JP6654021B2 - パンタグラフの枠組及びその枠組を有するパンタグラフ - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に搭載されるシングルアーム型のパンタグラフの枠組及びその枠組を有するパンタグラフに関する。

電化区間を走行する鉄道車両には、パンタグラフが搭載される。パンタグラフは、集電舟を架空電車線（架線）のトロリ線に接触して集電する。従来から、シングルアーム型のパンタグラフが知られている（非特許文献１参照）。

図９に示されるように、シングルアーム型のパンタグラフ１０１は、集電舟２が垂直運動をするための枠組１０３を有する（非特許文献１の３．２．１参照）。枠組１０３は、集電舟２を上下方向に変位自在に支持するためのリンク機構である。このリンク機構は、複数のリンクが回転対偶による平面連鎖を構成している。リンクは、上枠１３１、下枠１３２、釣合棒１３４、平衡棒１３６、及び舟支え等１３８である。上枠１３１及び下枠１３２は、集電舟２を支持する。上枠１３１及び下枠１３２の交差角θが変化することによって、集電舟２が上下に変位する。釣合棒１３４は、下枠１３２と並んで台枠１０６上に設けられ、釣合棒１３４の長さ設定によって集電舟２が上下変位する軌跡が調整される。中空の上枠１３１に内蔵される平衡棒１３６、及び舟支え１３８によって、集電舟２の上下変位にかかわらず集電舟２の姿勢が一定に保たれ、集電舟２の上面が水平に維持される。シングルアーム型のパンタグラフは、菱形のパンタグラフと比べて、リンク機構を構成する棒状部材の数が少ないので、発生する空力音（空力騒音）が小さい。このため、シングルアーム型のパンタグラフは、高速鉄道の低騒音パンタグラフ等に用いられている。

架空電車線は、電柱等の支持物により支持されている。架空電車線のトロリ線は、ハンガによって吊られている。ハンガ間隔は、５メートルが標準である（非特許文献２、第六章 電気設備［第四十一条３］［解釈基準２０］参照）。トロリ線は、パンタグラフの集電舟によって押し上げられるので、動的高さが支持物間隔及びハンガ間隔で変化する。このため、パンタグラフは、枠組が動いて、集電舟をトロリ線の動的高さの変化に追従させる必要がある。鉄道車両の速度が高いほど、パンタグラフは、集電舟を高い周波数で追従させる必要があり、追従性能の向上が求められる。

パンタグラフの運動を計算する際に用いられるモデルに質点系モデルがある。例えば、図１０は、３質点モデルの一例を示す。図１０において、ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３は、枠組、集電舟の舟体、すり板をそれぞれ質点に置き換えた等価質量である。ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３は、それら質点を相互に接続するばねのばね定数である。ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３は、それらばねに並列のダンパ定数である。このような質点系モデルに基づき、上下方向の運動方程式が立てられ、パンタグラフの追従性能が評価される。なお、質点系モデルは、３質点モデルだけではなく、例えば、等価質量ｍ_２とｍ_３が一体となっている２質点モデルもある。また、一部のばね定数やダンパ定数が省略されることもある。

パンタグラフの追従性能を向上するには、等価質量を低減すればよい。例えば、枠組の等価質量ｍ_１は、主に支持物間隔の高さ変化に関係する。しかしながら、パンタグラフは、最低作用高さから最高作用高さまでの全作用範囲で集電できる必要があるので、枠組の寸法を短くすることには限界があり、枠組の等価質量ｍ_１を低減することは困難であった。なお、最低作用高さとは、十分な集電性能が保証できるすり板上面の最低高さである（非特許文献１の３．２．１１参照）。最高作用高さとは、十分な集電性能が保証できるすり板上面の最高高さである（非特許文献１の３．２．１２参照）。例えば、新幹線鉄道（全国新幹線整備法第二条で定義されている新幹線鉄道）では、最低作用高さは、レール面上４８００ｍｍであり、最高作用高さは、レール面上５３００ｍｍである。

また、台枠及び枠組の一部を風防で覆ったシングルアーム型のパンタグラフが知られている（例えば、特許文献１参照）。このパンタグラフは、風防に枠組を通す開口部がある。この開口部は、空力音の発生を防ぐために、上枠カバー及び下枠カバーで塞がれる。この上枠カバー及び下枠カバーは、パンタグラフの空力音を低減するが、枠組に固定されるので、枠組の等価質量を増加する。

特開２０１５−１１９６０２号公報

ＪＩＳ Ｅ ６３０２：２００４「鉄道車両用パンタグラフ」 「解説 鉄道に関する技術基準（電気編）第三版」国土交通省鉄道局監修

本発明は、上記問題を解決するものであり、等価質量が低減されるパンタグラフの枠組及び空力音が小さいパンタグラフを提供することを目的とする。

本発明のパンタグラフの枠組は、シングルアーム型であって、集電舟を上下方向に変位自在に支持するための上枠及び下枠を備え、前記下枠は、基端側が揺動自在に軸支され、先端側が水平より下を向いており、前記上枠は、その基端側が前記下枠の先端側と中間ヒンジで交差角可変に連結されており、集電時に先端側が水平より上を向いていることを特徴とする。

このパンタグラフの枠組において、前記下枠と並べて設けられる釣合棒と、前記釣合棒と平行に設けられる下枠側平行リンクと、前記上枠と平行に設けられる上枠側平行リンクとをさらに備え、前記下枠は、基端側が主軸で揺動自在に支持され、前記釣合棒は、基端側が釣合棒軸で揺動自在に支持され、前記下枠側平行リンクは、基端側が平行リンク軸で揺動自在に支持され、前記主軸、釣合棒軸及び平行リンク軸は、それぞれ位置が固定されており、前記釣合棒の先端側、下枠側平行リンクの先端側及び上枠側平行リンクの基端側は、それぞれ相対位置が一定である個別の軸で回動自在に支持され、前記釣合棒及び下枠側平行リンクは、平行四辺形における１組の対辺を構成するように設定され、前記上枠及び上枠側平行リンクは、別の平行四辺形における１組の対辺を構成するように設定される。

本発明のパンタグラフは、前記枠組を有するパンタグラフであって、前記上枠の頂部に設けられる集電舟と、前記主軸、釣合棒軸及び平行リンク軸が固定される台枠と、前記台枠、下枠、釣合棒及び下枠側平行リンク並びに前記上枠の下部を覆う風防とを有し、前記上枠側平行リンクは、前記上枠に内蔵され、前記風防は、前記上枠が挿通される開口部を有することを特徴とする。

このパンタグラフにおいて、前記枠組は、前記集電舟が上下方向に変位するときの前記上枠の上下方向の変位が、前記風防の開口部の近傍で最小となるように設定されていることが好ましい。

本発明のパンタグラフの枠組によれば、下枠及び釣合棒は、先端側が水平より下を向いているので、従来のパンタグラフのように下枠及び釣合棒を上に向けて持ち上げる必要がなく、枠組の等価質量が小さくなり、トロリ線への追従性能が向上する。本発明のパンタグラフによれば、風防が、台枠、下枠及び釣合棒等を覆うので、パンタグラフから発生する空力音を低減することができる。また、このパンタグラフは、本発明の枠組を有することにより、上枠と風防の開口部との隙間を小さくすることができるので、開口部が空力音の発生源となることを防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係るパンタグラフの側面図。 同パンタグラフの平面図。 同パンタグラフの正面図。 同パンタグラフを透視して示す枠組の側面図。 同パンタグラフを透視して示す枠組の側面図、（ａ）は作用高さＨ＝５３００ｍｍ、（ｂ）はＨ＝５１００ｍｍ、（ｃ）はＨ＝５０００ｍ、（ｄ）はＨ＝４９００ｍｍ、（ｅ）はＨ＝４８００ｍｍ。 同パンタグラフの台枠の平面図。 全作用範囲で作用高さを変化させたときの同パンタグラフを重ねて透視して示す上枠の側面図。 折り畳み時の同パンタグラフを透視して示す上枠の側面図。 従来のシングルアーム型のパンタグラフのリンク機構を示す図。 パンタグラフの質点系モデルの一例を示す図。

本発明の一実施形態に係る枠組及びその枠組を有するパンタグラフを図１乃至図８を参照して説明する。図１乃至図３に示されるように、本実施形態のパンタグラフ１は、シングルアーム型のパンタグラフであり、集電舟２と、枠組３と、風防４と、碍子５とを有する。

枠組３は、リンク機構であり、図４に示されるように、リンクとして、上枠３１及び下枠３２を有する。上枠３１及び下枠３２は、集電舟２を上下方向に変位自在に支持する。下枠３２は、基端側が揺動自在に軸支され、先端側が水平より下を向いている。上枠３１は、その基端側が下枠３２の先端側と中間ヒンジ３３で交差角可変に連結されており、集電時に先端側が水平より上を向いている。なお、パンタグラフ１における力の伝達経路において、碍子５に近い側を基端側、集電舟２に近い側を先端側という。

従来のシングルアームパンタグラフ１０１では、下枠１３２は、基端側が回動自在に軸支され、先端側が水平より上を向いている（図９参照）。同様に、釣合棒１３４も、先端側が水平より上を向いている。これに対して、本実施形態では、枠組３の下枠３２は、基端側が揺動自在に軸支され、先端側が水平より下を向いている（図４参照）。同様に、釣合棒３４も、先端側が水平より下を向いている。

上枠３１は、集電時に先端側が水平より上を向いている。集電時は、集電舟２は、作用範囲内（最低作用高さ以上、最高作用高さ以下）にある。なお、集電舟２が最低作用高さより低い時、例えば、パンタグラフ１の折り畳み時には、上枠３１は、先端側が水平より上を向いてもよいが、その必要はなく、先端側が水平を向いても、水平より下を向いても構わない。

集電舟２は、舟支え３８を介して、上枠３１の頂部に取り付けられる。上枠３１及び下枠３２は、舟支え３８を介して、集電舟２を支持する。集電舟２は、ばね（図示せず）によって押し上げられる。

上記のように構成された枠組３は、下枠３２が揺動することにより、上枠３１及び下枠３２の交差角が変化し、集電舟２が上下に変位する。釣合棒３４の長さ設定によって集電舟２が上下変位する軌跡が調整される。

図５（ａ）〜（ｅ）は、作用高さ（集電舟の上面の高さ）を変化させたときの枠組３の動きを、作用高さが高い順に、風防４を透視して示している。作用高さＨは、レール面上の高さで表している。図（ｃ）では、作用高さＨは、５０００ｍｍであり、新幹線鉄道における標準作用高さである。新幹線鉄道におけるトロリ線の静的な高さは、標準が５０００ｍｍであり、高速走行区間では、５０００ｍｍプラス・マイナス１００ｍｍ以内に整備されている。トロリ線は、パンタグラフによって押し上げられるので、動的な高さは、静的な高さよりも通常、数十ｍｍ程度高くなる。図５（ｂ）では、作用高さＨは、５１００ｍｍである。図５（ｂ）及び図（ｃ）において、下枠３２は、先端側（下端側）がほぼ真下を向いており、下枠３２を押し上げる必要はない。釣合棒３４は、下枠３２と並べて設けられるので同様の向きである。

図５（ａ）では、作用高さＨは、５３００ｍｍであり、新幹線鉄道における最高作用高さである。このとき、下枠３２は、先端側が、集電舟がある方向（図の右方向）に変位し、上枠３１の頂部が高くなっている。

図５（ｄ）では、作用高さＨは、４９００ｍｍであり、標準作用高さより低い。このとき、下枠３２は、先端側が、集電舟がある方向とは反対方向（図の左方向）に変位し、上枠３１の頂部が低くなっている。図５（ｅ）では、作用高さＨは、４８００ｍｍであり、新幹線鉄道における最低作用高さである。このとき、下枠３２は、先端側が、集電舟がある方向とは反対方向にさらに変位し、上枠３１の頂部がさらに低くなっている。

最低作用高さ（図５（ｅ））から最高作用高さ（図５（ａ））までの全作用範囲で、下枠３２は、先端側（下端側）が水平より下を向いている（図５（ａ）〜（ｅ）参照）。

このように、下枠３２及び釣合棒３４は、先端側が水平より下を向いているので、従来のパンタグラフ１０１のように下枠１３２及び釣合棒１３４を上に向けて持ち上げる必要がなく、枠組３の等価質量が小さくなり、トロリ線への追従性能が向上する。

次に、集電舟２の上下変位にかかわらず集電舟２の姿勢を一定に保つための構成について説明する。

枠組３は、リンクとして、上枠３１及び下枠３２以外に、釣合棒３４と、下枠側平行リンク３５と、上枠側平行リンク３６とを有する（図４参照）。釣合棒３４は、下枠３２と並べて設けられる。下枠側平行リンク３５は、釣合棒３４と平行に設けられる。下枠３２は、基端側が主軸３７で揺動自在に支持される。釣合棒３４は、基端側が釣合棒軸３４１で揺動自在に支持される。下枠側平行リンク３５は、基端側が平行リンク軸３５１で揺動自在に支持される。主軸３７、釣合棒軸３４１及び平行リンク軸３５１は、それぞれ位置が固定されている。釣合棒３４の先端側は、軸３４２で回動自在に支持される。下枠側平行リンク３５の先端側は、軸３５２で回動自在に支持される。上枠側平行リンク３６の基端側は、軸３６１で回動自在に支持される。これらの軸３４２、軸３５２及び軸３６１は、リンク金具３１２に設けられ、相対位置が一定となっている。釣合棒３４及び下枠側平行リンク３５は、平行四辺形における１組の対辺を構成するように設定される。上枠３１及び上枠側平行リンク３６は、別の平行四辺形における１組の対辺を構成するように設定される。

空力音を低減するため、上枠側平行リンク３６は、中空の上枠３１に内蔵される。

機構学によれば、枠組３における中間ヒンジ３３、主軸３７、釣合棒軸３４１、平行リンク軸３５１、軸３４２、軸３５２及び軸３６１の各軸は、リンク機構における対偶素であり、対偶の種類は、回り対偶である。このリンク機構は、平面連鎖を構成しており、その回り対偶における回転軸は、互いに平行である（図４の紙面に直交する方向）。

従来のシングルアームパンタグラフ１０１では、平衡棒１３６及び舟支え１３８によって、集電舟２の上下変位にかかわらず集電舟２の姿勢が一定に保たれ、集電舟２の上面が水平に維持される（図９参照）。これに対して、本実施形態では、下枠側平行リンク３５、上枠側平行リンク３６及びリンク金具３１２を新たに設け、集電舟２の上下変位にかかわらず集電舟２の姿勢を一定に保っている（図４参照）。

釣合棒３４及び下枠側平行リンク３５は、平行四辺形（第１の平行四辺形）における１組の対辺を構成するように設定される。この第１の平行四辺形において、釣合棒軸３４１と平行リンク軸３５１とを結ぶ上辺は、軸３４２と軸３５２とを結ぶ下辺と平行になる。釣合棒軸３４１及び平行リンク軸３５１は、それぞれ位置が固定されているので、上辺の角度は一定であり、軸３４２と軸３５２とを結ぶ下辺の角度も一定となる。上枠３１及び上枠側平行リンク３６は、別の平行四辺形（第２の平行四辺形）における１組の対辺を構成するように設定される。軸３４２、軸３５２及び軸３６１は、リンク金具３１２によって相対位置が一定であるので、そこに第１の平行四辺形及び第２の平行四辺形の下辺が存在することになり、それらの下辺の角度は一定となる。また、上枠３１の頂部には第２の平行四辺形の上辺が存在することになり、その上辺の角度は一定となる。この第２の平行四辺形の上辺の角度が一定であるので、集電舟２の上下変位にかかわらず集電舟２の上面が水平に維持される。

このように、枠組３において、互いに関連する２つの平行四辺形を構成することによって、枠組３が動いても、上枠３１の頂部に設けられる集電舟２の角度を正確に一定に保つことができる。

次に、上記の枠組３を有するパンタグラフ１についてさらに説明する。前述したように、パンタグラフ１は、集電舟２を有する（図１参照）。集電舟２は、上枠３１の頂部に設けられる。図６に示されるように、パンタグラフ１は、台枠６を有する。台枠６には、主軸３７、釣合棒軸３４１及び平行リンク軸３５１が固定される（図４参照）。パンタグラフ１は、風防４を有する。風防４は、台枠６、下枠３２、釣合棒３４及び下枠側平行リンク３５並びに上枠３１の下部を覆う。上枠側平行リンク３６は、上枠３１に内蔵される。風防４は、上枠３１が挿通される開口部４１を有する。

パンタグラフ１の各構成をさらに詳述する。集電舟２の形状は、限定されるものではないが、空力音が小さい形状が望ましい。本実施形態では、集電舟２に、いわゆる翼型の舟体を用いている（図２及び図３参照）。上枠３１の頂部及び舟支え３８は、空力音を低減するため、滑らかな形状の頂点カバー３９で覆われる（図４及び図１参照）。上枠３１の外形は、円柱又は楕円柱等である。

台枠６は、碍子５によって、鉄道車両の屋根上に支持され、屋根から絶縁される（図６及び図１参照）。碍子５の形状は、限定されるものではないが、本実施形態では、空力音及び空気抵抗を低減するため、前後方向の長径を有する楕円柱形であり、沿面放電を防ぐため、ヒダを有する。なお、パンタグラフ１において前後方向とは、鉄道車両の長手方向である。

風防４は、中空であり、上下に扁平で前後方向に長い楕円体に似た滑らかな外形を有し、上部中央付近が滑らかに盛り上がっている（図１参照）。風防４には、開口部４１が形成される。風防４は、複数の曲面部材で構成され、例えば、ＦＲＰを成形して作られる。風防４は、碍子５によって鉄道車両の屋根から絶縁されるので、絶縁物である必要は無く、例えば、金属板を成形して作ってもよい（図１参照）。

このように、風防４が、台枠６、下枠３２、釣合棒３４及び下枠側平行リンク３５を覆うので、パンタグラフ１から発生する空力音を低減することができる。また、滑らかな外形を有する風防４によって、パンタグラフ１の空気抵抗が低減される。

枠組３の上枠３１は、開口部４１を通って風防４より上に突出する（図４参照）。このため、開口部４１が大きいと、開口部４１が空力音の発生源になる。

図７は、パンタグラフ１を透視し、全作用範囲内の複数高さにおける上枠３１を重ねて示している。この図に示されるように、枠組３は、集電舟２が上下方向に変位するときの上枠３１の上下方向の変位が、風防４の開口部４１の近傍で最小となるように設定されている。

例えば、集電舟２が上方向に変位し、作用高さＨが最低作用高さ（新幹線鉄道では４８００ｍｍ）から最高作用高さ（５３００ｍｍ）まで変化するとき、上枠３１の基端側は、図７の右方向に移動し、上枠３１の先端側は上方向に移動するので、上枠３１は、図７において左回りに回転する。その回転の中心が開口部４１近傍に位置するように枠組３の各部の長さを設定することによって、集電舟２が上方向に変位するときの上枠３１の上下方向の変位が、風防４の開口部４１の近傍で最小となる。集電舟２が下方向に変位し、作用高さＨが最高作用高さから最低作用高さまで変化するときについても、上枠３１の設定は、集電舟２が上方向に変位するときと同じである。開口部４１の大きさを最小にするため、集電舟２が上下方向に変位するときの上枠３１の上下方向の変位が、開口部４１の中央で最小となるように枠組３を設定することが望ましい。

これにより、本実施形態のパンタグラフ１は、上枠３１が通る開口部４１の大きさを小さくすることができ、上枠３１と開口部４１との隙間を小さくすることができるので、開口部４１が空力音の発生源となることを防ぐことができる。また、パンタグラフ１は、開口部４１を塞ぐカバーを枠組３に設けなくてもよいので、枠組３の等価質量が小さくなり、トロリ線への追従性能が向上する。

パンタグラフ１からの空力音は、集電走行時に発生し、その時、集電舟２の高さは、最低作用高さより高い。このため、パンタグラフ１の折り畳み時等、集電舟２が最低作用高さより低い位置にあるときは、上枠３１の上下方向の変位が開口部４１の近傍で最小となる必要はない。例えば、図８に示されるように、本実施形態では、風防４は、上枠３１に押されることによって一部が下方に変位するように構成されており、パンタグラフ１を折り畳む時、上枠３１と風防４との干渉が避けられる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、枠組３は、在来線の鉄道車両に用いてもよい。

１ パンタグラフ
２ 集電舟
３ 枠組
３１ 上枠
３２ 下枠
３３ 中間ヒンジ
３４ 釣合棒
３４１ 釣合棒軸
３４２ 軸
３５ 下枠側平行リンク
３５１ 平行リンク軸
３５２ 軸
３６ 上枠側平行リンク
３６１ 軸
３７ 主軸
４ 風防
４１ 開口部
５ 碍子
６ 台枠
Ｈ 作用高さ

Claims (3)

1. シングルアーム型のパンタグラフの枠組であって、
   集電舟を上下方向に変位自在に支持するための上枠及び下枠を備え、
   前記下枠と並べて設けられる釣合棒と、
   前記釣合棒と平行に設けられる下枠側平行リンクと、
   前記上枠と平行に設けられる上枠側平行リンクとをさらに備え、
   前記下枠は、基端側が主軸で揺動自在に軸支され、先端側が水平より下を向いており、
   前記上枠は、その基端側が前記下枠の先端側と中間ヒンジで交差角可変に連結されており、集電時に先端側が水平より上を向いており、
   前記釣合棒は、基端側が釣合棒軸で揺動自在に支持され、
   前記下枠側平行リンクは、基端側が平行リンク軸で揺動自在に支持され、
   前記主軸、釣合棒軸及び平行リンク軸は、それぞれ位置が固定されており、
   前記釣合棒の先端側、下枠側平行リンクの先端側及び上枠側平行リンクの基端側は、それぞれ相対位置が一定である個別の軸で回動自在に支持され、
   前記釣合棒及び下枠側平行リンクは、平行四辺形における１組の対辺を構成するように設定され、
   前記上枠及び上枠側平行リンクは、別の平行四辺形における１組の対辺を構成するように設定されることを特徴とするパンタグラフの枠組。
2. 前記請求項１に記載の枠組を有するパンタグラフであって、
   前記上枠の頂部に設けられる集電舟と、
   前記主軸、釣合棒軸及び平行リンク軸が固定される台枠と、
   前記台枠、下枠、釣合棒及び下枠側平行リンク並びに前記上枠の下部を覆う風防とを有し、
   前記上枠側平行リンクは、前記上枠に内蔵され、
   前記風防は、前記上枠が挿通される開口部を有することを特徴とするパンタグラフ。
3. 前記枠組は、前記集電舟が上下方向に変位するときの前記上枠の上下方向の変位が、前記風防の開口部の近傍で最小となるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載のパンタグラフ。

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