新幹線「初代のぞみ」の技術革新高速化の実現と保全・保守の発展[SOLE]：ロジスティクス・ビジネス[LOGI-BIZ]バックナンバー

2012年3号

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SOLE 日本支部フォーラムの報告 The International Society of Logistics MARCH 2012　　70 　一月のフォーラムでは、「新幹線の高速化と『初代のぞみ』開発及び新幹線の保全・保守の概要」について講演を行った。
新幹線は「初代のぞみ」（一九九二年）の開発と実用化により、時速三〇〇?の高速化を達成し新たな技術革新の時代に入った。
社会インフラとしての交通機関及び鉄道会社の事業としては、?安全性、? 信頼性、?利便性、?快適性、?経済性等が求められている。
これらのニーズに応えた新幹線の高速化の状況、のぞみ開発の経緯や技術、その保全・保守の概要について述べる。
（木島Ｔ＆Ｂコンサルティングオフィス　木島研二代表）新幹線の高速化とのぞみ開発時速二〇〇?から三〇〇?へ　鉄道を高速で走らせたいと言う構想は古くからあり、一九四〇年には標準軌一四三五ミリで東京─大阪四時間半（時速二〇〇?）と言う「弾丸列車構想」があった。
　その後、五九年に鉄道総合研究所（当時）に研究用の「新幹線一号試験台車」が完成し、東海道新幹線の開発がスタートした。
この時は信頼性や安全性の点から未経験の新技術は使わず、時速二〇〇?を目指す方針だった。
六二年には神奈川県の鴨宮モデル線区にて試験電車で二年間走行試験が行われ、六四年に東海道新幹線が開業。
そして八六年、運行時速は二二〇?に向上し東京─大阪二時間五二分の運転が開始された。
　表１に新幹線の営業速度、試験最高速度の変遷をまとめた。
開業当時は時速二〇〇?、のぞみ開発当時は時速三〇〇?が限界と言われたが、現在はさらに高速化が可能となっている。
ただし国内では騒音や安全上、ＪＲ東日本の新型車両の三二〇?が営業最高速度と考えられている。
　国内の鉄道に関する社会的なニーズや技術開発状況を見ると、八〇年代半ばから省エネのニーズが高まり、加えて九〇年代には高速化のニーズが拡大した。
　技術面では八〇年代半ばに地下鉄で直流車両（直流電化区間に対応した車両）のインバータ制御システムの開発と実用化が進められ、それが他の鉄道にも普及し鉄道の省エネと保守の改善が進んだ。
この直流車両のインバータ制御技術をベースに、交流車両（交流電化区間に対応した車両）のインバータ駆動・回生技術が開発され、今日の高速新幹線の技術基盤が確立された。
　高速新幹線の先頭車両のデザインは、?三〇〇系（初代のぞみ）で高新幹線「初代のぞみ」の技術革新高速化の実現と保全・保守の発展表1　新幹線の営業速度と試験最高度速度の変遷新幹線種別営業最高速度試験最高速度（年）備考東海道０系 210→220km/h 286km/h（1972）東海道300 系のぞみ 270km/h 326km/h（1991）開発目標320km/h 山陽500 系のぞみ 300km/h 350km/h（1992） JR 東　試験電車営業なし 425km/h（1993） 6 両編成 JR 東海試験電車営業なし 443km/h（1996） JR 東FASTEC360 320km/h 360km/h 設計上405km/h ドイツICE 280km/h 407km/h（1988）フランスTGV 300─320km/h 575km/h（2007）トランスラピッド（上海） 430km/h 設計上505km/h 磁気吸引式浮上鉄道リニア新幹線 500km/h目標実験線581km/h 磁気反発式浮上鉄道新幹線の先頭車両のデザイン 300 系新幹線高速化のために流線型を採用 500 系新幹線非常に長い流線型が特徴 700 系新幹線振動と騒音、トンネルの衝撃を緩和する「エアロストリーム型」 71　　MARCH 2012 量化は最重要課題となっていた。
　一方、技術的には将来の山岳地帯の下り勾配でのブレーキという課題があった。
いずれにしても、従来の発電ブレーキ方式では、高速化した場合に外形、重量や省エネの点で実現が難しかった。
　この相反する高速化と軽量化の問題を解決したのが、交流車両のインバータ制御システムと軽量アルミ車体である。
　東海道のカーブと駅間をどのような加減速で走行すればよいか、走行シミュレーションを繰り返し決定された。
騒音規制をクリアするためにはどの程度車両を軽量化すればよいか、実車での走行試験で調査、検討された。
その結果、インバータ駆動・回生システムとアルミ車体の技術開発と実用化が進められ、三〇〇系で交流車両のインバータ制御方式が確立された。
　その後の五〇〇系で時速三〇〇? 運転が実現し、さらに七〇〇系へと進化した。
この七〇〇系は台湾新幹線のベースにもなっている。
　初代のぞみの製品化のための基本技術は、?時速三〇〇?走行の駆動と回生ブレーキシステム制御、?高耐圧・大電流を制御するパワー半導体と応用技術、?車両に搭載できる外形・重量の主変換装置（コンバータ／インバータ）、である。
交流インバータ駆動・回生ブレーキ方式の採用と新型アルミ車体により、従来の直流モータ駆動・発電ブレーキ方式の車両と比較して、表３のような軽量化を達成している。
　消費電力についても、〇系の二二〇?走行と三〇〇系以降の車両の二七〇?走行の条件で比較すると表４のように低減され、高効率化や省エネ化が進んでいる。
技術革新で騒音・振動問題を解決　東海道新幹線は輸送力の限界、航空機との競合の問題を抱えており、初代のぞみ開発の背景には高速化による輸送力の増強、航空機からの顧客の奪還が重要な課題となっていたことがある。
開発計画を進めるに当たっては、こうした事情と運行管理、技術的に可能な速度レベル等から、最大速度二七〇?、東京─大阪間二時間半（大阪で九時の会議に間に合う）という基本目標が決定された。
　その実現に最大の制約となったのは沿線の騒音・振動問題である。
新幹線の法規では、騒音レベルの基準値が線路より一〇ｍ離れた住宅地で七〇ホン以下、商業・工業地で七五ホン以下と定められている。
また、東海道では路盤が強くなく、曲率半径の小さいカーブ（最小二五〇〇ｍ）がある。
ここを高速で走るためにも軽速化のための流線型、?五〇〇系で更なる流線型と小断面化、?七〇〇系で振動と騒音、トンネル衝撃音を緩和したエアロストリーム型、?Ｎ七〇〇系でさらに高速化と快適性を改善したエアロダブルウィング型、と進化している。
　新幹線を時速三〇〇?で走行させるには、強固な路盤の土木構造物や安定した給電システム、安全運行管理システム等はもちろん、走行抵抗の少ない軽量車体と小型軽量なハイパワーシステムが必須となる。
　基本機能としては、三〇〇?までの効率の良い加速性能と高速からの安定したブレーキが重要である。
そのために、初代のぞみでは交流車両で初のインバータ制御システムという開業以来の技術革新が必要となり、これがその後の高速鉄道の基本的なシステムとなった。
これらの高速新幹線の進化の状況を示すと表２のようになる。
　中でもＮ七〇〇系は車体傾斜装置を装備し、車両速度、位置、ＭＡＰ情報から、通過曲線に合わせて車体を一両ずつ最大一度傾斜させることが出来るため、乗客の乗り心地を損ねることなくカーブを時速二七〇?で通過出来る。
これによって東京─大阪間の運行時間が五分短縮され、品川駅からの増発が可能となり、省エネ効果も高まっている。
　初代のぞみ開発における最大の技術課題は低騒音・振動のための車両と走行システムの軽量化であったが、表2　高速新幹線の技術進化車両及び開発技術の特徴東海道300 系 631t/12000kW 山陽　500 系 688t/18240ｋW 東海道700 系 620t/13200kW 東海道N700 系 628t/17080kW 最初の交流車両インバータシステム・回生ブレーキ、高耐圧・大電流のパワー半導体の開発と応用　時速２７０ｋｍ３００系のぞみをパワーアップし、流線型かつ小型断面車体で時速３００km 走行を実現トンネル衝撃音を緩和した新先頭形状、新型パワー半導体によるシステムの小型・軽量化で省エネ、低騒音さらなる省エネ、低騒音、乗り心地を向上させ、加速性能アップ、カーブでの車体傾斜装置、新ＡＴC搭載等編成重量／編成出力表3　車両の軽量化種別（モータ出力）編成重量車両１両台車１台モータ重量腰掛１人分１００系（２３０ｋＷ）満車925t 10.3t 9.8t 825kg 28kg ３００系（３００ｋＷ）満車711t 6.5t 7.0t 396kg 12kg 表4　消費電力の低減２２０ｋｍ走行基準１００％８４％７３％６８％２７０ｋｍ走行 ― ９１％６６％５１％走行速度換算０系３００系７００系Ｎ７００系 MARCH 2012　　72 　交流誘導モータの制御、回生ブレーキ制御、システムの制御・保護、回路方式と電気部品の開発と検証を行った。
⑶軽量化、構造と製造技術　大型アルミ製缶筐体、低ノイズ配線技術、実装・冷却技術等を開発し、品質・コスト・納期を満足する生産、試験体制を確立した。
　主変換装置では性能、軽量化と信頼性、コストパフォーマンスが厳しく要求されたが、これらは設計上トレードオフである。
製品としてそのバランスや実現、製造プロセスの確立に多くの労苦が費やされた。
　装置としての開発と検証を十分に行ったとしても、最終的に実路線での現車走行試験で確認する必要がある。
初代のぞみではプロトタイプの一六両編成が試作され、毎晩大阪─東京を往復する実車走行試験を約一〇カ月行い、総計約二七万?の走行試験を行って品質や信頼性を検証するとともに、不具合点はすべて開発や設計にフィードバックして量産の作りこみを行った。
新幹線のガラパゴス化　昨今、環境問題やエネルギー問題から鉄道輸送が見直され、世界各国観点から、ソフトウエアと電気回路、機械部品を組み合せて異常時の保護や検知、安全な停止のシステムが構築され、装置完成後には総合試験や電車走行を模擬できるシミュレータで最終確認が行われている。
　この主変換装置を実現した主な技術開発として、以下の三つの分野が挙げられる。
⑴パワー半導体と応用技術　当時、世界最大容量の耐圧四・五 kV 、制御電流三〇〇〇ＡのＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）を開発し、併せて制御、保護、冷却、実装等の応用技術を確立した。
　高速鉄道のモータ制御のキーデバイスであるパワー半導体は、三〇〇系と五〇〇系にはサイリスタ系のＧＴＯ、七〇〇系以降はトランジスタ系のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が開発され、使用されている。
パワー半導体の性能向上により、制御機能、効率が向上し、装置の小型・軽量化も進み、新幹線の省エネや快適性改善に貢献している。
将来的に、非シリコン系のＳｉＣ（炭化ケイ素）デバイスが使われれば飛躍的な性能向上、小型・軽量化が実現すると期待されている。
⑵システム・制御、電気回路ータ部で直流から交流に変換し主変圧器を介して架線に回生する。
　この主変換装置は容量三〇〇〇 kW 、外形三二五〇（長さ）×二四〇〇（幅）×六五〇?（高さ）、重量二七五〇?であり、二台の装置で八台の交流モータを駆動して走行とブレーキを制御する。
　一六両編成当たり一〇両を電動車とし、電動車にはモータ四台と主変換装置を一台搭載している。
主変圧装置一台、主変換装置二台とモータ八台、つまり車両三両分を一ユニットとし、編成五ユニットのうち一ユニットをカットしても通常の運転を継続できる冗長性を持っている。
　主変換装置では安全性、信頼性の　この新たな技術の実用化のためには、品質、コスト、量産性を確立し、社会インフラとしての信頼性や耐久性を確立、検証する必要があった。
このため、社内に図１のようなプロジェクト体制を作り、社内外の関連部門と開発、検証、製品化を進めた（図２）。
　主変換装置は、主変圧器で降圧した電流をコンバータ部で交流→直流変換して安定な直流電源を作り、インバータ部で直流から交流に変換し、電圧と周波数を制御して交流モータを駆動する。
　ブレーキ時は逆の動作になるが、交流モータが発電機となって走行エネルギーを電気エネルギーに変換し、インバータ部で交流を直流に変換。
コンバ図1　初代のぞみ開発のプロジェクト体制（ネットワーク）営業→顧客顧客対応・技術開発・モノづくり研究所 PJリーダ（設計）システム・回路設計構造設計・製造技術共同開発・評価事業部外提案・折衝垂直的連携支援・管理協力・納入社内事業部設計製造生産管理試験・検証水平的連携社外企業材料メーカ部品メーカモジュールメーカ半導体部門開発仕様・活用図2　主変換装置開発・製品化のプロセス基本システム開発シミュレーション部分試作と検証回路・システム開発変換装置開発・評価プロト変換装置設計・評価量産変換装置設計・製造・試験長期耐久試験評価・改良パワー半導体開発評価・応用技術改良変換装置 73　　MARCH 2012 向上による遅延回復等が可能になり、中でも（安全のためにＣＰＵ等システムが二重化されている）Ｎ七〇〇系ではこのシステムを活用してカーブでの車体傾斜システムを実現している。
　新幹線は地震対策でも優れている。
初期から地震検知と列車停止のシステムを設けており、この技術は国内の地震検知にも活用されている。
九九年にチーチー地震が発生した台湾ではそうした地震対策が評価され、車両システムの受注に繋がったという経緯もある。
　従来の早期地震検知・警報システムは三秒で動作し、東海道では「ユレダス」、東北新幹線では「海岸検知システム」として構築されていた。
これは主として海溝型の地震を想定していたが、その後の阪神淡路大震災や新潟中越地震を反映して直下型対策が施され、東海道では「テラス」、東北新幹線では「コンパクトユレダス」が開発され、検知後一秒で警報を出して送電中止、非常ブレーキをかけて停止させるシステムに改善された。
また非常ブレーキといっても、急停止による衝撃を緩和し安全に停止するため、四?走行させる仕組みになっている。
　さらに列車の脱線防止として、? 脱線防止ガード、?逸脱防止ストッパー、?土木構造物の耐震強化、といったハード面の対策も施されている。
〇ｍ／ｓ以上での運転見合わせの検知、?架線故障時、変電所の遮断器動作で上下四〇?電源カット、?トンネル内で五〇〇ｍおきに消火器設置、?五〇〇ｍおきに緊急電話設置、 ?立ち入り防護柵、?防護壁が破られると検知して停止信号発信、等の設備が備えられている。
　新幹線のブレーキの仕組みを見ると、基本は空気式の基礎ブレーキと電気ブレーキの組み合わせであり、三〇〇系以降は電気ブレーキとして回生ブレーキ方式で架線に電力を戻している。
一〜三?の区間を電気的に区切って閉塞区間を設け、軌道回路を設置して列車の位置を検知するとともに、複数の電車が進入しないように運行制御を行っている。
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腺圍叩兵�偉鷦崟�譱�屐砲眛� 入されており、運転士は車内信号機の表示速度より遅い速度で運転すればよく、これを超えると自動的に作動して減速する。
従来のＡＴＣは段階的にブレーキをかけていたが、最近ではデジタル制御方式の新ＡＴＣにより、前方を走る電車の位置等を地上から送ることでブレーキパターンを車上で決定し、目標とする速度まで滑らかにブレーキ操作が出来るようになっている。
　これによって、乗り心地の改善（ブレーキ回数減少）、発着時の加減速新幹線の安全と保全の概要新幹線の優位性　新幹線が欧州の高速鉄道と比較して評価されているのは、?安全輸送（旅客人身事故ゼロ）、?安定輸送（平均遅れ〇・一─〇・五分／列車）、 ?乗り心地（評価指数あり）、?大量輸送、?高収益性、の点にあるとされている。
　安全性のポイントとしては、?脱線、車両破損、?車両あるいは構造物への衝突、?線路中の保守作業員の接触、?旅客の転落事故、?感電、 ?火災、が挙げられている。
信頼性としては、?故障率、?冗長性設計、 ?故障範囲の限定、?信頼性向上活動、が重要である。
　国際的には、鉄道を対象としてシステム全体の安全性・信頼性を評価するＲＡＭＳ規格の「ＩＥＣ６２２７８」が二〇〇二年に制定されており、信頼性（Ｒ：reliability）、アベイラビリティ（Ａ：availability）、保守性（Ｍ：maintainability）、安全性（Ｓ：safety）、についての記述と論証の手法が述べられている。
今後は日本でもこのような規格や設計対応が必要になると考えられる。
　新幹線の沿線には、安全を保持するための見張り役として、?風速三で高速鉄道の建設計画が増え、国際的な受注競争も激化している。
　高速鉄道の普及している欧州では、騒音規制、地震対策、山岳地の走行等の制約が少ないため、日本とは異なる思想、システムの高速鉄道が開発、実用化されている。
高速化では日本よりも進展しているが、高密度運転、大量輸送、正確な運行管理、車両の加減速性能という点では日本の方が優れている。
　そうした日本のシステムは、台湾新幹線への車両システムの輸出が実現するなど技術的評価が高い一方で、過剰品質によって「ガラパゴス化」しており、コスト競争力に劣るという懸念も指摘されている。
海外からの受注のためには、?プロジェクト統括専門人材、?現地仕様対応、?高速鉄道の規格への対応、?価格競争力、 ?官民一体セールス、等の重要性も挙げられている。
　なお、中国では高速鉄道網の整備と建設が急ピッチで進められているが、その基本技術は日本や欧州からの技術移転である。
その後の衝突事故や建設体制の不祥事等で営業速度の向上や建設、輸出活動が停滞している。
その要因として、技術移転の過程において設計、製造、運行管理のノウハウ蓄積や検証が不十分であると言う指摘もある。
MARCH 2012　　74 　新幹線と狭軌の直通運転を目指し、一九九七年に開発が始まった。
⑶ハイブリッド鉄道（鉄道総合技術研　究所、ＪＲ東日本）　架線／リチウムイオンバッテリー・システムで開発され、二〇〇八年に北海道で走行試験が実施された。
⑷デュアル・モード・ビークル　（ＪＲ北海道）　道路と線路を双方向に走行可能な車両。
二〇〇七年に試験営業走行された。
Ｒ東日本で七両編成を一本ずつ保有している。
　この試験車も現在は速度二七〇? に高速化しており、一〇日毎に測定を行っている。
これらの測定データは情報管理システムに送られ、乗り心地の向上、安定した集電、信号トラブルの未然防止等を目的とした保線作業に活用される。
　今後の高速鉄道の保守改善の方向性として、保守作業の機械化、保守作業の軽減、非破壊検査技術の活用、ＩＴ活用（モニタリング、伝送）、ロボット化、自動保守車両、メンテナンスフリー技術・信頼性設計、自動試験機等が検討され、開発・実用化も進んでいる。
次世代鉄道システムの開発　以上のように高速化、省エネ、乗り心地改善等、進化を続けてきた新幹線だが、様々な社会ニーズに対応すべく、国内では以下のような次世代の交通機関の開発が進んでいる。
⑴超電導磁気浮上式鉄道（ＪＲ東海）　二〇二七年名古屋、二〇四五年大阪開業を目指して具体的な建設計画がスタートした。
⑵フリーゲージトレイン：　軌道可変電車（技術研究組合）ス・アルミ車体、等が挙げられる。
　新幹線の高速化のためには、安全性と乗り心地の確保、騒音・振動の低減等のため、路盤・道床の保守・整備が重要となる。
軌道の整備と維持のため、東海道新幹線では路盤に砕石や砂利を敷き、枕木でレール支持するという従来型のバラスト方式であったが、保守作業が大変なので、コンクリートの路盤上にコンクリート製の板を設置し、その上にレールを敷くスラブ軌道へと変更された。
　保守作業は従来の人手中心から、バラスト軌道の保守車両、レール探傷車、レール削正車等が導入され、路盤整備も機械化されている。
　さらに線路のゆがみや架線状態、信号電流の状況等を検測しながら走行して軌道・電気設備・信号設備を検査する新幹線電気総合試験車が導入され、ＪＲ東海、ＪＲ西日本、Ｊメンテナンスフリー化を推進　新幹線では法令で表５のような点検サイクルと点検内容が定められている。
この検査周期では安全性や耐久性にまだ余裕があるので、〇一年に一度検査周期が延期されたが、再度の見直しの検討もされている。
　一方、技術革新や電子化、保守要員の確保、保守コストの削減等の背景から、初代のぞみで実用化されたインバータ制御システムはメンテナンスフリー化に大いに貢献している。
　その基本は部品数の低減、磨耗・摺動部分の削減、無接点化（電子化）であるが、?シングルアーム式パンタグラフ、?インバータ制御・回生ブレーキ、?交流誘導電動機の採用、 ?ボルスタレス式台車、?ステンレ次回フォーラムのお知らせ　次回フォーラムは3月12日（月）、海上自衛隊術科学校の川上智氏による講演「グローバル・ロジスティクスの先鋒〜海外派遣の経験的観点より〜」を予定している。
このフォーラムは年間計画に基づいて運用しているが、単月のみの参加も可能。
一回の参加費は6,000円。
ご希望の方は事務局（ s-sogabe@mbb. nifty.ne.jp）までお問い合わせ下さい。
※ ＳＯＬＥ（The International Society of Logistics：ロジスティクス学会）は一九六〇年代に設立されたロジスティクス団体。
米国に本部を置き、会員は五一カ国・三〇〇〇〜三五〇〇人に及ぶ。
日本支部では毎月「フォーラム」を開催し、講演、研究発表、現場見学などを通じてロジスティクス・マネジメントに関する活発な意見交換、議論を行っている。
表5　新幹線の点検サイクルと実施内容交番検査台車検査全般検査１８カ月または４５─�
僑伊釭襭軈�坩米發紡� 車や電動機を取り外し細部まで検査を行う４８時間以内に部品の目視検査等、ＡＴＣ動作試験３０日または３万ｋｍ走行以内に機能の確認試験等３６カ月または９０─�
隠横伊釭襭軈�坩米發� 殆どの機器を外して行う６０日または４万ｋｍ走行以内にＡＴＣ車上子各部の状態と特性を検査仕業検査 ATC 特性検査愛称：ドクター・イエロー（JR東海） 10日ごとに走行し、軌道・電気設備・信号設備を点検する