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鉄道電化 電車と電気機関車
蒸気機関車 9600形設計
共同設計 走行抵抗 連結器 ブレーキ INDEX
朝倉希一の博士論文 列車の走行抵抗
（田中隆三 鉄道ピクトリアル No350 1978/7）
1 徹底した国産主義 top
朝倉希一先生はさる4月20日、心不全で亡くなられた。
94歳という年齢は決して短命とはいえないが、先生に関する限り長命と賛ずるには、あまりにも生命力が溢れるばかりであったからだ。
試みに、近著「人生を考えよう」(昭和51年4月発行）序文を見て「私が国鉄工作外史を書き姶めたのは90歳に近いときであった」というのでも判る。90歳をこえてなお、工作外史というまとまった執筆をされたことでも想像はできる。
筆者は朝倉先生とは、昭和3年鉄道省運輸局運転課勤務以来の”子弟”の間というのもおこがましいが、”希望の星”であった。
以来鉄道在職29年間の前期数年間は車両理論と運転理論の明け暮れであったからだ。
というのは、車両構造理論は朝倉氏説くところの走行抵抗軽減に身命を堵された頃であり、運転理論は山岸輝雄氏の説くドイツ・ストラール博士(1913年）の基本理論の実用化に寧日ない有様であった。
工作系統で朝倉希一氏、運転系統で山岸輝雄氏の存在は、若い技手たちのあこがれの的であり、また競争場裡のなかで一歩も退けない理論闘争であった。ストラール理論には運転時分計算法で圧倒的な勝目があったが、これには走行抵抗なる重大な要素が関数として含まれていた。
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山岸輝雄
高知県士族門田実堅の三男として明治16年（1883）10月22日秋田市に生まれ、のち山岸家の養子となる。
明治39年7月東大機械科を卒業し、日本鉄道会社に入り上野機関庫に勤務する。
明治40年4月鉄道庁技師、42年5月東部鉄道管理局大宮機関庫主任､43年12月技師となり､大正7年1月鉄道事業研究のため欧米へ出張を命ぜられる。同12年5月には「自動連結器装置に関する調査委員会」の委員を命ぜられ、翌13年7月には同連結器の取付用器具の考案懸賞審査委員となるなど自動連結器の取付作業に功績をあげた。昭和5年6月東鉄局運転課長、8年3月鉄道省運輸局運転課長、同年11月仙鉄局長と累進し、10年5月に退官した。
昭和17年4月「線路容量の理論と応用」により工学博士の学位を授与され、これはきわめて良心的な論文として高く評価されたが、意に満たないとして、一度審査に合格したものを貰い下げ、再び研究して提出したものであった。
昭和20年3月10日本所京橋で空襲にあい死去。 62歳。（鉄道先人録より） |
もちろん、鉄道研究所は独自の研究が進み、試験も行なわれていたが、権威づけるまでには至らなかった。
朝倉氏がそのころ「走行抵抗」についての研究の成果が発表されたことは有名で、朝倉式走行抵抗公式として若い技術屋たちの間で論議の中心となったものだった。
朝倉氏の工作局車両課長時代は国産奨励がかなり徹底して行なわれたもので、柴田式自動連結器・柴田式密着連結器・引張摩擦装置・柴田式戸閉装置など、今日なおその恩恵に浴す器具があることも知られているが、ここでは、同氏をめぐる一、二の話題を紹介する。
2 電気機関車の協同設計 top
朝倉氏が車両課電気車主任時代から車両課長時代を通じて一貫押し通されたものは国産主義の実施であった。
電車用100キロワット電動機を芝浦製作所・日立製作所・東洋電機製造の３社で協同設計を行なったことは、これが国鉄における協同設計の最初であるとともに、これが将来各車両全体の協同設計へ発展していくのである。
大体、重機工場は秘密主義で自工場の知識の発表を喜ばない体質が伝統として流れていたものを、国鉄は注文する力を有することを基盤に押し進めた結果、各社も納得して協同設計に資料を公開参加した結果、各社の技術の競争となり成功したと、述壊（注1）しておられる。
この協同設計の経験を基にして、かの画期的といわれるＥＦ52形電気機関車の協同設計に成功したことは、外国製電気機関車の部品性能の不詳や部品の取扱・交換に悩まされた運転方面から喜ばれるようになったと卒直に語っておられる。
その頃から、蒸気機関車に対しても協同設計を進めて、設計能力の教育と開発に努めたのである。
（注1）「人生を考えよう」p329
3 流線形車両には消極的 top
朝倉博士が流線形車両に対して積極論者であったか、消極的であったかは二つに分れるところであるが、これに明解な回答を出しておられるのが、本誌1976年3月号(No317）「流線形電車の記念号に寄せる古い思い出」である。この一文からそのポイントだけを再録する。
アメリカの鉄道は貨物輸送が主で、旅客輸送は従であり、鉄道によって旅客輸送では損をしているものもあった。そこで損益を考えず、旅客列車の設備を良くし、列車全体を流線化・高速化し、列車に愛称名を付けて競争するようになった(昭和10年頃）。
これが一般の注目を引き、マスコミも大きく取扱った。
これをキャッチした日本の新聞記者たちが朝倉課長にインタビュー、国鉄では流線形を採用しないのかと聞く。
国鉄程度ではその必要はないと余り気乗りしない返事をするが、執拗に食い下がられて試作の言質を与える。
そこで登場するのが島秀雄機関車係主任の設計になるＣ55であった。
Ｃ55形は設計は非常によくでき、一部旅客やファンには喜ばれたが、保守側から強い要望で中止となった。
設計はエネルギーの有効利用上、使用者の便利との調和を図る必要がある。
また、記者たちも自分たちの描いていたのとは大きく違うのであることに不満を洩らす。
期待外れの原因は列車全体の色や形が流線化にマッチできなかったことにあった。
流線形機関車にマッチした客車も新製したかったが、国鉄としては客車全体の流線化の機には達していなかった。
理論の上では正しいと思うことも、世の中には正論のみでは通らないことを覚ったと朝倉氏は述べておられる。
4 朝倉博士と走行抵抗公式 top
朝倉氏の業績を述べるに当り、走行抵抗公式を解説することは必ずしも妥当とはいえないが、従来から列車抵抗
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ＥＦ55形流線形電気機関車の走行抵抗
ＥＦ55形電気機関車の流線形の先頭部 後部は切妻 片山健次郎
s11/5 走行実験時に平塚にて 鉄道ピクトリアル1962/3
p19
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の中で走行抵抗ほど、世界各国鉄道をはじめ、わが国でも時代の変遷とともに、また研究者ごとに、さらに車種によって実に多数の公式が発表されている。
本誌読者に対しては、走行抵抗を解説したことは一度もないから、その必要度や要望はあまりなかったとみたいが、朝倉博士が車両権威者として走行抵抗公式を発表されているので、これを縁にひと通りの常識の域を超えない程度で、その基本知識をお伝えしよう。
Ａ 列車抵抗の分析 top
列車が線路上を運転走行する際には、種々の抵抗があってその進行を妨げようとするものである。
これらの抵抗を総称し列車抵抗という。
列車抵抗は通例次の5種に区別され、単独または必要に応じ合計して算定される。
① 発車の際に起る抵抗、出発抵抗という。
② 平坦・直線路を一定の速度で運転するときに起る抵抗、走行抵抗という。
③ 勾配を運転するために超る抵抗、勾配抵抗という。
④ 曲線路を運転するために起る抵抗、曲線抵抗という。
⑤ 列車を加速するために起る抵抗、加速抵抗という。
以上のうち、出発抵抗(Starting resistance）について少々説明を加える。
静止する車両を始動させようとするときは、軸受と受金との間に存在した油膜が切れて両金属が直接接触するために、比較的大きい抵抗(注2）があって、従来の機関車および客貨車では重量1tにつき7～10kgを要し、時としては15kgを要することがある。
電気機関車では在来車両に比べて電動機支軸・歯車伝動機構および電機子軸を有するため幾分大きく10～15kgを要し、時として20kgに及ぶことがある。
普通客貨車の出発抵抗は8kg/tを用い、電気機関車では10kg/tを多く用いる。
この値は、車両の停止している時が長ければ長いほど増大する傾向がある。
出発抵抗は、列車が停止状態から速度が約10km/h前後に達するまでの間適用するのが普通で、それ以上の速度では次に述べる走行抵抗の一般式による。また、任意の速度を有する列車が減速してこの速度以下に達しても、この抵抗値は適用されないことはいうまでもない。
(注2)列車抵抗は出発抵抗をはじめ走行抵抗・勾配抵抗・曲線抵抗・加速抵抗ともすべて列車重量1t当りについて呼称するものとし、総抵抗を求めるには車両または列車重量を乗ずるのである。
Ｂ 走行抵抗の概念 top
列車が平坦・直線路を一定の速度で運転するときの抵抗は、列車抵抗中最も重要なものであって、通常これを走行抵抗(Running resistance）と称し、主として次の5項から成り立っている。
① 車軸の軸受摩擦に起因する抵抗
② レールと車輪との間に起る転動摩擦に起因する抵抗
③ 車両と機械部の摩擦または衝撃に起因する抵抗
④ 車両の前頭・側面または後部における空気抵抗
⑤ 車両の動揺に起因する抵抗
以上のうち、①は軸受と軸受金（メタル）の滑り摩擦による抵抗であって、負担重量が大なるほどこの抵抗は減少する。
よって空車は積車より、木造車は鋼製車より抵抗は大で、温度の高い場合は低い場合より抵抗は少ない。
②は車両の蛇行運動によるフランジとレールとの間の摩擦およびレールに波状を与えることによる摩擦が主な原因であって、レール重量が軽い場合は抵抗は大きく、機関車の場合は客貨車に比べて大きい。
③は機関車特有のもので、機械部の摩擦すなわちピストン・ピストン捧・弁装置等の摩擦および連結車輪の軸受の摩擦で、蒸気機関車では主要な抵抗の一つとなるが、電気機関車の引張力は特性曲線から求めるから殆んど無視できる。
④は列車の進行中は無風状態でもその速度と同一風力が列車の進行を妨げ、または側面を摩擦、列車の後部では部分真空を生ずるために発生する抵抗で、列車は長大なほどその抵抗は小さい。
この値は速度の自乗に比例するので総抵抗値としては大きい。
⑤は列車の振動および打撃によって軸受その他各部の抵抗を増加し、またはタイヤフランジとレールとの摩擦を増加するための抵抗七、動揺の多い車両、重量の軽い車両は大きい。
電気機関車は蒸気機関車に比べて重心(注3）が低いために抵抗は小さい。
これも速度の自重に比例して増減する。
(注3)代表的電気機関車と蒸気機関車の重心の高さは、
ＥＤ54形……1,420mm、ＥＦ152･53形……1,205mm、
Ｃ53形………1,587mm、Ｄ50形……1,577mm
5 走行抵抗標準公式 top |
車軸の軸受方式による走行抵抗の違い
木製車と鉄製車の走行抵抗の違い
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走行抵抗に関しては、古来幾多の公式が発表されていることは前述したが、日進月歩の車両と軌道構造とを合せ考えるとき、一本の公式でズバリと適中させることは不可能といってよい。
ここでは、まず動力車と客貨車とに大別してその標準公式から述べよう。
動力車に対して Ｒ＝Ａ＋Ｂ*Ｖ＋Ｃ*Ｖ*Ｖ………………………………(1）
客貨車に対して Ｒ＝Ａ＋Ｃ*Ｖ*Ｖ………………………………………(2）
式中 Ｒ＝走行抵抗(kg/t)
Ｖ＝列車速度(km/h）
Ａ、Ｂ、Ｃ＝定数
上式中、両式ともＡは速度に関係ない一定の抵抗値を有し、前項の①項の軸受摩擦に起因するもの、Ｂは②・③項の軸動摩擦および機械部の摩擦に起因する動力車特有のもの、Ｃは④・⑤項の空気抵抗および機械部の摩擦に起因するものを表わす。
走行抵抗をさらに詳細に求めるには車両重量を計算中に入れた次式による。
Ｒ＝Ａ＋Ｂ*Ｖ＋Ｃ*Ｖ*Ｖ*Ｗ…………………………(3）
式中 Ｒ＝走行抵抗(kg/t）
Ｖ＝列車速度(km/h）
Ｗ＝車両重量(t）
Ａ、Ｂ、Ｃ＝定数
上記(1）(2）(3）式におけるＡ、Ｂ、Ｃの定数については、各国で既に多くの実験が行なわれ、種々の数値が与えられているが、これらは車両の断面積・形状・軌間、線路の状態によって異なるもので、いま国鉄で採用している各種車両に対する走行抵抗公式は次の通りである。
① 電気機関車(省標準式）
カ行運転 Ｒ＝2.39＋0.0164Ｖ＋0.0445Ｖ*Ｖ／Ｗ……(4）
惰行運転 Ｒ＝3.61＋0.0120Ｖ＋0.0445Ｖ*Ｖ／Ｗ……(5）
式中 Ｒ＝電気機関車走行抵抗(kg/t）
Ｖ＝列車速度(km/h）
Ｗ＝電気機関車重量(t）
② 蒸気機関車(運輸局式）
Ｒ＝(9.3＋0.0047(n－1）*Ｖ）*Ｗd＋(1.8＋0.015*Ｖ）*Ｗt＋0.057Ｖ*Ｖ……(6）
式中 Ｒ＝蒸気機関車全走行抵抗(kg）
n＝動輪軸数
Ｗd＝動輪上重量(t）
Ｗt＝先従輪および炭水車重量(t）
Ｖ＝列車速度(km/h）
③ 電車(省標準式）
力行運転
Ｒ＝ΣＷm(4.75＋0.023Ｖ＋0.00019Ｖ*Ｖ)＋ΣＷt(1.80＋0.00047Ｖ＋0.0365Ｖ*Ｖ）……(7）
惰行運転
Ｒ=ΣＷm(5.40＋0.0006Ｖ＋0.000275Ｖ*Ｖ)＋ΣＷt(1.80＋0.00047Ｖ＋0.0365Ｖ*Ｖ）……(8）
式中 Ｒ＝電車(列車）全走行抵抗(kg）
Ｗm＝電動車重量(t）
Ｗt＝付随車重量(t)
Ｖ＝列車速度(km/h）
Σ＝電動車または付随車数の総計
④ 客車(運輸局式）
ボギー客車(木製車）
Ｒ＝1.72＋0.00061Ｖ*Ｖ……………………(9）
式中 Ｒ＝客車走行抵抗(kg/t）
Ｖ＝列車速度(km/h）
ボギー車(鋼製車）
Ｒ＝1.24＋0.0069Ｖ＋0.000313Ｖ*Ｖ…………(10)
⑤ 貨車(運輸局式）
Ｒ＝2.07＋0.00066Ｖ*Ｖ………………………(11)
式中 Ｒ＝貨車走行抵抗(kg/t）
Ｖ＝列車速度(km/h）
6 特殊車両の走行抵抗標準公式 top
① ＥＦ55形電気機関車(流線形）
流線形(正方面）Ｒ＝1.4＋0.0162Ｖ＋0.00036Ｖ*Ｖ…(12)
箱形(逆方向） Ｒ＝1.4＋0.0162Ｖ＋0.000416Ｖ*Ｖ…(13)
② ＥＦ53形電気機関車(コロ軸受）
コロ軸受 Ｒ＝1.4＋0.0162Ｖ＋0.00036Ｖ*Ｖ……(14)
普通軸 Ｒ＝2.26＋0.0246Ｖ＋0.00021Ｖ*Ｖ……(15)
③ 寒暖による走行抵抗(ボギー客車)
夏季抵抗式 Ｒ＝1.59＋0.000565Ｖ*Ｖ…………(16)
冬季抵抗式 Ｒ＝2.15＋0.000574Ｖ*Ｖ…………(17) |
ボギー客車の寒暖による走行抵抗の違い
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④ 電車(半流線形、コロ軸受)
Ｒ＝(1.65＋0.0247Ｖ)*Ｗm＋(0.78＋0.0028Ｖ)*Ｗt＋(0.028＋0.0078(n－1))Ｖ*Ｖ……(18)
式中 Ｗm＝電動車重量(t）
Ｗt＝付随車重量(t）
n＝車両数
⑤ 新幹線用旅客電車(理論式)(注4）
Ｒ＝(1.6＋0.053Ｖ)Ｗ＋ＣＶ*Ｖ……………………(19)
火中 Ｃ＝(1/2)ρ*Ｃx*Ｆ Cx＝0.46＋0.00225Ｌ
ρ＝(1/8)(1/3.6)(1/3.6)(kg*時/k㎡*㎡)
F＝断面積(㎡)
Ｌ＝列車長(m)
(注4）福崎直治・沢野周一 電車と電気機関車 p327より
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