JR西日本221系電車
概要
1987年（昭和62年）4月の日本国有鉄道（国鉄）分割民営化直後、北海道旅客鉄道（JR北海道）以外のJR各社が新設計の特急形車両を登場させる中、新生JR西日本を象徴する車両として、私鉄との競合が激しい東海道・山陽本線（琵琶湖線・JR京都線・JR神戸線）や関西本線（大和路線）に投入した車両である。形式名として、後述するように2種類の走行機器を有していたことから、国鉄時代の続形式として「215系・217系」とすることも検討されていたが、JR西日本として初めて投入する車両であることから、一の位を1として「221系」とされた。ただし、形式の奇数・偶数で種類を分けることで対処した（後述）。
開発にあたっては、1988年（昭和63年）に瀬戸大橋線用クロ212形の設計を担当した近畿車輛が、同車のエクステリアデザインを基本としつつ、同社の親会社である近畿日本鉄道（近鉄）向け5200系で採用した、3扉転換クロスシートや扉間の連窓構造などを盛り込んだ設計コンセプトを提案し、これを全面的に採用する形で実設計が行われた。製造は主に近畿車輛・川崎重工業・日立製作所が担当したが、一部は自社の鷹取工場と後藤工場で組み立てられた。窓が大きく明るい車内など快適な居住性と高速走行性能を実現し、大量増備と線区限定での集中投入が続けられ、新快速や大和路快速の主力車両となった。
ちなみに新快速の運用車両には153系が「ブルーライナー」、117系が「シティライナー」と愛称があり、本形式にも「アメニティライナー」の愛称が付与されたが、浸透しなかったこともあり、後継の223系には初代新快速用の113系と同様、特に車両愛称は与えられていない。登場当時は、製造時期がほぼ同じで設備も大差ない東海旅客鉄道（JR東海）の311系や九州旅客鉄道（JR九州）の811系とよく比較されたが、最終的に居住性に勝ると評価された221系が1990年（第30回）の鉄道友の会ローレル賞を受賞している。
後継車両である223系や225系の投入で「新快速」での運用を失うなど動きが見られ、2012年には大幅な改良工事を行った体質改善車も登場している。
構造
本節では登場当時の仕様を基本として記述し、体質改善工事などの大幅な改修については別節で後述する。
221系以降、JR西日本が設計した在来線車両では部位呼称が変更されている。国鉄時代に設計された113系や115系などでは、東海道本線基準で東京寄りを前位とすることを基本とし、下り向き先頭車に限り運転台側（神戸寄り）を前位としていた。しかし、冷房用引き通し線などの設置により先頭車両を方向転換して使用することができなくなったため、下り向き先頭車両に関しても東京寄り（連結面側）を前位、運転台側を後位とした。
車体
車体長は19,670/19,500mm（先頭車/中間車）、車体幅は2,950mm、20m級車体に片側3箇所の両開き扉（開き幅1,300mm）という、近郊形としてはオーソドックスな構成である。ただし、113系・115系と比較して両端の側出入口の位置を若干車端に寄せており、制御電動車・制御車の場合は運転台直後に乗降扉が配置される。
車体は相当数の増備が見込まれ、211系・213系での軽量ステンレス車体と比較して導入コストに大差が生じることや高さ1mもの大窓（後述）を使用したために構体の強度不足を懸念したことから普通鋼製であるが、既存の鋼製車体を工夫し、どれだけ軽量化ができるか挑んだシステムとした。台枠は、側梁と横梁に一般構造用圧延鋼材 (SS400)、枕梁と中梁に溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材 (SMA50B) および高耐候性圧延鋼材 (SPA) を使用した溶接組立構造である。外板には耐候性圧延鋼材 (SPA) を使用し、板厚は側腰板が2.3mm、幕板が1.6mmである。屋根板は、0.6mm厚のステンレス鋼 (SUS) 波板および1.6mm厚の SPA を使用し、ポリウレタン樹脂による塗り屋根としている。床には1.0mm厚のSUS波板を使用する。
床面高さはホームとの段差を小さくするために1,150mm（117系比75mm縮小）とし、屋根高さを46mm上昇、天井機器の小型化により客室高さを2,330mm（117系比160mm拡大）とした。
前頭部形状
前頭部形状は展望・空気抵抗・見た目の良さなどを重視して、クロ212のデザインを継承した。このため、一般車としては破格の大型曲面ガラスを使用し、上半分に15度の後退角がついた流線形となっており、スピード感を強調している。また、運転台は若干低く、窓ガラスは側面以上に巨大なものとなった。また、地下区間の走行を考慮して中央に非常用貫通扉が設置され、デザインおよび隙間風防止の観点から外開き式プラグドアとし、膨張性シールゴムで気密性を保つ。種別表示器は上部に設置されている。前面では種別表示、運用番号表示、コーポレートマーク掲出のみを行い、行先は表示していない。
2002年以降、運転台前面の上下に保護棒を取り付ける工事が行われている。また、2004年より排障器を交換した。
側窓
側面窓は明るい車内を演出するため、従来車に比べて天地方向に大幅に拡大され、高さ1mとなった。また、外の景色がどの席からも見られるように座席1つに対して1枚の幅狭窓が連続で配置され、腐食対策としては不利となる戸袋部にも窓が設けられた。そのため、窓配置は便所なしの運転台付きが「dD (1) 4 (1) D (1) 4 (1) D (1)1」（d：乗務員扉、D：客用扉、 (1) ：戸袋窓）、中間車は「1 (1) D (1) 4 (1) D (1) 4 (1) D (1)1」となる。なお、客用扉間の4連窓の内寄り2枚は非常時の換気などを考慮して下降式窓となっており、400mm下降する。後継系列の223系では側窓高さが 50 mm 縮小されて 950 mm となり、さらに2000番台以降は座席配置の変更で戸袋窓も廃止されたため、大窓が並ぶエクステリアは221系固有の特徴である。また、ガラス破損時に223系後期車と同等の緑色ガラスに交換された車両も出てきている。
クモハのみ電動機冷却風取り込みのための通風孔が側面に片側1か所ずつ設けられているが、これは後の各系列にも引き継がれた。
塗装
「パノラマ通勤車」をコンセプトワードとし、カラープランは観光利用にも適するようにした。
塗装は、「ピュアホワイト」を基本に新快速シンボルカラーである「ブラウン」とJR西日本のコーポレートカラーである「ブルー」によるコンビネーションラインを車体下部に配する。223系ではさらに窓周りに茶帯を追加したが、221系には波及していない。当初はいくつかの塗装案があり、485系「スーパー雷鳥」に似た、白地に側面および前面にコーポレートカラーのブルーとピンクの帯を配したものや、117系をイメージして車体下半分にクリームおよびマルーンの細帯を配したものがあった。なお、本形式は同社の鋼製一般型車輌の中で数少ない単色塗装化の対象外になっている。
種別・行先表示器
車両正面には、列車種別のみを字幕式で表示しているのみで、列車の行先を表示する装置はない。側面の行先表示器は、列車種別を回転式字幕で、行先と号車番号を発光ダイオード (LED) で表示するという独特な方式が採用された。これは運用線区が多岐に渡ることを予想して、列車種別の文字色で運用線区を表すというアイデアであったが、塗装が1種類、LEDも3色しか製品化されていなかった当時の事情により、表示内容の多様化に対する対応が容易なLEDと、色の自由度が高い回転式字幕を併用する方式を採用した。
LEDは寿命保持のため、走行中は消灯する。これらは後に登場する223系・207系・321系・521系および681系・281系などの特急形電車にも採用され、225系1次車と287系まで踏襲された。種別表示は琵琶湖、JR京都・神戸線では「新快速」・「快速」ともに目立ちにくい濃い青色で表記される状態から列車種別により文字色を変えるという方式に変更され、さらにその後英語表記入りの幕に交換するなど、当初の構想とは異なる使い方をされている。線区によって色を変えるという発想は207系1000番台以降「種別幕の下3分の1程に線区毎のラインカラーを入れる」という方式に変更されている。
空気供給装置
電動空気圧縮機は、SIV出力の三相交流440V 60Hzを電源とし、低騒音および保守簡易構造である水平対向・レシプロ式4気筒タイプを採用する。モハ221形に WMH3093-WTC2000A（吐出し量2,075L/min） が、サハ220形・クハ220形は WMH3094-WTC1000C（吐出し量1,120L/min） が搭載され、信頼性向上のため除湿装置を設ける。
空気圧縮機によって出力された圧縮空気は、自車の元空気ダメに蓄圧される。そして編成に引き通されたMR管を通して各車の供給空気ダメ（ブレーキ系統）や保安空気ダメ（直通予備ブレーキ系統）などに供給される。
集電装置
集電装置は、JR西日本としては初の下枠交差式パンタグラフである WPS27 をクモハ221形、クモハ220形およびモハ220形後位寄りに1基搭載する。バネ上昇空気下降式であり、微動すり板を採用することで離線の減少を図っている。これは以後207系・223系の各系列にも継承されている。吹田総合車両所京都支所所属の車両は、2009年にはクモハ221の前位寄りにも霜取り用パンタグラフを搭載した編成が登場している。増設されたパンタグラフの使用は2010年12月1日から開始された。
台車
台車には円錐積層ゴムによる軸箱支持機構を備えるボルスタレス台車である DT50・TR235 を基本とする WDT50H（動台車）・WTR235H（付随台車）が採用される。台車枠はプレス鋼板製の側梁にシームレスパイプを用いた横梁で構成されたH形形状である。横梁内部は空気ばねの補助空気室としている。車体支持装置は、牽引梁を2本の連結器で支持したZリンク式とし、波打一体圧延車輪および両つば式密封円筒ころ軸受を採用することでバネ下重量の軽減を図っている。オリジナルとの大きな相違点は高速走行時の安定性向上を睨んだヨーダンパ設置準備工事の有無で、これは1998年以降、順次追加取り付けが実施され、電動車は各台車の左右に、制御車と付随車は各台車の片側面にそれぞれ取り付けられた。
基礎ブレーキ装置は、WDT50Hが踏面片押しブレーキ、WTR235Hが踏面片押しブレーキと1車軸あたり1枚のディスクブレーキを備える。
細かな差異としては、先頭車両に装着される台車の一部（クモハ221形・クモハ220形の前位側台車およびクハ221形・クハ220形後位側台車）に排障器が取り付けられているほか、モハ220形前位およびサハ220形後位側に装着される台車は側バリ端面が鉛直となっており、排障器の取り付けが可能な設計がされている。
ブレーキ
システムとしては205系や211系などと同様、制御応答性に優れる電力回生併用電気指令式空気ブレーキ方式を採用する。常用ブレーキ、非常ブレーキ、抑速ブレーキ、耐雪ブレーキおよび直通予備ブレーキの5種類を備えるが、非常ブレーキに関しては最高速度が110km/hから120km/hへ引き上げられたため、増圧機構を有している。抑速ブレーキは回生ブレーキを使用するが、制動力が不足する場合は空気ブレーキによる補足が入る。回生ブレーキは20km/h前後で失効する。
各車にブレーキ関係の機器（ブレーキ受量器〈クモハ221形・クモハ220形・モハ220形〉、電空変換弁〈電動車〉/多段式中継弁〈付随車〉、増圧電磁弁、応荷重弁など）を一体箱化したブレーキ制御装置を搭載する。電動車では、MM'ユニット方式の場合はクモハ221形に搭載されたブレーキ受量器でユニットを組むモハ221形も含めた2両分を、1M方式の場合はクモハ220形およびモハ220形に搭載され、自車のみの1両分を制御する。ブレーキ受量器で所要ブレーキ力と回生ブレーキ力を演算し、不足するブレーキ力は空気ブレーキで補足するが、ブレーキ受量器からの電気指令を電空変換弁を介して空気指令に変換し、供給空気ダメからブレーキシリンダーに加圧する。付随車では多段式中継弁で運転台からの電気指令を空気指令に変換し、供給空気ダメからブレーキシリンダーに加圧する。
冷房装置
冷房装置はそれまで国鉄が採用していた集中式AU75 1基搭載とは異なり、集約分散式の WAU701（冷凍能力18,000kcal/h）2基を各車毎に搭載する方式が採用された。これにより冷房装置の重量が2分されるため、集中式1基搭載と比較して構体、特に冷房装置を支持する天井の梁や側柱の強度設計が容易になっている。冷房装置 WAU701 に加えて、横流送風機、マイコン式温度調節器、自動巻き取り式フィルタおよび電気暖房機をマイコン制御により全自動運転が可能である。また、車外放送向けに放送用スピーカーを内蔵している。
その他装備
連結器は1編成を1車両として運用する考え方を基本としたため、中間連結部は半永久連結器を使用する。先頭車運転台寄りの連結器は117系に倣い、増解結作業の容易化のために、電気連結器・自動解結装置付き密着連結器を採用する。
保安装置は、新製当初はATS-SWのみを搭載していたが、1998年から2001年にかけてATS-P取り付け工事が鷹取工場と網干総合車両所（以下網干と略称）で行われている。また、2006年から2011年にかけてEB・TE装置の取り付けが網干および吹田工場（以下吹田と略称）で行われている。
EB・TE装置の取り付けに合わせて、連結面間への旅客の転落を防ぐために中間車連結面への転落防止幌の取り付けが網干と吹田で行われた。2011年からは、運転台に映像音声記録装置（ドライブレコーダー）の取り付けが網干・吹田と下関総合車両所で行われている。
警笛は、AW-2およびAW-5が先頭車両床下に搭載されている。ミュージックホーンは装備されていない。
車内
117系は片側2扉であったが、新快速の乗客増加と快速運用を考慮し、221系では3扉となった。この3扉でかつ全席クロスシートという配置は近鉄5200系に次ぐもので、国鉄、JRでは初となる。座席には117系と同様の転換クロスシートが採用されている。座席配置は、扉間に2人掛け6脚（シートピッチ 910 mm 、両端2つは固定式）×2列、車端部に4人掛けボックス席×2セットの構成であり、ボックス席のシートピッチも転換クロス部分を向かいあわせにした場合に近い寸法（約1,750mm）が確保されている。117系にあった車端部の配電盤や機器箱などは、運転配電箱や共通配電箱として極力床下に移設して妻厚を100mmとすることで無駄なスペースを徹底的に排除し、座席定員は中間車は117系と同数の1両に64席、先頭車については運転台の直後に客用扉を配するレイアウトとしてトイレ設置車が6名、トイレ非設置車が4名、117系より少なくなっている。
座席モケットは、当初は淡い茶色であったが、2011年6月より順次、225系0番台に準じた赤系モケットに変更された。座席カバーは一般席が白、優先座席が緑となっている。また、つり革も車内の見通しの良さを優先し、客用扉付近以外は引き通し棒のみの準備設置に留められていたが、混雑時に問題が多いことが指摘され、中期（3次車）以降は車内全体に通して設置する形に変更され、のちに初期の車両（1・2次車）にも追設されている。
車内の車端部には LED 式の車内案内表示装置が設置されており、のちに登場した223系と違ってクロスシートに座った乗客から見やすいようになっている。この上部には号車番号表示とデジタル式時計も合わせて設置されており、JRグループの普通列車用車両では221系と311系、E233系（3000番台をのぞく）、キハ75形（0番台・100番台のみ）のみの特徴となっている。のちに増備された223系ではドアの上に LED のスクロール式の車内案内表示装置と号車番号表示が設置されているが、デジタル式時計は設置していない。トイレは和式で、編成中に1か所（クハ221形・クハ220形の2位側）設置されている。また、ドアは単板ガラスで、扉個別スイッチを装備している。
乗務員室
運転台のマスター・コントローラー（マスコン）は、ブレーキとマスコンが別々の横軸ツインレバー型をJRグループで初めて採用した。これは近畿地方の私鉄・地下鉄事業者の車両に多く見られる方式で、ブレーキを掛けた状態から加速すると発車時の衝撃を緩和できるとの発想などから採用されている。他のJRグループでは1990年代以降JR四国を除いて左手ワンハンドル型の採用が相次いだが、JR西日本では221系以降、全ての在来線新造車両でこのマスコンを採用している。
車掌スイッチは個別開閉機能を設けた間接制御式（リレー式）を採用した。
側面行先表示器フルカラーLED化
2017年4月、奈良支所のNB805編成およびNC608編成を筆頭に京都支所と奈良支所の車両は側面行先表示器のフルカラーLED化が行われ、奈良支所の6両編成を除き完了した。
形式・編成
当初から新快速としての運用以外にも近郊線区への配属も視野に入れていたこと、常にMT比（編成内の電動車と付随車の比率）が1:1になるように設定したことから、電動車2両でユニットを組む221形グループと電動車1両と付随車1両の2両でペアを組む220形グループが並行して製造された。この結果、奈良線向けの2両編成から東海道・山陽本線の最大12両編成まで需要に応じた編成を自由に組成でき、また6両編成時の113系のように電動車比率が必要以上に高くになることもなくなった。
車両配置と運用線区
2018年12月1日現在の車両配置と、2018年10月28日現在の運用線区は次の通り。
臨時列車としての運用
新快速の定期運用は223系と225系であるが、神戸ルミナリエやなにわ淀川花火大会などで運転される臨時新快速に使用されることがあるほか、「ひまわり号」などの団体列車に使用されることもある。また、かつて福知山線で運用されていた時代に、福知山線に送り込むための定期回送列車（米原発大阪行き8両編成）の京都駅 → 大阪駅間を、春秋の行楽期土休日に臨時の新快速として客扱いしていたこともある。
過去には快速「マリンライナー」の臨時列車として瀬戸大橋線の運用に入った実績もあり、瀬戸大橋をわたって四国へも乗り入れている。また多客時に赤穂線や山陽本線経由で三原駅までの岡山電車区の115系運用を代行し、間合いで伯備線備中高梁駅までの運用に入ったり、117系とともに山陽本線経由で姫路駅 - 福山駅間の臨時快速「チボリ号」の運用や、その間合いに岡山駅 - 福山駅間の快速「サンライナー」として運用した例があり、このほか北近畿タンゴ鉄道経由で天橋立駅や先述の下関総合車両所での体質改善工事で網干車・奈良車・京都車とも回送・試運転で山陽本線の下関駅への入線実績などがある。
1990年代には、休日に「○○ホリデー221」などという愛称で臨時快速に、また夏には「マリン白浜221」や「マリン城崎221」、冬には「きのさき」や「味めぐり城崎カニスキ」などといった臨時急行にも使われていた。急行列車で運用されたときは、片側に3つある扉のうち中央の扉は締切されたり、車内にゴミ箱が設置されるなどの配慮がなされた。その後、編成中に指定席車両を連結した行楽臨時列車「ホリデー号」にも多く抜擢された関係で列車種別表示幕には「嵯峨野・嵐山ホリデー号」「熊野古道ホリデー号」「山の辺の道ホリデー号」「スキーホリデーびわこ号」など「ホリデー」の表示を有していたが、指定席車両を廃止し、全車自由席とした臨時列車「レジャー」号に移行し「赤穂レジャー号」「忠臣蔵レジャー号」「奈良万葉レジャー号」などで使用され、この際「レジャー」種別幕も用意した。ホリデー号や花博臨時列車として岐阜駅まで運用された例もある。
網干電車区
網干電車区（現在の網干総合車両所本所）に、1989年2月から3月にかけて1次車として54両（6両編成5本、4両編成6本）、7月は2次車として46両（6両編成7本、4両編成1本）のあわせて100両が配置された。編成記号は、6両編成がM、4両編成がEとされた。4両編成は、2編成連結の上で快速運用として同年3月6日から、6両編成は新快速用として4月1日から運用を開始した。
その後、1990年度に3・4次車として194両（6両編成30本、モハ220+サハ220の14両）もの大量配備が実施された。モハ+サハユニットは、4両編成の6両増結用に充てられた。この増備によって、同年3月10日ダイヤ改正ではデータイムの新快速の221系化および一部区間での120km/h運転が実現するとともに、湖西線での運用を開始した。また、8月5日付運用修正で網干区から4両編成が一時消滅し、6両編成49本のみが所属することとなった。
1991年には5次車として6両編成11本が新たに配置される。さらに同年11月21日付の運用修正で4両編成が復活するとともに、初の8両編成が誕生した。これは、6両編成新快速の輸送力増強によるものである。8両編成の登場に合わせて6両・4両編成共々編成記号が変更され、8両編成が A、6両編成が B、4両編成が Cとなった。同年3月16日改正では本格的に120km/h運転を開始し、草津線での運用を開始した。同年9月14日ダイヤ改正では北陸本線長浜までの直流電化が完成したことから、運用が長浜まで拡大された。
1992年3月ダイヤ改正対応を名目とし、6次車として4両編成9本が新製配置された。これにより朝ラッシュ時を除く大半の新快速運用を221系で行うようになるとともに、データイムの新快速列車の8両編成化を行った。この時点で網干所には396両（8両編成18本・6両編成24本・4両編成27本）が配置された。
奈良電車区
奈良電車区（現在の吹田総合車両所奈良支所）には、1989年2月から7月にかけて、1・2次車として4両編成12本、2両編成12本の計72両が配置された。同年4月10日から関西本線（大和路線）・大阪環状線で大和路快速を中心に運用を開始した。1990年度には、4次車として中間車のみの6両（モハ220+サハ220）が配置され、大和路快速の編成増強に充てられた。この時点で奈良電車区には 6両編成3本・4両編成9本・2両編成12本の 計78両が配置された。
その他
京都鉄道博物館には、車掌体験用として本形式の先頭部モックアップが展示されている。これはかつて交通科学博物館（2014年4月6日閉館）において運転シミュレータとして使用されていたものを改造したものである。