JP4243658B2

JP4243658B2 - 鉄道先頭車両の車体形状

Info

Publication number: JP4243658B2
Application number: JP12842298A
Authority: JP
Inventors: 順雄山上; 秀樹 ▲高▼瀬
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2018-05-12
Also published as: JPH11321640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速走行する新幹線（登録商標）等の鉄道車両のうち先頭車両に好適な車体形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
時速２７０ｋｍ／ｈあるいはそれ以上の高速性能が要求される鉄道車両では、特に先頭車両の車体先頭部の形状にいわゆる高速走行時の走行抵抗を減少させる形状とともに、トンネルに突入した際に生じる微気圧波を低減させる形状が要求される。特に高速の鉄道車両がトンネルに突入する場合に、トンネル内の限られた空間に存在する空気を先頭車両が押し込むように圧縮し、これが圧縮波となってトンネル内をほぼ音速で前方へ伝播される。この圧縮波はトンネルの出口に到達したときに出口で反射されるが、一部は爆発音（パルス状の圧力波）となってトンネル出口から外部へ放射される。このパルス状の圧力波のことを微気圧波（トンネル微気圧波）と言い、トンネルの出口付近では爆発音とともに微振動等が生じ、周辺の環境に影響を及ぼすことがある。
【０００３】
そこで、近年いくつかの微気圧波を低減させる先頭車両の車体形状が提案されている。たとえば、特開平７−８９４３９号公報に記載の発明があるが、この発明は、横断面積が一定の胴部に接合する接合部から最先端に至る先頭領域を尖らせ、先頭領域の上面側へ突出する運転室窓部（キャノピー）の前後の長さを、先頭領域の前後長さより短くし、運転室窓部の突設根元部に連接する上方肩部の横断面積を、上方肩部に隣接する隣接肩部の横断面積より小さくし、前記先頭領域における最先端寄りの横断面積急変域を除く領域のスカート部または仮想スカート部を含む横断面積を、接合部から最先端へ向かっていく程に正比例に減少させた構造に先頭部の車体を構成するものである。
【０００４】
また特開平８−１９８１０５号公報に記載の発明があるが、この発明は車体先端から車体前後方向における車体横断面積が増大する先頭部を有した鉄道車両において、先頭部を先端領域と中間領域とから構成し、先端領域は最大車体横断面積の半分の断面積に相当する位置よりも先端側とし、中間領域は該先端領域よりも車体長手方向他端側とし、前記中間領域は一定の断面積変化率によって車体横断面積が変化し、かつ前記先端領域の断面積変化率を中間領域の断面積変化率よりも大きくするものである。この発明においては、前記中間領域に運転室を配置しており、この運転室部前面窓の傾斜角度を前方注視に支障のない角度としており、前記運転室前面窓の両側方部分より下方に凹み部を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の２つの発明は、つぎのような点で大きな課題を有する。すなわち、
第１に、いずれの発明も先頭部の横断面積の変化が先頭車両の車体先端から後方の接合部（一般断面部あるいは最大横断面積部との接合部）にかけて車体横断面積が連続して緩やかに増大するように、先端から後方にかけてやや上方に傾斜する曲面形状に形成するとともに、その傾斜曲面部分が車体の前後方向にできるだけ長くなるように先端部をノーズ状に延ばしている。このため、実際の車体形状の製作に際しては、骨組みに溶接等により張り付ける板金を、ハンマー等で打ち出すことによって凹凸部などの複雑な形状を形成しているので、作業に熟練を要することはもとより、多大な時間がかかって生産性が非常に低く、製造コストが極めて高くなるうえに、車体先頭部の車体前後方向において占める長さが長くなるため、車室が制限され、乗車定員が減少するという問題がある。
【０００６】
第２に、いずれの発明も先頭部の横断面積の変化が先頭車両の車体先端から後方の接合部にかけて直線的（正比例）に連続している。このため、鉄道車両がトンネル内に突入したときの、トンネル内のある位置における圧力変化（横軸を時間とし縦軸を圧力とする）は、圧力勾配が緩やかになっているとしても漸次高くなっている。一方、トンネル内を伝播する圧縮波の速度（音速に近い）は、圧力が上昇するのにしたがって速くなるから、トンネルの距離がある程度長くなると、せっかく車体の先頭部形状を工夫したことによって圧縮波の圧力を分散したにも拘わらず、分散された圧力がトンネルの出口では集合されて一度に大きな圧力のパルス状圧力波（微気圧波）となって外部へ放射され、トンネルの出口周辺において大きな爆発音が発生したり、振動等が生じたりするおそれがある。
【０００７】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、鉄道車両がトンネル内に突入する場合に、トンネルと車両によって発生する微気圧波を分散させて低減するための鉄道先頭車両の車体形状を提供することを目的としている。
【０００８】
また、分散させて低減した圧縮波がトンネル内を車両が通過するまでに、つまりトンネル出口で集合されにくく、トンネル微気圧波を有効に低減でき、しかも外形形状を簡素化して車体の製作を容易にすることも目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために本発明に係る車体形状は、鉄道先頭車両の車体の先端より最大横断面積部となる一般断面部に至る横断面積分布において、横断面積が変化（増大）する領域を車体の前後方向に沿って複数箇所に分けて設けた鉄道先頭車両の車体形状であって、前記車体の先端部分をやや後方に傾斜させて上方に立ちあげることにより１段目の横断面積変化領域を形成したのち、横断面積をほぼ一定に保ってほぼ水平に後方に延設したのち、再びやや後方に傾斜させて上方に立ちあげることにより２段目の横断面積変化領域を形成したことを特徴とする。
【００１１】
上記構成を有する請求項１又は２記載の発明によれば、図７に横断面積変化領域を車体の前後方向に沿って少なくとも２カ所に分けて設けた複数段（請求項２では２段式）車体形状と、横断面積を直線的に変化させて設けた、いいかえれば横断面積変化領域を分けずに連続して設けた車体形状との圧力変化の比較を示すように、トンネル入口から所定距離（６１ｍ）の位置で鉄道車両がトンネル内に突入する際の圧力変化から明らかに、本発明に係る複数段式（２段式）車体形状の方が圧力変化の状態が緩やかで、しかも少なくとも２段に分散されて段階的に最大車体横断面積の部分がトンネル内に入るまでの圧力（最大圧力）に達する。図７における線図Ａは詳しくは、図６に示すところの車体の形状を先端部分でやや後方に傾斜させて上方に立ちあげたのち水平に後方に延ばして１段目の横断面積変化領域を形成し、車体の後端寄り（前後方向の中間位置よりやや後方）で再びやや後方に傾斜させて上方に立ちあげ２段目の横断面積変化領域を形成した車体モデルについて、圧力変化を求めたものである。ここで、計算条件について詳しく説明すると、
▲１▼ 非定常、軸対称、圧縮性および非粘性を仮定した数値流体解析（ＣＦＤ解析）を用いた。
【００１２】
▲２▼ 構造格子を使用したＴＶＤ型風上法・有限体積法で陽解法を適用した。
【００１３】
▲３▼ 車体の先頭部を同一断面積を有する軸対称物体に、またトンネルを円形横断面からなる円筒形にそれぞれ置き換えたうえで、車体がトンネルに突入するシミュレーションを実施している。ただし、トンネルと鉄道車両（列車という）の間に相対的な運動が発生するため、計算領域を図９のようにトンネルを含む領域１と列車を含む領域２との２つに分割し、それらを相対的に移動させて計算を進めた。
【００１４】
▲４▼ 計算上において列車の初期位置をトンネルの入口から２０ｍ外方（手前）の周辺に障害物のない（いわゆる明かり区間）で、その初期位置における時間をｔ＝０と設定した。
【００１５】
▲５▼ 圧力変化の観測点×は、トンネル入口から内側６１ｍの地点のトンネル内壁上にした。
【００１６】
▲６▼ 図７・図８（図７の圧力変化を時間で微分した線図）の線図を求めるための計算条件は、列車速度：２７５ｋｍ／ｈ（マッハ数０．２２５）、トンネル開口断面積：６３．４ｍ² 、列車の２段目（最大）横断面積：１１．４ｍ² 、１段目横断面積：７．９ｍ² （図１２参照）
この結果から、先頭車両の車体先頭部がトンネルに突入する際に生じる圧縮波（圧力上昇）は、車体１₂ の横断面積変化領域を２段階に分散して設けたことによって低減され、この低減分の圧力が最大車体横断面積の部分がトンネルＴ内に突入するまで有効であり、車体１₂ の２段目の横断面積変化領域がトンネルＴ内に突入したときに従来の車体１の最大車体横断面積（一般断面部）の部分がトンネルＴ内に突入したときの圧力と等しくなる。
【００１７】
また、第１段の圧力上昇値から最終段（図７では２段）の圧力上昇値までの時間差は、１段目横断面積変化領域と２段目横断面積変化領域との距離Ｌ（図６の線図Ａ）／Ｖ（走行速度ｍ／ｓ）にほぼ等しい。このため、図６の車体例では１１／１６（約２／３）に低減された微気圧波が生じたのち、図７に示すように遅れて５／１６（約１／３）に低減された微気圧波が生じることになる。したがって、トンネルＴの出口での爆発音は小さくなるか一切鳴らなくなるかに低減され、また周辺での家屋等の振動なども低減される。なお、請求項２については後述するが、圧縮波の伝播速度は音速に近く、圧力が高くなるほど伝播速度は速くなるので、１段目横断面積変化領域と２段目横断面積変化領域との距離Ｌは、トンネル出口までの間に後続（２段目）の圧縮波が１段目の圧縮波に追いついて１段目と２段目の圧縮波が集合された微気圧波が生じるか否かを決定することになるため、重要な要素である。
【００１８】
さらに、微気圧波のパルスの強さ（爆音の大きさ）が圧縮波の時間変化率に比例することから、図８に示すように、従来例（線図Ｂ）では最大変化率が１００００Ｐａ／ｓであるのに対し、本発明例（線図Ａ）では最大変化率が６０００〜７０００Ｐａ／ｓであるから、本発明例は従来例の２／３程度に微気圧波による爆発音を低減できると推測される。
【００１９】
加えて、本発明に係る車体形状によれば、車体の横断面積変化領域を少なくとも２カ所に分けて設けることにより微気圧波低減の作用が有効に生じるから、上記後方に記載の従来技術に係る車体形状に比べて車体の設計はもとより製作が容易になる。
【００２０】
請求項２に記載のように、前記１段目横断面積／前記２段目横断面積の面積比が０．６以上で、前記１段目と前記２段目の横断面積変化領域の間隔を１５ｍ以上にすることが好ましい。
【００２１】
この構成により、微気圧波が図７の線図Ａに示すように少なくとも２段階に分散され低減されて生じるとともに、微気圧波のパルスの強さが圧縮波の時間変化率に比例するが、図８の線図Ａに示すように最大変化率が本発明例では従来例の２／３程度に低減されることから、微気圧波によるトンネル出口での爆発音の大きさを有効に低減することができる。一方、圧縮波の伝播速度は音速に近く、圧力が高くなるほど伝播速度は速くなるが、１段目と２段目の横断面積比が０．６以上で、１段目と２段目の横断面積変化領域の間隔を１５ｍ以上離しているので、たとえば図１２〜図１４の線図から明らかなように、列車最大横断面積が１１ｍ² の場合に、列車速度が２４０ｋｍ／ｈでトンネルの距離が１５ｋｍ、列車速度が２７０ｋｍ／ｈでトンネルの距離が１１ｋｍ、列車速度が３００ｋｍ／ｈでトンネルの距離が８ｋｍまでは、トンネル出口までの間に後続（２段目）の圧縮波が１段目の圧縮波に追いつくことが阻止され、微気圧波は１段目と２段目とに分散された状態で生じる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鉄道先頭車両の車体形状の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図１（ａ）は平面図、図１(ｂ)は側面図である。本例の車体１₁ は、図１(ａ)に示すとおり平面視では従来の新幹線用先頭車両の車体１（図５）と同じような略弾丸形の流線形状からなっており、車体１₁ の上面を２段階に変化させることにより、横断面変化領域を２カ所に分けて設けている。すなわち、車体１₁ の先端部を曲面状に上方に立ち上げて１段目の横断面積変化領域２を形成したのち、上面を後方へほぼ水平に平坦面状に延ばし、車体１₁ の前後方向の中間位置付近で再び後方へ上向きに傾斜させて立ち上げ２段目の横断面積変化領域３を形成している。後述するが、図６は本例の車体１₁ 形状に基づく計算上の車体モデルである。
【００２４】
図２は本発明の第２実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図２(ａ)は平面図、図２(ｂ)は側面図である。本例の車体１₂ は、図２(ａ)に示すとおり平面視では従来の新幹線用先頭車両と同じような略弾丸形の流線形状からなっており、車体１₂ の上面を３段階に変化させることにより、横断面変化領域を３カ所に分けて設けている。すなわち、車体の先端部を曲面状に上方に立ち上げて１段目の横断面積変化領域２を形成したのち、上面を後方へほぼ水平に平坦面状に延ばし、車体１₂ の前後方向の中間位置付近で後方へ上向きに傾斜させて立ち上げ２段目の横断面積変化領域３を形成している。さらに、上面を後方へほぼ水平に平坦面状に延ばし、車体１₂ の前後方向の中間位置より後端寄りで後方へ上向きに傾斜させて立ち上げ３段目の横断面積変化領域４を形成している。
【００２５】
図３は本発明の第３実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図３(ａ)は平面図、図３(ｂ)は側面図である。本例の車体１₃ は、平面視では従来の先頭車両の車体１（図５）と同じような略弾丸形の流線形状からなっており、車体１の下面を２段階に変化させることにより、横断面変化領域を２カ所に分けて設けている。すなわち、車体１₃ の先端部を曲面状に上方に立ち上げるとともに下面先端部を底上げして水平に後方へ延ばして１段目の横断面積変化領域２を形成したのち、車体１₃ の前後方向の中間位置付近で下面を後方へ下向きに傾斜させて降下させて２段目の横断面積変化領域３を形成している。
【００２６】
図４は本発明の第４実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図４(ａ)は平面図、図４(ｂ)は側面図である。本例の車体１₄ は第１実施例に係る車体１の変形例で、車体１₄ の先端部（１段目横断面積変化領域２）の立ち上げを小さくし、図４(ｃ)のように正面より見て円形断面の車体１₄ の中心より下方に円形断面の先頭部１Ａを偏心させて配置している。
【００２７】
さて、上記に本発明の車体構造について４つの実施例を挙げたが、いずれの実施例についても下記のような共通の作用、つまり微気圧波の低減作用がある。この低減作用が生じる根拠を、計算に基づいて作成した圧力変化あるいは圧力時間変化率にて本発明例と従来例との比較により説明する。
【００２８】
図６に示すように、車体１の先頭部（先端から約６ｍの位置まで）を後方へ上向きに傾斜するように立ち上げて１段目横断面積変化領域２（７．９ｍ² ）を形成したのち、横断面積を一定に保って後方へ延長し、再び後方へ上向きに傾斜するように（先端から約２１ｍの位置から約２５ｍの位置まで）立ち上げて２段目横断面積変化領域３（１１．４ｍ² ）を形成した形状が本発明例であり、一方、従来例は車体１の先頭部（先端から約１０ｍの位置まで）を後方へ上向きに傾斜するように立ち上げて最大横断面積（１１．４ｍ² ）まで連続的に横断面積変化領域を形成した形状（図６の点線表示）にした。
【００２９】
計算条件は、次のとおりである。すなわち、図９において、
▲１▼ 非定常、軸対称、圧縮性および非粘性を仮定した数値流体解析（ＣＦＤ解析）を用いた。
【００３０】
▲２▼ 構造格子を使用したＴＶＤ型風上法・有限体積法で陽解法を適用した。
【００３１】
▲３▼ 車体の先頭部を同一断面積を有する軸対称物体に、またトンネルを円形横断面からなる空洞、つまり円筒形にそれぞれ置き換えたうえで、車体１がトンネルＴに突入するシミュレーションな運動が発生するため、計算領域を図１７のようにトンネルを含む領域１と列車を含む領域２との２つに分割し、それらを相対的に移動させて計算を進めた。
【００３２】
▲４▼ 計算上において列車の初期位置をトンネルＴの入口から２０ｍ外方（手前）の周辺に障害物のない（いわゆる明かり区間）で、その初期位置における時間をｔ＝０と設定した。
【００３３】
▲５▼ 圧力変化の観測点×は、トンネルＴの入口から内側６１ｍの地点のトンネル内壁上にした。
【００３４】
▲６▼ 図７・８の線図を求めるための計算条件は、列車速度：２７５ｋｍ／ｈ（マッハ数０．２２５）、トンネル開口断面積：６３．４ｍ² 、列車の最大横断面積：１１．４ｍ² 、１段目断面積：７．９ｍ² （図７参照）
この結果から、先頭車両の車体先頭部がトンネルに突入する際に生じる圧縮波（圧力上昇）は、車体１₁ の横断面積変化領域を２段階に分散して設けたことによって低減され、この低減分の圧力が最大車体横断面積の部分がトンネルＴ内に突入するまで有効であり、車体１₁ の２段目の横断面積変化領域がトンネルＴ内に突入したときに従来の車体１の最大車体横断面積（一般断面部）の部分がトンネルＴ内に突入したときの圧力と等しくなる。また、第１段の圧力値（１１００Ｐａ）から最終段（図７では２段）の圧力値（１６００Ｐａ）までの時間差（約０.２３sec）は、第１段目変化領域２と第２段目変化領域との距離Ｌ（図６の線図Ａ上に表示：約１８ｍ）／Ｖ（走行速度：７５ｍ／ｓ）にほぼ等しい。このため、図６の車体例では１１／１６（約２／３）に低減された微気圧波が生じたのち、図７の線図Ａに示すように遅れて５／１６（約１／３）に低減された微気圧波が生じることになる。したがって、図７の線図Ｂに示すようにトンネルＴの出口に圧力１６００Ｐａの圧縮波が伝播され、大きな圧力の微気圧波が生じる従来例の車体１（図５）に比べて、本発明例の車体１₁ によればトンネル出口で外部に放射される微気圧波が分散されることにより爆発音が小さくなるか一切鳴らなくなるかまで低減され、また周辺での家屋等の振動なども低減される。
【００３５】
また、図８は図７の圧力変化線図を時間（ｓ）で微分して求めた線図で、時間に対する圧力の変化率を表している。
【００３６】
さらに、微気圧波のパルスの強さ（爆音の大きさ）が圧縮波の時間変化率に比例することから、図８に示すように、従来例（線図Ｂ）では最大変化率が１００００Ｐａ／ｓであるのに対し、本発明例（線図Ａ）では最大変化率が６０００〜７０００Ｐａ／ｓであるから、本発明例は従来例の２／３程度に微気圧波による爆発音を低減できると推測される。
【００３７】
ところで、上記したとおり圧縮波の伝播速度は音速に近く、圧力が高くなるほど伝播速度は速くなるので、トンネルの長さによっては、トンネルの入口に列車が突入する際に発生した最初（１段目）の圧縮波にトンネル出口までの間に後続（２段目）の圧縮波が追いついてしまい、横断面積変化領域を複数に分断した作用効果が期待できないおそれがあるので、これに関連する要素である１段目と２段目の横断面積比および１段目と２段目の間隔（距離）などと有効なトンネル長さの関係について説明する。
【００３８】
まず、計算式について説明すると、図１０に示すように、１段目列車横断面積２をＳ₁（ｍ²），２段目列車横断面積３をＳ₂（ｍ²）、トンネル横断面積をＳ_t（ｍ²）とし、１段目と２段目の間隔をＬ_train（ｍ）とする。一方、図１１に示すように列車がトンネル内に突入する際の１段目の圧縮波による圧力上昇を△ｐ₁（Ｐａ）、２段目の圧縮波による圧力上昇を△ｐ₂（Ｐａ）とし、トンネルＴ内における圧縮波の１段目と２段目の間隔をＬ_wave（ｍ）とし、１段目圧縮波の伝播速度をＵ₁（ｍ／ｓ）、２段目圧縮波の伝播速度をＵ₂（ｍ／ｓ）とする。そして、列車速度：Ｖ（ｍ／ｓ）、圧縮波の影響がないところでの音速：ｃ（ｍ／ｓ）、圧縮波の影響がないところでの空気密度：ρ（ｋｇ／ｍ³）、空気の比熱比：γ、圧縮波の影響がないところでの大気圧力：ｐ₀（Ｐａ）とすると、
○１段目の圧縮波による圧力上昇
△ｐ₁＝1/2×ρＶ²×[１−(１−Ｓ₁/Ｓ_t)²]／[(１−Ｖ/ｃ)×{Ｖ/ｃ＋(１−Ｓ₁/Ｓ_t)}]
○２段目の圧縮波による圧力上昇
△ｐ₂＝1/2×ρＶ²×[１−(１−Ｓ₂/Ｓ_t)²]／[(１−Ｖ/ｃ)×{Ｖ/ｃ＋(１−Ｓ₂/Ｓ_t)}]
○１段目圧縮波の伝播速度
Ｕ₁＝ｃ×[{(γ＋１)/(γ−１)}×{(１＋△ｐ₁/ｐ₀)⁽ ^γ ^-1)/2 ^γ −１}＋１]
○２段目圧縮波の伝播速度
Ｕ₂＝ｃ×[{(γ＋１)/(γ−１)}×{(１＋△ｐ₂/ｐ₀)⁽ ^γ ^-1)/2 ^γ −１}＋１]
○トンネル内における圧縮波の１段目と２段目の間隔
Ｌ_wave＝（Ｌ_train×ｃ）/Ｖ
続いて計算条件について説明すると、
○列車速度：２４０ｋｍ／ｈ，２７０ｋｍ／ｈ，３００ｋｍ／ｈ
○列車最大横断面積：７ｍ²，１１ｍ²，１３ｍ²
○トンネル開口断面積：６３．４ｍ²（山陽新幹線のトンネルと同一）
○列車１段目断面積／２段目断面積（比）：0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55, 0.6，0.65，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9
○列車１段目断面積／２段目断面積の間隔：５ｍ，７.５ｍ，１０ｍ，１５ｍ，２０ｍ，２５ｍ
計算結果は図１２〜図１６に線図で示すとおりである。これらの結果から、たとえば１段目と２段目の横断面積比が０．６以上で、１段目と２段目の横断面積変化領域の間隔を１５ｍ以上あければ、図１２〜図１４の線図に示されるように、列車最大横断面積が１１ｍ² の場合に、列車速度が３００ｋｍ／ｈでトンネルの距離が８ｋｍ、列車速度が２７０ｋｍ／ｈでトンネルの距離が１１ｋｍ、列車速度が２４０ｋｍ／ｈでトンネルの距離が１５ｋｍまでは、トンネル出口までの間に後続（２段目）の圧縮波が１段目の圧縮波に追いつかないことが確認される。また、列車速度が速くなるにつれて後続の圧縮波が前方の圧縮波に追いつきやすくなること、列車最大横断面積が増大するのにつれて後続の圧縮波が前方の圧縮波に追いつきやすくなることが確認される。
【００３９】
したがって、車体形状の設計に際しては車体先端から一般断面部（最大横断面積）にわたって横断面積を段階的に複数に分けて増大させるとともに、それらの横断面積変化領域の間隔および各段目間の横断面積比を、トンネル長さや列車速度等を考慮して決定する必要がある。
【００４０】
上記に本発明に係る車体形状の実施例を示したが、本発明は下記のように実施することができる。すなわち、
▲１▼ 車体の上面を後方へ上向きに横断面積が増大するように変化させるだけでなく、車体の両側面を後方へ外向きに横断面積が増大するように変化させることができる。
【００４１】
▲２▼ 横断面積を段階的に変化（増大）させる領域は２カ所以上であれば、いくつでもよく、また各変化領域間には横断面積が一定の領域を車体の前後方向にできるだけ長く設けることが望ましい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係る車体形状によれば、下記のような優れた効果がある。
【００４３】
(1) 請求項１の発明では、鉄道先頭車両の車体の先端より最大横断面積部となる一般断面部に至る横断面積分布において、横断面積が変化（増大）する領域を車体の前後方向に沿って複数箇所に分けて設けているので、車体先端から一般断面部にかけて連続的に横断面積を増大させた従来の車体形状に比べて、圧力変化の状態が緩やかになり、しかも段階的に分散されて圧力が最大に達するから、圧縮波の圧力勾配の時間変化率を低減することができる。この結果、トンネル出口で発生するトンネル微気圧波による爆発音を小さくしたり、出口周辺での家屋の振動などを削減できる。また、上記公報に記載の従来の車体形状に比べて本発明に係る車体形状は単純であるから、車体の設計が簡単になるだけでなく、製作が極めて容易になって、製作に要する期間の短縮を図れる。
【００４４】
車体の横断面積変化領域を２カ所にするので、形状がより簡略化されるとともに、横断面積変化領域の間隔を大きくとりやすくなるので、２段目の圧縮波が１段目の圧縮波に追いつくことを容易に阻止でき、トンネル出口から外部に放射される微気圧波を低減させる効果を有効に発揮させられる。
【００４５】
(2) 請求項２の発明では、圧縮波が２段階に分散されて低減されるととともに、１段目と２段目の圧縮波の生じる距離が十分に離れ、かつ横断面積比が大きいので、トンネルの距離が余程長くならない限り、トンネル出口で分散された微気圧波が集合されて発生することが阻止され、爆発音や振動等を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図１(ａ)は平面図、図１(ｂ)は側面図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図２(ａ)は平面図、図２(ｂ)は側面図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図３(ａ)は平面図、図３(ｂ)は側面図である。
【図４】本発明の第４実施例に係る先頭車両の車体形状を示すもので、図４(ａ)は平面図、図４(ｂ)は側面図、図４(ｃ)は正面図である。
【図５】従来の一般的な先頭車両の車体構造を示すもので、図５(ａ)は平面図、図５(ｂ)は側面図である。
【図６】本発明の第６実施例に係る段付き車体と段無し車体の断面積分布を表す模式図である。
【図７】図９に示す条件に基づいて求めた本発明の段付き車体モデルによる×位置で測定した圧力変化線図である。
【図８】図７の圧力変化線図を時間（ｓ）で微分して求めた線図で、時間に対する圧力の変化率を表している。
【図９】本発明の実施例に係る段付き車体がトンネルに突入する際の圧力変化線図を求めるための計算条件を示す模式図である。
【図１０】鉄道先頭車両の１段目列車横断面積と２段目列車横断面積の大きさや間隔の関係を示す車体モデルの模式図で、図６に対応するものである。
【図１１】図１０に示す車体モデルの列車がトンネル内に突入する際の１段目の圧縮波による圧力上昇と２段目の圧縮波による圧力上昇および両圧縮波の間隔の関係と１段目圧縮波の伝播速度と２段目圧縮波の伝播速度の関係を示す模式図である。
【図１２】図１２〜図１６は、トンネルの入口に列車が突入する際に発生した最初（１段目）の微気圧波にトンネル出口までの間に後続（２段目）の微気圧波が追いついてしまい、横断面積変化領域を複数に分断した作用効果が期待できないおそれがあるので、これに関連する要素である１段目と２段目の横断面積比および１段目と２段目の間隔（距離）などと有効なトンネル長さの関係について示す線図である。そして、図１２は列車速度２４０ｋｍ／ｈ、列車一般部面積１１ｍ² の場合を示す。
【図１３】図１２と同様な線図で、列車速度２７０ｋｍ／ｈ、列車最大横断面積１１ｍ² の場合を示す。
【図１４】図１２と同様な線図で、列車速度３００ｋｍ／ｈ、列車最大横断面積１１ｍ² の場合を示す。
【図１５】図１２と同様な線図で、列車速度２７０ｋｍ／ｈ、列車最大横断面積７ｍ² の場合を示す。
【図１６】図１２と同様な線図で、列車速度２７０ｋｍ／ｈ、列車最大横断面積１３ｍ² の場合を示す。
【符号の説明】
１₁・１₂・１₃・１₄…車体（本発明例）
１…車体（従来例）
２〜４…横断面積変化領域
Ｔ…トンネル

Claims

鉄道先頭車両の車体の先端より最大横断面積部となる一般断面部に至る横断面積分布において、横断面積が変化する領域を車体の前後方向に沿って複数箇所に分けて設けた鉄道先頭車両の車体形状であって、
前記車体の先端部分をやや後方に傾斜させて上方に立ちあげることにより１段目の横断面積変化領域を形成したのち、横断面積をほぼ一定に保ってほぼ水平に後方に延設したのち、再びやや後方に傾斜させて上方に立ちあげることにより２段目の横断面積変化領域を形成したことを特徴とする鉄道先頭車両の車体形状。
前記１段目横断面積／前記２段目横断面積の面積比が０．６以上で、前記１段目と前記２段目の横断面積変化領域の間隔を１５ｍ以上にした請求項１記載の鉄道先頭車両の車体形状。