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기획특집/연재

철도차량의 역사(마지막회)

미국철도, 무연화, 동력분산과 고속철도

7. 미국철도


  유럽에서 영국이 철도기술을 선도하여 대륙 유럽국가에도 영국의 기술적 영향을 받아 철도가 발전하였다. 이에 비해 미국에서는 비교적 초기부터 독자적인 철도기술이 발전하였다. 이는 미국 국토의 특징이 영향을 미치고 있다.


  유럽에는 당시 산업이 상당히 발전해 있었고, 인구도 조밀했다. 그 반면에 토지비(土地費)는 인건비(人件費)에 비해 비쌌다. 건설에 필요한 토지를 삭감하는 것은 많은 노동력의 투입을 필요로 하는 대규모 토목공사가 필요해서라도 필요하게 되었다.


  이 때문에 철도건설은 상당한 자금을 투자해 토목공사를 실시해 규격이 좋은 훌륭한 선로를 최초부터 부설하였다. 산업과 인구의 관점으로부터 그 만큼의 선로를 필요로 하는 만큼 수요를 최초로 간파할 수 있었다. 영국에는 철도가 개통할 당시와 같은 노선 위를 현대의 고속철도가 주행하고 있을 정도로 처음부터 규격이 좋은 선로를 만들었다. 유럽의 기관차는 이 규격이 좋은 선로를 달리는 것을 전제로 설계되었다.


  반면 미국에서는 광활한 대지에 사람들이 살고 있었고, 요구되는 철도노선은 장대했다.1 km에서도 긴 철도를 부설하기 위해서 건설 비용은 빡빡한 지형에 따라서 급경사와 급곡선이 많아 궤도의 오차도 큰 선로가 부설되어 있었다.미국에서는 인건비에 비하면 토지비가 공짜나 다름없었다는 점도 영향을 미쳤다.처음에는 목재 기반 위에 쇠를 붙인 레일이 아직 사용됐을 정도다.현대 미국 철도에서는 중후하게 정비된 고규격 선로 위를 대중량의 고속화물열차가 돌진하고 있지만, 당초 이와는 전혀 거리가 먼 경규격 철도였다.미국의 기관차는 이 저 규격의 선로에서도 안정되어 주행하는 것이 요구됐다[21]. 


  미국 최초의 증기기관차는 기술자 호레이쇼 앨런 씨가 영국에서 구입한「스타바브리지 라이언」이었다. 앨런은 영국에 건너가 철도기술을 습득하고, 4량의 기관차를 발주하고 귀국했다. 이 가운데 포스터·라스트릭 앤드 컴퍼니가 납품한 기관차를 1829년 8월 8일, 미국에서 처음으로 증기기관차를 주행시켰다. 이 기관차를 델라웨어 앤드 허드슨 철도에서 사용하려 했으나 영국 산 기관차는 너무 무거워서 선로가 견디지 못해 기관차 이용은 포기하였다.


  앨런 씨는 이어서 사우스캐롤라이나 철도의 기사장(技師長)으로 취임해 미국의 독자적인 기관차 제작에 힘썼다. 선박용 보일러에서 실적이 있었던 뉴욕의 웨스트포인트 파운드리(West Point Foundry) 사(社)에 발주하였으며, 플랫한 차량 위에 선박용 종형(縱型) 보일러를 실은 기관차가 완성하였다. 1830년도에 완성한 이 차량은「베스트 프렌즈 오브 찰스턴(Best Friend of Charleston)」호(號)라고 명명되었으며, 11월부터 시운전을 한 다음 1831년 1월 15일부터 미국에서 처음으로 공공용 증기철도로써 운전이 개시되었다. 리버풀 앤드 맨체스터 철도에서 불과 4개월이 지연되었다. 다만, 종형(縱型)의 보일러는 차량한계의 높이제한을 받아 별로 늘지 않아 유럽과 같이 횡형(橫型) 보일러를 탑재한 기관차가 발달하였다.


  영국으로부터 기관차의 수입은 당분간 계속 되었다. 모호크 앤드 허드슨 철도 기사장(技師長) 존・쟈비스 씨는 로버트 스티븐슨 사(社)로부터 플래닛형 7.5톤 기관차를 수입하였다. 그러나 영국 사양으로 만들어진 기관차는 무겁고, 스프링도 단단하여 미국의 빈약한 선로에는 적합하지 않았다.이를 개량하기 위하여 2축 보기(bogie) 대차를 취부하는 아이디어가 나왔다. 이 아이디어 자체는 영국에서 이미 존재하고 있었지만 영국의 양호한 선로에서는 필요없어 실현되지 않았다.


  

베스트 프렌즈 오브 찰스턴(Best Friend of Charleston)」호


  로버트 스티븐슨에서 이 아이디어를 배운 쟈비스 씨는 플래닛형 1축 선륜(先輪)을 2축 선대차(先臺車)에 바꾸기로 하고, 1832년 웨스트 포인트 사(社)가 제작한 기관차「브라더 조나단」호(號)가 완성되었다. 이 기관차는 선대차(先臺車)의 움직임에 따라 중량균형이 개선되어 레일로 흡입되도록 했으며, 곡선에서는 선대차(先臺車)가 기관차의 나아가는 방향을 안내하기 때문에 선로손상이 줄고, 기관차의 탈선 가능성도 줄었다. 이 혁신은 삽시간에 미국 기관차에 퍼졌다.


  캠던 앤드 암보이 철도 기사장(技師長) 로버트 스티븐 씨는 영국 제(製) 기관차를 개량할 때 선로 위에 나타나는 야생동물 등의 장애를 피하기 위해 카우캐처를 취부하였다. 카우캐처는 19세기 미국 기관차의 특징이 되었다.


  쟈비스 씨가 개발한 선대차(先臺車)를 사용하는 차륜배치 4-2-0의 기관차는 미국 전역에 널리 유포되었지만 견인력이 부족하다는 불만이 있어 동축(動軸)을 다시 1개 늘여 차륜배치 4-4-0의 기관차를 고안하였다. 1836년 필라델피아 저먼타운 앤드 노리스타운 철도 기사장(技師長) 헨리 R·캠벨씨가 고안한 다음 1837년, 실제 기관차를 완성하였다.


  그러나 이 기관차는 탈선하기 쉽다는 단점이 있었다. 이에 대해서 가레트 이스트 위크 씨와 조셉 해리슨 씨가 1838년도에 제작한 기관차에는 동축(動軸) 위에 이퀄라이저[균형(均衡)비임]를 취부하여 무게균형을 잡고, 3점지지(支持)로 하는 연구를 하였다. 이에 따라 탈선확률은 크게 줄어들고, 기관차 성능도 향상되었다. 이 차륜배치 4-4-0의 기관차는「아메리칸 형(型)」이라 불렀으며, 지금도 다시 미국 전체로 퍼지게 되었다.


  

                  4-4-0 아메리컨 형 증기기관차


  영국에는 독립된 기관차 업체도 있었지만 철도회사가 사내공장에서 기관차를 만드는 사례도 많았다. 이에 대해서 미국에는 당초부터 철도회사와 기관차 업체가 나뉘어 볼드윈, 로코 모티브 웍스처럼 큰 기관차 회사가 발전하였다. 미국에서 기관차를 내제(內製)한 것은 로어노크 공장에서 제작한 노퍽 앤드 웨스턴 철도처럼 예외적인 존재이다.


  또한 유럽에는 기관차의 프레임으로써 판(板) 프레임이 주류였지만 미국에는 막대(棒) 프레임이 주류를 차지하는 등 기술적으로 다른 면을 볼 수 있었다. 


  미국에서 개발된 선대차(先臺車)와 이퀄라이저같은 기관차 기술의 혁신은 이윽고 유럽에도 피드백되어 새로운 증기기관차의 발전을 가져오게 되었다.


8. 무연화


  제2차 세계대전 이전 시점에서 이미 전기동력(電氣動力)과 디젤동력(動力)은 두드러진 발전을 보이면서 증기동력(蒸氣動力)의 입장을 침식하기 시작하였다. 대전 중(大戰中)은 비교적 여유가 있던 미국에서 디젤기관차 도입이 진행되고 있던 이외는 어느 나라에서도 전기·디젤동력의 대처는 일단 휴지(休止)되어 옛날 증기기관차의 성능을 극한까지 끌어내면서 제작에 필요로 하는 자재와 공수(工數)를 극단적으로 절감한 전시설계(戰時設計) 기관차가 투입되었다.


  이 예로써 독일 국철 52형 증기기관차와 국철 D52형 증기기관차의 예가 있다. 독일 국철의 52형은 증기기관차로 공전(空前) 7,000량 이상이 제작되어 그 고성능부터 독일 점령지에 남은 기관차가 전후(戰後) 각국에서 이용되었을 뿐만 아니라 이 형식 차량의 추가제작까지 하였다.


  전후(戰後)에는 선진 각국에서 증기동력을 전기동력·디젤동력으로 옮겨놓는「무연화(無燃化)」가 추진되었다. 일본에는 1947년, 미국에서는 1948년, 프랑스에서는 1952년, 영국에서는 1953년, 서독에서는 1957년도에 증기기관차의 신규개발이 중지되었다. 전기·디젤기관차의 증산이 진행되면서 기존 증기기관차도 속속 운용을 벗어나 보존용으로 남겨진 증기기관차를 제외하면 미국에서는 1960년, 영국에서는 1968년, 일본에서는 1976년, 서독에서는 1978년도에 증기기관차가 상업적인 운행에서 철수하였다. 선진국에서는 늦게까지 남은 남(南) 아프리카 공화국에서도 1992년도에 운행이 중단되었다. 


  반면에 개발 도상국에서는 증기기관차 운행이 이어져 중국에는 1980년대까지 증기기관차의 신규 생산이 이뤄지고 있었다. 그러나 중국에서도 전철화(電鐵化)·디젤화(化)가 진전되는 상황에 있다.


9. 동력분산과 고속철도


  한편 증기기관차를 단순히 전기기관차ㆍ디젤기관차로 대체하는 것은 아닌 다른 무연화(無燃化)의 길이 일본에서 실시되었다. 일본에는 연약한 지반관계도 있어 선로의 제한 축중이 심해 중량이 있는 기관차를 고속 주행시키기는 어려웠다. 이 때문에 편성 전체에 동력을 배치한 동력 분산방식(動力 分散方式)을 이용한 전차(電車)·디젤동차(動車) 방식을 중심으로 발전시킬 방침이 채택되었다. 비용면에는 동력 집중방식(動力 集中方式)에 뒤떨어질 것으로 전망되었지만 운용효율이 좋은 것으로 커버할 수 있다고 생각할 수 있었다. 


  1950년부터 도쿄(東京) ~ 누마즈(沼津) 간에 80계 전기동차를 투입시켜 쇼난 전철(湘南電鐵)에서 운행이 시작되었다. 그때까지 단거리 통근·통학목적의 열차에 한정된 전동차(電動車)가 처음으로 객차열차를 대체하는 목적으로 투입되어 120km 이상의 장거리를 객차열차 수준의 큰 편성으로 운전하게 되었다. 차내설비도 객차와 손색이 없는 설비가 마련되었다.


  1958년도에는 151계 전기동차가 투입되어 도쿄(東京) ~ 오사카(大阪) 간 전기동차 특급열차「고다마(울림의 의미)」호 운용을 개시하였다. 대전 전(大戰 前) 이탈리아에서 ETR-200형(型)이 장거리 특급용으로 개발된 데 이은 것이다. 이에 따라 장거리 우등열차(優等列車)에도 전동차가 적극 적으로 이용하게 되었다.


  동차(動車) 면에서도 개발이 진행되었으며, 1961년도에는 키하 81계가 투입되어 우에노(上野) ~ 아오모리(靑森) 간에「하츠카리」호 운전을 시작하였다. 이로써 동차(動車) 또한 장거리 우등열차로 사용하게 되었다.


  이러한 동력 분산방식의 차량개발이 하나의 도달점으로 1964년도에 도카이도 신칸센(東海道新幹線)이 세계 최초 고속철도로 개통하였다. 도카이도 신칸센(東海道新幹線)은 전체 전동차 방식의 0계(系)를 사용하였다. 시속 200km를 넘는 최고속도로 영업운전이나 그 열차 운행횟수가 많아 재래선과 완전히 독립된 시스템 등 많은 점에서 세계에서 처음으로 특징적이었다.


   

         일본국철 키하 81계


  이러한 동력 분산 방식의 차량 개발의 하나의 도달점으로 1964년에 도카이도 신칸센이 세계 최초의 고속 철도로 개업했다.동해도신간선은 전체 전동차 방식의 0시스템을 이용하고 있다.200 km/h를 넘는 최고 속도로 영업 운전이나 그 열차횟수가 많아 재래선과 완전히 독립된 시스템 등 많은 점에서 세계에서 처음으로 특징적이었다.


  일본 고속철도의 성공은 항공기와 자동차에 밀려서 철도가 사양화하고 있던 유럽에 큰 영향을 주고, 우선 프랑스에서 고속화를 시작되면서 당초에는 재래선 열차 시속 200km 주행을 시작으로 1981년에는 신칸센(新幹線)보다 최고속도가 빠른 TGV 고속열차가 개통하였다. 그러나 TGV 고속열차에는 동력 집중방식(動力 集中方式)이 채택되어 일본의 동력 분산방식(動力 分散方式)까지는 유럽에 파급되지 않았다. 1991년도에는 독일에서 ICE 고속열차가 운전을 시작하였다.


  당초에는 전동차에 직류 전동기를 사용하고 있었기 때문에 보수하는 데 시간이 걸리는 것이 유럽에서 동력 분산방식을 기피했던 큰 이유가 되고 있었다. 그러나 1990년대에 들어와 VVVF 인버터 제어가 실용화되면서 전동차에 교류 전동기가 이용하게 되어 유지보수의 수고는 별로 문제가 되지 않았다. 또 회생제동(回生制動) 기술이 이용할 수 있게 되자 더욱 동력 분산방식(動力 分散方式)이 유리하여 독일에서는 2000년도에 ICE-3형이 전동차 방식으로 개발되었다. 동력 집중방식(動力 集中方式)에 집착하던 프랑스도 동력 분산방식을 채용한 AGV 고속열차를 개발하는 등 점차 동력 분산 방식이 보급하는 경향이다.



   자료 : 위키페디어, 鐵道車輛の歷史, 2019. 3. 25.

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