JP3935285B2

JP3935285B2 - パンタグラフ

Info

Publication number: JP3935285B2
Application number: JP06951599A
Authority: JP
Inventors: 充池田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2019-03-16
Also published as: JP2000270403A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空中に架設されたトロリ線から鉄道車両に電気を供給するための集電装置（パンタグラフ）に関する。特には、空力騒音を低下させることができる翼形の舟体を有するパンタグラフであって、舟体の揚力変化によって生じるトロリ線との接触力変動を一定の範囲内に抑制することができるよう改良を加えたパンタグラフに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
鉄道車両用集電装置の低空力音化のため、舟体の断面形状を楕円形あるいは翼形にすることは従来より試行されていた。しかし、楕円形あるいは翼形の断面形状の舟体には揚力が発生する。舟体に揚力が発生するとトロリ線と摺り板との接触力が増加して、トロリ線に過大な応力が発生するという弊害が生じる。この弊害を予防するには、舟体に発生する揚力を一定の範囲内に抑制する必要がある。
【０００３】
このため、舟体の押上力を車両の速度に応じて変化させて、摺り板とトロリ線との接触力の増加を抑えることが考えられている。しかし、この方法では、列車がトンネル内を走行する際に舟体の揚力発生が大きくなるという現象に対応できず、採用が難しい。
【０００４】
そこで、本発明者らは特開平７−１６３００５号により開示された技術を提案した。この提案の主旨は次のとおりである。すなわち、舟体に発生する揚力の空力中心よりも列車進行方向の前方側に舟体の回転中心を設ける。これにより、舟体に上向きの揚力が発生した場合には頭下げのピッチングモーメントが発生し、上向きの揚力が発生しなくなる姿勢まで舟体が回転する。逆に、舟体に下向きの揚力が発生した場合には頭上げのピッチングモーメントが発生し、下向きの揚力がなくなるような位置まで舟体が回転する。さらに、舟体の運動が不安定となることを防ぐためにダッシュポットにより減衰を与える。以上の原理に基づいて、舟体に過大な揚力が発生することを防ぐことができる。
【０００５】
しかしながら、舟体の上面に貼られた摺り板の摩耗程度や車速等によって舟体の空力中心の位置は変動するので、舟体の空力中心の位置を調整することはなかなか難しい。本発明者らは、空力中心位置調整の一手法として、舟体の前縁部表面にアルミニウム金網メッシュ（以下ラフネスという）を付けることを試行したが、この方法も時系列的な空力中心位置の変動に対応し得るものではない。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、空力騒音を低下させることができる翼形の舟体を有するパンタグラフにおいて、舟体の揚力変化によって生じるトロリ線との接触力変動を一定の範囲内に抑制することができるパンタグラフを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
上記課題を解決するため、本発明のパンタグラフは、摺り板を介してトロリ線に押し付けられる舟体を備えるパンタグラフであって；舟体前縁部に空気を吐き出すか又は吸い込む空気孔を有し、
該空気孔は、圧縮空気が溜められているか負圧となっている空気溜につながっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のパンタグラフにおいては、上記空気孔が舟体前縁部の上部と下部にそれぞれ設けられており、該空気孔の吐き出し・吸い込みの程度を調整する調整手段をさらに有することが好ましい。この態様のパンタグラフにおいては、上記舟体が軸回りに回動可能に設けられており、上記調整手段を作動させることにより舟体に生じる揚力の空力中心の位置を調整することができる。
【０００９】
本発明者らは、上記ラフネスの作用について解析したところ、「ラフネスの存在により、舟体表面の流れが前縁付近で乱れるため、前縁部における空気圧力低下を抑えている。それとともに、後縁部において空気流の剥離が促進され、結果として風圧中心が下流側に移動している。」ことを見いだした。つまり、ラフネスは舟体前縁部において流れに擾乱を与えることにより流れに乱れを与える作用をしている。
このラフネスに代わり、舟体から空気を吹き出すことによって流れに擾乱を与え、空力中心を下流側に移動させようというのが本発明の元となったアイデアである。また、発想を逆にして「正圧面側（圧力が大きな面：迎角が正のときには下面側、迎角負のときには上面側）の圧力低下をさらに助長するため、境界層の吸い込みによって舟体前縁部の表面圧力をさらに低下させよう」とするのが空気の吸い込みの原理である。
なお、本発明は、パンタグラフ揚力の空力中心の移動という思想に限定されるものではなく、パンタグラフの様々な挙動のコントロール全般に及ぶものである。
【００１０】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の第１実施例にかかるパンタグラフの構成を模式的に示す図である。図中には最上部にトロリ線１が示されており、最下部に車体（屋根）７が示されている。パンタグラフ３は、車体７の上に搭載されている。
パンタグラフ３は、舟体１３及びその押し上げ機構４０を備える。舟体１３は、この例では、横から見て翼形をしたアルミニウム製の板金構造物である。舟体１３の上には摺り板１１が貼られている。摺り板１１は鉄等の焼結合金である。摺り板１１は車体の幅方向に長く延びている（長さ例５００〜６００mm）。摺り板１１はトロリ線１と接触して電気供給を受ける。
【００１１】
この例では、舟体１３は軸１５回りに回動可能である。軸１５は、押し上げ機構４０の最上部のバネシリンダ４３のロッド４１に対して固定されている。この軸１５には、舟体１３との間に復元ゴム１７も介設されている。したがって、舟体１３は、復元ゴム１７による復元力を受けながらも、軸１５の回りに回動可能である。
【００１２】
押し上げ機構４０は、バネシリンダ４３、リンク５１及びエアシリンダ５５を備える。エアシリンダ５５を操作することによって、舟体１３を上げ下げ可能である。リンク５１及びエアシリンダ５５は、車体７の上の絶縁架台５上に固定されている。同架台５と車体７との間は、絶縁碍子５９が介装されており電気絶縁されている。
【００１３】
バネシリンダ４３は、ロッド４１とそれを上方に付勢するバネ４５を有する。バネ４５の付勢力が、ロッド４１、舟体１３を介して摺り板１１に伝わり、トロリ線１との接触力を生む。なお、接触力をＣ、舟体に働く揚力をＬ、舟体・摺り板・ロッドの重力をＷ、バネ力をＳとすると以下となる。
Ｃ＝Ｓ＋Ｌ−Ｗ
【００１４】
舟体１３の前縁部には、上下２段の空気孔２１、３１が開けられている。なお、舟体１３は車体の幅方向に延びているので、空気孔２１、３１は舟体１３の幅方向にある間隔で多数設けられている。空気孔２１、３１は、舟体１３内の空気管２３、３３につながっている。各空気管２３、３３には、絞り弁２５、３５が設けられており、上下の各空気孔２１、３１からの空気の吐き出し量あるいは吸い込み量を調整できる。
【００１５】
空気管２３、３３は、ホース６１及び空気管６５を介して、車内の空気溜７１につながっている。なお、空気管６５からは、エアシリンダ５５行きの空気管６３も分岐している。空気溜７１には、コンプレッサ７３から圧縮された空気が供給される。なお、空気孔２１、３１から空気を吸い込む場合には、コンプレッサ７３を逆転させ空気溜７１を負圧とする。
【００１６】
この実施例のパンタグラフでは、次のように揚力及び空力中心の調整を行う。まず、揚力を減らすには、下空気孔３１からの空気吐き出しを相対的に増すか上空気孔２１からの空気吸い込み量を相対的に減らす。揚力を増すにはその逆を行う。
【００１７】
次に、空力中心を後ろに移動させるには、舟体１３の前縁部において流れに乱れを与え、前縁部の圧力低下を抑制するとともに、舟体後縁部の圧力回復を遅らせる。こうすることによって、舟体回りの圧力分布が変化し、空力中心を後ろに移動することができる。
舟体前縁部において流れを乱す手段として、空気の吐き出しあるいは吸い込みを用いる。空気孔２１、３１は舟体１３の幅方向に間欠的に設けられているため、空気孔のある場所とない場所とでは表面圧力が異なり、境界層にじょう乱を与えることが可能である。
【００１８】
摺り板１１が摩耗して減ってきた場合は、舟体１３と摺り板１１からなる翼の上面がフラットになるため、空力中心は鉛直方向上方へ移動し、結果として揚力は上がる。そこで、上述の揚力を下げる調整を行って揚力を必要以上に上げないように調整できる。
あるいは、非常に応答の遅い制御として、摺り板摩耗による空力特性の変化の補償をすることを追加機能とする。すなわち舟体のひずみとして回転軸のひずみを計測し、その直流分の増減に対応して空気吐き出し量を変化させる。
【００１９】
図２は、本発明の第２実施例に係るパンタグラフの構成を模式的に示す図である。この例では、舟体１１３はバネシリンダ１４３のロッド１４１に対して回動不能に固定されている。一方、バネシリンダ１４３には、バネ１４５のたわみを検知するためのたわみセンサ１４７が取り付けられている。このセンサは電気式、磁気式、センサ光式等を用いることができる。さらに、舟体１１３には歪センサ１４９が取り付けられている。この歪センサ１４９にはストレインゲージ等を利用できる。
たわみセンサ１４７及び歪センサ１４９の信号は制御部１５０に送られる。制御部１５０は、後述する方法により、各空気管１２３、１３３の絞り弁１２５、１３５をコントロールし、上下の各空気孔１２１、１３１からの空気の吐き出し量あるいは吸い込み量を調整する。
【００２０】
ここで上述の式を再掲する。
Ｃ＝Ｓ＋Ｌ−Ｗ
なお、舟体とトロリ線との接触力をＣ、舟体に働く揚力をＬ、舟体・摺り板・ロッドの重力をＷ、バネ力をＳとする。
【００２１】
上記バネシリンダ１４３のたわみセンサ１４７によりバネ力Ｓがわかり、舟体１１３の歪センサ１４９により接触力Ｃが分かる。舟体１１３等の重力Ｗは基本的には一定である（摺り板の摩耗による変動は無視できる）。したがって、上の式から実際の揚力Ｌが分かる。この原理により、揚力Ｌを積極的にコントロールすることとすれば、接触力Ｃが一定になるようにコントロールできる。
【００２２】
図３は、舟体に働く揚力を計測しながら揚力をアクティブコントロールする制御の基本的な考え方を示すブロック図である。すなわち、揚力を計測して（００１）、揚力を下げるか上げるかを判断する（００２）。揚力を下げる必要があるときは、舟体の下面側の空気吐き出し量を増すか上面の側の空気吸い込み量を減らす（００３）。一方、揚力を上げる必要があるときは、舟体の上面側の空気吐き出し量を増すか下面側の空気吸い込み量を減らす（００４）。
【００２３】
次に、従来のラフネスの取り付けの場合と、本発明の空気の吐き出し又は吸い込みの場合の二つの場合における、騒音の発生の如何について考察する。ラフネスの取り付けは空力音の増加をもたらすことは、実験により分かっている。空力音を低下させるためには、空気流の乱れの相関長さ、すなわち位相のそろった乱れを減らすことが重要である。ラフネスの場合、その形状が一様であるため、位相のそろった乱れが生じやすい。これに対して空気吐き出し、吸い込みの場合には、乱れの相関はその吐き出し孔、吸い込み孔の近傍程度に限られると考えられ、空力音の低減が可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、摺り板の摩耗等により舟体の空力特性が変化しても、舟体前縁部の空気孔から空気を吐き出すか又は吸い込むことによって、トロリ線との接触力変動を一定の範囲内に抑制することができる。同時に空力音低減効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るパンタグラフの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第２実施例に係るパンタグラフの構成を模式的に示す図である。
【図３】舟体に働く揚力を計測しながら揚力をアクティブコントロールする制御の基本的な考え方を示すブロック図である。
【符号の説明】
１トロリ線（給電線）３パンタグラフ
５絶縁架台７車体
１１摺板１３舟体
１５軸１７復元ゴム
１９軸受２１、３１空気孔
２３、３３空気管２５、３５絞り弁
４０押し上げ機構４１ロッド
４３バネシリンダ４５バネ
５１リンク５５エアシリンダ
５９絶縁碍子６１、６３ホース
６５空気管７１空気溜
１４７バネ力センサ１４９歪センサ

Claims

摺り板を介してトロリ線（給電線）に押し付けられる舟体を備えるパンタグラフであって；
舟体前縁部に、空気を吐き出すか又は吸い込む空気孔を有し、
該空気孔は、圧縮空気が溜められているか負圧となっている空気溜につながっていることを特徴とするパンタグラフ。
上記空気孔が舟体前縁部の上部と下部にそれぞれ設けられており、
該空気孔の吐き出し・吸い込みの程度を調整する調整手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ。
上記舟体が軸回りに回動可能に設けられており、
上記調整手段を作動させることにより舟体に生じる揚力の迎角を調整することを特徴とする請求項２記載のパンタグラフ。
上記舟体に働く揚力を計測するセンサと、
このセンサからの信号に応じて上記調整手段を作動させる制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２記載のパンタグラフ。