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新幹線0系誕生の「影の立役者」、在来線車両5選

1964年の東海道新幹線開業時にデビューした0系は1986年まで製造され、2008年まで現役で活躍した(筆者撮影)

「世界に誇る新幹線」のパイオニアである東海道新幹線0系。新幹線と言えば最先端の技術を惜しみなく注ぎ込むイメージが強いが、実は0系は極力既存の技術を活かすことで、初期トラブルが少ない、信頼性の高い車両としたと言われている。そこで、0系の開発に貢献したと言える鉄道車両を考えてみたい。

高速運転を支える「交流電化」の礎

弾丸列車計画

本題に入る前に、弾丸列車構想が新幹線に与えた影響も考察しておきたい。弾丸列車とは1939年から構想された高速鉄道計画。東京―下関間を1435mm軌間の別線で建設し、電化区間を電気機関車牽引により最高時速200kmで、非電化区間は蒸気機関車牽引により時速150kmで運転しようというものだった。

電化区間で時速200km運転を行うため、直流の電圧を在来線の倍となる3000Vとして、主電動機の高出力化を図る計画だった。

また、線路の規格や車両の規格などの多くが東海道新幹線の規格にも適用されている。そのほか東海道新幹線のルートの多くが弾丸列車建設のために買収された用地を使用しており、新丹那トンネルや日本坂トンネルは弾丸列車時代に掘削が開始されていた。

国鉄ED45形電気機関車

弾丸列車計画で触れた通り、時速200km運転を行うためには高出力の主電動機が必要で、0系では定格端子電圧415V(最大端子電圧500V)の直流主電動機を1ユニットで8個搭載。1両分4個1組で永久直列接続とした。この結果、必要となる直流最大電圧は2000Vとなった。これは弾丸列車の3000Vよりは低電圧であるが、在来線よりは高い。また、直流電化の場合、変電所の間隔を長くすることができず、地上設備の費用が多大となる。

一方、交流は変圧器で容易に電圧を変えることができるため、架線電圧を高くして長距離送電をすることができ、変電所の間隔を長くすることができる。交流電化方式は国鉄が地方路線向けに研究を行っており、交流専用の電気機関車として1955年にED44形(後のED90形)、ED45形(同ED91形)を試作して、仙山線で試験を行った。

ED44形は交流電動機を駆動する直接式、ED45形は交流を直流に変換(整流)して直流電動機を駆動する間接式(整流器式)として、比較試験を実施。その結果、間接式のほうが優秀な成績を収めたため、1956年から複数の整流器式を比較試験した。これらの試験結果も反映させて新幹線の架線電圧は交流2万5000Vを採用。整流器式の交流電車として開発された。

日本の交流電化の礎となった交流電気機関車ED91形。宮城県利府町の森郷児童公園に保存されている11号機は、乾式変圧器、風冷式イグナイトロン水銀整流器、低圧タップ切換制御を採用していた(筆者撮影)

0系が採用した電圧制御の方式は低圧タップ切換式。これは主変圧器に交流25000Vを入力する高圧側コイルはそのままで、最大電圧2261Vに変圧した電力を出力する低圧側コイルに、出力電圧を切り換えるタップ切換器を設置したもの。出力された交流電流はシリコン整流器で直流に整流(変換)され、主電動機を駆動する。これにより、高出力化の実現と、地上設備投資の抑制を図ることができた。

重要課題だった「軽量化」

国鉄10系客車

国鉄はスイス国鉄の軽量客車の影響を受け、1955年に軽量客車10系を製造した。従来の車両は車体の強度を頑丈な台枠が負担する構造としていたが、10系は台枠、外板、屋根など車体全体で強度を確保する準張殻構造(セミ・モノコック構造)を採用することで、大幅な軽量化を果たすことができた。

10系軽量客車は客車のみならず、電車、気動車の準張殻車体の基礎となっている。現在は、碓氷峠鉄道文化むらのナハフ11 1(写真)、オハネ12 29、オシ17 2055や、リニア・鉄道館のオロネ10 27などが保存されている(筆者撮影)

車重が軽いほうが軌道への負担も少なくなり、高速運転にも向くだけでなく、建設コストの低減にも有効である。国鉄では10系以降、電車、気動車、客車のセミ・モノコック構造化を推し進めた。

新幹線でも当然セミ・モノコック構造の車体を採用して、軽量化を図っている。ただし、新幹線の開発ではトンネル進入時の気圧変動によるさまざまなトラブルが発生。特に乗客の鼓膜に影響を与える「耳ツン」現象は重大な問題となったため、0系では客室を気密構造とし、トンネル進入時には空調の外気導入もカットした。その後気密構造はデッキ、便洗面所にも適用範囲を広げている。

国鉄101系

国鉄新性能電車のパイオニアとなった101系。2M1ユニット方式や発電ブレーキ併用電磁直通空気ブレーキ、平行カルダン駆動方式などを採用。近郊型、急行型、特急型電車は101系の技術を応用して開発された(筆者撮影)

101系(登場当時はモハ90系)は国鉄新性能電車のパイオニアとして1957年に登場した。101系の大きな特徴は、車重を低減させるためにM車とM'車の2M1ユニット方式を採用し、中空軸平行カルダン駆動を採用したこと。そしてブレーキ性能の向上のため発電ブレーキ併用電磁直通空気ブレーキを採用したことなどが挙げられる。

101系は1957年に行われた高速度試験で、最高時速135kmを記録。このときは空気ばね台車の試験も行っており、特急型電車151系や新幹線0系開発の貴重なデータを提供している。

0系では2M1ユニット方式や発電ブレーキ併用電磁直通空気ブレーキを採用。ただし線路幅が広い新幹線の0系は、駆動方式はWN継手式平行カルダン駆動を採用した。

小田急3000形SE車

1957年に登場した小田急ロマンスカー3000形SE車の開発に際して、国鉄の鉄道技術研究所が技術協力をしたほか、多くの鉄道車両メーカーが開発に参画し、数々の新技術が盛り込まれた。先頭部の形状も風洞実験で検討され曲面ガラスを採用。さらに鉄道車両で初めて前照灯にシールドビームを採用するなど、当時最先端の技術を積極的に盛り込んでいる。

小田急3000形SE車は国鉄の鉄道技術研究所の協力により、斬新なデザインと当時の最新技術が盛り込まれた特急車両となった。3000形は狭軌世界最高時速145kmを達成し、国鉄151系や新幹線0系開発の基礎データを提供した(筆者撮影)

その中でも注目したいのが、付随台車に鉄道車両で初めてディスクブレーキを採用したことだ。これは鉄道技術研究所からの強いリクエストがあり、高速運転に対するディスクブレーキの有用性を確認する目的があったと推察される。3000形は付随車用として車軸ディスクブレーキを搭載。これは国鉄の特急・急行型電車の付随車にも採用された。新幹線0系では車輪にブレーキディスクを備えた車輪ディスクブレーキを付随車だけでなく電動車にも採用した。

なお、小田急3000形は101系と共に高速度試験に使用され、当時の狭軌世界最高速度である時速145kmを達成。日本の鉄道の高速化時代の幕を切り開いたといえる。

元祖特急型電車の功績

国鉄151系

国鉄は1958年に特急型電車151系(当時はモハ20系)をデビューさせた。151系は前年に登場した101系をベースとして、高速化に対応させると同時に快適性を向上させた。

ビジネス特急「こだま」としてデビューした151系は電車の長距離高速運転を実現し「長距離=客車」という鉄道輸送のあり方を大きく転換させた。東海道新幹線開業後、151系は出力増強などの改造を受け181系となって活躍。クハ181-1が川崎重工業で保存されている(筆者撮影)

車体は側窓を固定式として冷房装置を搭載。パンタグラフも高速運転時の架線追従性を向上させている。また、付随車には小田急3000形で採用された車軸ディスクブレーキを採用した。乗り心地向上策としては空気ばね台車を採用。また、車端ダンパを設置して振動の抑制も図った。

151系は1959年に高速度試験を実施。時速163kmを達成し、狭軌世界最高速度記録を更新した。その成果は電車のさらなる高速走行の可能性を実証し、新幹線の実現を導いた。0系では空気ばね台車や車端ダンパを採用している。

このように見てみると、確かに0系は既存の技術を活かして開発されたと言えるが、0系が登場する数年前に実用化された新技術も多く活かされていることがわかる。そのすべてが新幹線の開発を見越したものというわけではないが、この時代に日本の鉄道技術が急速に進化したと見ることもできそうだ。

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