＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
INDEX    2    3    4    5    6    7    8    9    10   11  12

　4 新幹線310km/hの可能性をもとめて
（北山敏和　JREA　1984/5）

　鉄道技術研究所では新幹線の310km/hの速度向上をめざした研究グループを編成し、350km/h級の試験電車の構想、高速化のための線路、集電、列車制御に関する研究課題と具体策、速度向上の経済評価についての研究を行なうと共に、その実用化への進め方、車輪〜レールの鉄道の限界の究明にとり組んでいる。ここでは、現在までのその成果の一端についでのべる。

1 はじめに

　世界各国における鉄道高速化の動きは活発で、200km/h前後の営業運転はすでにフランス・西ドイツ・イギリス・アメリカで実施されており、それよりいくらか下の150〜170 km/hの営業速度ではイタリア・カナダ・オーストラリア・南アフリカの各国で実用化されている。

　特にフランスではＴＧＶにより世界最高の380km/hの試験走行とパリ〜リョン間での270 krn/h営業運転を実現させている。そしてさらにＴＧＶ走行線区を拡げるべく、パリと大西洋岸都市を結ぶ大西洋新線の建設を決定しており、同線用として同期電動機駆動のより高性能のＴＧＶ列車の開発に着手している。この影響を受けて西ドイツでも現在建設中のバイパス用の高速新線での300 km/hの営業運転を目指しており、研究技術省から約40億円の助成を受け350km/h級の試験電車の開発を進めている。

　このような世界の鉄道の高速化への活発な動きの中でＪＮＲも手をこまねくいているわけはなく、速度向上の不断の努力が続けられている。新幹線の場合、当面の目標として東北新幹線上野開業時に営業速度を、230〜240 km/hまで速度向上すべく、現在長期走行試験が行なわれている。

　これと共に、鉄道技術研究所ではさらに将来の目標として、その上の速度（260〜310 km/h）を目指した研究も進めている。「そのために研究所内に各分野の専門家を集めた”新幹線速度向上の研究”グループがもうけられ、営業運転速度310 km/h、 試験速度350km/h以上が可能な試験電車の構想、速度向上のための研究開発の進め方、具体的な速度向上策とその効果等について検討されている。ここでは現時点までの研究成果の概要について紹介する。

２ 350km/h級試験電車（ＳＵＳ）の構想  top

　新幹線の場合、全電動車型の完全な動力分散型の列車であるのに対し、諸外国の高速列車は、コスト、保守、運用上の面から有利であるとして、プッシュプルの機関車列車タイプの動力集中型が一般的である。これは、それらの国土の地盤が日本に比較して強固なため、線路の最大許容軸重が20トン以上（新幹線16〜17トン）と大きく、軸重の面から高速高出力の機関車の開発が可能であったためと思われる。

　しかし、ＳＵＳ車（Speed up of Shinkansen）は既存の新幹線のレール上を300 km/h以上で走らせるという事で、新幹線電車で長年の実績のある全電動車タイプの動力分散型で考え、この方式で大幅に軸重を下げ、軸重と共に列車の高速化のためにはより重要な要素となるばね下質量の低減を図る事にした。

　そして、その目標値を軸重10トン（現新幹線０系電車16トン）ばね下質量2.0トン（Ｏ系電車2.3トン）とした。軸重10トンを実現するには現用車の大形車体（長さ25m、幅3.4m）のままでは最新の軽量化技術を取り入れてもかなり困難なので、定員面では若干不利とはなるが、車体を在来線車両並（長さ20m、幅3.0m）に小形化して、これに軽合金車体等のすでに実用レベルにある軽量化技術を付加すれば、充分実現可能である事が試算できた。

　このように軸重が大幅に軽減されると、その分車軸は細く、車輪径は小さくでき、ばね下質量も軽減できる。プレーキディスクの質量は速度向上に伴ない増加するが、これを現用タイプと同様の車輪取付とすると、ばね下質量が増えてしまうので、ブレーキディスクをばね上の主電動機軸に取付ける事も検討している。

　諸外国の高速列車では相隣合った２両の車両の車端部を支える連接台車方式としているケースも見受けられるが、これは２両分の荷重を支える関係でどうしても軸重が大きくなってしまう。それでも無理に軸重を10トン以下におさめようとすると、車体長が10m以下と極端に短かくなってしまうので、ＳＵＳ車での連接台車方式は困難と考えた。

　また、最近南ア連邦鉄道やイギリス国鉄で開発が進められている自己操舵台車は、もともと低速大軸重の貨車の車輪摩耗防止用に開発されたものであり、高速列車用としてはまだ未知の分野で研究開発要素が多いため、将来の研究課題であるとして、台車としては当面実績のある従来形の２軸ボギー台車方式で考える事にした。

　台車の蛇行動防止に関しては、台車、車体の寸法、質量、ばね系、ダンパ系の諸定数等の車両諸元をパラメーダとして、蛇行動の発生限界速度を計算したところ、最適な車両諸元を選定すれば限界速度を400km/h以上に上げうる事が確認された。さらに、マイコンを応用したアクティブ制御により、高速時の乗り心地の良い台車構成法の検討を行なっている。

　電気ブレーキについては、高速化に伴なう機械ブレーキの負担を軽くする意味で、その信頼性の向上が重要で、なおかつ、電気ブレーキに要する機器質量の軽減が要求される。そこで、この条件に合致する電気ブレーキ方式を開発すべく、電力回生ブレーキや界磁電流式発電ブレーキについての検討も行なっている。

　車体の断面の小型化と質量の軽減は、列車の走行抵抗の低減に寄与する。これに加え、さらに車体形状や屋上機器の構成の空気力学的な改良を行なえば、同一速度で現用車の約65％にまで走行抵抗を減らしうる可能性がある。そして試算によれば、編成当りでみればＳＵＳ車の260 km/h運転の場合、現用車の210km/h運転とほぼ同じエネルギー消費であり、ＳＵＳ車の310 km/h運転でも20〜30％のアップですみそうなので、速度向上に伴なうエネルギーコストの上昇はそれほど気にする必要はなさそうである。

　駆動用電動機としては250〜275kWの直流電動機とするが、将来的には同期電動機や誘導電動機の研究も必要となろう。直流電動機はそれ自身の特性として高速になると出力が低下し急速に牽引力も小さくなってしまうので、高速時にも充分な牽引力が得られるよう高速時は出力一定制御とするのが望ましい。その一方法として界磁電流制御があるが、高速回転の電動機で広範囲の界磁電流制御となると、整流子の整流火花が大きくなる心配があるので、昔からの課題ではあるが、今一度、整流改善策について見直す必要かある。

3 速度制限要素とその対策  top

　速度制限の要素としてまず問題になるのは線路曲線である。東海道新幹線は210 km/h運転を考えて2500mの最小曲線半径、山陽、東北、上越新幹線については260 km/h運転を考えて4000mの最小曲線半径である。しかし、カントと乗心地基準の見直し、車体重心低下、曲線走行性能の良い車両の開発等により、さらに速度向上が可能であろう。なおこの速度制限については、53年８月に小山試験線で961形電車を使っての高速試験で、4000Rの曲線を295km/hで通過した実績もあり、今後車両と軌道の両面からその限界を見極める必要かある。

　次にトンネルでの高速走行に伴なう問題として微気圧波（列車が高速でトンネルに突入すると、トンネル出口でドンと音がする現象）と車内気圧変動による集客への不快感（いわゆる耳つん現象）がある。前者についてはＳＵＳ車での約30％の車体断面積の縮少の効果はあるものの、ただそれだけでは310 km/hまでの速度向上は無理で、列車先頭形状での対策あるいはトンネル入口ヘのフード取付等の対策についての検討も必要である。後者については現用車のターボファン式の連続換気方式は、310 km/hでは性能的に限度を越えてしまう。そこで車外の気圧変動の影響を殆ど受けないでトンネル内でも換気できる新方式のレシプロ式換気装置を考案し、その実用化へ向けての研究も行なう必要がある。

　分岐器の直線側における制限速度については、高速通過に伴なう強度上の問題を耐久試験により確認すると共に、転換鎖錠装置、接着照査器についての検討も必要となるが、技術的には310 krn/hまでの速度向上は可能であると思われる。

4 高速化と線路  top

　車両の高速化に伴なって著大輪重（瞬間的に車輪とレール間に大きな荷重がかかる現象）が発生しやすくなるが、これは車両と線路の相互作用によって決まるものである。著大輪重は軌道や車両に悪影響を与え、また、走行安全性からも好ましくないので、高速化のためにはその対策が必須となる。軌道側の対策としては軌道のばね系を柔らかくするとか、レール頭頂面の凹凸をへらすのが効果的で、車両側としては車輪のフラット防止と軸重およびばね下質量の軽減が有効である。線路側の条件を同じとして350 km/hでの著大輪重の発生を現用車の210 km/hと同程度以下におさえるために、前述のような柏重10トン、ばね下質量２トンをＳＵＳ車の目標値とした。

　高速時の走行安定性と乗心地の確保のためには、鉄道の原点ともいえる車輪のレール面上でのころがり現象の解明と、軌道状態と車両構成法が車体振動におよぼす影響を明らかにする研究が重要となる。前者については近く研究所内にクリープ力試験機が新設される予定で、鉄道の高速化の限界の見極め等に威力を発揮するものと期待される。後者については軌直狂いを模擬して下から加振できる新しい車両試験装置がぜひ必要で、鉄道技術の新たなる脱皮のためにもその新設が望まれる。

　高速化に伴なう軌道破壊の傾向については、車両の軽量化の効果の確認も含めて長期試験が必要となろう。

5 高速化と集電

　260 km/h運転に対しては架線とパンタグラフの挙動の確認と保全実績を得るための高速試験を必要とするが、現在までの研究および実験の成果から致命的な問題はないと思われる。そして、昨年から実施している東北新幹線でのパンタグラフ半減化試験の結果をふまえ、できるだけパンタグラフ数を減らすのが良いと考えられる。

310 km/h以上になるとパンタグラフの移動により生じる架線振動の伝播速度が車速に近づいてくるため、架線振動伝播速度をさらに上げるために軽量架線の研究が必要となろう。そして、すり板部のばね上質量を軽量化した追従性の良いパンタグラフや離線アークによる摩耗の少ないカーボン系のすり板の開発を進めると共に多数パンタグラフによる高速集電がかかえる問題を解決するために、どこまでパンタグラフ数の削減が可能か総合的な検討が必要となろう。

6 高速化と列車制御

　現在210キロ信号までのＡＴＣの速度向上に伴なう対応策として、今のＡＴＣ設備が持つ予備の一信号波を250〜260キロ信号として使用し、それ以上の高速信号に対してはＡＴＳのような地上子で列車に信号を送る点制御式の信号設備を追加することで、経済的な列車制御方式が可能となる。点前御式の信号速度と地上子の設置方式は、想定される列車ダイヤ、ＳＵＳ車の高速でのブレー牛性能等を勘案しながら今後検討していく。

　現在のＡＴＣでの駅停車直前のだらだら運転を改善し、過大なＡＴＣブレーキにより引き起される車輪滑走を防止するために、車上パタンによる減速制御の検討も行なっている。

7 速度向上と環境保全  top

　300 km/h以上の速度向上の実現には、鉄道技術の広い分野にわたる数多くの研究開発が必要であるが、その中でも列車騒音等の環境保全に関する研究は極めて重要で社会的な関心も高い。

　走行騒音に関しては、その発生機構の解明と低減法の研究が続けられてきており、かなりの成果をみるまでに到っている。しかし、現状方式のままでの速度向上は今よりもその分だけ騒音レベルの増大につながる恐れがある。そこで、速度向上しても騒音レベルを現状並にとどめる事を目標にして、走行騒音低減の研究をさらに深度化していかなければならない。

　車輪のころがりにより生じる転勤音は、車輪〜レール間の凹凸による強制振動に起因していると見倣しうる事が次第に明らかになってきている。

　車両側の対策としては強制振動の加振源となるばね下質量の軽減がある。輪重の大幅軽減は弾性車輪（タイヤと輪心の間に弾性体を挿入した車輪）の開発にも有利となりその効果を上げる研究も行なっている。また、車輪踏面をより平滑に維持するために、現在の踏面研摩子の効果をさらに上げる意味で踏面ブレーキを使用する事も考えられる。この場合、踏面ブレーキだけで全プレーキ力を作用させるのではなく、電気ブレーキやディスクブレーキの20〜40％を分担させる複合ブレーキとしての踏面ブレーキである。

　軌道側の対策としては研究成果に基づいた各種対策がすでに実施されているが、レール凹凸に対するなお一層の配慮が必要となろう。特にレール溶接接目部や絶縁接目部については、平滑度の維持が要求される。

　300km/h前後の高速になると列車先頭部、パンタグラフ部の風切音の増大が予想されるので、風切音の少ない列車先頭部形状、パンタグラフ構造の研究が重要となる。そのためには、まず低騒音風洞による基礎実験が必要で、その設備新設が望まれる。
　パンタグラフ騒音に関しては、その遮音効果をあげる屋根構造の研究も進めている。

8 速度向上の評価  top

　速度向上による時分短縮の効果を調べるため、計算モデルの線区を想定し、曲線通過、駅通過、トンネル突入等の速度制限要素をバラメータにして運転時分の計算を行なった。その結果線区にもよるがトンネル突入時の速度制限が時分短縮の効果に特に大きな影響を与える事が明らかになったのでトンネル微気圧波とその対策の研究が重要である。

　このような到達時分の短縮による需要推定を行なう前段として、福岡空港で航空機客へのアンケート調査を行なったところ、博多〜大阪間で30分短縮になれば40％、１時間短縮であれば65％以上の航空機客が新幹線に乗るという結果を得た。なお大阪〜博多間の１時間短縮は前述の速度制限にもよるが、310 km/hのノンストップ運転であれば十分可能である。

　アンケート結果により想定される航空機からの移転客と現在の新幹線の大阪〜博多間の直通乗客数からみて、１時間１本のノンストップの310 km/h運転の列車の設定が考えられる。そして、現行ダイヤヘのこの列車の追加も十分可能性のある事も確認できた。

　さらに310 km/h運転の経済評価を現在進めているが、航空機からの転移客による増収分か、仮定をおいた車両と地上設備への追加設備投資額と動力費、保守費の経常費増分を合せたコストの全増分を十分まかなえる可能性があるという結果が得られつつあり、310km/h運転は採算的にも成立つものと思われる。

9 おわりに

　310 km/hの営業運転をめざしたこの研究により、騒音振動防止、高速集電、車両軽量化、高速台車、高精度軌道管理、高速列車制御等々の研究開発が進めば、その成果は高速化のみならず、現状の速度による営業に対しても新幹線をより合理的に維持するために有効に活用できるであろう。これらは新幹線が現在持っている課題を解決し、さらに線路、架線、車両の保守費や動力費の低減に寄与する可能性も持っている。鉄道経営上からもこの研究はきわめて重要なので、研究所としては今後ともその実用化をめざしての研究開発に積極的にとり組んでいく予定である。

　鉄道技術研究所のこのグループ研究はさらに広く深く進められている。本文の内容は、これらの成果の一端であり、杉山班長以下メンバーの方々の努力に改めて敬意を表すと共に、誌面の関係で内容を圧縮したための舌たらずの説明等は筆者の責任であることを記しておく。　

参考文献
�@　速度向上研究会新幹線速度向上研究ＷＧ：新幹線　速度向上の研究　Phase−I、鉄研報告N0.1202、昭和57年２月
�A　笠井浩三：新幹線の高速化、ＪＲＥＡ、昭和58年　４月
�B　佐藤吉彦：軌道からみた鉄道システムの境界問題、　ＪＲＥＡ／昭和58年５月

top
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊