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1. "신성능 전동차"의 시초
2차대전 이후 전후 회복, 1950년대의 경제 성장과 더불어 대도시의 인구가 증가하고 이에 따라 교통 수요가 크게 늘었다. 늘어나는 통근 수요에 대응하고 성능 향상과 유지비 절감을 위해 각 철도 운영사와 철도차량제작사의 기술 발전이 눈부시게 발달되어가기 시작했다. 국철도 이에 동참해 기존 구형 전동차 설계기술에서 탈피해 여러가지 새로운 기술을 투입한 "신성능 전동차"라는 개념을 도입해 1950년대 중반부터 개발에 들어갔다. 이 "신성능 전동차"의 첫 양산 차량으로 등장한 차량은 통근형 101계, 근교형 401/421계, 급행형 153계, 특급형 151계가 되었는데 이 중 가장 먼저 등장한 차량이 바로 통근형 차량인 101계 전동차이다.
2. 신성능 전동차에서 선보인 신기술들
먼저 신성능 전동차를 구분하는 가장 큰 기준은 바로 전동기와 차축을 잇는 구동장치의 차이이다. 곡선으로 인해 차륜이 이동하는 특성상 동력이 제대로 전달되기 위해서는 차축과 전동기의 기어가 떨어져서는 안된다. 기존 구형 전동차에서는 차축에 전동기를 직접 연결시킨 조괘식(Axle-Hung) 이 사용되었는데, 전동기의 무게가 무거워지기 때문에 대차의 전체적인 무게가 무거워지며 이는 궤도나 차량 유지보수의 부담증가는 물론이고 고속주행 또한 어려워진다. 신성능 전동차에서는 전동기와 차축의 기어 사이에 "카르단 드라이브"라고 하는 조인트 드라이브 방식의 구동장치를 추가한 대신 전동기를 대차 프레임에 연결시킴으로서 구동부의 경량화와 유지보수 비용을 획기적으로 절감하고 승차감을 개선해 100km/h이상의 고속주행 능력을 겸비할 수 있게 되었다.
또한 대차에는 기존 대차 프레임을 일체형으로 찍어내는 프레스 공법이 아닌 조립체를 용접하여 만드는 용접대차가 채용되었으며 기존에 사용되었던 판스프링 대신 코일스프링을 적용했다. 제동장치에도 전동기를 역회전 시키는 발전제동을 병용하고 직통제동에 전자밸브와 비상관을 추가해 장편성에서도 응답성을 높인 전자직통제동(SELD)이 채용되었으며 제동장치를 동작시키는 제동통(BC)도 대차의 차륜당 1개씩 채용해 보안성을 높히는 한편 승차율에 따라 전류치나 압력을 보정해 일정한 성능을 확보하는 응하중 제어도 선을 보였다. 발전제동의 채용으로 주 제어에 사용되는 저항기의 용량도 커졌으며 제어의 효율화를 위해 1유닛의 팬터그래프가 2량분의 제어장치에 전력을 공급하는 M-M'유닛 구성도 대중화 되는 계기가 되었다.
카르단 드라이브에 의해 구동 효율성이 대폭 증가해 기존 72계 전동차보다 출력을 줄인 100kW급의 직류직권 방식의 견인전동기 MT42가 채용했으며 최고속도도 100km/h로 끌어올려 전동차의 고속화에 기여했다.
- 오오미야 철도박물관에 보존되어 실제 움직이는 모습을 볼 수 있도록 한 101계의 대차부분. 앞 차륜의 오른쪽 바로 옆에 있는 박스가 바로 카르단 기어의 기어부분. 그 옆의 둥글고 커다란 박스가 바로 견인전동기이다. 이렇게 견인전동기를 대차의 프레임에 연결하고 차축은 이 카르단 기어로 연결하는것이 "신성능 전동차"의 대표적인 신기술이었다.
- 101계의 제어대. 당시엔 이렇게 간단한 운전기기만이 설치되어 있었다.
3. 현대 전동차 설계스타일의 기본방향을 제시하다.
101계는 현재까지 이어지는 통근형 전동차 설계스타일의 기본적 사양을 제시했다. 차체는 강철만을 사용한 세미 모노콕크 차체로 길이 19.5미터, 폭 2.8미터의 현대 전동차의 기본 사이즈를 제시했다. 강판 두께를 다소 늘려 창문을 넣는 윈도우실과같은 보강재도 사라져 깔끔한 차체 외관의 모습을 확립했고 전체적인 경량화를 이룩해 차체중량 10톤에 동력차인 모하 101형 기준으로 기존 모하 72형에 비해 약 3톤가량의 중량절감을 달성했다. 승하차 시간 단축을 위해 도어는 처음으로 양미닫이 포켓 슬라이딩 도어를 한쪽에 4개씩 총 8개를 배치했으며 실내의 롱시트도 3+7+7+7+3의 구조를 채택해 현대 전동차의 기본 스타일을 제시했다. 이외에도 2단 상승식 창문이나 형광등의 채용 등 거주성도 대폭으로 개선되었다.
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- 이런 형태의 전동차 구조는 이 101계가 확립시켰다고 볼 수 있다. 4개의 양미닫이식 도어(폭 1300mm)는 승하차에 걸리는 시간을 최소화 하여 통근용 열차의 정시운행에 기여했다.
- 101계의 차내. 우리나라의 초저항 전동차를 보는듯한. 그 형태의 차내 실내 그대로의 모습은 지금 최신형의 전동차와 비교해도 위화감이 별로 없다.
4. 많이도 생산된 "골칫덩어리"
101계는 1957년 시제차가 제작되어 도쿄 츄오선에서 시험운행을 시작했다. 당시에는 모하90형의 형식을 부여받았으나 이후 1959년 차호개정으로 101계로 변경되었다. 하지만 기대와는 달리 시험차 시절부터 여러가지 문제를 야기했다. 당시 10량편성을 10M으로 시험운행을 했는데 소모하는 전류량이 너무 커 당시 낙후된 전력시설이나 가선에 무리를 주게 된다는 결론에 도달했다. 따라서 MT비를 줄여 8M2T로 츄오선을 시작으로 1958년부터 본격적인 양산이 시작되어 야마노테선, 소부선, 오사카환상선 등 대도시의 주요 노선들로 확대되었으나 동일 MT비에서는 기존 72계 전동차보다도 가속력이 떨어져 역간거리가 짧고 가감속이 반복되는 노선에서는 그리 뛰어난 성능을 보여주지 못했고 MT비를 줄이고 전류량을 늘려 성능을 확보하려니 전동기의 열용량 문제가 걸리고, MT비를 늘리자니 전력시설의 부담과 비효율적 운용이라는 딜레마에 빠질 수 밖에 없었다. 결국 국철에서는 이런 문제점들을 보완한 새로운 차량의 개발을 필요로 해 1963년 이런 문제들을 대폭 해결한 103계를 개발해 대량으로 투입했지만 101계는 1959년까지 총 1,535량이 제작되어 103계, 0계, 113계에 이어 네번째 최다생산량이 되었다. 103계가 등장하면서 야마노테선의 101계는 신속하게 103계로 교체되었는데, 이들 101계는 케이힌도호쿠선, 아카바네선(현재의 사이쿄선), 소부완행선 등으로 밀려나기도 했으며 일부 잉여 차량은 103계나 145계, 쿠모유니 147형 등 작업용 차량으로 개조되기도 했다. 한편 70년대 중반부터는 냉방화 개조도 이루어졌다.
- 101계도 초기에는 이 주황색으로 츄오선을 누비고 다녔다.
- 옛날에는 야마노테선의 행선표시를 그냥 "야마테" 라고 했던 적이 있었다. 물론 연두색이었지만 이렇게 아카바네선(현재의 사이쿄선)의 차량이 대타로 투입되는 경우도 많았다.
5. 현대 통근형 전동차의 아버지가 되다.
이렇게 다량 생산된 101계는 생산이 시작된지 약 20년 만인 1979년부터 201계가 101계의 주력 노선이었던 츄오선에 데뷔하면서 퇴역이 시작되었다. 1989년 민영화 당시 224량만이 남았는데, 관서지역에서는 1992년 최종 퇴역하였으며 관동지역에서도 1992년 난부선 지선열차(싯테 - 하마카와사키)용 6량을 남겨두고 모두 폐차되었다. 이 6량은 2003년 11월까지 꿋꿋하게 운행되다가 야마노테선의 205계가 밀려나면서 퇴역해 국철/JR에서는 101계 형식이 소멸되었다. 하지만 1985년부터 치지부 철도가 101계를 양도받아 2014년 3월까지 운용하기도 했다. 국철 말기시대나 JR 초기에 퇴역한 차들은 부품이 일부 전동차들에 유용되어 현재까지 사용되고 있기도 하며 145계 전동차는 일부가 아직도 현역으로 남아있다.
101계는 완벽하게 성공했다고 볼 수 없지만 그 신기술들은 현재까지도 이어져 현대의 통근형 전동차의 기본적인 방향을 제시한 "통근형 전동차의 아버지"가 되었다. 카르단 구동장치는 물론이요 발전제동은 효율화가 높아져 회생제동에 모잘라 완전 전기제동으로 이어지고 있으며 당시 개발된 용접대차는 전동차 뿐만 아니라 디젤동차 등에도 널리 사용된 국철을 대표한 대차가 되었다. 전자밸브를 사용한 전자직통제동은 컴퓨터가 직접 제어하는 섬세하고 고도화된 제동장치로 발전하고 여기에 차량 정보관리장치 등 새로운 기술들이 속속들이 선보이고 있으며 거주성도 하루가 다르개 개선되어 가고 있다. 하지만 그 뿌리는 이 101계 전동차에서 이어져 온 만큼 101계가 가지는 기술적 의의는 일본 철도 역사속에서도 그 가치를 인정받고 있다.
- 글 : 송승학(부운영자, 787-ARIAKE)
- 사진 : 본인, Wikipedia, 혹은 아래의 사이트
http://tetsudo-blog.sblo.jp/article/129935617.html