国鉄591系電車

591系電車（591けいでんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）が1970年（昭和45年）に試作した高速試験用の交直流特急型電車である。
概要.
新幹線網完成までの在来幹線（特に特急「ひばり」が走行する東北本線上野駅 - 仙台駅間を念頭）において高速道路網の発達に対応すべく、自然振子式車体傾斜による曲線区間の通過速度向上と130 km/h 運転によって、現行の特急列車より1ランク上の高速列車を設定することを目指し、その試験車として川崎重工業兵庫工場により製作された。営業用に準じた「クモハ」の形式称号を与えられているが、営業運転に使用されたことはない。
結果的には全国新幹線網の建設計画進展により、国鉄では東北本線に車体傾斜式列車を投入することはなかったが、亜幹線の高速化を実現させた381系電車の開発基礎となった。
製造の背景.
国鉄は1960年（昭和35年）に列車速度調査委員会を立ち上げ、列車高速化について検討を進め、このうち特別急行列車に関しては、1968年（昭和43年）10月のいわゆる「ヨンサントオ」白紙改正で、一部線区（東北本線ほか7線区 1,830 km）で特急列車の120 km/h 運転が開始された。
一方で、同年4月9日の国鉄常務会においては、その後の速度向上の進め方の基本方針が打ち出され、現状の最高速度120 km/h、曲線制限速度+5 km/h、分岐器直線側通過速度100 km/hでは、表定速度は85 - 90 km/h が限界であることが提起され、全国的な高速道路網の発達を考えると、表定速度100 km/h を上回ることが望ましいとされた。また、この表定速度100 km/h 超を実現するためには、乗心地と横圧の面から抑制されている曲線通過速度の向上、分岐器通過速度の向上、特定列車を対象とした速度向上（超特急列車の設定）を行うことが有用であると判断された。
こうして、当面の速度向上の目標値は、最高速度130 km/h 曲線通過速度+20 km/h以上、分岐器直線側通過速度 130 km/h （これら総合的施策によって実質的に表定速度100 km/h 超を実現）となった。
この目標の達成にあたっては、高額の投資を避けるという基本的考え方から、急曲線の改良に改良に依らず、曲線高速通過が可能な車両の開発が大きな柱として位置づけられた。
同年国鉄は自然振子式による車体傾斜列車の開発に着手し、北海道の狩勝実験線（根室本線旧線）にて貨車に試作台車、TR96を装備しての実験が行われた。この実験では左右定常加速度の低減は認められたものの、台車に設けられたT型のリンクで車体を支持するリンク式、という方式を採用しており、リンク部の摩擦抵抗による振子動作の遅れや衝撃などが無視できない、との結論に至っていた。
本形式は、この当面の目標値に対応することや、TR96で露呈した自然振子式車体傾斜の問題点の解消・改良を狙って、1970年（昭和45年）3月に落成、同年4月から1972年（昭和47年）度まで日本各地で試験を実施した。
製造当時の構造.
低重心化と軽量化のため、車体には国鉄では301系電車以来となるアルミニウム合金を採用し、後述の操舵台車採用の関係から、16m級車体で10ｍ級車体を挟み込んだ、3車体4台車の連接構造となっている。このため、見た目上は3両編成であるが、検修の時を除いて切り離すことはできない不可分の関係にあるとして、車籍の上では3車体（Mc1 - M2 - Mc3）で1両の扱いとなり、クモハ591形（クモハ591-1）と称された。
車体長はMc1・Mc3が16,600 mm、M2車が10,000 mm、連結面間距離含む全長は44,900 mmであった。この3車体を1ユニットとして、量産時には複数ユニット連結し、これにボギー車体の食堂車1両を加えて1編成とする構想となっていた。
前面形状は車体傾斜を実施する上での運転士の作業環境や身体に与える影響について比較検討・調査するため、一端 (Mc1) のデザインは前面非貫通で大型窓を採用した切妻型の低運転台、もう一端 (Mc3) は流線型で前面非貫通、583系様の高運転台とされた。塗装は当時の特急形電車と同様に、クリーム4号地に窓周りを赤色（赤2号）とされた。
走行に必要な機器は後述するようにMc1・Mc3の床下に集約搭載されており、中間のM2には便所が設置され、同車体の床下には冷房機、汚物処理装置、水タンクが搭載された。
台車は、いずれも動力台車とされ、Mc1の運転台側がDT94、Mc3の運転台側がDT95、中間の連接台車がDT96と称した。これらの台車は軌道への横圧軽減対策として移動心皿方式と自己操舵方式の二種が、曲線での乗心地改善のための車体傾斜機構にはリンク式とコロ式が採用されている。DT94は横圧軽減対策として移動心皿方式を採用し、油圧リンクにより遠心力を分散する方式で、車体傾斜機構はリンク式である。これに対しDT95は横圧軽減対策はDT94と同様の移動心皿方式であるものの、中心ピンを抜いて移動させる方式で、車体傾斜機構はコロ式でコロへの荷重を減らしてスムーズに作動させるための特殊な空気ばねによっても車体を支える方式である。また連接台車のDT96は、横圧軽減対策としてZリンクを介して車体の変移を台車に伝え、車軸を転向させる自己操舵方式を採用した。なお、車体傾斜機構はDT95と同じコロ式である。レール面上からの振り子中心高さは2,100 mm、車体の最大傾斜角は6°とした。
制御器は二種が併用された。力行時に抵抗制御のみを行うCS42がMc3に、力行時に抵抗制御を行うのはCS42と同様であるが高速制御時と制動時にサイリスタによるチョッパ制御（国鉄唯一の界磁チョッパ制御）を行うCS41がMc1に搭載されている。主変圧器は容量1,155 kVAのTM19、主整流器はシリコン整流器のRS40でMc3に搭載された。
また制御器に合わせて主電動機も二種が併用され、CS42にはMT59X直流直巻電動機4基がDT95とM2-Mc3間のDT96に、CS41にはMT58X直流複巻電動機4基がDT94とMc1-M2間のDT96に、それぞれ装架された。駆動装置は中空軸平行カルダン駆動で歯数比は共通で4.05となっており、電動機定格回転数は2,385 rpm、公称定格速度は95.4 km/hと高速運転を重視した特性である。
ブレーキは発電ブレーキを常用することとされ、CS42とMT59Xの組合せでは、4基の電動機をそれぞれ独立した主抵抗器につなぎ、4群の発電ブレーキ回路を構成している。そのため、1基の電動機で滑走が発生しても電流の低下を検知して個別に再粘着可能であった。これに対し、CS41とMT58Xの組合せでは、界磁チョッパ制御により発電ブレーキを作動させるため、再粘着制御は界磁電流を絞り込むことにより行なわれる。本系列は交直流電車であり、交流区間での電力回生ブレーキ構成には複雑な回路付加が必要であったため、自重増大を嫌って電力回生ブレーキの搭載が見送られている。また発電ブレーキ常用を前提として設計されたため、空気ブレーキは補助的なものとされている。
ブレーキ方式は、当時の新性能電車では電磁直通空気ブレーキが一般的であったところ、あえて、キハ181系気動車と同系のCLE電磁自動空気ブレーキが採用された。これは、鉄道運転規則における、非常制動による制動距離600 m 以下を達成する一方で、機器の軽量化を達成することが目的であったとされている。
パンタグラフは、下枠交差式のPS905がM2とMc3に装備されたが、M2のものは自然振り子作用時に、車体の傾きによる位置・姿勢の変化をキャンセルし、空気圧により機械的に軌道の直上に保持する機構が備えられている。この時点でMc3の固定方式でも問題はないと考えられていたが、比較のために両方式が採用されたものである。
冷房装置はMc1・Mc3の床下にAU33Xが、M2の床下にAU34Xがそれぞれ搭載された。
営業運転に供する車両ではないが、側部には電動式の行先表示器が設置された。室内の一部には座席が設置されていたが、普通車でありながら簡易リクライニングシートが試験的に採用されていた。
試験.
当初計画されていた591系の量産車にあたる車両の導入スケジュールは、量産試作車の制作に1971年（昭和46年）9月には着手し、翌1972年（昭和47年）6月には完成させ、12月には先行して営業運転に投入、翌1973年（昭和48年）6月には量産車の設計に着手する、というものであった。これは、東北本線の設備改良の進捗ペースを加味したものであったが、加えて、1972年（昭和47年）中に予定されていた山陽新幹線の岡山開業に合わせて車体傾斜車両を登場させ、ガスタービン車（→キハ391系）とともに国鉄の目玉商品としたいという営業上の理由、今後の新幹線網の拡充が決定した場合、当初計画していた東北本線など、主たる幹線への登場機会を失ってしまう可能性があると考えられたことによる時間的制約のためで、591系も当初は1970年（昭和45年）中に大体の性能を見極め、以降は耐久試験に供する計画とされていた。
1970年（昭和45年）度第1次試験.
落成後は1970年（昭和45年）3月27日に公式試運転を実施し、仙台運転所に配置された。
その後引き続き4月23・24日に東北本線五百川駅 - 仙台駅間で車体傾斜・操舵機構の機能をロックした状態で120 km/hまでの加速等、基本的な性能にかかる試験を実施し、翌5月から6月にかけては車体傾斜・操舵台車を用いて、藤田駅 - 白石駅間・福島駅 - 仙台駅で曲線通過速度向上試験（本則+20 km/h）を実施した。
1970年（昭和45年）度第2次試験.
1970年（昭和45年）5月に入り、全国新幹線鉄道整備法が公布されたが、引き続き試験が進められた。7月には藤田駅 - 仙台駅間で引き続き曲線通過速度向上試験（本則+30 km/h）を実施した他、直線区間での130 km/h までの速度向上試験も実施した。
1970年（昭和45年）度第3次試験.
10月に入ると、白石駅 - 仙台駅間での電気ブレーキ使用時の粘着性能の試験が行われ、11月に入ると藤田駅 - 仙台駅間で、これまでで最速の直線区間最高速度135 km/h 、曲線区間本則+35 km/h で走行する曲線通過速度向上試験が行われた。
11月25日・27日には上野駅 - 仙台駅間351.8 km での長距離走行試験が実施された。25日（仙台駅→上野駅）は最高速度125 km/h 、曲線通過速度本則+5 km/hでの予備試験であり、本試験の27日（上野駅→仙台駅）は直線区間最高速度130 km/h、曲線区間は本則+20 km/hで走行し、途中8駅に停車しながら、当時の特急「ひばり」より14分早い3時間39分で走破、良好な成績を得た。この試験においては、道中で高速分岐器の性能も試験されている。
このほか、郡山工場にて車体傾斜の定置試験も実施されている。
なお、当初は9月に、591系と455系（もしくは483系）を併結し、量産化時に連接3車体のユニットを複数連結した場合の挙動を確認する試験が予定されていたが、これは行われなかった。
1970年（昭和45年）度第4次試験.
年が明けて1971年（昭和46年）に入ると、1月に仙台駅 - 青森駅間を直線区間は最高速度135 km/h 、曲線区間は本則+35 km/hで走行する耐寒耐雪試験が行われた。2月には運転室の高さや機器配置など、人間工学にかかる試験や主変圧器のサージについての定置試験も行われている。
20m級ボギー車2両への改造.
試験の結果、中間台車（DT96）の操舵機構を作動させると、先頭台車に過大な横圧がかかることが判明したが、操舵機構を切って運転すれば他台車への影響は生じなかった。
また、特に台車操舵による顕著な効果も表れなかったため、連接構造を採用する意義は試験開始早々に消滅してしまった。
このことから、営業上20 m 級ボギー車とすることが望まれることとなり、ボギー車での車体傾斜特性・振動特性を測定し、連接車と比較検討することを目的に、1970年（昭和45年）度第4次試験が1971年（昭和46年）2月に終了すると、郡山工場に入場し、3月末までに連接車3両編成から車体長19,775 mmのボギー車2両編成へ改造されることとなった。
改造内容は中間車体（M2）を廃棄・解体し、Mc1・Mc3の車体を2,925 mm 延長するというもので、改造にあたっては量産車への設計期間への影響を避けるべく工期を短縮する目的で、アルミニウム合金製ではなく普通鋼が採用された。このため溶接ができず、既存の妻面に厚さ3.2 mm の鋼板を巻き、ボルトで締結した。併せて、台枠部分は既存の心皿部と側梁部に厚い軽合金板を溶接し、鋼製の台枠をボルト締結した。
延長部分の構体内部には客室は設けられず、簡易便所と移設した機器類のみが設けられている。また、車端ダンパーが妻面下部に新設され、車体傾斜時の異常振子振動を抑える役割を持たせた。
台車は、連接部に装着されていたDT96の自己操舵機構を撤去し一部車輪を一体車輪からスポーク車輪に変更した上で、旧連接台車心皿位置に装着した。
2車体間の連結器については、落成当初両先頭部に取り付けてあった回転可能な密着連結器を中間連結部に転用した。このため、両端の連結器は通常の密着連結器に換装された。
パンタグラフは、旧Mc3のものをそのままの位置で使用することとした。
この改造により、旧Mc1がクモハ591形 (クモハ591-1、Mc、Mc1とも) 、旧Mc3がクモハ590形 (クモハ590-1、M'c、Mc3とも) となった。
1971年（昭和46年）度第1次試験.
前例のない工法での車体の延長工事であったため、ボギー車への改造後、1971年（昭和46年）度の試験は、4月に郡山工場と鉄道技術研究所車両構造研究室による確認試験（定置試験）から始まった。この試験では垂直曲げ試験時に延長部分に比較的高い値が見出されたため、隅部の補強を実施したものの、それ以外は特に問題はなかった。
その後翌5月から6月にかけては、槻木駅 - 藤田駅間で、直線区間は最高速度135 km/h 、曲線区間は本則+35 km/hで走行する試験が行われた。結果、横圧の定常値こそ連接車体比約25%の増加を見たが、十分小さい値であり、ボギー車でも特に走行性能上・乗心地上の難はないことが確認された。
1971年（昭和46年）度第2次試験.
7月に入ると「特殊試験」と称して、特殊軸箱支持装置、ばね下重量の増加、普通鋼製車体相当への車重増加に対する試験を行った。この試験も、直線区間は最高速度135 km/h 、曲線区間は本則+35 km/hで走行した。
1971年（昭和46年）度第3次試験.
もともと591系の量産系列は、によれば、1970年（昭和45年）の落成初期の時点で「あくまでも、最終的には新幹線と連携してそのスピード効果を全国におよぼすことにあり（中略）おそらく全国各線区で、新幹線のフィーダーとして使われることになるが」と、新幹線網完成ののちには、亜幹線に転用することが当初より念頭に置かれていた。しかし、1971年（昭和46年）1月には全幹法第5条第1項の規定による「建設を開始すべき新幹線鉄道の路線を定める基本計画」（昭和46年告示第17号）により東北新幹線（東京都 - 盛岡市）ほかの基本計画が公示され、この時点では1976年（昭和51年）度とかなり早期の開業が見込まれることとなった。
このため、当初計画通り東北本線に量産車を投入することは費用対効果が薄くなってしまうこととなり、591系は量産車の制作着手を前に、当初想定された投入計画を白紙とし、新幹線網計画を勘案して投入計画を再検討することとなった。
落成当初の試験計画ではこのころから長期走り込みによる耐久試験を行う予定であったが、ここからは新たな投入線区を模索するような動きが行われることとなり、試験の舞台をより曲線半径がきつく（東北本線はすべて半径400m以上）線路等級が低い3級線（許容軸重15 t 、最高運転速度 95 km/h）クラスの亜幹線へとシフトさせていった。
11月には長野運転所へ転属し、信越本線上田駅 - 黒姫駅間（半径300mの曲線が介在）で、直線最高速度115 km/h、曲線通過速度本則+25km/hでの試験が行われた。試験では特に問題は生じなかった。
1971年（昭和46年）度第4次試験.
翌1972年（昭和47年）1月に入り、引き続き上田駅 - 黒姫駅間にて翌2月初旬まで耐寒耐雪試験が行われた。
3月には舞台を鹿児島本線熊本駅 - 西鹿児島駅間に移し、37kgレール採用区間での速度向上の可能性（直線最高速度130 km/h、曲線通過速度本則+30 km/h）を探る試験が行われた。鹿児島本線での試験では、37kgレール区間ではR400m以下の曲線で大きな横圧が発生する箇所が多く、信越本線と比較して横圧が約1 t 増加することがわかり、37 kg レールでの曲線区間高速化は+20km/hが限度であるとのデータを残している。
1972年（昭和47年）度の試験.
1942年（昭和47年）5月、速度調査委員会では、車体傾斜車両による速度向上は可能であると判断し、営業用車両政策への移行を決定し、常務会に諮問、了承を得た。
これと前後し、中央本線（中央西線、以下特記ない限り中央西線と表記）・篠ノ井線名古屋駅 - 長野駅間の直流電化・一部線増・新線切替が翌年度に予定されていたが、この区間は半径600 ｍ 以下の曲線が全体の約25％を占めるため、電化しても曲線の通過速度が向上しない限り、大幅な速度向上が見込めないと考えられた。
そこで、電化による速度向上効果を最大限に発揮させるため、急曲線が多い同区間の特急列車（当時はキハ181系「しなの」が運転）に車体傾斜式車両の量産車投入が決定した。
このため1972年（昭和47年）度は量産車へのフィードバックを目的とした継続技術課題として、耐久試験や運転・保守上の問題点の洗い出し・検討・積雪区間における車体傾斜特性の調査検討のため、長野運転所、長野工場にて台車各部の分解試験、信越本線小諸駅 - 黒姫駅間での走り込みを主体とした長期走行試験、中央西線名古屋駅 - 釜戸駅間での高速域走行試験（曲線通過速度本則+25 km/h）、信越本線長野駅 - 直江津駅間での着雪時の車体傾斜、耐寒耐雪状況の調査（曲線通過速度本則+25 km/h）を実施した。
試験結果の反映.
1973年（昭和48年）には本系列における試験結果を反映し、日本初の営業用自然振子式車体傾斜車両、381系電車が中央西線・篠ノ井線実用化・営業投入されることとなった。
381系は591系の試験結果や改良点が多く反映され、たとえば、技術面ではころ式自然振子装置、非常制動まで含めた電空併用の制動などが継承され、試験の結果問題がないとされた通常のボギー車による、従来型特急車同様のMM'ユニット方式の踏襲、より振子作用を容易とするために振子中心高さを上げる（レール面上2,100 mm →2,300 mm）、ころに焼入れをすることによる、転動面の寿命延伸、ころ装置の密閉・与圧による防塵対策、といった改良がなされた一方で、投入線区の実情などに合わせた装備の最適化・省略が下記の通り行われている。
それでもなお、381系それ自体は、最高運転速度120km/h 、曲線通過速度本則+20km/h 、分岐器直線側通過速度 100 km/h の条件で、線路等級1 - 2級の線区を走行した場合、表定速度90 - 95 km/h を叩き出せる程度の性能は有していた。しかし、381系の実際の用途としては、線路等級が低い線区で地上設備への投資を抑えつつ速度向上を図る手段としての活用が主となった。
一方で、車内で試用した簡易リクライニングシート、R50型を改良した座席であるR51系は、381系の前年、1972年（昭和47年）登場の183系電車の普通車座席として採用されて以降、381系はじめ、その後の国鉄特急形車両の普通車に多数導入され、旅客サービスの一定の向上に寄与した。
試験終了後.
試験終了後の1973年（昭和48年）には、591系の車体を流用したガスタービン動車の試験車構想が国鉄内部で持ち上がった。これは、同年キハ391系での試験がひと段落し、量産型のガスタービン動車の設計に至るにあたり、キハ391系が採用した連接式構造に起因する不具合を解消するため、20 m 級ボギー車による1M1Tのユニットを採用することとなったが、20m 級車両での4軸駆動は、駆動系が長くなり、車体傾斜（自然振子）の動きを阻害する可能性があったため、ひとまずキハ391系に続く、2次試験車を制作することとなったことによる。
この改造では、Mc（クモハ591-1）をMc、Mc'（クモハ590-1）をTcとし、Mc床下に川崎重工業KGR1400ガスタービンエンジン（1,100 PS/19,000 rpm）を搭載し、床上の四隅には吸排気装置や電源装置・機関冷却装置を搭載、Mcの台車は新製し、ブレーキ装置や冷房装置は流用する計画であった。
しかし、同年10月に発生した石油危機、投入候補であった伯備線や田沢湖線の電化決定により、国鉄のガスタービン車開発は正式な中止アナウンスこそなかったものの、フェードアウトしていくこととなり、591系を使用した2次試験車は落成しなかった。
その後も591系は長い間岡谷駅構内に留置されていたが、1980年（昭和55年）3月26日付で廃車され、同年秋頃に長野工場で解体された。なお、DT96のうち1台は大阪市港区の交通科学博物館で展示されていたが、同館の閉館後の行方は不明。