마더 & 플랫이 만든 전기 기관차를 사용하여 문을 열었습니다. 1897년 스프래그가 다중 유닛 열차 제어 장치를 발명한 덕분에 전기는 지하철의 전력 공급원이 되었습니다.

1895년 볼티모어 & 오하이오(B&O)의 볼티모어 벨트 라인의 4마일 구간에서 B&O의 주요 부분을 볼티모어 시내 가장자리 주변의 일련의 터널을 통해 뉴욕으로 연결하는 전기가 처음 사용되었습니다. 3대의 Bo+Bo 유닛은 처음에 전기화된 구간의 남쪽 끝에서 사용되었습니다. 그들은 기관차와 열차에 연결되어 터널을 통해 끌어 당겼습니다.[36]

DC는 이전 시스템에서 사용되었습니다. 이러한 시스템은 점차 AC로 대체되었습니다. 오늘날 거의 모든 간선 철도는 AC 시스템을 사용합니다. DC 시스템은 대부분 전력 요구량이 적은 메트로 시스템, 경전철 및 트램과 같은 도시 교통 수단에 국한됩니다.

교류

1901년 이탈리아 발텔리나에 있는 Ganz AC 전기 기관차의 원형.

최초의 실용적인 AC 전기 기관차는 찰스 브라운(Charles Brown)에 의해 설계되었으며, 그 후 취리히(Zürich)의 외를리콘(Oerlikon)에서 일했습니다. 브라운은 1891년 라우페남 네카르 수력발전소와 280km 거리의 프랑크푸르트암 메인 웨스트 사이에서 3상 교류를 이용한 장거리 송전을 시연했습니다. 브라운은 증기-전기 기관차 설계를 위해 장 하일만에서 일하면서 얻은 경험을 이용하여 3상 모터DC 모터보다 더 높은 동력 대 중량 비율을 가지고 있으며 정류기가 없기 때문에 제조 및 유지 관리가 더 간단하다는 것을 관찰했습니다.[a] 그러나, 그것들은 당시의 DC 모터들보다 훨씬 컸고, 지하 대차에 장착할 수 없었습니다: 그것들은 기관차 본체 안에서만 운반될 수 있었습니다.[38]

1894년 헝가리의 기술자 칼만 칸도는 전기 기관차를 위한 새로운 3상 비동기식 전기 구동 모터와 발전기를 개발했습니다. 칸도의 1894년 초 설계는 1896년에서 1898년 사이에 건설된 에비앙레뱅(프랑스)의 짧은 3상 교류 전차로에서 처음 적용되었습니다.[39][40][41][42][43] 1918년 [44]칸도는 전기 기관차가 고압 국가 네트워크의 단순한 산업 주파수(50Hz) 단일 위상 교류를 운반하면서 단일 오버헤드 와이어를 통해 공급되는 동안 3상 모터를 사용할 수 있도록 하는 회전 위상 변환기를 개발했습니다.[45]

1896년, Oerlikon은 루가노 트램웨이에 이 시스템의 첫 번째 상업적 사례를 설치했습니다. 각 30톤 기관차에는 2개의 110kW(150hp) 모터가 이중 오버헤드 라인에서 공급되는 3상 750V 40Hz로 구동되었습니다. 3상 모터는 일정한 속도로 작동하며 회생 제동을 제공하며 급경사 경로에 매우 적합하며, 1899년 브라운(당시 발터 보베리와 제휴)이 40km의 부르그도르프에서 최초의 본선 3상 기관차를 공급했습니다.툰라인, 스위스. 1901년 외를리콘에서 한스 베른-에셴부르크에밀 후버-스토카르의 설계를 사용하여 최초로 산업용 주파수 단상 교류 공급을 구현했습니다. 15kV, 50Hz 345kW(460hp), 48톤 기관차는 변압기와 회전 변환기를 사용하여 DC 트랙션 모터를 구동했습니다.[46]

이탈리아 철도는 짧은 신장이 아닌 본선의 전체 길이에 대해 전기 견인을 도입한 세계 최초의 철도였습니다. 106km의 발텔리나 선은 1902년 9월 4일 칸도와 간즈 작업팀이 설계한 것으로 개통되었습니다.[47][45] 전기 시스템은 3kV 15Hz에서 3상이었습니다. 전압은 이전에 사용된 것보다 훨씬 높았으며 전기 모터와 스위칭 장치에 대한 새로운 디자인이 필요했습니다.[48][49] 3상 2선 시스템은 북부 이탈리아의 여러 철도에서 사용되었으며 "이탈리아 시스템"으로 알려졌습니다. 칸도는 1905년에 초대되어 소시에타 이탈리아나 웨스팅하우스의 경영을 맡았고 여러 이탈리아 전기 기관차의 개발을 이끌었습니다.[48]

배터리-전기

런던 지하철 웨스트햄 역의 전기 기관차로 기관사의 열차를 견인하기 위해 사용되었습니다.
광업에 사용되는 협궤 배터리-전기 기관차

배터리 전기 기관차() 또는 배터리 기관차()는 배터리 전기 자동차의 일종으로, 온보드 배터리로 구동되는 전기 기관차입니다.

이러한 기관차는 기존 디젤 또는 전기 기관차가 적합하지 않은 곳에 사용됩니다. 전기 공급이 차단될 때 전기화된 선로의 유지보수 열차가 그 예입니다. 또 다른 용도는 연소 동력 기관차(, 증기 또는 디젤 동력)가 제한된 공간에서 화재, 폭발 또는 연기의 위험으로 인해 안전 문제를 일으킬 수 있는 산업 시설에서 사용됩니다. 배터리 기관차는 수집 신발에서 트롤리 동력 장치가 아킹하여 가스가 점화될 수 있거나 공급 회로 또는 리턴 회로, 특히 레일 접합부에서 전기 저항이 발생하고 위험한 전류가 땅으로 누출될 수 있는 광산에 선호됩니다.[50] 노상 운행 중인 배터리 기관차는 다이내믹 브레이크 에너지를 흡수하면서 충전할 수 있습니다.[51]

최초로 알려진 전기 기관차는 1837년 애버딘의 화학자 로버트 데이비슨(Robert Davidson)에 의해 만들어졌으며 갈바닉 전지(배터리)에 의해 구동되었습니다. 데이비드슨은 이후 1841년 왕립 스코틀랜드 예술 협회 전시회에 전시된 갈바니라는 이름의 더 큰 기관차를 만들었습니다. 7톤짜리 이 차량에는 두 개의 직구동 저항 모터가 달려 있었는데, 각 차축의 나무 실린더에 달린 쇠창살에 고정 전자석이 작용했고, 간단한 정류기가 있었습니다. 시속 4마일(시속 6km)로 1.5마일(2.4km) 거리에 6톤의 짐을 실어 날랐습니다. 이듬해 9월 에든버러와 글래스고 철도에서 시험 운행했지만 배터리에서 나오는 제한된 전력으로 인해 일반적인 사용이 불가능했습니다.[52][53][54]

또 다른 예는 1917년 알래스카주 라투슈케네콧 구리 광산에서 두 대의 배터리 기관차로 작업할 수 있도록 지하 운반로가 넓어진 것입니다. 4+1 2톤. 1928년 케네콧 코퍼는 배터리가 탑재된 700계 전동 기관차 4대를 주문했습니다. 이 기관차들은 무게가 85톤이었고, 배터리로 운행하는 동안 거리가 상당히 먼 750볼트 오버헤드 트롤리 와이어로 운행되었습니다.[56] 기관차는 니켈-철 배터리(Edison) 기술을 사용하여 수십 년 동안 서비스를 제공했습니다. 배터리는 납축 배터리로 교체되었고, 기관차는 얼마 지나지 않아 퇴역했습니다. 기관차 4량은 모두 박물관에 기증되었지만 1량은 폐기되었습니다. 다른 것들은 아이오와의 분 앤 플레이크 밸리 철도와 캘리포니아 리오 비스타의 웨스턴 철도 박물관에서 볼 수 있습니다. 토론토 교통위원회는 앞서 1968년 니혼샤료가 제작한 배터리 전기 기관차를 운영하다 2009년 퇴역했습니다.[57]

런던 언더그라운드는 일반 정비 작업을 위해 배터리 전기 기관차를 정기적으로 운영하고 있습니다.

기타유형

파이어리스

원자전기

1950년대 초, 유타 대학의 라일 보르스트(Lyle Borst)는 미국의 여러 철도 노선과 제조업체로부터 전기 구동 기관차의 타당성을 연구하기 위한 자금을 지원받았는데, 이 기관차는 탑재된 원자로에서 증기를 생산하여 전기를 생산합니다. 당시 원자력은 완전히 이해되지 않았습니다. 보르스트는 우라늄 가격이 가장 큰 걸림돌이라고 생각했습니다. 보르스트 원자로 기관차의 경우, 중심부에는 사고 시 방사능 방출을 방지하기 위해 200톤의 원자로 챔버와 5피트 두께의 강철 벽이 있습니다. 그는 7000hp 엔진을 가진 원자 기관차를 만드는 데 드는 비용을 개당 약 120만 달러로 추정했습니다.[58] 따라서 원자력 발전기가 탑재된 열차는 일반적으로 막대한 비용으로 인해 실행이 불가능한 것으로 여겨졌습니다.

연료전지-전기

2002년 퀘벡발도르에서 최초의 3.6톤, 17kW 수소(연료전지) 동력 채굴 기관차가 시연되었습니다. 2007년 대만 가오슝에 있는 교육용 미니-하이드레일이 운행을 시작했습니다. Railpower GG20B는 마지막으로 연료 전지 전기 기관차의 또 다른 예입니다.

하이브리드 기관차

베를린 이노트랜스 컨벤션에서 열린 봄바디어 ALP-45DP

두 종류 이상의 동력을 사용하는 하이브리드 또는 듀얼 모드 기관차는 매우 다양합니다. 가장 일반적인 하이브리드 차량은 전기 공급 장치 또는 온보드 디젤 엔진으로 구동되는 전기 디젤 기관차입니다. 이것들은 부분적으로만 전기화된 경로를 따라 연속적인 이동을 제공하는 데 사용됩니다. 예를 들어 EMD FL9봄바디어 ALP-45DP가 있습니다.

사용하다

철도 수송 작업에서 기관차의 주요 용도는 여객 열차, 화물 열차, 전환(영국 영어: shunting) 등 세 가지입니다.

화물 기관차는 일반적으로 높은 출발 견인력과 높은 지속 전력을 제공하도록 설계되었습니다. 이를 통해 길고 무거운 열차를 시작하고 이동할 수 있지만, 일반적으로 상대적으로 낮은 최고 속도의 비용이 듭니다. 여객 기관차는 일반적으로 낮은 출발 견인력을 개발하지만 여객 스케줄을 유지하는 데 필요한 고속으로 운행할 수 있습니다. 혼합 교통 기관차(미국 영어: 범용 또는 도로 전환 기관차)는 화물 기관차만큼 시작하는 매력적인 노력을 개발하지는 않지만 여객 기관차보다 더 무거운 열차를 끌 수 있습니다.

대부분의 증기 기관차에는 왕복 엔진이 있으며 피스톤은 로드 연결을 통해 구동 휠에 연결되며 기어박스는 개입되지 않습니다. 이는 출발 견인력과 최대 속도의 조합이 구동 휠의 직경에 크게 영향을 받는다는 것을 의미합니다. 화물 운송을 목적으로 하는 증기 기관차는 일반적으로 여객 기관차보다 작은 직경의 구동 바퀴를 가지고 있습니다.

디젤 전기 및 전기 기관차에서 트랙션 모터차축 사이의 제어 시스템은 화물 또는 승객 서비스를 위해 동력 출력을 레일에 맞게 조정합니다. 여객 기관차에는 헤드엔드 전원(호텔 전원 또는 전기 열차 공급 장치라고도 함) 또는 증기 발생기와 같은 다른 기능이 포함될 수 있습니다.

일부 기관차는 가파른 등급의 철도 작업을 위해 특별히 설계되었으며 광범위한 추가 제동 메커니즘과 때로는 랙 및 피니언을 특징으로 합니다. 급경사 랙 피니언 철도용으로 제작된 증기 기관차는 종종 기관차 프레임에 대해 보일러가 기울어져 있으므로 보일러가 급경사면에서 대략 수평을 유지합니다.

기관차는 일부 고속 열차에도 사용됩니다. 그들 중 일부는 열차의 다른 끝에 트레일러 제어 차량과 함께 푸시-풀(push-pull) 형태로 운영되며, 종종 기관차 객실과 동일한 디자인의 객실을 가지고 있습니다; 일반적인 기관차가 있는 그러한 열차의 예로는 레일젯(Railjet)과 인터시티(Intercity) 225가 있습니다.

또한 모든 TGV, 많은 탈고 (250 / 350 / 에이브릴 / XXI), 일부 Korea Train Express, ICE 1 / ICE 2 Intercity 125를 포함한 많은 고속 열차가 전용 동력차를 사용합니다. 이들은 승객을 위한 장소가 없고 기술적으로 특별한 단일 기관차입니다. 기존의 기관차와 다른 점은 이 동력차들이 열차의 필수적인 부분이며, 다른 유형의 승객용 코치와 함께 작동하도록 설계되지 않았다는 것입니다. 반면에 신칸센과 같은 많은 고속 열차는 기관차를 사용하지 않습니다. 기관차와 같은 동력차 대신 전기 다중 장치(EMU) 또는 디젤 다중 장치(DMU)를 사용합니다. 이는 견인 모터와 동력 장비도 갖춘 승용차입니다. 전용 기관차와 같은 동력차를 사용하면 높은 승차감과 적은 전기 장비를 사용할 수 있지만 EMU는 차축 중량이 적어 유지 비용이 절감되고 EMU는 가속 및 좌석 수용 능력이 향상됩니다.[59][59] 또한 TGV PSE, TGV TMSTTGV V150을 포함한 일부 열차는 비승용 동력차와 추가 승용차를 모두 사용합니다.

운영역할

기관차는 때때로 다음과 같은 특정한 역할을 합니다.

  • 열차 기관은 열차를 끌기 위해 철도 열차의 앞부분에 부착된 기관차의 기술 이름입니다. 또는 푸시 풀 작동을 위한 시설이 있는 경우 열차 엔진을 열차 후면에 부착할 수 있습니다.
  • 파일럿 엔진 – 열차 엔진 앞에 부착된 기관차로, 이중 헤딩이 가능합니다.
  • 은행 엔진 – 출발이 어렵거나 경사가 급하기 때문에 열차를 후방에서 일시적으로 보조하는 기관차;
  • 경기관 – 이전 또는 운영상의 이유로 열차가 뒤에 없이 운행되는 기관차입니다. 때때로 경기관은 그 자체로 기차라고 불립니다.
  • 역 조종사기차역에서 승객 열차를 분리하는 데 사용되는 기관차입니다.

바퀴 배열

기관차의 바퀴 배열은 얼마나 많은 바퀴를 가지고 있는지를 나타냅니다. 일반적인 방법으로는 AAR 바퀴 배열, UIC 분류Whyte 표기 시스템이 있습니다.

원격조종기관차

20세기 후반에 원격 제어 기관차는 기관실 밖에서 운영자에 의해 원격 제어되는 전환 작업에 서비스를 시작했습니다. 주요 이점은 한 운영자가 곡물, 석탄, 자갈 등을 자동차에 싣는 것을 제어할 수 있다는 것입니다. 또한 동일한 운영자가 필요에 따라 열차를 이동시킬 수 있습니다. 따라서 기관차는 약 3분의 1의 시간에 적재되거나 하역됩니다.[citation needed]

참고 항목

메모들

  1. ^ Heilmann은 자신의 기관차에 대해 AC와 DC 전기 변속기를 모두 평가했지만, 결국 Thomas Edison의 DC 시스템을 기반으로 한 설계에 정착했습니다.[37]

참고문헌

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서지학

외부 링크

위키미디어 커먼즈의 기관차 관련 매체