JP2007244091A - 接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実施するのが容易で、コストの低減を測ることができる接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法を提供する。
【解決手段】接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、車両の走行時のトロリ線からパンタグラフへの接触力と離線を測定しておき、両者のデータを用いてパンタグラフからトロリ線への揚力を推定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法に関するものである。

トロリ線とパンタグラフ間の接触力の大きな変動は安定した集電を阻害する。接触力がゼロに近いと両者の接触が維持できず、アークの発生を誘引して摺動部材の摩耗を促進する。逆に接触力が大きいと摺動部材に機械的なダメージを与える。したがって、トロリ線とパンタグラフの間に作用する接触力を測定、評価することは集電の品質を把握するために非常に重要である。

パンタグラフは、図５に示すように、枠組１０１と、すり板１０２が取り付けられた舟体１０３等から構成されている。また、１０４は車両（図示なし）の屋根に搭載される支持碍子、１０５はその支持碍子１０４上に設けられるフレームであり、このフレーム１０５上に上記した枠組１０１が設けられる。この枠組１０１は、主ばね１０６、釣り合い棒１０７、主軸１０８、下枠１０９、上枠１１０、天井管１１１を備えており、天井管１１１と舟体１０３との間に舟支え１１２が配置されている。

そこで、パンタグラフは主ばね１０６で静押上力Ｆ₀ を発生し、すり板１０２でトロリ線（図示なし）に接触する。このパンタグラフが走行すると、枠組み１０１や舟体１０３には風を受けて揚力Ｆ_a が発生する。従って、走行中、パンタグラフがトロリ線を押し上げる力Ｆは、
Ｆ＝Ｆ₀ ＋Ｆ_a …（１）
となる。この揚力Ｆ_a は速度ｖの２乗に比例する特性があり、揚力係数をｋ_a とすると、揚力Ｆ_a は、
Ｆ_a ＝ｋ_a ｖ² …（２）
で表される。

なお、既に、パンタグラフの接触力測定方法及び接触力測定装置を提案している（特許文献１、非特許文献１参照）。
特開２００４−３０１５９１号公報 久須美 俊一 他「パンタグラフの接触力波形の特徴と電車線診断への適用」，鉄道総研報告 Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．７，２００５．７，ｐｐ．１７−２２

しかしながら、最近の新幹線では、パンタグラフが低空力音特性を重視した形状になってきているため、揚力が大きくなりやすく、揚力を的確に把握しておく必要がある。また近年測定され始めたパンタグラフとトロリ線間の接触力も、この揚力が把握できていないと正確に算定できない。一般に揚力は走行中に測定することができず、風洞実験や現車による走行試験で求めている。しかし、風洞や現車による揚力測定は時間やコストがかかり、実施するのは容易ではない。

本発明は、上記状況に鑑みて、実施するのが容易で、コストの低減を測ることができる接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、車両の走行時のトロリ線からパンタグラフへの接触力と離線を測定しておき、両者のデータを用いてパンタグラフからトロリ線への揚力を推定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、前記離線は、Ｆ_m −３σ＝０（Ｆ_m ：接触力平均、σ：接触力標準偏差）で発生することにより、離線が発生する箇所の平均接触力Ｆ_m （Ｆ_m ＝３σ）を求め、この平均接触力Ｆ_m と、速度ｖからそのときのパンタグラフ揚力Ｆ_a を求めることを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、前記パンタグラフ揚力Ｆ_a と速度ｖから揚力係数ｋ_a （ｋ_a ＝Ｆ_a ／ｖ² ）を求めることを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、前記揚力係数ｋ_a を用いることにより、車両の任意の速度におけるパンタグラフ揚力を求めることを特徴とする。

本発明によれば、パンタグラフ揚力の推定を、容易に、かつ低コストで実施することができる。

本発明の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法は、車両の走行時のトロリ線からパンタグラフへの接触力と離線を測定しておき、両者のデータを用いてパンタグラフからトロリ線への揚力を推定する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、トロリ線からパンタグラフへ作用する接触力の算出法について説明する。

図１は本発明の前提を説明するための、舟体に作用する力の釣り合いを示す模式図である。

この図に示すように、パンタグラフ１を、接触力が作用する分系１（舟体）とそれ以外の分系２（枠組）に分割する。トロリ線からパンタグラフ１へ作用する接触力をｆ_c 、分系１と分系２の結合部に作用する鉛直方向の内力をｆ_b 、分系１の鉛直方向慣性力をｆ_ine 、分系１に作用する揚力をｆ_L とする。このようにすると分系１に関する力のつり合いから次式が成り立つ。

ｆ_c ＝ｆ_ine ＋ｆ_b ＋ｆ_L …（３）
車両の走行中に測定できるのは上記式（３）の第１項と第２項である。第３項の分系１（舟体）の揚力ｆ_L は、前述したように、風洞実験や現車による走行試験等の揚力測定により得られた結果を代入する。

次に、接触力波形について説明する。

図２はトロリ線からパンタグラフへ作用する接触力を測定した際の波形を示す図である。

図２において（Ａ）は走行中に測定した慣性力ｆ_ine ＋内力ｆ_b の波形であり、上段はフィルタ処理前の生波形であり、下段はフィルタ処理後の波形である。（Ｂ）は、風洞実験などで得られた揚力ｆ_L を（Ａ）に加えた後の波形であり、これは接触力ｆ_c を示している〔式（３）参照〕。

（Ｂ）の上段は、フィルタ処理前の生波形であり、下段はフィルタ処理後の波形である。最下段には車両の速度が示されている。

揚力ｆ_L を加えていない波形（Ａ）では速度が高くなると平均的に下がっているが、揚力ｆ_L を加えた波形（Ｂ）ではそうなっていない。前述したように、走行中は、（Ａ）の波形が測定され、風洞実験等の揚力測定結果をこの波形に加算することにより、正しい接触力ｆ_c が求まるが、本発明においては、その方法は用いない。

次に、トロリ線からパンタグラフへ作用する接触力分布とパンタグラフの離線率について説明する。

図３にパンタグラフの離線率が０％と２８％となった区間（１〜１．５ｋｍ）の接触力度数分布と、その平均値及び標準偏差から求めた確率密度関数を示す。

なお、図３において、横軸は接触力（Ｎ）、縦軸は確率密度，相対度数を示し、図中の点線は度数分布、実線は確率密度関数を示している。

パンタグラフの離線が発生すると、図３（ａ）に示すように、パンタグラフへ作用する接触力は０になるため本来はマイナスの接触力は発生しない。しかし、図３（ｂ）ではマイナスまで接触力が分布している。これは舟体の弾性振動による精度悪化を避けるため、フィルタ処理を行った結果である。このようにパンタグラフへ作用する接触力は離線の有無に関わらずほぼ正規分布となっていることがわかる。

いま、図３に示したＦ_m −３σに注目する（Ｆ_m ：接触力平均、σ：接触力標準偏差）。この値がプラスであれば、そのパンタグラフの接触力は９９．８５％がプラスであるため、ほぼ離線はしていないと判断できる（Ｆ_m ±３σは９９．７％）。逆にＦ_m −３σがマイナスになると接触力はプラスばかりではないことになり、離線が発生していると考えることができる。そこでＦ_m −３σと離線率を比較した。これを図４に示す。図４において、横軸は速度（ｋｍ／ｈ）、縦軸はＦ_m −３σ（Ｎ），離線率（％）を示している。

図４から明らかなように、離線はＦ_m −３σ＜０で発生し、Ｆ_m −３σがマイナスに大きくなるほど離線率は増加していることがわかる。

次に、パンタグラフの揚力の推定について説明する。

図４から明らかなように離線が発生するときには
Ｆ_m −３σ＝０ …（４）
になると見ることができる。σは、図２に示したように予め得られる測定波形から得られる。よって、離線が発生する箇所の平均接触力は
Ｆ_m ＝３σ …（５）
として簡単に求めることができる。

以上のことから、離線が発生した時の平均接触力Ｆ_m がわかり、この平均接触力Ｆ_m と速度を用いて式（１）から、つまり、平均接触力Ｆ_m から、予め得られている主ばねによって生じる静押上力Ｆ₀ を引き算することにより、そのときの揚力Ｆ_a が求まる。この揚力Ｆ_a と速度ｖから式（２）を使用して揚力係数ｋ_a が求まる。この揚力係数Ｋ_a を使用することにより、任意の速度の揚力を求めることができる。

以上のように、トロリ線からパンタグラフへ作用する接触力と離線を測定することで揚力が推定できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法は、トロリ線とパンタグラフの間に作用する接触力を測定、評価することにより、集電の品質を把握するために利用することができる。

本発明の前提を説明するための、舟体に作用する力の釣り合いを示す模式図である。 トロリ線からパンタグラフへ作用する接触力を測定した際の波形を示す図である。 パンタグラフの離線率が０％と２８％となった区間（１〜１．５ｋｍ）の接触力度数分布と、その平均値及び標準偏差から求めた確率密度関数を示す図である。 Ｆ_m −３σと離線率の速度特性図である。 従来のパンタグラフ（菱形）の構造を示す図である。

符号の説明

１ パンタグラフ

Claims (4)

1. 車両の走行時のトロリ線からパンタグラフへの接触力と離線を測定しておき、両者のデータを用いてパンタグラフからトロリ線への揚力を推定することを特徴とする接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法。
2. 請求項１記載の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、前記離線は、Ｆ_m −３σ＝０（Ｆ_m ：接触力平均、σ：接触力標準偏差）で発生することにより、離線が発生する箇所の平均接触力Ｆ_m （Ｆ_m ＝３σ）を求め、該平均接触力Ｆ_m と、速度ｖからそのときのパンタグラフ揚力Ｆ_a を求めることを特徴とする接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法。
3. 請求項２記載の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、前記パンタグラフ揚力Ｆ_a と速度ｖから揚力係数ｋ_a （ｋ_a ＝Ｆ_a ／ｖ² ）を求めることを特徴とする接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法。
4. 請求項３記載の接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法において、前記揚力係数ｋ_a を用いることにより、車両の任意の速度におけるパンタグラフ揚力を求めることを特徴とする接触力によるパンタグラフ揚力の推定方法。

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