JP2005287209A - パンタグラフの接触力変動低減方法及びパンタグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】 計測系の構成を簡単にでき、より簡便に接触力変動の低減を図ることができるパンタグラフの接触力変動低減方法等を提供する。
【解決手段】 本方法は、支持バネ１１の変位をセンサで測定し、このセンサで検知した支持バネ１１の変位の変動の低周波数成分（例えば１〜３Ｈｚ以下）をゼロに近づけるようにアクチュエータを制御する。すなわち、支持バネ１１の変位の低周波成分を制御目標量Ｆ_Ｔとし、この低周波成分をゼロに近づけるように制御する。センサは、制御目標量Ｆ_Ｔとなる支持バネ１１の変位を測定するものであるため、数が少なくて済み、測定自体も容易である。さらに、本方法は、低周波数成分の変動に着目し、舟体３と支持機構１０との変位の位相差が小さいこと、舟体３の慣性力を無視できることといった利点を考慮しており、制御アルゴリズムの簡単化も実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気鉄道におけるトロリ線（架線）とパンタグラフとの間に作用する接触力の変動を低減する方法、及び、接触力変動の低減が可能なパンタグラフに関する。

現状の電気鉄道においては、トロリ線（架線）から車体屋根に搭載されたパンタグラフを介して車両に電力を送る方式が一般的である。このようなパンタグラフは、トロリ線に押し当てられる舟体（すり板を含む）や、舟体を昇降可能に支持するとともに、トロリ線に押し当てる押上力を与える支持機構、支持機構と舟体との間に介装された支持バネ（復元ばね）・ダッシュポット等を備えている。

トロリ線とパンタグラフの舟体との接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動によって変動する。この接触力の変動が大きすぎると、パンタグラフの舟体がトロリ線から離れる離線現象が生じるおそれがある。離線が頻発すると、舟体とトロリ線との間にスパークが生じて、すり板の摩耗が進み、問題となる。また、離線に至らない場合でも、パンタグラフの接触力は極力変動の小さい方がよい。

トロリ線とパンタグラフの舟体との間に作用する接触力の変動を低減する技術のうち、いわゆるアクティブ方式のものがいくつか提案されている。その例として、特開平８−８４４０１号公報（特許文献１）や特表２０００−５１３９１９号公報（特許文献２）がある。

特許文献１には、トロリ線とすり板体（舟体）との接触力を、圧電アクチュエータで枠組体（支持機構）を伸縮させて調整する装置が開示されている。この装置においては、接触力の測定にロードセルが用いられる。
この装置によれば、ロードセルで測定されたトロリ線と舟体との接触力が、所定の値より小さいときは圧電アクチュエータで支持機構を伸ばして接触力を増加させ、逆に所定の値より大きいときは圧電アクチュエータで支持機構を縮めて接触力を減少させる。そして、この装置に備えられる圧電アクチュエータは、応答速度が速いので、振動等に伴う接触力の増減に対する追従性が良好であるとされている。

特許文献２には、集電装置（パンタグラフ）上部のパンタグラフヘッドの近くに配置されたアクチュエータを有し、予め定められた静的押圧力と、接触力変動と反対方向に作用するアクチュエータ力とを加えた押圧力が、すり条片（舟体）に直接的又は間接的に伝達されるよう構成された装置が開示されている。この装置では、押圧力の制御に用いる架線と舟体との接触力の値を、変位測定装置（例えばファイバー光学的なセンサ）やロードセル等を用いて測定する、あるいは、舟体の加速度から推定する等によって計測する。
この装置によれば、静的押圧力とアクチュエータ力とを加えた力を舟体に伝達させることで、車両速度に関係なく、接触力変動を最小限に抑えることができるとされている。

特開平８−８４４０１号公報 特表２０００−５１３９１９号公報

前述の特許文献１又は２の各装置においては、制御目標量となる値はトロリ線とパンタグラフの舟体との間の接触力そのものである。そして、この接触力の値を、ロードセル等で測定したり、舟体の加速度等から推定したりしているため、接触力の計測方法が比較的複雑である。また、接触力を正確に測定するためには、数多くの計測用センサが必要になる。パンタグラフは高電圧に加圧されているため、多くのセンサを組み込むことに伴う、センサ電源の確保、信号の伝送、ノイズ対策などが非常に大変であり、コストもかかる。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであって、計測系の構成を簡単にでき、より簡便に接触力変動の低減を図ることができるパンタグラフの接触力変動低減方法及びパンタグラフを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため、本発明のパンタグラフの接触力変動低減方法は、トロリ線（架線）に押し当てられる舟体と、 該舟体を昇降可能に支持するとともに、前記トロリ線に押し当てる押上力を制御するアクチュエータを具備する支持機構と、 該支持機構と前記舟体との間に介装された支持バネと、を備えるパンタグラフの、前記トロリ線への接触力の変動を低減する方法であって、 前記支持バネの変位又は力をセンサで測定し、 該センサで検知した前記支持バネの変位又は力の変動の低周波数成分のみに対応して前記アクチュエータを制御することを特徴とする。

この方法によれば、支持バネの変位又は力をセンサで測定し、このセンサで検知した支持バネの変位又は力の変動の低周波数成分（例えば２〜３Ｈｚ以下）をゼロに近づけるようにアクチュエータを制御する。すなわち、支持バネの変位の低周波成分を制御目標量とし、この低周波成分をゼロに近づけるように制御する。センサは、制御目標量となる支持バネの変位又は力を測定するものであるため、数が少なくて済み、測定自体も容易である。さらに、本方法は、低周波数成分の変動に着目し、舟体と支持機構との変位の位相差が小さいこと、舟体の慣性力を無視できることといった利点を考慮しており、制御アルゴリズムの簡単化も実現できる。

なお、支持バネの変位又は力の変動の低周波数成分は、主に前記トロリ線を支持する柱の径間周期（例えば４０〜６０ｍ）の接触力変動に起因するものが支配的であり、このような低周波成分に比べて高周波成分は振動強度が小さい。そこで、高周波成分についてはアクティブ制御の対象外とすることで、より簡便に接触力変動の低減を図ることができる。そして、このような制御を行って接触力の変動を低減することで、離線発生の抑制や過大なトロリ線の押上力の抑制、トロリ線の歪みの抑制を実現でき、パンタグラフの集電性能を向上することができる。

本発明のパンタグラフは、トロリ線（架線）に押し当てられる舟体と、 該舟体を昇降可能に支持するとともに、前記トロリ線に押し当てる押上力を制御するアクチュエータを具備する支持機構と、 該支持機構と前記舟体との間に介装された支持バネと、 該支持バネの変位又は力を測定するセンサと、 該センサで検知した前記支持バネの変位又は力の変動の低周波数成分のみに対応して前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、計測系の構成を簡単にでき、より簡便に接触力変動の低減を図ることができるパンタグラフの接触力変動低減方法等を提供できる。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施例に係るパンタグラフの接触力変動低減方法の制御系統ブロック図である。
図２は、本実施例に係るパンタグラフ全体の機構図である。
図３は、本実施例に係るパンタグラフの計測系の構成を概念的に示す図である。
図４（Ａ）はトロリ線の設置状態を模式的に示す図である。図４（Ｂ）はパンタグラフの接触力変動の一例を示すグラフであり、縦軸はパンタグラフ高さ（単位ｍｍ）を表し、横軸は車両の走行距離（単位ｍ）を表す。

まず、図２を参照しつつ、本実施例に係るパンタグラフの機構について説明する。
図２に示すパンタグラフ１は、電車の車体屋根２上に搭載されている。このパンタグラフ１は、舟体３と、この舟体３を車体屋根２上で昇降可能に支持する支持機構１０を備えている。

舟体３は、車体幅方向（左右方向：図２の紙面表裏方向）に沿って延びる箱状体である。この舟体３は、一例でアルミニウム合金等からなる。舟体３には、微動バネ６及びダッシュポット７を介して、すり板５が設けられている。このすり板５は、一例で鉄系や銅系の焼結合金製、あるいは、カーボン系材料等からなる。このすり板５がトロリ線（架線）Ｔに直接接触する。
なお、舟体３とすり板５とを合わせて舟体と呼称することもある。

舟体３は、支持機構１０で昇降可能に支持されている。この支持機構１０の上部には、舟体３の下面に連結された支持バネ（復元バネ）１１及びダッシュポット１２が設けられている。支持バネ１１及びダッシュポット１２は、枠状の舟支え１３に支えられている。舟体３は、支持機構１０が上昇した後には、ダッシュポット１２で減衰力が付与されつつ、支持バネ１１の弾性力でトロリ線Ｔに押し付けられる。

舟支え１３は、昇降運動を行う枠組（図２の例では４節リンク）に連結されている。支持機構１０の枠組は、前後方向（レール長手方向）に延びる上枠１７を備えている。この上枠１７の上端は、連結部１６を介して舟支え１３に連結されている。上枠１７の下端側は、くの字状に屈曲された形状となっている。この上枠１７下端のくの字屈曲部には、第一節１８を介して下枠１９の上端が連結されている。舟支え１３下端側と下枠１９上端側は、上枠１７の下方に配置された舟支えリンク２１で繋がれている。この舟支えリンク２１は、舟支え１３及びその上の舟体３を正規の姿勢に保つ役割を果たすリンク部材である。上枠１７の下端には、第三節３１を介して釣り合い棒３３の上端が連結されている。この釣り合い棒３３の下端は、第四節３５を介して車体屋根２上の取付フランジ３７に連結されている。

下枠１９の下端は、主軸（第二節）２３に連結されている。この主軸２３は、車体屋根２上の取付フランジ３８に回動可能に取り付けられているとともに、車体屋根２上に配置された主バネ２７及びダッシュポット２８に連結されている。主バネ２７は、パンタグラフ１の支持機構１０の枠組に上昇力を与えるバネである。さらに、主バネ２７の下側には、制御用アクチュエータ４１が配置されている。この制御用アクチュエータ４１の出力端は、連結部材４２を介して主軸２３に連結されている。制御用アクチュエータ４１は、舟体３・すり板５をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を制御するためのアクチュエータである。一方、車体屋根２上には、パンタグラフ１の昇降用アクチュエータ４５が設けられている。この昇降用アクチュエータ４５は、主軸２３から延びるてこ部材４６に当接可能となっている。

ここで、パンタグラフ１の昇降動作について説明する。
舟体３は、主バネ２７の付勢力により下枠１９が主軸２３を支点として図２中Ｕ方向に起き上がり、この下枠１９の動きが第一節１８を介して上枠１７に伝わり、さらに上枠１７が図２中Ｕ′方向に起き上がり、連結部１６を介して舟支え１３が持ち上がることで上昇する。このように舟体３が上昇すると、すり板５がトロリ線Ｔに押し当てられる。これとは逆に、舟体３を下降させるには、昇降用アクチュエータ４５によって、てこ部材４６をＤ方向に回転させる。すると、てこ部材４６を介して主軸２３が前述とは逆に回転し、主バネ２７が付勢力に抗して伸びるとともに、下枠１９が図２中Ｄ方向に下がる。そして、上枠１７が図２中Ｄ′方向に回転し、パンタグラフ１が下降する。

次に、図３を参照しつつ、制御用アクチュエータ４１の具体例及び支持バネ１１の計測系について説明する。なお、この図３では、図２に示すパンタグラフ１の構成部材のうちの一部が図示省略されている。
本実施例では、前述の制御用アクチュエータ４１としてエアシリンダを用いるものとする。本実施例におけるエアシリンダ４１は、空気配管５１を介して空気元だめ５３並びにリザーバタンク５４に繋がっている。この空気配管５１の途中は、空気碍子５５を貫通している。さらに、空気配管５１の途中には、高速電磁弁５７が組み込まれている。

本実施例における支持バネ１１の力の計測系（舟体変位の計測系）には、光ファイバ式の歪みゲージが用いられる。すなわち、支持バネ１１には、光ファイバ式の歪みゲージ６０が設けられている。この歪みゲージ６０は、光ファイバ６１及びそれが貫通する碍子６３を介して、コントローラ６５に接続されている。そして、このコントローラ６５は、前述の高速電磁弁５７に接続されている。歪みゲージ６０は、支持バネ１１の歪みから支持バネ１１の変位を計測するセンサの役割を果たす。この支持バネ１１の変位の計測結果は、光ファイバ６１を介してコントローラ６５に送られる。

ここで、図４（Ａ）に示すように、トロリ線を支える電柱は、通常４０〜６０ｍおきに立ち上げられている（この電柱の間隔を径間という）。トロリ線は、電柱間に架け渡された吊架線に複数のハンガを介して吊られている。各ハンガの間隔は、一例で５ｍである。図４（Ｂ）は、電柱間の距離（径間）が５０ｍの軌道において時速３００ｋｍで走行する鉄道車両の、パンタグラフ高さ変化を数値シミュレーションにより求めたデータの一例が示されている。図中実線のグラフは車両進行方向前側のパンタグラフの高さ変動を表し、図中点線のグラフは車両進行方向後側のパンタグラフの高さ変動を表す。この図のグラフから、パンタグラフの高さは、トロリ線の吊架状態に応じて周期的に、おおよそ２０〜３５ｍｍの範囲で変動し、これによって接触力も変動することがわかる。

支持バネ１１の変位の変動の低周波数成分（図４に示す径間５０ｍの場合では２〜３Ｈｚ以下）は、主に径間周期の接触力変動に起因するものが支配的であり、この低周波成分に比べて高周波成分は振動強度が小さい。そこで、本実施例のコントローラ６５は、高周波成分については制御の対象外とし、歪みゲージ６０で測定した支持バネ１１の力の変動低周波数成分をゼロに近づけるよう、図１に示すアルゴリズムにしたがって前述のエアシリンダ（制御用アクチュエータ４１）をアクティブ制御する。このエアシリンダの制御は、図３の高速電磁弁５７の開閉度を調整することで行われる。

図１には、前述のパンタグラフ１がモデル化されて示されている。この図１のパンタグラフ１においては、舟体（ここでは前述の舟体３、すり板５及びそれらの間の微動バネ６・ダッシュポット７が纏めて図示されている）の質量をｍ１、支持機構の枠組の質量をｍ２とする。さらに、舟体と支持機構との間の支持バネ１１のバネ定数をｋ１、ダッシュポット１２の減衰係数をｃ１、舟体３の変位をｙ１とし、ダッシュポット２８の減衰係数をｃ２、支持機構１０の変位をｙ２とする。支持バネ１１の変位ｙ１−ｙ２は、図３を用いて前述した計測系において求められる。

本実施例におけるコントローラ６５は、比例積分微分（ＰＩＤ：Proportional-Integral-Differential）制御器６６を有している。ＰＩＤ制御器６６は、比例動作に積分動作と微分動作を加えた制御を行い、残留偏差をなくすように前述のエアシリンダ（制御用アクチュエータ４１）の出力Ｐ_０を制御する。このＰＩ制御器６６には、トロリ線Ｔから舟体３に加わる接触力
Ｆ_Ｃ＝（ｙ１−ｙ２）ｋ１＋（dｙ１/dt−dｙ２/dt）ｃ１
と、制御目標量Ｆ_Ｔとが入力されて両者の差が演算され、エアシリンダに対する操作量Ｆ_ｃｏｎｔが出力される。このようなアルゴリズムによって、制御目標量Ｆ_Ｔの変動低周波数成分をゼロに近づけるようなエアシリンダ出力Ｐ_０が与えられる。なお、エアシリンダ及び高速電磁弁の動特性の補償ならびにパンタグラフ動特性の補償のため、ＰＩＤ制御器の直後にこれらの補償器を挿入することができる。

本実施例では、低周波数成分（約１〜３Ｈｚ）の変動に着目することで、舟体３と支持機構１０との変位の位相差が小さいこと、舟体３の慣性力を無視できることといった利点を活用することができ、図１のような簡単な制御アルゴリズムを実現している。そして、このようなアルゴリズムにしたがってエアシリンダ（制御用アクチュエータ４１）の出力Ｐ_０を制御することで、径間周期の接触力変動を抑制することができ、よってパンタグラフの集電性能を向上することができる。

本実施例に係るパンタグラフの接触力変動低減方法の制御系統ブロック図である。 本実施例に係るパンタグラフ全体の機構図である。 本実施例に係るパンタグラフの計測系の構成を概念的に示す図である。 図４（Ａ）はトロリ線の設置状態を模式的に示す図である。図４（Ｂ）はパンタグラフの接触力変動の一例を示すグラフである。

符号の説明

Ｔ トロリ線
１ パンタグラフ ３ 舟体
５ すり板 １０ 支持機構
１１ 支持バネ １３ 舟支え
４１ 制御用アクチュエータ（エアシリンダ） ５３ 空気元だめ
５４ リザーバタンク ５７ 高速電磁弁
６０ 歪みゲージ ６１ 光ファイバ
６５ コントローラ

Claims (3)

1. トロリ線（架線）に押し当てられる舟体と、
   該舟体を昇降可能に支持するとともに、前記トロリ線に押し当てる押上力を制御するアクチュエータを具備する支持機構と、
   該支持機構と前記舟体との間に介装された支持バネと、
   を備えるパンタグラフの、前記トロリ線への接触力の変動を低減する方法であって、
   前記支持バネの変位又は力をセンサで測定し、
   該センサで検知した前記支持バネの変位又は力の変動の低周波数成分のみに対応して前記アクチュエータを制御することを特徴とするパンタグラフの接触力変動低減方法。
2. 前記支持バネの変位又は力の変動の低周波数成分が、主に前記トロリ線を支持する柱の径間周期の接触力変動に起因するものであることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフの接触力変動低減方法。
3. トロリ線（架線）に押し当てられる舟体と、
   該舟体を昇降可能に支持するとともに、前記トロリ線に押し当てる押上力を制御するアクチュエータを具備する支持機構と、
   該支持機構と前記舟体との間に介装された支持バネと、
   該支持バネの変位又は力を測定するセンサと、
   該センサで検知した前記支持バネの変位又は力の変動の低周波数成分のみに対応して前記アクチュエータを制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするパンタグラフ。
   

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