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キハ181系

きはひゃくはちじゅういちけい

国鉄が1968年から1972年まで製造した特急用気動車
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鉄道車両の形式の一つで、国鉄が設計・新製した特急形気動車。

概略

正式名称は「181系気動車」。在来車との混成を考えない為、新製能電車に準じた形式が新たに起こされた。気動車では初めて「系列」が正式に採用された。
したがって本来「キハ」はつかないのが正式だが、慣例的なものや、181系電車との区別から、一般に「キハ181系」と称される。
既に増備を終えていたキハ80系のコンセプトを踏まえつつ、新たに500PS級の大出力エンジンを搭載し、中央本線土讃線と言った急峻な山岳路線用の特急車両として投入する事を目的として開発された。

開発前史

 キハ181系の開発が始まった1960年代の国鉄の特急型気動車は、1960年から製造されたキハ80系が運用に就いており、電車と遜色ない特急サービスを提供しており旅客からも好評であった。しかし一方で、

・搭載されていたディーゼル機関DMH17H型はの基本設計は戦前であり陳腐化は否めず、かつ非力(1基180PS)だった為、基本的に1両に機関を2基搭載する必要があったが、一部は制約で1基しか搭載できずにどうしても編成全体の出力が不足気味、かつ発熱の関係で変速段使用時はフルスロットルの連続使用は5分以内と言う制約が有った。
・キハ80系列の走行機器は最高速度100km/hを前提とした設計だったが、後にキハ181系と同時にデビューする583系485系は最高速度120km/hで設計されており、主要幹線の最高速度の引き上げが確定路線の中で、キハ80系は早晩に電化区間におけるダイヤ編成の足枷になる。
……等の問題が有った。

国鉄は元々キハ80系の為に試作車ともいえるキハ60系にて専用の大出力機関と変速機を開発していたが失敗、結局DMH17系を2基搭載する設計に変えたという過去が有った。だが国鉄は新性能電車と同等の走行性能を持つ気動車の制作の為に再び大出力機関の新設計を決断。1966年に試作車を完成させる。これがキハ90系である。この時キハ90系に搭載された機関は300PS級のDMF15HZA、キハ91系に搭載された機関が500PS級のDML30HSAであり、比較検討の結果出力に余裕があり、かつ搭載も1基で済み床下機器の搭載スペースを広く取れる後者が採用。1968年中央本線中央西線)の特急しなの」で運用を開始した。

……文章を読めばお分かりいただけるかと思うが、試作機ともいえるキハ90系の運用開始と、それをフィードバックしたキハ181系の運用開始までは僅かに2年しか離れていない。これは後に「ヨンサントオ」と言われる1968年10月の白紙ダイヤ改正に間に合わせる為に、キハ80系の車体構造とキハ90系の走行機器を組み合わせる形で完成を急いだ為だが、この時キハ90系の夏場での走行試験は決して十分とは言えなかった(※1)。
半ば見切り発車的に設計が始まったこの事が、後にキハ181系に暗い影を落とすことになる

車体・主要機器

機関

 本系列のディーゼル機関は試作車であるキハ91系のデータを基に開発され、さらに各部に改修が加えられたDML30HSCを1基搭載している(食堂車であるキサシ180系は搭載無し)。定格出力は500PS、変速段使用時には最大590PS発揮可能という、当時の国鉄の気動車用の機関としては破格のものである。
 発電用のエンジンはキハ90系に搭載された機関をデチューンし発電用とした物(DMF15HS-G)を搭載している。

液体変速機

変速機は変速1段、直結1段で設計されており、大馬力のエンジン出力による空転を避けるため、他の形式の気動車と特性が異なり、起動~低速時のトルク増幅作用が小さい代わりに中速~高速度におけるトルク低下が抑えられている。また液体変速機の変直切り替えは時速85km/hで自動で行われる。また、機関ブレーキの採用もされた。

冷却系

 機関の冷却に用いるラジエーターは自然通風式を採用。キハ180では屋根上一杯にラジエーターの放熱素子を並べ、運転台付きのキハ181では自重の関係から自然通風式を採用できなかったため、室内に設置されたラジエーターを屋根上のファンで冷却を行う方式にした。

台車

 台車はキハ91系で試作された二軸駆動のものを量産化したものが採用されている。また、量産車ではディスクブレーキが採用された。

制御系

 運転台は国鉄の車両としてはめずらしくマスコン・ブレーキ共に横軸式の主幹制御器(今で言うところの横軸ツインレバー式)が採用されている。また先頭でも述べた通り、キハ181系は既存の気動車との併結を一切考慮していないが、キハ90系とは信号回路が同一なので混結・併結が可能。

車体

全長はキハ80系固有の21.0mから新世代気動車基準の21.3mに伸びている。スタイリングはキハ82系を踏襲しながらも、尾灯とタイフォンが同一のライトケースに纏められている。また、ライトケース自体も角ばった形に変わっている。

運用

国鉄時代

 最初に投入された中央本線のほか、奥羽本線板谷峠)や伯備線土讃線といった勾配区間の多い山岳路線を走行する列車を中心に投入され、北海道を除く各地で運行された(九州いそかぜの乗り入れのみ)。

 が、ここでキハ181は自身の設計に苦しめられる事になる。

 まず中央本線のしなのでは投入当初、夏場に機関のオーバーヒートが続出、一時はキハ91系を混結して(冷房装置を搭載していたキハ91 8が主に用いられた)急場をしのいだ。

 だが、それ以上にトラブルが顕著だったのはつばさである。1970年秋から始まったこの運用では下り(上野→秋田)では電車特急に伍して福島まで連続で120km/h走行を行った直後に板谷峠を補機の力を借りずに単独登坂し、逆の上り(秋田→上野)では板谷峠の単独登坂で機関を酷使した後福島から上野まで高速走行(あまつさえ、福島以北で発生した遅れを取り戻すために、最高速度である120km/hを超えて回復運転を行うことさえ有った)を実施していた。
 その結果機関のオーバーヒートどころか排気管の発火・焼損が続出、一時は定時運行どころか列車の運行自体が危ぶまれる状況になったため、1972年秋から1975年の奥羽本線電化完了に伴う485系置き換えまで、キハ181系はEF71を補機に付け板谷峠を超える事となり、併せて変速段フルスロットルの連続使用時間は5分以内とするキハ80系と同様の制限が設けられた。

 ただし、キハ181系の名誉の為に書くと、板谷峠自力登坂が開発目的だったとはいえ、そもそも同区間は電車である485系でも定格性能時のMT比である6M5Tでは巻線過熱で営業運転できず、「つばさ」電車化の際には他の東北特急とは別に6M3Tの強力編成が用意された(車重が重く、また組成に制約のある583系の入線は断念された)。
 後に板谷峠の区間は山形新幹線に移行されるが、車体は200系より小さく軽いにもかかわらず400系は210kw主電動機の全電動車方式とされ、現用のE3系つばさ用L編成もこまち用R編成の4M2Tに対して5M2Tと強力になっている。

 つまり「東北本線を120km/hでぶっ飛ばしてそのあと板谷峠を自力登坂する」という要求自体が1968年の気動車技術では無謀だったのだ。

 話を戻すが、キハ181系は1975年の奥羽本線電化を持ってつばさ運用を外れ、余剰となった編成をキハ82系の置き換えとして高山本線の特急ひだ紀勢本線の特急南紀への転用が計画されたが、担当する名古屋第一機関区は「しなの」でこりごりだったのか、両特急への充当を拒否した(※2)。そのためキハ181系は活躍の場を東日本から西日本(関西・中国・四国)に移し、やくもまつかぜはまかぜといった陰陽連絡特急やしおかぜ南風と言った四国島内特急の運用(※3)に就く事になる。

 なお食堂車は民営化前の1982年伯備線電化で最後まで使用していたやくも電車化され、キハ80系の食堂車より先に廃車となっている。
 それ以外ではキハ81系のように余剰となって、ジョイフルトレインに改造されることもなかった。1985年には「まつかぜ」の系統分離で誕生した「いそかぜ」として、初めて九州を走行することになった。

JR時代

 JR化後はJR西日本JR四国に継承された。
 JR四国で塗装が国鉄色からコーポレートカラーである水色を基調とした塗装に変更され、1988年に開業した瀬戸大橋を走行し伯備線電化以来5年ぶりに岡山駅に乗り入れるが、予讃線の電化が進んだ事、2000系の増備が始まった事で早々に置き換えが進み、1993年高徳線の特急うずしおの運用を定期運用を離脱、同年秋の団体列車の運用を最後に全廃した(※4)。

 JR西日本では1994年智頭急行開業に伴い、はくとに充当。1997年まで使われ、その後はいなばに転用され三度岡山に乗り入れることになったが、2003年に置き換えられる。
 末期にかけてはまかぜ用の車両が塗装が変更、原色で残ったのは「いそかぜ」で、これも2005年に廃止され、これより全廃まですべて塗装変更車となった。
 他のJRでは北海道での運用実績はないが、東日本では関西から長野方面へのスキー用の臨時列車「シュプール号」で、東海では同じく伊勢方面への修学旅行臨などで使用されている。
 最後の運用となったのは大阪から播但線経由で山陰方面へ向かう特急「はまかぜ」で、これも2010年11月に新型車両キハ189系へ置き換えられ、すべての定期運用から退き2011年3月の臨時運転をもって完全に引退した。

なお、「はまかぜ」運用に就いていた一部の車両はミャンマーに譲渡された。

キハ181は失敗作か否か?

 キハ181系は見切り発車的に設計が始まった事、その結果として初期の方は重大なトラブルが続発した事から、様々な資料で「失敗作」と断じられる事が多い。(wikipediaなどもそうした論調で記事が書かれている。)

 だが果たして、キハ181系は完全な失敗作だったと言えるのだろうか?

 最初の想定であった中央本線板谷峠と言った「急峻な山岳線区でのスピードアップ」を考えた場合、確かに成功だとは言い辛い。
 要因としては、
・DML30系エンジンは定格500PS、最大590PSを発揮可能とは言え、燃焼室構造はそれまでのDMH17型から大して進歩しておらず(※5)、設計上どうしても発熱を押さえることが難しかった。これを無理やりターボチャージャーで回転数を上げる設計(にもかかわらず、インタークーラーは未搭載)だった為、燃焼遅延に由来する排気管過熱を主とするエンジントラブルが多発。またガスケットを個別ではなく複数気筒を1組として一括で締め上げるという無理な構造も災いした(その後の形式は名称上同一系列でも個別に改めており、寸法関係が変わった別物になっている)。
・新たに開発された液体変速機は85km/hまで変速段を用いる設計だった為、速度が落ちてしまう勾配区間では長時間機関の定格出力を超えた酷使が発生する事になり、結果エンジンの発熱量の更なる増大を招いてしまった(※6)。結果としてキハ82系と同様に変速段では使用制限が設けられる事になる。
・冷却が上手く行けば問題は深刻化しなかったのだろうが、上述した通りキハ181系列の大半は自然通風式、即ち速度によって通風量=冷却能力が大きく左右される方式だった。また、非電化区間の断面の小さいトンネルでは熱せられた空気が放熱素子(屋根上の黒い部分)に纏わり付き、冷却が上手く行かない事態まで招いていた。後年、自然通風式を採用したキハ180には強制通風用のファンが追加されるという(本末転倒な)改造がされている。
……が挙げられる。

 纏めると、登坂の為に機関を酷使しがちであり、かつ走行速度は遅くなる急峻な山岳線区に対し、大馬力だが発熱量過大の機関と走行速度頼りの冷却装置を搭載した時点で既に趨勢は決まっていたのである。(※7)

 一方で平坦な路線での運用を考えた時、キハ181系は優秀な性能を有していると言える。
 理由としては
・時速85km/hから120km/hの速度域では通風量も十分であり、機関の冷却もスムーズに行えるためオーバーヒートの心配も無く、直結段に切り替わる事から機関も本来の性能を発揮可能となる。
・大きな代償を払って達成した500PSという大馬力は国鉄時代は元より、JR化後でも十分に通用する速度性能をキハ181系に付与した。一例として国鉄時代のつばさでは、下り上野行きの運用の際に板谷峠にてエンジンカットが発生したにもかかわらず、ダイヤ通りの運転が可能な性能を有していた。(ただし他の車両の機関にしわ寄せが発生したが)
 JR四国では予讃線の最高速度引き上げに伴い、しおかぜいしづちの所要時間の大幅な引き下げを達成。またJR西日本でははくとでは高規格な智頭急行線をHOT7000系と共に快走し、同系列最後の運用となったはまかぜでも最高時速130km/hのJR世代の電車に伍して山陽本線を全速力で走破していた。「はまかぜ」の項に詳しいが、この運用は正しくキハ181系がその能力の全てを発揮可能な運用だったと言える。
……等の要因がある。

 纏めると、キハ181系の設計は、当初の目的だったしなのつばさ運用といった急峻な山岳線区のスピードアップよりも、やくもはまかぜ等の陰陽連絡線の特急運用、そして瀬戸大橋開通直後の本州⇔四国間の特急運用と言った、比較的平坦な電化⇔非電化区間を電車と変わらない速度で直通走破する事に最適な設計だったのである。

 前述した通りつばさ運用時の故障が目立ち失敗作の烙印を押されがちだが、その後は整備技術の向上や運用線区の見直しも有って顕著なトラブルも無く、むしろ四国・山陰地区のエースとして長く活躍していた事は覚えておいてほしい。
 当初の要求を満たせなかったという一面だけで、失敗作だと断定する事は余りに早計だと言えるだろう。

電気連結器について

当時の国鉄では珍しかった電気連結器を、密着自動連結器の下にぶら下げていたのが本系列の特徴である。
正面から見ればお分かりかと思うが、連結器の下に箱のような物体が吊り下げられている。
これが電気連結器であり、キハ181系は国鉄の量産型気動車としては電気連結器と自動解放装置を初採用したエポックメーカーだったのだ(なお、試作車も含めるとキハ90・91系が初)。

今でこそキハ110系(JR東日本)やキハ189系(JR西日本)などのように、電気連結器と自動解放装置は
気動車界隈においても当たり前の装備になりつつあるが、忘れてはいけないのがキハ181系は密着自動連結器と電気連結器を併用しているということである。

電気連結器はその構造上、連結面が相手とぴったり密着していなければならないため、先述のJR世代の気動車をとってみても
基本的には電車とほぼ同じ形状の「密着連結器」と併用されるケースが圧倒的に多い。
これは自動連結器の場合、連結した際にどうしても隙間(遊間、または「遊び」と呼ばれる)が出来てしまうため、
連結面が密着されていないと電気接点が壊れてしまうのである。
また、いかに「密着」自動連結器といえど最大で1.6mm程度の隙間は出来る可能性があること(客車としては全く問題ない間隙だが)、隙間ほぼゼロの調整直後であっても連結に際しナックルが回転するため、そのとき多少左右に振れることが接点の頭を壊すのではないか、と懸念された。
特にこの時までに必要な芯数は膨大になっており、さらに気動車で一般的な反転可能な仕様にすると芯数が3桁を超えた(キハ91系などでは168芯あるが、反転前提のため、実際は84×2で線数としては84←これでも十分多いって)。密連同様の構造のまま芯の間を広げて頑丈にする、というには接点芯数が多すぎた。
自動連結器と電気連結器を併用したのは国鉄では本系列(と、キハ90・91系)だけであり、
国鉄以外でも名古屋鉄道(こちらは電気連結器そのものを前後にスライドできる構造とした)くらいしか採用例がない。
そういった意味でも非常に珍しいものといえる。

が。
イギリスでは電車・気動車を問わずこのタイプの組み合わせは当たり前に使われている。
英国面に不可能はないのか…?

脚注

※1…キハ181系が投入される山岳線区(中央本線)における夏場の走行試験は1967年に始まったばかりだった。
※2…両特急ともキハ82系がそのまま続投し、特急南紀は同系最後の運用箇所となった
※3…国鉄当時は瀬戸大橋は未開通。
※4…この運用で当時JR四国で運行していた特急列車の全てに投入実績がついた。
※5…さらにこのエンジンは戦前設計のGMH17型をディーゼル化したもので、このエンジンが原因となった火災事故の際、当時のJR東日本会長の山下勇(三井造船のエンジン屋出身)はDMH17の図面を見て「戦前のエンジンじゃないか! まだこんなのを使っていたのか!」と驚愕したという。
※6…定格出力は1,600rpm/500PSだが、変速段使用時には最大2,000rpm/590PSまで引き上げられる。当然定格出力を超えた長時間の機関の使用は好ましくない。
※7…この後エンジン整備の手順の厳格化、同じDML30系列を搭載するキハ65系キハ66系の整備経験をフィードバックすることで故障は格段に減少した。


関連イラスト

架線下をゆく特急はまかぜ



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あさしお まつかぜ はまかぜ おき いそかぜ はくと

キハ65:本系列と同じDML30HSDエンジンを搭載した急行用気動車。

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