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3 時速二百キロを生むために


中央線国立駅の北側にある鉄道技術研究所
これは新幹線開発のために新築された

1 鉄道技術研究所 top

 新幹線に乗った日から約一週間後、僕は鉄道マニアの立花君をさそって、一緒に国立駅の北側にある鉄道技術研究所に見学に行きました。
 新幹線の中で、おじさんが、
 「もっとくわしく調べたかったら、鉄道技術研究所に行ってごらん。」 と、僕に紹介状を書いてくれたからです。
 僕もその日がうれしかったけれども、立花君も、大変なうれしさだったにちがいありません。


鉄道技術研究所の鉄道部品の疲労試験機

 中央線の国立駅で国電をおり、駅員にきいたら、鉄道技術研究所はそこから五分ばかりの、わかりよいところにありました。
 ハイカラな鉄の門があり、芝生が青々としていて、そのむこうに高原ホテルのような美しい五階建ての新築のビルがありました。
 ずいぶん広い敷地です。あとできいたら、二十二万平方メートルもあるということでした。
 二階の応接間にとおされ、そこがあまりにも立派な大きな部屋なので、二人ともすこしソワソワしていると、まもなく扉があいて、背の高い身なりのいい紳士がはいってきました。
 「私、研究所長の松平精です。」
 ニコニコしながらあいさつするので、僕も立花君も直立不動になって、ていねいにおじぎをしました。
 「さあ、らくにかけてください。遠いところをよく来てくれましたね。……あなたがたは鉄道がお好きですか?」
 「はい。大好きです。特にこの立花君はクラス一のマニアなんです。」
 僕がいうと立花君は、照(て)れて頭をかきました。
 「日本は鉄道が発達しているし、鉄道が社会に負う使命は大きいから、君たちのように鉄道の好きな子が多いことは大変けっこうなことです。……ところで今日は、どういうことをしらべにこられたの?」
 「東海道新幹線のことです。」
 僕が、いいました。
 「ああ、やっぱりね。新幹線は、君たちぐらいの子のあいだで、とても人気があるようですね。ここに見学にくる人は、みな新幹線のことを調べていきます。……新幹線には乗りましたか?」
 「ハイ。ついこのあいだ、おじさんと一緒に、“ひかり”で、新大阪まで行ってきました。」
 「僕は、“こだま”で、熱海まで行きました。」
 立花君も、いいました。
 「それはよかった。どうです。すてきな乗り心地だったでしょう。」
 「時速二百キロというのが、嘘のようでした。まるで、家の中にでもいるようでした。」
 僕は、実感そのままをいいました。
 「新幹線の速さと乗り心地のよさには、外国人も、みなおどろいています。
 そのほか、安全に運転するということにも、鉄道技術研究所はずいぶん骨をおったんですよ。」
 「どうして新幹線をつくるようになったかについては、僕、おじさんから、いろいろききましだから、今日は、どんな工夫をして新幹線を走らせたかという、技術的な面のお話をおきかせください。」
 「よろしい。おきかせしましょう。
 すこし長くなるが、これを全部おききになったら、君たち、きっとびっくりしてしまいますよ。
 それは日本の鉄道技術の粋(すい)をあつめ、日本中の鉄道技術者が四つになって取組んだ、ものすごい研究と努力の集積なのです。
 新幹線がけっして一朝一夕でできあがったものでないことが、よくわかるでしょう。……
 では、新幹線建設に直接関係した技術者をよびますから、しばらくおまちください。」
 いって松平所長は秘書をよび、その人に何か耳うちしました。
 まもなく、カーキ色の作業服を着た人が二人、部屋にやってきて、松平所長をはさんで椅子に腰かけました。
 やがてそのうちの一人が、僕たちにむかって、口をひらきました。
 「私は、新幹線の車両とレールのこと、それに、安全運転のことを、おもにお話しします。
 おわってからあちらの人に、建設工事に関することを話してもらいましょう。」
 僕たちは「お願いします。」と丁寧に頭をさげました。
 それから、僕たちは、いそいでノートをひらき、ペンをとりました。

2 スピードの歴史 top

 東海道線のスピードアップの歴史を見てみると、明治二十二年、東海道線が全通したときの東京〜大阪間の平均速度は、三十キロでした。
 それが十四年後の日露戦争の頃に三十九キロになり、大正十二年の関東大震災のころに五十三キロ、昭和九年丹那トンネルの開通によって七十キロまでひきあげられました。
 その後、戦時になったので速度は低下しましたが、昭和二十五年にやっと前のスピードを取戻し、昭和三十一年全線電化の完成によって七十四キロに、また昭和三十三年ビジネス特急こだま号の登場によって八十二キロに、さらに昭和三十五年東京〜大阪間六時間半、平均速度八十六キロ(最高百十キロ)にまであがり、現在にいたっています。
 しかし、「ビジネス特急」の看板をかけてはいても片道六時間以上かかっては、東京〜大阪間、日帰りで仕事をしてくるというわけにはいきません。
 どうしても二日かかってしまいます。日本の二大中心地を日帰りの距離にするには、片道三時間の高速交通機関が、ぜひとも必要です。


東海道線を快走する旧こだま号

 その点、飛行機は東京〜大阪間を三時間以内でらくにとべますが、しかし飛行機は途中の都市の人には利用できないし、また輸送能力も、二大都市の多くの旅客をはこぶにはあまりにも小さすぎます。
 では自動車ならどうかというと、自動車はもっともすぐれた高速道路でも、最高時速百キロがせいぜいです。
 アメリカで発達している長距離バスでも平均時速八十キロで、在来線特急の“こだま”並です。
 こういうことになると、東京〜大阪間を日帰りできる交通機関としては、鉄道よりほかに求めるものがなくなり、ここに、新幹線を建設しなければならないという気運がもりあがってきたのでした。

 ところでその頃、世界の鉄道の特急列車はどうなっていたかというと、フランスのル・ミストラル号は、最高百五十キロ、平均百十キロにたっしていました。
 その後も速度の向上の努力がはらわれ、昭和四十二年夏から部分的に最高二百キロになっています。
 なお、ヨーロッパのスピードの記録は、一九〇三年(明治三十六年)ドイツの電車が試運転で二百九キロをマークし、また一九五五年(昭和三十年)、フランスの電気機関車は三百三十一キロの画期的な記録をうみました。
 (どちらもレールの幅が広軌です。)
 しかし、こうした大記録をうみながらも、ヨーロッパの技師たちは、実用としてはこんな速度はむりで、せいぜい最高百六十キロが限度と考えるものが多かったのです。
 そのわけは、百六十キロをこえると、線路の保守に非常に手数がかかるし、振動で乗り心地も悪くなる。
 一、二回の試験なら二百キロあるいはそれ以上のスピードはだせても、毎日の運転はそんなに速くできないというふうに考えたからです。
 ただ、ここで注意しなければならないのは、ヨーロッパでは、十九世紀から使っている古い線路を改良して、高速車両を走らせたということで、線路自体を新しいものにすれば、実用的な高速車を走らせることができないわけでもありません。
 昭和三十二年に、鉄道技術研究所が発表した東海道新幹線の構想も、実はこの前提に立つものであり、すべてを新しくつくる計画であればこそ、諸外国の高速車よりさらに速い高速車を毎日運転できると考えられたのです。
 この場合、わが国の鉄道が高速車の運転をさまたげる狭軌のレールだったということと、鉄道施設にそんなにお金をかけていなかったことが、かえって幸いしたといえるでしょう。
 つまり日本の鉄道が、外国よりもいくらか遅れていたからこそ、思い切って新線を敷き、そこに最新技術のすべてをつぎこむ機会にめぐまれたわけで、いわばこれはケガの功名ともいえるものでした。
 ところで、東海道新幹線のことが、そろそろ世間のうわさにのぼるようになった昭和三十二年以降、わが国にも次々と高速記録がうまれました。
 昭和三十二年九月、東海道線の函南〜沼津間で、小田急電鉄のSE車(現在新宿〜箱根湯本間を走っている特急電車)は、百四十五キロの輝かしい記録をつくりました。
 これは当時狭軌の世界記録でした。
 翌三十三年十一月から動きだしたこだま型電車も、翌年七月、最高速度を確かめる試験が東海道線の金谷〜藤枝間でおこなわれ、百六十三キロをマークしました。
 このとき新幹線は、すでに着工段階にはいっていましたが、狭軌でこれだけだせるのだから、広軌では二百五十キロは十分可能だという明るい見通しを多くの人々にあたえたのです。


フランスの超特急ル・ミストラル号


最高時速二百キロをだすドイツの超特急列車

スイス〜オランダ間を走る特急エーデルワイス号

 その後も新幹線のための架線試験車が、昭和三十五年二月、東北本線の宝積寺〜宇都宮間で百六十八キロをだし、さらに同年十一月、東海道線の金谷〜藤枝間で百七十五キロをだしました。
 いずれも狭軌の世界記録でした。
 それからは広軌による新幹線の試運転車の記録となり、昭和三十七年十月、モデル線で最初の二百キロをうみ、さらに昭和三十八年三月、二百五十六キロの記録がつくられました。

3 レールの幅 top

 鉄道は、鉄のレールの上を鉄の車が走る交通機関です。
 きめられたレールの上以外を走ることができません。
 これにたいして、自動車は、走行範囲にゆとりのある面(道路)を走り、船ももっとゆとりのある面(海)を走り、飛行機となると、もっともっと自由な空間を飛びます。
 そこでこれらは、行動の自由という点では、どれも鉄道よりまさっています。
 しかし交通の安全という点では、けっして脇道にそれることなく走る鉄道が一番で、その安全さのために陸上の乗り物として、もっとも高速をだすことができます。
 これが鉄道の利点でありまた特色です。
 そこで新しい鉄道をしく場合、どのようなレールの上を車両を走らせるかということが第一の問題となり、新幹線をつくるにあたっても、まずこの議論から出発しました。
 狭軌が高速鉄道には駄目だということは、もうすでによくわかっていました。
 では、どのくらいの幅のレールにするか?
 それを技師たちはいろいろな角度から考えあいました。


世界各国の鉄道のレールの幅(ゲージ)

 世界の鉄道のレールの幅は、左図のようにいろいろありますが、ヨーロッパやアメリカで使われている一・四三五メートルのものが圧倒的に多い。専門的にはこれを標準軌(スタンダード・ゲージ)とよび、これより広いものを広軌、これより狭いものを狭軌とよんでいます。
 (もっともわが国では国鉄ゲージより広いものをすべて広軌とよんでいましたが。)
 そこで関係者は、新幹線のレールを標準軌にするか広軌にするか、あるいはもっと思い切って大きな超広軌(たとえば三〜四メートル)にするかで、さまざまな議論をたたかわしました。
 超広軌は、現在までどこの国にも実用化されていません。
 この超広軌は、思い切り速くするには、思い切り広くせよという考えかたで、レールの幅が広くなればなるほど車体幅も広くなりますから、サービス面も向上され、輸送力もグッとふえます。
 そこで、このさいこの超広軌を真剣に研究しようという人が出ました。
 しかし広い車は、重量も重くそのため馬力も強くしなければなりませんし、線路も強くしなければなりません。
 トンネルだってバカでかいものをつくらなければならないでしょう。
 それに技術的に全く未開発の分野なので、何からなにまで第一歩から始めなければなりません。
 ところが新幹線は、交通難解決のために、五年以内に完成させなければならないという制約があったので、のんびりしていられないのです。
 そこですでに実証された技術を改善していくのがもっともよいという意見が強くなり、このような議論の中で、超広軌論は消えていったのです。
 こうして最終的には、一・四三五メートルの標準軌におちついたのですが、標準軌でよいとした考えのよりどころは、高速運転に必要な諸条件は、標準軌でも十分にたっすることができるということでした。
 二百五十キロはだせるし、走行中の安定もよいし、列車間の間隔をつめて走らせれば、輸送力もまず十分です。
 これで新幹線建設の第一段階がきまったのでした。

4 どんな車にするか top

 レールの幅がきまると、つぎはその上に、どんな車を走らせるかの議論がはじまりました。
 動力方式としては、蒸気、電気、内燃機関(ディーゼルなど)があり、将来はガスータービン、原子力も予想されます。
 また、動力が列車の最前部に集中する機関車式か、動力が各車両に分散する電車式かもきめる必要がありました。
 これらを考えるにあたって、第一の条件となったのは、高速運転の車両は軽くしたほうがよいということでした。
 軽ければスピードもだせるし、停止させるのもらくです。
 そこでいろいろ研究した結果、動力が全車両に分散される電車かディーゼル車かということになり、出力装置全部を車にかかえこむディーゼル車よりも電車のほうが、もっとよいだろうということになって、最後に電車ときまったのです。
 しかし電車は、電源施設やら架線その他、地上施設づくりにたくさんのお金がかかる欠点がありますが、それも使用回数が多ければ十分もとがとれるでしょう。
 いま、新幹線の線路を見ると、鉄橋も高架線の柱も、これまでの鉄道のものよりずっと細いことに気づくでしょう。


新幹線と在来線の車体の幅

 あれではたして大丈夫かと心配になるくらいですが、実はそのとおりあれで安全なので、車両が従来のものよりだいぶ軽くなっているからです。
 車体の幅は、できるかぎり大きくしようということになって、限界ぎりぎりの三・三八メートルとし、標準軌では世界でもっとも広いものとなりました。
 (欧米の標準紕では三メートル程度、ソ連の広軌でも三・一メートル程度。)
 また、車体一両の長さは、二十五メートルにしましたが、これも世界でもっとも長いほうに属します。

5 空気の抵抗 top

 高速運転のためには、空気の抵抗という難問題を、ぜひ解決しなければなりません。
 みなさん、手を大きく左右にふってごらんなさい。手のひらにはっきり風を感じるでしょう。
 このくらいでも空気の抵抗を受けるのですから、二百キロ、二百五十キロという猛スピードの電車が受ける抵抗がどれほどのものであるか、およそ想像できるだろうとおもいます。
 それはもう飛行機が受ける空気抵抗にちかいものです。
 空気抵抗の問題は、走る電車にはむかってこれをおしとめようとする力の問題が第一ですが、ほかにも列車がすれちがうときにおこるつむじ風のこと、通過列車がプラットホームにいる人をふきとばすかもしれないこと、線路脇の保線要員を風にまきこむおそれがおきること、そのほかトンネル内の問題等について、いろいろ調査研究しなければならない問題が山ほどありました。


空気の抵抗をしらべる実験

 国鉄の技術陣はこの難問題と取組んで、ある時は湘南電車を使って実験し、ある時は模型のトンネルを使って実験して、一つ一つこれを解決していきました。
 その結果、列車がすれちがうときにおこる危険な風にたいしては、列車の間隔が八十センチあればよいことがわかり、また線路脇の人も列車から八十センチはなれていれば、風速十メートル程度で安全なことがわかったのです。
 車両自体が受ける空気抵抗の問題は、時間をかけて研究がかさねられ、風洞実験(人工的に空気の流れをつくって研究するトンネル型の装置)もくりかえされた結果、空気抵抗をもっとも受けにくい流線型の車体が考案されました。
 さらに、車両の連結部の外側に幌(ほろ)をつけ、床下の側面にも長いスカートをつけて、空気がなめらかに側面を流れるようにしました。
 また、従来の車両なら、みな屋根の上にとびだしている空気調和装置も屋根の下におさめて、こうして列車全体を、もっとも空気の影響を受けにくい葉巻タバコ型にしたのです。
 ところで昭和三十八年三月、モデル線で実物試験用の車体を走らせたところ、風圧にからんで一つ、めんどうな問題がおこりました。
 それはトンネルを通るときに、耳がツーンとすることです。
 一回だけでなく、何回も何回もツーンとするのです。
 新幹線はトンネルが多いので、これは大変だということになり、あわててこれを防止する研究が始められました。
 まず天井の換気口と、その他の目に見える隙間を全部目張りして、これで大丈夫だろうとトンネルにはいったら、いっこうになおっていません。
 どうもおかしいというので、翌日はさらに天井全部にビニールを張ってテストしました。
 するとどうでしょう。トンネルにはいった瞬間、天井全体が上にすいあげられ、また、もとにもどりました。
 トンネル通過中何回かこの運動をくりかえしました。耳の感じと、天井の動きは、完全に一致します。
 天井の目に見えないような隙間から空気が出入りしていたことが原因だったのでした。
 そこで天井板よりももっと外で気密にすることが必要だとわかり、車体を気密にするとともに、屋根の隅にある空気取入口と床下の排気口を、トンネル通過のたびに、自動的に閉まるようにしたのです。

6 カーブと勾配 top

 技術陣は、土木工事をはじめるために、線路の幅の決定をいそぎましたが、それと同時に線路の曲線半径(曲がりの度合い)と、勾配(傾斜の度合い)の基準も、決定しなければなりませんでした。
 高速で走るためにも、距離を短くするためにも、線路は直線であることが望ましいことはいうまでもありません。
 しかし、実際の地形を考えれば、どうしてもカーブのはいることはさけられません。
 そこで、二百五十キロの速度をおとさないで運転できるように曲線半径が検討され、結局、新幹線の曲線は原則として半径二千五百メートル以上としました。
 これは半径二千五百メートルでえがく円のカーブということです。(在来線特急こだま型電車の最高速度百十キロのときの曲線半径は千二百メートル。)
 ただし用地や地形の関係で、東京付近と熱海付近だけは、これより小さな半径となりました。
 そのためこの区間だけ、速度をおとして運転することにしたのです。


カーブでの重力のかかりかた

 勾配もゆるいほうがよいので、初めは在来の東海道線と同様に千分の十(千メートルで十メートルの高さが変わること)以下にしようと考えました。
 しかし、線路をまっすぐにすると、どうしても坂をさけることができません。
 坂をゆるくするためには、土を切り取ったり、盛土をしたりしなければならないので、工事費が高くなります。
 幸い電車方式は勾配に強いので、その後千分の十五まで(一キロ以内の長さの勾配では千分の二十まで)認めることにしました。(注=北陸新幹線建設の時、碓氷峠の勾配のため千分の三十に改定)
 これで関ヶ原付近などの山地のルート選定が容易になりました。

7 軌道の改良 top

 車両がレールに方向をきめられながら、安全にしかも振動が少なく、乗り心地よく走れるためには、レールと車輪の関係が特に重要です。
 車輪は一度レールの上に乗ったら、あとはもうどんなむりをして走っても大丈夫というものではなく、そこに、ごくわずかの狂いが生じても、いろいろ大きな問題がひきおこるものです。
 昭和三十八年十一月、横浜市鶴見区の東海道線線路で貨物列車が脱線し、それに横須賀線と京浜東北線の電車が次々に乗りあげて三重衝突し、百六十一人もの死者をだすという大惨事がおこりました。
 その原因は、貨物列車の中のある貨車の車輪が、レールから浮き上ったからだろうと見られていますが、ひょっとしたことで、こんなふうに車輪がレールから浮き上ることもあるわけです。
 この両者の関係をよく調整することはとても大事なことなのです。
 車両がレールを走るとき、レールに狂いがあっても振動が生じ、また車両自体の構造からくる振動もおこります。
 そしてその振動には、上下振動と左右振動があり、上下振動は車の速度がある程度高くなればあまり問題でなくなりますが、左右振動は速度と密接な関係があり、ある限度速度をこえると、急に車両が蛇行動(だこうどう=レールの上を車輪が蛇のようにクネクネしながらすすむ)をおこします。
 この蛇行動の発生は高速運転にとって最大の障害で、新幹線では特にこの蛇行動の防止が、重要な課題の一つとなりました。
 振動防止のためには、軌道(レール・枕木・道床など)の構造と整備をよくし、また高速になっても蛇行動をおこさない車をつくることが必要ですが、これは言葉でいうのはやさしいけれども、実現するのはいたってむずかしいのです。


鶴見の三重衝突事故現場
脱線した貨車に電車が突っ込んだ事故


車輪の蛇行動
貨車は脱線しやすいので、青函トンネルでは新幹線を測度制限している

 ヨーロッパやアメリカで試運転では二百キロをこえる鉄道を走らせることができても、それを実用化できなかったのは何よりもこの軌道の問題があったからです。
 そこで国鉄では、よい車台をつくることもさることながら、よい軌道をつくることにも全力をそそぎました。
 まず高速運転にたえる軌道の設計としては、レールを大きくすること、レールと枕木との間にはさむ軌道パットを柔らかくすること、枕木を大きくすること、道床(砂利のこと)を厚くすることなどが考えられます。
 そこでレールは右図のようにしました。
 このレールは一メートルあたり五十三・三キロ(従来のものは五十キロ)の重さで軌道の狂いのすすみを小さくするために、縦まげの堅さを三十パーセント増しています。 脛部(けいぶ)と腹部(ふくぶ)のへこみの半径も大きくし、レールの底の幅も従来より大きくしました。


レールの大きさとPC枕木の締結方法
何も広軌にしただけで高速化できたのではない。

 枕木は橋と分岐点(レールポイント)の部分をのぞいてPC枕木とよばれるコンクリート枕木を使用することにしました。 これは枕木の中に、ピアノ線か鋼棒を入れたもので、列車の荷重にたいして、十分抵抗できるようになっているものです。
 その長さは二百四十センチ、重さは二百六十キロで、狭軌のものより四十センチほど長く、約百十キり重くなっています。 レールを枕木に締め付ける装置は、図のような二重弾性締結式としました。
 二重という意味は、レールの下にゴムの軌道パットをしき、さらにレールをおさえるのにスプリング・クリップを用いて、上からも下からも弾性的に挟んだからです。
 これによって、車両からの振動を吸収し、軌道の狂いが生じるのをふせぎます。
 道床にはくだいた石を用い、その厚さはレールの底の位置からはかって三十センチ以上としました。
 また道床の幅も、従来線のものより左右各十センチずつ広くしました。


PC枕木(軌道敷設中)――ピアノ線入りのコンクリート枕木

 このように新幹線の軌道を、従来のものより一段と改良しましたが、さらにレールの構造にもさまざまな工夫をこらしました。

8 新しいレール top

 汽車に乗ると、床の下からガタン・ゴトン、ガタン・ゴトンとひっきりなしに音がきこえてきますが、あれはいうまでもなくレールの継ぎ目を車輪が打つ音です。
 そしてそれは、いかにも汽車旅行の気分をかもし、私たちをなつかしい感じにさそいこみます。
 しかしレールの継ぎ目は、軌道構造の最大の弱点でこの部分でレールが折れたり欠けたりすることがよくおこります。
 また軌道の狂いのすすみも、この部分が大きいのです。
 そこで新幹線では、一本約一・五キロメートルのロングレールを採用しました。(現場でさらに溶接してつなぐ)
 レールが長ければ長さに比例して、継ぎ目が少なくなるのは当然です。
 レールは四季の温度変化によって、多少伸びちぢみしますが、レールを枕木にしっかり締め付け、さらにその枕木を道床でできるだけ移動しないようにしておけば、そんなに狂いは生じません。
 どんな長いレールでも、その両端に近いところがわずかに伸び縮みする程度で、中のほうはほとんど変りありません。
 ですから理屈では、東京〜大阪間を一本のレールにすることも可能なのです。
 しかしレールには信号電流をながしますから、信号の切れ目ごとにレールを切って電気を絶縁する必要があり、そのためバカ長いレールにするわけにもいかないので、一本一・五キロメートルにしたのです。

 またそのレールの継ぎ目は、高速運転にいいように、さらに従来のもののように折れたり欠けたりしないように、写真のような特別な伸縮継ぎ目を用いることにしました。
 両側にロングレールの伸縮部をもうけ、そのあいだに二本の短いレールをおき、それらの接点を絶縁部としたのです。
 むろんこうした仕掛は新幹線独得のものです。
 このほか高速運転をさまたげるレールポイントも改良されました。
 一つのレールから、別のレールへわたるところには隙間があるため、ガタンとショックを受けるので、列車はそこにさしかかると速度が制限されます。
 そこで新幹線では、そのレールポイントに動く短い鋼の羽を取付け、進行方向のレールは、つねに連続して切れ目の生じないように工夫しました。
 これをノーズ可動ポイントといいます。
 これで車両は、レールポイントででも、直線方向ならば、二百キロの高速で走れるようになりました。


ノーズ可動ポイントと伸縮継ぎ目

9 台車の改良 top


@ 軸バネと板バネの昔の電車の台車

 走行中の振動防止の問題は、車両の面でも並行して研究がつづけられました。
 客車・電車・長大な貨車などは、車輪から車体につたわる振動を、その台車(車両の床から下の部分)で吸収してゆるめています。
 台車は従来、@のような構造が基本でした。
 レールからくる上下振動は、最初に軸バネによってゆるめて台車枠に伝えられ、揺れ枕をとおして枕バネでさらにゆるめられます。
 これにたいして左右振動はこれらのバネのほかに、振り子作用の揺れ枕機構によってもゆるめられます。
 バネによる振動防止の効果をあげるには、バネをやわらかくすればよいわけです。


A 板バネを空気バネにした在来線特急こだまの台車

B 空気ばねを前後左右にみ働かせて揺れ枕をなくした新幹線の台車


旧こだま型空気バネ――上下のみにバネを利用


新幹線型空気バネ――上下、左右、前後にバネを利用

 しかし従来の金属バネではすでに限界にたっしたので、最近では自動車などの空気バネが使われるようになり、鉄道ではわが国が世界にさきがけて昭和三十三年頃から使うようになりました。
 その代表例はこだま型で、Aのように枕バネに空気バネを用いたのです。
 新幹線ではこの空気バネの性能を最高度に利用し、Bのような横方向にも強いダイヤフラム型の空気バネをはじめて使うことにしました。
 また蛇行動防止のために、軸受けと台車をつなぐ部分をうまく細工し、さらに車輪のレールに接する部分(踏面)の勾配を小さくしました(1/20から1/40にした)
 これをつくりあげるには、実になみなみならない研究がおこなわれたので、初めは鉄道技術研究所にそなえられている台車試験機(円形のレールを回転させることで、その上に乗る台車があたかも走るようにするもの)に、それぞれ機構がすこしずつ違う十一種類の台車を次々に乗せ、二百五十キロまでのスピードをだして実験しました。
 (この台車の試験機というのは、その当時では世界にただ一つのもので、国鉄が世界に誇りうるものです。)
 つぎは十五種類の台車から、すぐれたものを八種類えらび、モデル線の上で実地にテストしました。
 こうしてその中で、もっともすぐれたものを本採用としたのです。
 この台車はきわめて優秀で、二百五十六キロで走っても振動がおどろくほど少ないのです。
 これはまもなく世界中に評判になり、まだ新幹線が走らない前から、欧米の視察者がこの台車を見学に、続々やってくるようになりました。
 そこで国鉄は、昭和三十九年四月からはじまったニューヨークの世界博覧会に、この台車を出品しました。


台車試験機での試験のもよう

完成した新幹線の台車

10 動力の伝えかた top

 今度は、電気の話をしましょう。
 運転台にある主幹制御器のハンドルを動かせば、電車はしずかに走りだします。
 架線からくる電力が、運動エネルギーとなって、車輪を回転させるからです。
 操作はいたって簡単ですが、しかしこれには発電所をはじめとする実に込み入った機構があり、この機構について国鉄では長年の技術改良を積み重ねてきました。
 ところで二百五十キロの高速運転を可能にするとなると、この動力を伝える電気の機構は、これまでのどれでもまにあわなくなり、ここで技術陣はまた難問題にぶつかりました。
 新幹線計画の中で、「レールと車両」とともに、これも技術的に苦心させられた部門でした。

 新幹線は交流電車方式を採用することに決定していましたが、交流は変電所の数もその機器も少なくてすみ、電化工事費が安いという特長があるからです。
 (もっとも、架線からはいる交流電気を電車の中で直流電気になおして使うのですけれども。)
 そのうえ高速運転には、従来と比較にならないほどの大エネルギーを要するので、二百キロをこえる新幹線を走らせるには、強い電力が容易にえられる交流でなければ役にたたないのです。
 新幹線電車十二両の出力は八千八百キロワットで、在来線特急こだま型十二両二千四百キロワットの実に三倍以上です。
 そこで電圧を、ヨーロッパの国際規格なみの交流二万五千ボルトにきめ、全線五百十五キロに、約二十キロごとに、二十五ヵ所の変電所をもうけました。
 変電所はいずれも無人で、東京の中央指令室から一括してコントロールすることにしました。


交流変電所(大阪)

 電源から電車に送られる電気の機構を説明すると、発電所から三相交流七万七千ボルトで送られてくる電気は、変電所で単相交流二万五千ボルトにかえられ、架線に送られます。
 この電気は架線からパンタグラフをかいして車内にはいり、変圧器で電圧を下げられ、さらにシリコン整流器で、直流になおされて直流電動機にはいります。
 こうしてはじめて電車が動くのですが、役目をおわった電気はレール(一部は大地)をとおって、また変電所に帰ります。(電気のことはいろいろむずかしいし、説明すると長くなりますから、また別の機会にゆっくり調べてください。)
 この電気の問題で、一つ困ったことがもちあがりましたが、それはわが国の交流の周波数(電流が一秒間に方向を変換する度数)が、静岡県の富士川をさかいにして東は五十サイクル、西は六十サイクルと、違っていることでした。
 直流の場合は問題でないのですが、交流ではこれが障害となるのです。
 そこで東京〜富士川間に、七万五千ボルトの連絡送電線をもうけ、横浜、小田原二ヵ所の変電所で、周波数を五十サイクルから六十サイクルにかえて、この区間に送ることにしました。

11 架線とパンタグラフ top

 よく私たちは、町を走る路面電車のポールの先端から、パチパチと火花が出るのを見かけます。
 あのスパークは、架線とポールが離れることから生じるもので、高圧電流になれば、青白い大きい火(アーク)になります。 そしてアークは、数千度の高温で架線やパンタグラフを焼き切る力をもっています。
 新幹線の動力を伝える機構のうちで、一番心配されたのはこの問題でした。
 新幹線が高速で走れば走るほど振動がくわわって、架線とパンタグラフの離れる度合いが大きくなり、離れれば電気の受入れができなくなると同時にアークによる損傷を生じます。
 そこであらかじめ風洞実験をおこなって性能を確かめたパンタグラフをつかい、二百キロのテストをおこなったところ、それでも高速になるとものすごい火花をだし、ついにパンクグラフの集電舟(架線に接する舟型の板)が焼き切れてしまいました。


これまでの架線

 新幹線は、いくつものパンタグラフをもつ長い電車なので、電気機関車以上にこの問題は重大であり、技術陣はみな腕をくんで考えこみました。
 架線には右上のようないくつかの形式があり、この架線はある間隔ごとに、柱を立てて吊り下げています。
 そこで、パンタグラフの側からみれば、柱のあるところでは強く押し下げられ、中間はその力が弱まる。
 したがって柱のところでは、パンタグラフが低くなり、中間は高くなるという運動がくりかえされます。
 そしてこの運動は車両の動揺がなくても、さけることができません。
 これを防ぐには、架線もレールと同様に、鉄の棒にしてはどうかという考えがわきますが、もし鉄の棒にすると、何かのかげんでパンクグラフが、架線から離れると、ゴムマリがかたい床でバウンドしつづけるような現象がおきることは必定です。 これはとても危険です。
 しかしそれでも特定区間でこうしたものはつかえないかと、鉄棒式架線をつくって実験してみたところ、やはりいろいろ支障がおこって、車両を高速で走らせることができませんでした。
 つぎに考えられることは、現在の吊り方に工夫をこらし、架線を支える間隔を短くすることです。
 この考えから生まれたのが、右下の「連続網目架線」です。

 さっそく試作品をつくって、鉄道技術研究所内にこれを五百メートル張り実験してみたところ成績がいいので、昭和三十五年二月、東北本線宝積寺〜宇都宮間約三キロのあいだで、架線試験車を使って実地試験をおこないました。すると、百六十八キロの新記録がえられ、結果は大成功でした。新幹線の車両と軌道ならこれはもう二百五十キロ運転は大丈夫です。
 ところがここに、突然おもわぬ支障がおき、連続網目架線はつかえなくなってしまったのです。国鉄が試験に夢中になっているあいだに、この架線の特許申請が、ある私鉄の技術者から出されてしまったのです。
 現在国鉄はこのことで裁判であらそっていますが、ともかく新案特許は、それをとった者に一切の権利がわたり、もしそれを使う場合は、お金を山ほどつんで使わせてもらわなければなりません。そこで技術陣はまた研究をやりなおし、そのすえに「合成コンパウンド架線」(右図)というものの開発に成功しました。


新幹線のため開発された二つの架線

 これは従来のコンパウンド架線を改良したもので、試験の結果は前のものにもまさるともおとらないくらい優秀なことがわかりました。みな大喜びに喜び、さっそくこの架線の特許申請をおこなったことはいうまでもありません。
 一方、架線に並行して、パンタグラフの研究もすすめられました。
 第一に、高速で走っても架線から離れないこと、第二に、軽量にすることが考えられて試作品がつくられ、風洞実験がおこなわれた末に、昭和三十五年十一月、金谷〜藤枝間の試験用軌道で、実地試験をおこないました。
 すると合成パウンド架線とよく調和して、すばらしい成績をしめし、ついに狭軌で世界最高の時速百七十五キロを出したのです。
 このパンタグラフは従来のものより形が小さいのですが、それは新幹線の架線に高低がないため、パンタグラフの上下動のことをあまり考えに入れないでよかったためです。
 従来線では、トンネルその他の区間で高低がことなっているため、それをパンクグラフで加減していたのです。

 これで、時速二百キロを走らせるために、新幹線には、どんな工夫がほどこされているかを、ひととおり、見てきました。
 どうです。大変な努力がはらわれているでしょう。
 一口に「世界にほこる新幹線」といっても、それはけっしてなまやさしいことでつくられたものではなかったのです。
 わが国の鉄道技術のすべてを投入し、わが国鉄道技術者が総力をあげてぶつかった、知恵と汗の結晶なのです。
 ともかく、話をもっと先へすすめましょう。

12 その後の集電の話(HP管理者追加) top

 新幹線は200キロ運転で営業を開始しましたが、名古屋で高架橋の不備から騒音問題が起りました。
 最初は車輪の騒音だったので、沿線の防音壁を高くするなどの対策で処理していましたが、車輪の騒音が目立たなくなるつつれて、パンタグラフが離線してアークが飛ぶアーク音が目立つようになりました。
 またアークでパンタグラフの摺り板の摩耗が激しく、この取換え作業も問題になりました。
 そんな時、電気機関車の保守をやっていた人が、
 「電気機関車はパンタグラフが二つ付いているので、摺り板の摩耗は少ない。アークの出方が少ない。」というので、国鉄の車両屋と電気屋で検討してみました。


電気機関車はパンタグラフを二つとも上げて走るので、
二つとも離線しない限り、アークがでない。

 上は16両編成の集電の方式ですが2両ごとにパンタグラフがありその各々が離線するたびにアークが飛んでいました。

 そこで思い切ってパンタグラフは編成両端だけにして、高圧ケーブルで二つのパンタグラフをつなぎ、中間の車はそこから電気を供給する方式を考えました。
 また二つのパンタグラフの側面には、アークの騒音を遮蔽する遮音板も取り付けました。
 これは改造工事ではできないので、新形式の車両から採用されていきました。
 この効果は絶大でした。
 そしてJR発足後、新幹線は250キロ以上の超高速で走れるようになりました。今はどのJRもこの方式になっています。

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