新幹線300系電車

概要

1990年（平成2年）に東海旅客鉄道（JR東海）が発注した量産先行試作車（J0編成。のち量産化改造によりJ1編成）が登場し、その後量産車（J編成）が1992年（平成4年）1月から1998年（平成10年）10月にかけて製造された。なお1993年（平成5年）度以降の製造分は、1975年（昭和50年）3月の博多駅延伸に併せて製造された0系の置き換えを兼ねている。量産車のデザインは手銭正道、戸谷毅史、松本哲夫、木村一男によって設計された。
安定した高速走行を実現するため、車体の空力特性の向上と軽量化を行い、1992年3月14日「のぞみ」でデビュー。東京駅 - 新大阪駅間をそれまでのひかりより19分速い2時間30分で結んだ。その後、1993年3月18日から「のぞみ」の運転区間を博多駅まで延長することが決定し、西日本旅客鉄道（JR西日本）でも同仕様の3000番台（F編成）を9編成製造・投入し、東京駅 - 博多駅間をグランドひかりより43分速い5時間4分で結んだ。
日本車輌製造・日立製作所・川崎重工業・近畿車輛（JR東海所有編成のみ）に発注され、最終的にJ編成61本・976両とF編成9本・144両の合わせて70本・1,120両が製造されたが、J編成の中には500系の製造開始後に落成した編成もあるほか、J52以降の編成は700系の量産先行試作車であるC0→C1編成より後に落成。また、量産車第1号のJ2編成は、100系G編成のうち最終増備編成のG46編成より先に落成したが、G46編成が先に廃車になった。
東海道新幹線の最高速度を一気に50km/hも向上させた画期的な車両ではあったが、営業投入前のテスト運転が不十分だったため、デビュー後は故障が続発し、頻繁に運転打ち切りが発生するなど、のぞみ301号の名古屋飛ばしとともにマスコミから連日クローズアップされることになった。
高速化を最優先させるための徹底的な軽量化が仇となり、220km/hで走行していた100系と比べると車内の騒音が増加し、座席のシートも金属バネによる支持方式から薄いウレタンのみに取って代わられたため、居住性が悪化した。特に振動の大きさは深刻で、導入当初は「座席前のテーブルに置いたコーヒーがこぼれた」「サンドイッチが手も触れていないのに丸ごと床に転落した」等の苦情が相次いだ。これらの教訓を生かし、以後の500系・700系からは乗り心地や居住性を重視した設計となり、不具合の洗い出しのために営業投入前に40万kmの長期耐久試験が実施されることが常となった。
700系の量産と100系の廃車が開始された1999年（平成11年）以降は、「のぞみ」の運用を徐々に700系に譲り、代って「ひかり」や「こだま」に使われるようになったが、本系列の置き換えを目的に開発されたN700系が2007年（平成19年）に量産を開始したことにより、所定の使用年数に当たる製造後13年に達した車両から順次廃車が開始された。
2012年（平成24年）3月16日をもって東海道・山陽新幹線での営業運転から離脱し、JR東海所属車は同月中に全車廃車され、JR西日本所属車も同年10月までに全車廃車された（詳細は後述）。

スーパーひかり

「のぞみ」の原形である「スーパーひかり」の開発スタートは1988年1月にまでさかのぼる。JR東海内に「新幹線速度向上プロジェクト委員会」が設置され、同年1月28日に1回目の講義がおこなわれた。この委員会では、100系のあとを継ぐ300系の開発について検討する委員会であった。

270km/h

「のぞみ」の目的はできるだけ速く東京駅 - 新大阪駅間を結ぶことであり、そのライバルとしては航空機があった。羽田空港 - 伊丹空港間の航空機は、飛行時間は1時間ほどで済むが、東京や大阪市の中心部から空港までの移動や搭乗手続きなどで時間を要する場合が多い。この航空機対抗策として2時間30分運転であれば、空の客を取ることができるのではないかという計算があったからである。「のぞみ」の当初のキャッチフレーズは「（午前）9時の会議に間に合う」であった。
これらの事情や、線路設備の面から検討された結果、運転速度は270km/hに設定された。

軸重11.3トン以下

初代新幹線である0系は、最高速度が220km/hで軸重が16t（1両当たり64t）であった。300系を開発するにあたって、270km/h走行時で0系220km/h走行時と同じ、もしくはそれ以下の騒音と振動に抑えるにはどこまで軽量化をすればよいか検討された。そこで、0系の車両から電動機や抵抗器といった走行機器を取り外して軽量化、付随車とした上で編成中央に挟まれてテスト走行が1988年5月24日 - 6月3日の間に浜松駅 - 名古屋駅間で実施された。この即席の付随車の車重は44tであった。このほかにも、56tの空車、水などを積んで64tにした空車などが用いられテストされた。
0系の最高速度は前述のように220km/hであったため、得られたデータ（220km/h走行時）を、270km/hではどのような値になるかをフィールド試験によって計算すると、軸重にして11.3t（車重では45t）以下であれば、現行の車両の振動値を越さないことがわかった。300系以降、東海道・山陽新幹線を走行する車両は、軸重11.3t以下を目標に設計されている。

地上施設の改良

東海道区間に多数存在するR2500のカーブではカント量は180mmであったが、300系の運転開始に伴い限界までの200mmに変更された。また、R3000のカーブでも、カント量が150mmから180mmに変更された。こうすることで、これらの区間でも最大255km/hで走行できるようにした。このカント量の変更工事は、東海道新幹線の約1/4である120km（上下線あわせて240km）で実施された。
また、従来の車両と最高速度が異なるため、ATCにも改良が加えられた。まず、ATCを270km/hにも対応させるため、ATCが2周波数化された。新たに高速側に信号を増やすことになったが、従来の1周波数方式では情報が乗りきらなくなるためである。加えて、閉塞区間の長さを、安全性の面から再検討して従来の10kmから8.5kmに短縮した。こうすることで、従来のダイヤに高速化した300系を加えることができるようにした。
その他にも、東海道新幹線の饋電方式を、BT饋電方式からAT饋電方式に変更した。これは、300系は編成内に特高圧引通線を引き通し、そこに3基のパンタグラフを装備して、編成内の各ユニットに架線からの電気を供給するため、BT饋電方式の場合だと、約4㎞ごとに架線に挿入されるブースタートランスによってトロリー線にブースターセクションが設けられるため、そこを通過すると、交流周波数の位相差により、パンタグラフの間で特高圧引通線を介して電気が流れトラブルが発生すること、負荷電流が大きいと通過時の一時的な遮断により過大なアークが発生してしまうためであり、1991年までにAT饋電方式に改良された。その結果、沿線に25あった変電所が増強も含めて16に減らされた。

試乗会

1992年3月8日に試乗会がおこなわれたが、くしくも同日に新幹線開発史において重要な存在である初代小田急3000形電車のさよなら運転もあり、新旧の節目と報じられた。

構造

車両軽量化のために、車体にはアルミ押出成形が新幹線として初めて採用された。これにより100系では9.3tあった構体重量は6.8tにまで軽量化することが可能になった。
新幹線では、制御装置にVVVFインバータ制御と台車にボルスタレス台車を初めて装備し、電気ブレーキに回生ブレーキを初めて使用した車両である。

台車

台車は鉄道総合技術研究所（JR総研）が開発した9023EF形台車をベースとした、新幹線の車両で初採用となる軽量ボルスタレス台車で、軽量で曲線通過性に優れる特徴を持っている。軸箱支持方式は270km/h走行時の安定性を高めるため、0系以来のIS方式を改良し、軸箱前後にある軸バネのコイルバネ内に円筒積層ゴムを内蔵したウイングバネ方式を採用しており、軸箱の上部と台車枠の間には軸ダンパーが装備されている。これは、ウイングバネのコイルバネが上下の荷重を支持して、軸箱の案内を円筒積層ゴムが行うようになっており、摺動部分がないため耐久性が優れている長所がある。また、ボルスタレス台車は首振り（回転）を左右に装備された空気バネの前後方向の撓みの許容により行うため、左右方向の剛性が低くなる特性があり、左右方向の空気バネの撓みを抑えるための空気バネストッパーが設けられており、台車枠と車体の中心ピン（牽引装置）との間に左右動ダンパが装備されている。その他にも、ボルスタレス台車は舵行動（ヨーイング）しやすい特性があるため、その抑制を図るためのアンチヨーダンパが台車枠と車体の間で連結されている。軽量化のため、車輪径が910mmから860mmに縮小され、車軸も中グリ軸と呼ばれる中空式となったほか、台車枠端ばりの廃止、台車枠への高張力鋼、軸箱・歯車箱にアルミニウム合金の採用がなされた。駆動装置は100系でも採用されたWN平行カルダン駆動方式である。なお、300系の台車のこれらの装備と機構は、その後の16両編成の700系とN700系の台車にも採用されている。
形式はM車がTDT203形（3000番台はWDT203形）、T車がTTR7001形（3000番台がWTR7001形）である。質量はTDT203形が6,689kg、TTR7001形が6,914kgで、100系DT202形の9,800kgやTR7000形の9,225kgから大幅な軽量化を達成した。

車内設備

16両編成で8 - 10号車がグリーン車、他は普通車である100系とは異なり、2階建車両やグリーン個室、食堂車及びカフェテリアはない。
グリーン車は横2列+2列の座席配列で、100系と同様読書灯を各席に設置してイヤホン式のオーディオサービスがある。
普通車は横3+2列の座席配列で、シートピッチ（座席の前後間隔）は100系と同じく1,040mmと広い。また、本系列量産車からは、3人がけ座席のうち中央列座席（B席）については窓側席と通路側席の座席有効幅430mmに対して30mm広い460mm幅とした。J1編成以外の定員はグリーン車200名と普通車1,123名の計1,323名、この標準定員と1車両毎の座席数の共通化が以降の東海道新幹線車両の基本となった。なお、J編成はブラウン系、F編成はグレー系の配色でまとめられている。普通席はおおよそ同一（モケット色違い）だが、グリーン席に関して言うと、ヘッドレストの張り出し、オーディオスイッチ・読書灯スイッチの配置、読書灯のデザイン、背もたれのシートバックポケットのデザインなどがJ編成、F編成の間で異なっている。
本系列から消滅した食堂車に代わり、7号車の東京寄り、11号車の博多寄りに車内販売準備室を兼ねた「サービスコーナー」を設置し、車内販売を実施。ワゴンサービスも充実したため、2003年10月1日のダイヤ改正によりサービスコーナーは廃止され、以降は車販準備室のみとなった。また、奇数号車の洗面台同士の間には冷水器と紙コップが設けられていたが、700系には当初から設けていないこともあり、700系デビュー以降は500系とともに冷水器は使用停止となり、冷水器の箇所は板で塞がれた。
車内照明は、間接照明が採用されている。これは車体断面縮小からくる全高の低下にもかかわらず、室内高の拡大（100系との比較で全高は3,800mmから3,650mmへ150mm低下しつつ、室内高は2,100mmから2,140mmと40mm拡大）を実現するための合理的な方法である。
「のぞみ」としての高速運転を達成することを第一優先にして開発された車両であるだけに、座席の背もたれが低めであることや、高速運転に伴い振動が大きくなるなどの問題が発生した。2010年代に入っても、回生ブレーキの具合により大きな前後衝動が起きることがあった。また付随車において加減速時に補助電源装置からの発生音が大きくなる欠点も改善されないまま、運用を終えている。
その後の騒音対策として床、台枠の一部に鋼材を導入し改造したり、振動対策では下記「乗り心地改良工事」にて改善されていた。
美観上の問題も発生した。デッキのくず物入れが大人の膝下サイズにまで小型化されたため、投入口からは弁当殻などがあふれ出す状態になってしまった。
空調装置の床下への移設でダクトを壁内に納めたことにより、体感温度が外部の気温変化や直射日光の照射の影響を受にくくなっている。これは外壁の薄いシングルスキンに接したダクト内を空気が通ってから室内に吹き出すため、夏は日光に暖められ冷房の効きが悪く、冬は外気温で冷やされて暖房の効きが悪くなるというように、エアコンの負荷効率は悪くなった一方で、壁面温度が先に制御されるので室内にいる人にとっては放射加熱や放射冷却の影響を受けにくくなっているからである。
有限要素法などの新しい設計方法を駆使して当初から本格的にトンネル内微気圧波対策を施した密閉車両とし、室内の気圧変化を抑えているので、この面での快適性は従来車両より向上している。
本系列は新技術を数多く採用・実用化し、新幹線高速化の第一歩となった。そのため技術的には高く評価される車両だが、利用客にとっての居住性という観点からの評価は低いことが多い。このことを反省してJR東海では後継車両の700系開発には高速運転性能のみならず、居住性を含めた快適性重視の姿勢をとった。振動低減や居住快適性アップなど利用者にはその成果を支持されている。これは新幹線に限らず、その後のJR各社の在来線新型特急車両の開発の際にも重視されるようになった。

前照灯・尾灯

JR東海と西日本では旧国鉄時代の0系以来、前照灯と尾灯は同一ライトで折り返しの際は色の違うガラス板を切り替えて対応する構造を採用してきたが、この伝統の構造も本系列限りで終焉を迎え、500系以降の新型新幹線車両ではフィラメント構造の前照灯と発光ダイオードの尾灯が完全に分離されている。

初期トラブル

東海道新幹線での最高速度を50km/hも引き上げた300系だが、前述の通り営業投入前のテスト運転が不十分だったため、導入当初はトラブルに悩まされた。走行不能に陥って運転が打ち切りになるなど深刻な事態に発展するケースもしばしば発生し、連日マスコミからバッシングされた。
営業開始から4月25日までの1ヵ月半の間に183件（J2編成：48件〈そのうち主変換装置6件〉、J3編成68件〈そのうち主変換装置29件、ATC3件〉、J4編成55件〈そのうち主変換装置9件、ATC1件〉、J5編成12件〈そのうち主変換装置6件、ATC3件〉）ものトラブルが発生した。
1992年5月6日には名古屋駅 - 三河安城駅間を190km/で走行中の「ひかり238号」（新大阪発東京行き・J4編成）で主電動機を固定するボルトが折損し、4時間立ち往生するトラブルが発生した。これは最悪の場合高速走行中にモーターが線路に脱落し、大惨事に繋がる恐れのある重大インシデントであった。
この他にもネジの長さが足らずマスコンハンドルが外れたり（川崎重工の施工ミス）、パンタグラフの取り付けボルトの落下、台車の異常を知らせるランプの誤作動など準備不足が原因のトラブルが多数発生した。

設計上の欠陥

軽量化を目的にMT比をそれまでの100系の12M4Tから10M6Tに変更し、電動車を削減したが、付随車に採用した渦電流ブレーキの重量が嵩んだために逆に付随車の方が重くなってしまった。しかし基本仕様を変更するには設計を一からやり直す必要があったため、MT比が変更されることは無かった。
軽量化と低床化のために空調機が床下に納められたことで、天井にある吹き出し口までダクトを延長する必要が生じた。このため長いダクト内で冷気が温められてしまい、冷房能力が不足する欠陥が初期編成で見られた。
300系のスタイルの決め手となっているレール面から近すぎるノーズポイントも、性能上で不都合を生じさせた。ノーズポイントがレール面から近すぎると、ノーズポイントの上面と下面で大きな圧力差が発生し、空気の流れが剥離することにより後尾車両で"尻振り"と呼ばれる現象が生じ、乗り心地を大きく悪化させる。尻振りはトンネル内で特に顕著に発生したが、300系の開発時にはこの現象が解明されていなかった。このため300系はレール面直上のノーズポイントから屋根まで一筆書きで続く、他の新幹線車両では見られない独特なワンモーションデザインになった。以後の新幹線車両からは尻振り性能を改善するためにノーズポイントが高く設定されるようになり、300系のような形状は見られなくなった。
また、2両に跨がった大きすぎるパンタカバーはトンネル内で乗り心地を悪化させた。その後パンタグラフごと700系で開発された新型に載せ換える改造が全車に実施されたが、車体左側面とトンネル左下壁面との乱流の近接効果による左右動の問題は完全に解決されることなく全車引退を迎えた。

乗り心地改良工事

2004年（平成16年）9月29日にJR東海は、J編成のうち後期に製造された編成を中心とする43編成（J17・J18・J20 - J26・J28編成以降）に乗り心地向上のためN700系の量産先行試作車で採用した改良型セミアクティブサスペンションを1・6・8 - 10・12・16号車の7両（両先頭車、グリーン車とパンタグラフ搭載車）に、改良型左右動ダンパを残りの9両にそれぞれ搭載し、700系で採用された非線形空気ばねとヨーダンパを全車両に搭載することを発表した。検査入場に合わせて順次施工し、2006年（平成18年）10月までに完了した。
車体間ダンパーの設置については車体端部がアルミ製で、装着のために必要な補強改造が容易でないことから見送られている。なお上記以外の編成（J2 - J16・J19・J27編成）はN700系への早期置き換え対象のため施工対象から外されていた。

量産化改造後

量産車登場後の1993年3月10日に量産化改造が行われてJ1編成となり営業運転に使用された。外観は量産車に合わされ、帯の色の変更、シンボルマークの消去が行われた。また、15号車の車号が329-9002から329-9501に改番されている。後に、飾り帯にあたる部分が量産車と同じくグレーの塗装となった連結器カバーに交換された。
トランスポンダの関係で、「のぞみ」での営業運転では東海道区間に限定されたが、「ひかり」では岡山・広島発着列車に時折使用された。2001年以降は、再び試験車として使用されることとなり、営業運転からは2000年に離脱した。
N700系に搭載される新型パンタグラフや車体傾斜システム、全周ほろのほか、東海道新幹線区間で新たに採用されたデジタルATCの試験にも充当された。
2005年にはN700系Z0編成が落成し、試験車としての主な役割はZ0が担った。

1次車

1990年に落成した先行試作車であるJ0編成による長期試験走行の結果、「のぞみ」に充当するため、1992年1月から3月にかけて4編成64両（J2 - J5編成）が落成した。

2次車

1993年3月18日ダイヤ改正から行われた「のぞみ」1本/時運転に対応するため、1992年9月から1993年3月にかけて10編成160両（J6 - J15編成）が落成した。また、JR西日本所有のF1 - F5編成も製造された。
東京 - 博多間の長距離運転に対応して水タンク容量が拡大されたほか、車内騒音軽減のために、加速時におけるモータ電流値の変更や防音板の挿入が行われた。

3次車

0系置き換え用として、1993年3月から1994年7月にかけて8編成128両（J16 - J23編成）が落成した。また、JR西日本所有のF6 - F9編成も製造された。
客用扉がプラグドアから引き戸に変更された。

4次車

老朽車両取り替え用として、1994年11月から1995年6月にかけて6編成96両（J24 - J29編成）が落成した。

5次車

老朽車両取り替え用として、1995年8月から10月にかけて4編成64両（J30 - J33編成）が落成した。
グリーン席のフットレストが変更された。従来は座席台座に固定されていたが、座席に固定される形に変更された。

6 - 9次車

老朽車両取り替え用として、1996年2月から1998年3月にかけて24編成384両（J34 - J57編成）が製造された。その間、J51編成とJ52編成の間に700系先行試作車（C1編成）を導入し、ほぼ同時期にJR西日本では500系を9本導入している。

10次車

老朽車両取り替え用として、1998年6月から10月にかけて4編成64両（J58 - J61編成）が製造された。J61編成をもって新造投入を終え、700系量産車の製作が始まった。
各車両の特高圧引き通し線接続部分が、4両おきのケーブルヘッド式に改められている。既存の編成にも追工事の形で行われた。

導入当初の運用

1992年3月14日の導入時には、「のぞみ」2往復（早朝・深夜の各1往復・当時運転されているすべての「のぞみ」であった）と、日中の東京駅 - 新大阪駅間「ひかり」1往復（238号・243号）で運用されていた。

博多直通後の運用

本系列による東京駅 - 博多駅間直通運転が始まった1993年3月18日のJRダイヤ改正で初めて1編成につき全区間を1往復半運用を組むことが可能になり、0系の置き換えのためにJ61編成までの増備を続けつつ編成数削減による運用合理化を可能にした。
その後、増備が進むにつれて「ひかり」での運用も増えていった。さらに後継車両の500系や700系の導入により2001年以降は「のぞみ」の定期運用から離脱し、引き替えに東海道新幹線の昼間の「こだま」にも充当されるようになったが、当時の「こだま」と、「ひかり」のうち名古屋・京都の2駅のみ、または新横浜を加えた3駅停車の列車は100系との共通ダイヤが組まれており、最高速度を220km/hに抑えて走っていたため、300系の増備は進んだものの2003年10月の品川駅開業によるダイヤ改正が行われるまでその性能を持て余す状況が長らく続いた。その反面、1996年から1997年には静岡停車タイプや名古屋駅 - 新大阪駅間各駅停車タイプの定期「ひかり」のほとんどが最高速度が270km/hに引き上げられ、また2001年には山陽区間に限り270km/h運転を行う「ひかり」が設定されるなどのダイヤ改正が行われ、これらの列車に300系が限定運用に入ることとなり、その性能が活かされることとなっていった。なおJ1編成はトランスポンダの関係から「のぞみ」での山陽区間への入線ができない時期があった（試験や岡山・広島発着の「ひかり」で入線した実績はある）。
前述の乗り心地改善工事を受けていない初期のJ編成（J2 - J16, J19, J27編成）が「のぞみ」「ひかり」運用を追われ「こだま」専用になってきているなど、新旧の編成間で運用が分かれつつあった。
2011年3月12日のダイヤ改正でJ編成は山陽新幹線に乗り入れる定期運用が消滅したが、運用調整のためF編成の運用に充当する場合があるほか臨時の「のぞみ」として博多まで乗り入れることがあった。