列車寮７９レ あるいはEF58の93 の魔改造。
浜松で乗ってきた先輩たちと一緒に三時のおやつ。
お茶請け話がちょっとヘビーなアフタヌーンティーパーティー。
そんなわけで７９レさくら寮の食堂展望車、マシロテ７７でおやつ。
お茶請けに、というにはかなりヘビーな気がする話題が供されることがほぼ確実な浜松のアフターヌーンティーパーティー。
「さって、どうしようか？それぞれの専門分野をばばーんと開示しながら議論形式に持って行く？でもそれだと１年生のみなさんはぽかーんとしちゃうよね。」
紅茶に口をつけながら、駒種先輩が口火を切った。
アイリス先輩は呼び出したしなの先輩が、
「そうだな、さくらの季節のこの展望、今日は陽気もいいし、なによりここはさくら寮の食堂車だ。野暮な数字は放っておいていいんじゃないか。」
「数研美乃坂が数字放り出すか そうだね、僕も今日はそれくらいでいいと思う。」と水沢先輩が笑って受ける。
「じゃぁまずは僕から。」碓氷先輩が話しだした。
「乗り物で一番重要なことはなんだと思う？」
「動くこと？」
「動かない乗り物、というのはなんというかいきなりのアキレス腱を狙ってきた感もするけど、」とピコちゃんの言葉に一旦言葉を区切り、
「0km/hで動く。というのも含めれば、それは間違いじゃないよ。鉄道に限って言えばレールの通りに、0km/hを含めた任意の速度にすぐに速度を変更出来て、一切の加速度を車両内のものに与えない。これが理想。」
「でも先輩、速度を変える事ってつまり加速度を与えるってことですよね？」
「さすが梅小路！その通り。でもさ、」
「そこからは私も言いたい」しなの先輩が次ぐ
「加速度はなにも加速と減速だけじゃない。横揺れ、縦揺れ、ぜんぶ加速度だ。」
「おぉ！」ピコちゃんがポンと手を叩く
「で、そこで重要なのが路盤だ。」
「そうか、それで。」今度は月光くん
「それで、日本海レイラインができてから揺れなくなったんだ。」
「あぁ、月光君は日本海側の出身なんだね？だから地元の線路が日本海レイラインの連絡線として再整備されたんだろう？」
「そうです。」
「路盤がゆがんでると、そのゆがみの上を走る列車もとうぜんながら揺すられることになる、当たり前だけどな。」
「僕もいいかな。」水沢先輩がまた引き取る
「車両にはいろんなところにバネが付いているだろう？そのバネでその揺れを吸収するのだけど、中学校でもやったよね？振り子とかバネをつかった揺れの実験。」
「覚えてます。バネとおもりの場合は、バネの強さとおもりの重さで、いつもおなじ時間で揺れるんですよね。」
「お、よく覚えてたね、そう、共振周波数ってやつだね。鉄道車両にはたくさんのバネとそのバネが支えている重量がある。当然、そのバネごとに決まった共振周波数が生じるわけだけ。で、たとえば古い線路だと25mの長さのレールを繋いでいたんだけど、その継ぎ目には小さい隙間がある。ここを過ぎるたびに車輪は上下に揺すられるよね。そうなればその揺れは共振周波数でしばらく続く、ちょうどバネの実験と同じだ。その揺れを吸収するものがなければ揺れはずっと続くのだけど、たとえばその周波数に合った間隔で定期的に上下に揺すられたらどうなると思う？」
言葉を区切り
「そう、共振だよ、揺れを抑えるなにかがなければ壊れるまで振動が大きくなることもありえるわけだ。まぁ現実的には25mごとのジョイントの揺れは揺れを吸収するいろいろな仕組みに吸収されてしまってそんなことにはならないのだけど。レールの継ぎ目をこえると、ぎっしぎっしと揺れる。継ぎ目を越えたのはゴトンと1回だけなのに、”ぎっし”と1回揺れるだけじゃなくて、”ぎっしぎっし”と何度か揺れるんだ。そう、揺れを吸収するにも時間がかかる。そもそも揺れを瞬間的に吸収するなんて事ができれば理想だけど、そんなことはできないからね。
そこで美乃坂さんも言ってた路盤のゆがみ、それが続いたらどうなる？」
「どんどん激しくなる揺れは乗せている荷物も壊すし、乗っている人間だって怪我をする。悪くすれば車両だってレールだって支えきれなくなって壊れてしまう。」しなの先輩が引き取って言う。
「そして列車の速度があがれば線路のゆがみがもっと列車に影響を与えるようになる。たとえば同じ長さの線路に、同じ数のゆがみ箇所があったとすると、速度が早くなればそれだけいっぱい列車はゆがみの上を通過するだろう？１mmだけ上下にずれてるゆがみもさ、１分で通過すれば気づかないだろうけど、１秒で通過したらかなり揺れる。このあたりは直感的にも分かるだろう？」
「もちろん、揺れを抑える方法もいくつかある。」 水沢先輩が口を開いたところで、
「そろそろお茶のおかわりはどうかしら？」アイリス先輩がティーポットを持ってくる。
「ピコちゃんにはさっき、チェリータルトのカスタードクリームを煮てもらったじゃない？ あれよ、あれ。最初、牛乳とたまごだったときと、出来上がり直前と、おなべの中でかき混ぜるときの違いはどんな感じだった？」
「最初はミルクセーキみたいでおいしそう！からざも取ったし。出来上がりは…ちょっとへらを動かすのが重かったかな。」
駒種先輩の「じゃぁピコ、へらの変わりにバネをクリームの中で揺らしたらどうなる？」に
「チェリータルトが食べられんくなる…」と食いしん坊回答をするピコちゃんだけど、これは計算っぽい。
「それはおいといて、たぶん揺れは続かないんじゃないかな。」とピコちゃんは続けて答える。
「そうだね。そのねばっとしたものをかき混ぜるときの抵抗をつかって揺れを吸収しちゃうのがオイルダンパ。他にも振動を吸収するいろんな方式のショックアブソーバーがあるけど、オイルダンパは使い勝手がいいかな。重量を支えるバネ、振動を吸収するショックアブソーバーの組み合わせで列車の各部分を支えてるんだ。」 アイリス先輩のアシストを上手に引き取る水沢先輩。
「この先に出るであろう話題の前提になるので言っておくと」美乃坂先輩がかぶせてくる。
「バネがなければいい、なんてことはないぞ。たとえばレールとレールのすき間なんてのはそこら中にある。分岐器もそうだし、トンネルや橋梁、給電や保安上の都合、それ以外の理由でもレールとレールにすき間を作ることが合理的なことはいくらであるしな。
で、そのすき間の上を１８０km/hで通過するってことはだな、どれ簡単な算数だ、
たとえば東海道で１から５レの寮を引っぱてるＥＨ８７、あれ１１０ｔだ、自重。
Ｈ級だから車軸は８本だな。だから車輪は１６輪で１輪あたりに掛かる重さは約７ｔ。
時速180km/hってことは、秒速50mだな。
よし、これで数字は全部出た。
もし、バネがなければ寮列車が線路を通過するということが、７ｔの鉄塊を秒速５０ｍで８回線路に叩きつけてるのと同じってことなるんだよ。
ちなみに、”バールのようなもの”の重さは1kgにも満たないし、速度も毎秒１mにも届かないけど、それでも殴れば人は死ぬ。
単純なエネルギーで考えれば、重さに比例し、速度の自乗に比例して、さらにそいつが８回連続だ。重さで7,000倍、速度で2,500倍、ついでに８回だから、１億４０００万倍のエネルギーだな。
うん、この国全員撲殺できるエネルギーがEH87通過の度にレールに襲いかかる訳だよ、計算上。
これはさすがに路盤が持たない。」
「美乃坂、やっぱり数字はでちゃったな（笑」もう一度水沢先輩のターン
「なにをいうか、有効桁数２桁までは数字じゃない除外だ除外。だいたいこれは数字が出たほうがイメージしやすいだろうが。」
「うん、それには同意する。」水沢先輩が続ける。
「というわけで、乗り物は路面のゆがみを吸収しないとだめなんだよ。それに路盤が壊れるような衝撃じゃ機関車だってバラバラだろうしね。だから重量はなるべくバネの上に置く。」
美乃坂先輩は続ける
「重いものはバネの上において衝撃を減らしたとしても、それでも列車が通るたびに少しづつ路盤にはダメージが残るんだ。
この辺は経験則もあって、軸重の４乗、速度の自乗に比例して軌道にダメージが蓄積する、というのが知られている。」
「車輪…、先輩、車輪はどうなんですか？」月光くんが口をひらいた。
「うん、それはいわゆるバネ下重量の代表的なものの一つだね。」水沢先輩が月光に答え、
「ほかに車軸とか、車軸の軸受けとか。これらは車両の重量を背負ったまま、直接レールの上を転がるからね。重さは軽くしたいけれど、かといって車輪が欠けたりしたらそれこそ大事故は必至だ。バネ下重量を軽くする、これは台車の大事な仕事の一つだね。」
碓氷先輩が口を開く「まぁその辺の詳しい話は、彼らもこれから5年掛けてきっちりやるだろうさ。走り装置周りの話題なら、アクティブサスペンション関連は特筆事項じゃないの？」
水沢先輩が「てっきり碓氷なら制動関連に話題振るとおもったのに意外だな。」
「いや、さっき数字もいっぱいでちゃったし、鉄道車両の制動って範囲には摩擦系もあれば電磁誘導系もあって、摩擦になれば材料系、電磁誘導なら電磁気学と、さらには法的な問題も言及せざるを得ないし。範囲広すぎだもの。まぁ、おいおいじっくりと。」碓氷先輩がにっこり。
「そうだねー、この学園にいたらその手の話題が共通言語だもんね。」水沢先輩も笑い返す。
「僕から台車の制御について話まえに、まずは地理のお話が先なんじゃないかな？」
「そうだね、それだと美乃坂の独演会だね。」
「ではご紹介に預かった美乃坂しなのこと土研会長が続けて話をしよう。 って飲み物をくれないか。」
素焼きのコップに注がれた富士山の伏流水、話疲れてのどが渇いたときは、ガラスのコップは生乾きのリップの感触が気持ち悪いと思いませんか？
「うん、で、線路を敷くということは、そこに物流の需要があるわけだが、物流の需要はそもそもそこの物流が快適ならば発生しないんだよ。」
「つまり、隣に住む幼なじみを起こしに行くとき、玄関を回ると両方の親の視線が気恥ずかしいから、窓を伝っていくためのハシゴがかかる、みたいな感じね。」アイリス先輩がレアな事例を一般化し、月光くんがさもありなんとうなづく。
「そうだ。そのハシゴが線路なわけだ。」うわ、美乃坂先輩もふつうに受けたし！！
「でも実際の線路でも同じことだぞ？最初は遠回りでも確実に線路が敷ける経路で開通させてから、短絡線を敷くとかよくある話だ。
今日も通ってきた国府津のところの御殿場線、あっちが開通当時の東海道本線だ。伊丹トンネルができたので東海道本線はトンネル経由に切り替えられて、で、元々の本線が御殿場線として残った、とそういうわけだ。
他にも、北海道の札幌－帯広間を例にすれば、最初は滝川、富良野とまわって狩勝峠を越えていたのが、千歳から夕張をかすめて一気に新得まで日高山脈をトンネルで抜けている。
もっといえば狩勝峠だって新旧２経路ある。古いほうの旧狩勝峠、狩勝実験線はそのうち実習でおせわになるさ。
で、この石勝線が根室本線と合流してからも、山間部から平野部にでた直後、コンクリートの高架で作った長大なループを使って高度差を稼ぐ。
これも古い技術で考えれば山中にループ線のトンネルを掘るくらいしか手がなかったはずだが、コンクリート建築の技術水準が高くなれば、こういった別解もまた、出てくるわけだ。
トンネル掘削も橋梁もそうだが、技術が上がれば当然より快適になる経路で線路を敷く事ができるようになる。当たり前の話だな。」
「土木技術以外にももうひとつ要因があるよ。」水沢先輩が話題を引き取る
「土木技術があがっても、経済機構の一つである鉄道はさ、何でもできるってわけじゃないんだよ。
東京と大阪を一直線に結ぶ旅客需要は確かにあるけれど、名古屋を寄らないって判断をするほどじゃないでしょう？
富士山をトンネルで抜けていく必要性なんかも間違いなく、ないよね。
もちろん、なにより線形は大事だよ。もし一切の勾配もカーブも無ければ、飛行機よりも効率がよくて高速な交通機関になるよ、鉄道は。」
「新幹線とリニア、それとレイライン、ですか？」月光くんが聞く
「まぁ新幹線とリニアは政治家のおもちゃになった感は否めなくて、勾配とかカーブとかはいろいろと言いたいことがある人も多いんじゃないかな。
ただ、その辺を嫌がって日本海の海上を人工島で繋げた日本海レイラインは、実際、飛行機より速いしね。あれ、羽つければ飛ぶよ、というか姿勢制御に空力使ってるしね。
それはそうと、こと在来線に限れば、勾配もカーブも無くす、なんてのは無意味な仮定だよ。
運輸需要満たす、という経済活動で賄える範囲で線路を敷設するのことが合理的だし、とすれば敷設済みの線路があるのならばその線路をいかに有効活用するか、そっちも考えないとダメだよね。
そこで高速鉄道システムなんだよ。」
水沢先輩はいったん話を区切ってから、
「鉄輪走行の高速鉄道で、新幹線の残した功績はとても大きい。
もう一つ言うならば、芙蓉寮、乙女寮の連接式台車、あれも近代的な高速鉄道実現に果たした功績も忘れてはいけない、と個人的には思う。」ニヤリと笑う水沢先輩。
「例えば、美乃坂の言ってた高速列車が路盤へ与えるダメージの経験則、あれは実際の新幹線の路盤補修で得られた知見だし、走行音の公害対策も、先頭車両の空力的な最適形状も、なにより台車のアクティブ制御技術、これの実績データがすごいんだ。
今時の車両は、カーブで車体を内側に傾けるようにできているのだけど、この仕組みを採用した初期の特急電車、車掌室に酔い止めのクスリが常備されてたんだ。
今思えば乱暴な方法で、カーブの遠心力を使って車体をコロの上で転がしたんだよ。そのせいもあってさ、揺れが不思議な感じだったらしいよ。
実際にその最初の振り子式特急電車の381系に乗ったことがあるおじいちゃんが言うには、カーブだー、と思うと急に足下が横にずれて、その直後、身体がぐっと座席に押しつけられるんだって。
車体を内側に傾けるのだもの、床方向に遠心力が加わって、遊園地のアトラクションみたいな感じだよね。そんなにはげしいことはないだろうけど。
それでもカーブが連続する山岳区間を本則＋20km/hで走ったことは大きいよ。
線形が悪くても、車両の機構で高速化できるんだから。
美乃坂も言ってた札幌－帯広の石勝線も、同じ車体傾斜システム付きの特急が導入されたときは本則＋40km/hとかすごいことになってたりしたんだよ。
石勝線経由の根室本線の特急は車両は、おおぞら寮によく似てるから、気になったら見てみるといいんじゃないかな。
で、この特急おおぞら、」
「おおぞら寮？」ピコちゃんが漏らすと
「あぁ、この石勝線経由の札幌－帯広－釧路の特急がおおぞらって名前なんだよ。もちろんいまも走ってるよ？
当時の283系はかなり意欲的な作りでね。
381系電車の欠点だった不自然な揺れもなく、台車も常にカーブ合わせて舵を切って、車輪の摩滅によって生じる各種誤差もコンピュータで学習しながら、氷点下20度の無人の山中やら、釧路湿原やらを駆け抜けていたんだよ。
で、ようやく本題だけど、この77系客車の足まわりも基本的な考え方はこの283系と変わってない。もちろん、発展させて性能も応答性もあがっているけど、コンセプトは一緒。
カーブに合わせて車体を内側へ傾斜させることと、台車そのものを操舵してレールの向かう方向にあわせること。それから高速な鉄輪鉄道では車輪の蛇行対策は必須なのだけど、これは台車の操舵用の機構で吸収しちゃえばいい。
そんなわけで、さくら寮の台車はいわゆるハイドロニューマチックで制御してる。
各車両には圧油モーターを設けサスペンション作動窒素溜めには常に20気圧を蓄圧してる。そのガス圧でサスペンションを、油圧で操舵と車体傾斜を、経路中の絞り弁の操作で可変減衰ダンパーをそれぞれ実現してる。
直接油圧制御にしていない理由は２つあって、ひとつにはアキュムレータがあれば絞り弁だけでダンパーと車体保持バネを担えること、もうひとつは常時圧油モーターを運転してたらせっかくの客車の静粛性が損なわれるってこと。
最初から振り子機構を前提に設計されているならともかく、77系客車の台車は芯皿を持つ古典的な構造で、とても自然振り子の機構は組み込むなんてのは無理なんだよね。でもボディ自体は古典的なスクエアボディだったから、古典的すぎて車両限界までに余裕があって、この余裕のおかげで車体を傾ける事自体は出来たんだけど。
で、複合素材で新設計したのが今の台車。板バネで設計されてた台車はさすがに古くて博物館行きだよ。それに車体に合わせていろいろと無理な注文も多かったらしいし。
台車の制御は電源搭載のス車に乗ってる制御コンピュータで行うのだけれど、それぞれがATS-iから信号拾って独立して解釈の後、合議。車傾制御用バスには1台の制御コンピュータが代表して全車に指令を出す仕組みになってる。
今時のコンピュータだからね、制御器は全国全路線の線形地形データを持ってるよ。
あとはATS-iから現在地情報、速度情報、本則の制限速度と、GPSからも現在位置情報と速度情報を算出してつきあわせて台車制御数値を決定する感じ。」
「ん、あれみてみなよ。」碓氷先輩が天井から引き下ろしてきた大きなディスプレイには77系客車のInfomation viewがでている。
2号車、5号車、8号車、11号車の、コントローラーのアイコンにActiveのマークがつき、直後、2号車にMasterControllerのアイコンがつく。
1号車から順に左のアクチュエータの数値が減り、車体のアイコンが左に傾き、その上の数値が1度、2度、3度と増えていく。
最後尾まで傾いたアイコンに変わったとき窓の外を見てみれば、そういえば何となく地面が近いかも…。あまりにも自然に車傾するため、今まで意識したことも無かった。
カーブを抜け車体の傾きをもどすとき、圧油モーターのアイコンにActiveのマークがついた。
ダブルシェブロン。
電圧、油圧、空気圧は重量機器だと必須知識よねー byアイリス。
