JP2015150996A - 風圧荷重によるトロリ線偏位の推定方法及び推定装置、電気鉄道のトロリ線割り込み事故防止のための運転規制方法及び運転規制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トロリ線に当たっている風に起因するトロリ線偏位を推定する方法を提供する。また、電気鉄道のトロリ線がパンタグラフすり板から外れてしまう割り込み事故防止のための、より合理的な運転規制方法を提供する。【解決手段】 トロリ線２０をレール直角方向に支持する曲線引金具２５にかかる荷重を測定する。測定した荷重から、トロリ線２０にかかる風圧荷重を分布荷重として推定する。推定した風圧荷重によるトロリ線の最大偏位を推定する。推定したトロリ線偏位を規制値と比較して運転規制の要否を定める。【選択図】図１

Description

本発明は、電気鉄道におけるトロリ線（架線）に当たっている風の荷重（風圧荷重）に起因するトロリ線偏位を推定する方法及び推定装置に関する。また、電気鉄道のトロリ線がパンタグラフすり板から外れてしまう割り込み事故防止のための運転規制方法及び運転規制装置に関する。

台風や春一番、冬の季節風などの強風時には、鉄道列車の運休や徐行などの運転規制が行われることがある。例えば、ＪＲ東日本株式会社の在来線では、沿線に設置した風速計の測定風速２０ｋｍ／ｓ以上で徐行、２５ｋｍ／ｓ以上で運転見合わせとしている（2013年10月現在の同社ＨＰ「よくいただくお問い合わせ」）。大きい川の鉄橋や高い高架線路では特に風が強くなるため、運転見合わせとなりやすい路線や区間も存在するようである。

このような強風による列車の運転規制（運休，徐行）は，車両の脱線・転覆を防ぐためだけでなく，風による架線のはらみ（横ズレ）により生じうるパンタグラフの架線外れ事故（「架線割り込み事故」という）を防ぐためにも行われる。転覆・脱線については車両条件や風向などにより風速規制値の細分化を行うことで過剰な運転規制を抑制しようとする動きがある（下記非特許文献１参照）。しかし，架線割り込み事故については，同事故を防止しつつ過剰な運転規制を避ける方策の提案は、今のところなされていないと思われる。
日比野，"強風時の新しい運転規制方法の検討"，JREast Technical Review，2011年4月

ここで、代表的なパンタグラフの舟体の構造を参照しつつ、架線割り込み事故の形態について説明する。
図７は、パンタグラフの上部（舟体付近）の構造の例を示す正面図である。
このパンタグラフ１は、トロリ線２０と摺動するすり板体１１を保持する舟体１０を備える。舟体１０は、電気鉄道車両の屋根に起立倒伏可能に設置された枠組（図示されず）に支持されている。

舟体１０は、車体の幅方向（車幅方向）に沿って延びる箱状体である。舟体１０は、一例でアルミニウム合金等で作製される。舟体１０の上面には、すり板１１が取り付けられている。すり板１１は、一例で鉄系や銅系の焼結合金、あるいは、カーボン系材料等で作製される。このすり板１１がトロリ線２０に直接接触する。舟体１０は、両端付近で左右の舟支え１３に支持されているものや、中央付近で支持されているもの（図示されず）がある。左右方向を外方向に延びるホーン１４は、舟支え１３に取り付けられているものや、舟体１０に取り付けられているもの（図示されず）がある。

トロリ線２０及びパンタグラフ１に関する車幅方向の数値例について説明する。まず、トロリ線２０は、すり板１１の偏摩耗防止のため、車幅方向に±２５０ｍｍ（一例）の「左右偏位」（トロリ線の平面視でジグザグ形、図４参照）を設けて設置されている。図７中では、「Ｂ１」でトロリ線２０の偏位幅を示す。すり板１１の幅「Ｂ２」は、トロリ線偏位幅Ｂ１よりも広い±６７５ｍｍ（一例）である。左右のホーン１４の最外端間の幅Ｂ３は、±９４０ｍｍ（一例）である。なお、車両は左右に揺れる（ローリング）ので、その際にパンタグラフ舟体の車幅方向中心も左右に１５０ｍｍ程度動くことがある。その他、軌道曲線とトロリ線の直線とのズレで±１００ｍｍ程度が見込まれる。

電車線路において、トロリ線２０が複数本存在する部分も多い。一本のトロリ線の長さは例えば１５００ｍ程度であり、その区切り毎に二本のトロリ線が移行する区間（オーバーラップ区間）が存在する。複数の電車線の交差部分（線路分岐部）でも複数のトロリ線が存在する。

これらの事情を考慮し、「架線割り込み事故」発生防止のために、トロリ線の風による「はらみ」（横ズレ）は、±５００ｍｍ程度以下とすることが安全である。

「架線割り込み事故」発生防止のための鉄道運転規制は、現行の沿線における測定風速に基づく規制ではなく、トロリ線のはらみ量を推定することで合理的な規制を行うことが望ましい。もっとも、風速と風向からトロリ線はらみ量を推定することは可能であるが，現行のＪＲ在来線では風杯型風速計による風速測定が一般的であるため，風向を把握することができない。また，設置コストの制約から，風向・風速計の設置箇所数には制限がある。

本発明は、電気鉄道におけるトロリ線（架線）に当たっている風の荷重（風圧荷重）に起因するトロリ線偏位を推定する方法及び推定装置を提供することを目的とする。また、電気鉄道のトロリ線がパンタグラフすり板から外れてしまう割り込み事故防止のための、より合理的な運転規制方法及び運転規制装置を提供することを目的とする。

本発明のトロリ線偏位推定方法は、 電気鉄道の電車線に当たる風に起因するトロリ線の偏位を推定する方法であって、 前記トロリ線を支持する曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を測定し、 該荷重から、前記トロリ線にかかる風圧荷重による前記トロリ線の最大偏位を推定することを特徴とする。

本発明のトロリ線偏位推定装置は、 電気鉄道の電車線に当たる風に起因するトロリ線の偏位を推定する装置であって、 前記トロリ線を支持する曲線引金具又は振止金具（以下、両者を併せて「曲線引金具」ということもある）にかかる荷重を検出するセンサと、 該荷重から、前記トロリ線にかかる風圧荷重による前記トロリ線の最大偏位を推定する手段と、 を備えることを特徴とする。

電車線は、電車のパンタグラフが直接摺動するトロリ線や、該トロリ線を吊る吊架線あるいは補助吊架線、それらの線間のハンガーやドロッパーなどの総称である。「トロリ線偏位」は、軌道中心（設計上の電車線中心）から実際のトロリ線までのレール直交方向の距離である。このトロリ線偏位は、パンタグラフすり板の局所摩耗の防止用の人為的な偏位と、風による電車線のはらみに起因するものの合計である。

電車線は、上述のように、トロリ線と吊架線、各種電車線金具を含む。電車線全体に対する風による抗力（以下，抗力と記す）は、吊架線とトロリ線の抗力が支配的であり、電車線金具の抗力はそれらよりもかなり小さい。また，吊架線とトロリ線の抗力は，吊架線支持点と曲線引金具（振止金具を含む）に分散するが，吊架線とトロリ線の抗力が同等であると仮定すると，吊架線支持部と曲線引金具に作用する力も同等になる。そのため，曲線引金具に作用する荷重を測定することにより，トロリ線に作用する分布荷重を推定することができ，これによりトロリ線のはらみを推定することができる。

本発明の電気鉄道の運転規制方法は、上記トロリ線偏位推定方法により推定したトロリ線偏位を規制値と比較して運転規制の要否を定めることを特徴とする。
また、本発明の電気鉄道の運転規制装置は、上記トロリ線偏位推定装置により推定したトロリ線偏位を規制値と比較して運転規制の要否を定める手段を、さらに備えることを特徴とする。

上記技術課題を解決するためには，線路沿線の風速に基づいて運転規制を行うのではなく、より直接的に風圧荷重によるトロリ線のはらみ量に基づいて運転規制を行うことがより合理的である。本発明の手法は，曲線引金具に作用する左右方向（レール直角方向）荷重を測定することにより，電車線のはらみ量を推定するものである。

本発明によれば、高価な風向・風速計を用いることなく、風圧荷重に起因するトロリ線偏位を推定する方法及び装置を提供できる。また、風圧荷重によるトロリ線のはらみ量に基づいて運転規制を行うので、より合理的な電気鉄道の運転規制を実現できる。

以下、本発明のトロリ線偏位を推定する方法・推定装置、及び、電気鉄道の運転規制方法・規制装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態に係るトロリ線偏位推定装置及び電気鉄道運転規制装置の概要を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るトロリ線偏位推定方法及び電気鉄道運転規制方法における、トロリ線偏位推定部などの作用を示すフローチャートである。 図１のトロリ線偏位推定方法における、風荷重によるトロリ線偏位の計算モデルを示す平面図である。 電車線と曲線引金具の概要を説明するための平面図である。 電車線及びその支持構造物の一部を示す斜視図である。 曲線引金具及びその支持部の構造例を示す正面図である。 パンタグラフの上部（舟体付近）の構造の例を示す正面図である。

Ｃ；軌道（電車線）前後方向中心線
１；パンタグラフ、１０；舟体、１１；すり板、１３；舟支え、１４；ホーン、
２０；トロリ線、２１；支持構造物（電柱など）、２３−１、２３−２、２３−３；屈曲点、２５；曲線引金具、２６；吊架線、２７；ハンガー
３０；電柱、３１；水平パイプ、３２；支持金具、３３；イヤー、３４；アーム、３９；引手金具部
４１；歪ゲージ（風圧荷重センサ）、４３；信号線（有線）、４５；ＦＭテレメータ
４７；無線、５１；受信機、５３；トロリ線偏位推定部、５５；規制判定部
５７；電車運行指令、５９；各電車・駅

まず、図４及び図５を参照しつつ、架線（トロリ線）の構造及び曲線引金具の概要について説明する。
図４は、電気鉄道の軌道及び電車線を模式的に表す平面図である。図５は、電車線及びその支持構造物の一部を示す斜視図である。図４において長手方向に延びる一点鎖線（軌道中心Ｃ）が、電気鉄道の軌道の車幅方向中心線であり、かつ電車線の中心線である。ここで、電車線とは、パンタグラフと直接摺動接触するトロリ線２０だけでなく、図５に示されるような、トロリ線２０を吊る吊架線２６あるいは補助吊架線（図示されず）、それらの線間のハンガー２７やドロッパー（図示されず）などの総称である。図４においては、代表的に、トロリ線２０として示す。

トロリ線２０は、複数の屈曲点２３−１、２３−２、２３−３で屈曲することにより、軌道中心Ｃに対してジグザグを描くように配置されている。これは、パンタグラフすり板（図７の符号１１）の局所的摩耗を防ぐためである。このジグザグを「左右偏位」と呼ぶ。左右偏位の具体例は±１５０〜２５０ｍｍ、周期８０〜１２０ｍである。図４に示すように、トロリ線２０の左右偏位の屈曲点２３−１、２３−２、２３−３の各々には、曲線引金具２５が配置されており、トロリ線２０を車幅方向に引っ張るようになっている。曲線引金具２５は、支持構造物２１に支持されている。支持構造物２１は、例えば、図５に示される電柱３０や水平パイプ３１などを含む。なお、曲線引金具は、トロリ線２０の左右偏位の屈曲点２３−１、２３−２、２３−３の他に、電車線中心線の屈曲点（カーブや分岐・合流）にも設けられている。

図６は、本発明の実施形態に係るトロリ線偏位推定装置及び電気鉄道運転規制装置に用いられる曲線引金具を示す正面図である。この曲線引金具２５は、支持構造物（図４符合２１）に含まれる水平パイプ３１のような支持部材に取り付けられる。このような曲線引金具２５は、トロリ線２０に作用する風圧荷重などの引張力に耐えうる強度を有する。

図６中において、符号３１は水平パイプ、３２は支持金具、３３はイヤー、２０はトロリ線、３４はアームである。水平パイプ３１は、電柱などの構築物に支持されている。水平パイプ３１に支持金具３２が固定され、さらにこの支持金具３２にアーム３４が鉛直平面上で自由な回転ができるように支持されている。アーム３４の先端にはイヤー３３が接続されており、このイヤー３３によってトロリ線２０が把持される。従って、トロリ線２０は、引張力に対する水平方向の動きは固定され、鉛直方向の動きは自由になっている。

本実施形態において、曲線引金具２５のアームの曲線部３４ｂに、風圧荷重センサとしての歪ゲージ４１が貼られている。風圧荷重センサとしては、歪ゲージの他に、ロードセルやＦＢＧセンサなどを用いることができる。風圧荷重センサは、曲線引金具２５のアームの直線部３４ａやイヤー部３３、引手金具部３９などに取り付けることもできる。

歪ゲージ４１には信号線（有線）４３が接続されており、同信号線４３は曲線引金具２５近くのＦＭテレメータ４５まで延びている。ＦＭテレメータ４５は、水平パイプ３１あるいは電柱３０（図５参照）の上などに固定されている。

図１は、本発明の実施形態に係るトロリ線偏位推定装置及び電気鉄道運転規制装置の概要を示すブロック図である。トロリ線偏位推定装置及び電気鉄道運転規制装置は、上述の歪みゲージ４１及びＦＭテレメータ４５の他に、受信機５１と、トロリ線偏位推定部５３とを含んでいる。ＦＭテレメータ４５は、無線で歪信号を近くの受信機５１まで送信する。受信機５１は、電柱３０の近くなどに配置されている。受信機５１は、歪信号を、トロリ線偏位推定部５３に送信し、同部５３は、後述する手法により、風圧荷重によるトロリ線偏位を推定（計算）する。トロリ線偏位推定部５３で推定されたトロリ線偏位の最大値は、規制判定部５５に送られる。規制判定部５５は、推定されたトロリ線偏位の最大値と規制値（例えば４００ｍｍ）とを比較して、運転規制の要否・程度を判定する。トロリ線偏位推定部５３及び規制判定部５５の機能は、コンピュータ装置（図示されず）のプロセッサーが、記憶媒体（図示されず）に記憶されたプログラムをロードして実行することにより、実現される。判定された運転規制の内容は、電車運行指令５７から、各電車・駅５９に伝達・指示される。

図２は、本発明の実施形態に係るトロリ線偏位推定方法及び電気鉄道運転規制方法における、トロリ線偏位推定部などの作用を示すフローチャートである。まず、上述の歪ゲージなどにより曲線引金具に作用する荷重を測定する（Ｓ１）。この曲線引金具に作用する荷重から、トロリ線偏位推定部５３が、トロリ線に作用する風圧荷重を分布荷重として推定する（Ｓ２）。ここでは、ハンガ軸力の水平成分を無視している。但し、無視しない場合でも、数値計算によりその力を計算することで取扱いは可能である。次に、この風圧荷重から、トロリ線偏位推定部５３が、トロリ線偏位の最大値と、その最大偏位の発生箇所を推定する（Ｓ３）。この推定したトロリ線偏位の最大値が規制値を超過しているか否かを、規制判定部５５が判定する（Ｓ４）。「超過（ＹＥＳ）」の場合は運転規制を実施し（Ｓ５）、「超過せず（ＮＯ）」の場合は運転規制を行わない（Ｓ６）。

次に、曲線引金具に作用する荷重から、トロリ線に作用する風圧荷重を分布荷重として推定する手法、並びに、この風圧荷重から、トロリ線偏位の最大値と、その最大偏位の発生箇所を推定する手法の具体例を説明する。
図３は、図１のトロリ線偏位推定方法における、風荷重によるトロリ線偏位の計算モデルを示す平面図である。

図３のように，x軸を軌道中心，y軸を軌道に垂直で且つ曲線引金具に支持された屈曲点２３−２を通る線とするx-y座標を設定する。この系において，曲線引金具２５に作用する荷重をF，屈曲点２３−２の両側の電車線支持間隔（径間長）をそれぞれS₁，S₂，屈曲点２３−２と屈曲点２３−３の無風時の電車線偏位をy₂，y₃，トロリ線張力をTとする。無風時に、x軸に対する屈曲点２３−２の両側のトロリ線２０の交差角度がそれぞれθ₁，θ₂であるとすると、無風時のトロリ線張力Tは、T=F/(sinθ₁＋sinθ₂)である。また，屈曲点２３−２の曲線引金具に作用するトロリ線の風荷重は，径間長S₁の径間と径間長S₂の径間のそれぞれ半分ずつによるものと仮定する。

このとき，トロリ線２０に作用する単位長さ当たりの力δFは、曲線引金具２５に作用する荷重Fのうち風荷重によるものをdFとすると、下記(1)の式で表される。

ここで，トロリ線２０を弦と仮定すると，径間長S₂の径間におけるδFに対する電車線の変位量y(x)は，下記(2)の微分方程式で表される。

上記(2)の解は，下記(3)となる。

屈曲点においては風荷重により電車線偏位が変化しないと仮定すると，境界条件（x=0⇒y=y₂，x=S₂⇒y=y₃）から、下記(4)が導かれる。

従って、電車線の変位y(x)は、下記(5)となる。

ここで，∂y/∂x=0となる地点x_maxにおいて変位量が最大となる。地点x_maxと最大変位量y_maxは，下記(6)となる。

但し、x_maxが、０＞x_max若しくはS₂＜x_maxである場合は、∂y/∂x=0となる地点x_maxが、０＜x＜S₂の範囲にない。この場合は、最大変位の地点は屈曲点２３−２又は屈曲点２３−３となるので、運行上問題ない。

曲線引金具２５に作用する荷重Fとしては、測定した荷重の最大値を用いてもよい。また、測定した時刻歴データを、移動平均処理、あるいはローパスフィルタ処理して、風荷重を評価してもよい。

径間長S₁の径間についても上記と同様の方法で最大変位量を推定することができる。推定した変位量が規制値（例えば４００ｍｍ）を超える場合は、電気鉄道の運転規制を行う。規制値以下の場合は，電車線に起因する運転規制を解除する。

上述の態様においては、曲線引金具にかかる荷重Fのうち風荷重によるものdFの測定結果から、トロリ線にかかる単位長さあたりの風圧荷重δFを推定し、この風圧荷重δFからトロリ線の最大変位量y_maxを推定する場合について説明したが、本発明は、上述の態様に限定されない。例えば、特定の曲線引金具にかかる荷重Fと、最大変位量y_maxとの関係を予め算出し、ルックアップテーブル（図示されず）として記憶しておいて、荷重Fの測定結果に基づいてルックアップテーブルを検索することにより、最大変位量y_maxを推定してもよい。

風の空間方向の相関長は、電車線長に比べて非常に短いため、隣接する複数径内でそれぞれ曲線引金具又は振止金具の軸力を測定することで、最大変位量の推定精度が向上する。

Claims (7)

1. 電気鉄道の電車線に当たる風に起因するトロリ線の偏位を推定する方法であって、
   前記トロリ線を支持する曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を測定し、
   該荷重から、前記トロリ線にかかる風圧荷重による前記トロリ線の最大偏位を推定することを特徴とするトロリ線偏位推定方法。
2. 前記トロリ線にかかる風圧荷重を分布荷重として推定し、推定した前記風圧荷重による前記トロリ線の最大偏位を推定することを特徴とする請求項１に記載のトロリ線偏位推定方法。
3. 前記曲線引金具又は振止金具にかかる荷重の時刻歴データを、移動平均処理又はローパスフィルタ処理して、前記トロリ線の最大偏位を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のトロリ線偏位推定方法。
4. 複数の曲線引金具又は複数の振止金具にかかる荷重をそれぞれ測定して、前記トロリ線の最大偏位を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のトロリ線偏位推定方法。
5. 電気鉄道の電車線に当たる風に起因するトロリ線の偏位を推定する装置であって、
   前記トロリ線を支持する曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を検出するセンサと、
   該荷重から、前記トロリ線にかかる風圧荷重による前記トロリ線の最大偏位を推定する手段と、
   を備えることを特徴とするトロリ線偏位推定装置。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のトロリ線偏位推定方法により推定したトロリ線偏位を規制値と比較して運転規制の要否を定めることを特徴とする電気鉄道の運転規制方法。
7. 請求項５記載のトロリ線偏位推定装置により推定したトロリ線偏位を規制値と比較して運転規制の要否を定める手段をさらに備えることを特徴とする電気鉄道の運転規制装置。

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