JP2017136952A

JP2017136952A - トロリ線及びシンプルカテナリー式架線

Info

Publication number: JP2017136952A
Application number: JP2016019104A
Authority: JP
Inventors: 蛭田　浩義; Hiroyoshi Hiruta; 浩義蛭田; 田村　和彦; Kazuhiko Tamura; 和彦田村; 辻　隆之; Takayuki Tsuji; 隆之辻
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2017-08-10

Abstract

【課題】高速鉄道用のシンプルカテナリー式架線に用いられる、コストや施工性に優れるトロリ線、及びそのトロリ線を有するシンプルカテナリー式架線を提供する。
【解決手段】本発明の一態様において、シンプルカテナリー式架線に用いられるトロリ線であって、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金を主成分とし、引張強さが４８５ＭＰａ以上、５００ＭＰａ未満である、トロリ線１２を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、シンプルカテナリー式架線に用いられるトロリ線、及びシンプルカテナリー式架線に関する。

従来、整備新幹線の架線にはシンプルカテナリー式架線が用いられており、そのシンプルカテナリー式架線には、公称断面積が１１０ｍｍ^２（１１０ＳＱ）の銅合金からなるトロリ線が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。このトロリ線は、１９．６ｋＮという大きな張力で架線された場合には波動伝搬速度が時速５００ｋｍを超えるため、高速鉄道用のトロリ線に適している。

また、この従来のトロリ線は、特殊な熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金を主成分とし、強度に優れる。ここで、“熱処理系”とは、Ｃｕ中にＣｒ、Ｚｒを析出させて強度を向上させる（析出硬化）ための熱処理が施されたことをいい、トロリ線の製造工程においては、通常、引き抜き工程において２回の熱処理が施される。なお、この熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金を主成分とするトロリ線は、ＰＨＣ（Precipitation Hardened Copper）トロリ線と呼ばれる（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平５−３１１２８４号公報特開平６−３１６７３５号公報特開平７−２６６９３９号公報

長俊之他、"整備新幹線向け析出強化型銅合金トロリ線"、三菱電線工業時報、２００８年１０月、１０５号、Ｐ４２−４５

しかしながら、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金の製造には析出硬化のための熱処理工程が必要なため、従来の整備新幹線用のシンプルカテナリー式架線に用いられるトロリ線は、製造にかかる費用が高い。

また、この熱処理系のトロリ線は強度が高いために手作業にて端末部を施工しにくい。

したがって、本発明の目的の１つは、高速鉄道用のシンプルカテナリー式架線に用いられる、コストや施工性に優れるトロリ線、及びそのトロリ線を有するシンプルカテナリー式架線を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［５］のトロリ線、及び下記［６］のシンプルカテナリー式架線を提供する。

［１］シンプルカテナリー式架線に用いられるトロリ線であって、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金を主成分とし、引張強さが４８５ＭＰａ以上、５００ＭＰａ未満である、トロリ線。

［２］導電率が７０％ＩＡＣＳ以上である、上記［１］に記載のトロリ線。

［３］公称断面積が１２０ｍｍ^２以上である場合の引張荷重が５８．２ｋＮ以上である、上記［１］又は［２］に記載のトロリ線。

［４］公称断面積が１２０ｍｍ^２以上であり、前記Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金と不可避不純物からなり、前記Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＳｎ含有量が０．３質量％以上、０．５質量％未満であり、前記Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＩｎ含有量が０．０１質量％以上、０．１質量％以下である、上記［３］に記載のトロリ線。

［５］公称断面積が１２０ｍｍ^２以上であり、前記Ｃｕ−Ｓｎ系合金と不可避不純物からなり、前記Ｃｕ−Ｓｎ系合金のＳｎ含有量が０．３質量％以上、０．６質量％未満である、上記［３］に記載のトロリ線。

［６］トロリ線と、前記トロリ線を支持するちょう架線と、を有し、前記トロリ線は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金を主成分とし、引張強さが４８５ＭＰａ以上、５００ＭＰａ未満である、シンプルカテナリー式架線。

本発明によれば、高速鉄道用のシンプルカテナリー式架線に用いられる、コストや施工性に優れるトロリ線、及びそのトロリ線を有するシンプルカテナリー式架線を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るシンプルカテナリー式架線の概略図である。図２は、本発明の実施の形態に係るトロリ線の径方向の断面図である。

〔実施の形態〕
本実施の形態においては、従来、シンプルカテナリー式架線用のトロリ線の材料として用いられていた熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金を固溶強化型のＣｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金に換えることにより、低コスト化や施工性の向上を図る。

（シンプルカテナリー式架線の構造）

図１は、本実施の形態に係るシンプルカテナリー式架線１０の概略図である。シンプルカテナリー式架線１０においては、トロリ線１２がハンガー１３によりちょう架線１１から吊り下げられる。シンプルカテナリー式架線１０は、電車等の電気車用の架線であり、特に、高速鉄道線路で用いられる架線である。

ちょう架線１１を構成する線条の種類、断面積、本数は、特に限定されない。

（トロリ線の構造）
図２は、本発明の実施の形態に係るトロリ線１２の径方向の断面図である。トロリ線１２は、ＪＩＳＥ２１０１、ＥＮ５０１４９に規定されたみぞ付硬銅トロリ線に該当する。

トロリ線１２は、異形丸形のトロリ線であり、上部の小弧面２１、下部の大弧面２２、両側部の小弧面２１と大弧面２２の間のＶ字状のイヤー溝２３と、を有する。イヤー溝２３は、ハンガー１３の下端にあるハンガー金具をトロリ線１２に接続するための溝であり、トロリ線１２の両側のイヤー溝２３間の小弧面２１を有する部分をイヤー金具で挟み込むことにより、トロリ線１２をハンガーに固定する。

トロリ線１２の公称断面積は１２０ｍｍ^２（１２０ＳＱ）、実測断面積は１１８ｍｍ^２以上であることが好ましい。これは、トロリ線の材料を従来の熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金から換えることによる耐摩耗特性の劣化等を抑えるためであるが、詳細については後述する。

図２中の距離Ｌは、トロリ線１２の上端から下端までの距離であり、１２０ＳＱである場合のトロリ線１２の距離Ｌは、およそ１２．９０ｍｍである。なお、従来高速鉄道用のシンプルカテナリー式架線に用いられている１１０ＳＱのトロリ線の距離Ｌは、およそ１２．３４ｍｍである。

１１０ＳＱのトロリ線と１２０ＳＱのトロリ線は、断面の直径が異なるものの、小弧面２１を有する部分の形状及び大きさはほぼ同じであるため、ともに１１０ＳＱのトロリ線用のイヤー金具を用いることができる。すなわち、１１０ＳＱのトロリ線を１２０ＳＱのトロリ線に切り替えても、イヤー金具を変更する必要がなく、トロリ線の切り替えに伴うコストを低く抑えることができる。

トロリ線１２は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金を主成分とし、引張強さが４８５ＭＰａ以上である。高速鉄道用のシンプルカテナリー式架線に用いられるトロリ線は、摩耗寿命、引張荷重（引張試験において材料が耐えうる最大の荷重）等の観点から、４８５ＭＰａ以上の引張強さを有することが好ましい。

Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金は、固溶強化型の合金であり、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金ほどは引張強さが大きくない。このため、トロリ線１２は、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金からなる従来のトロリ線と比較して、ドラムから延線した際の曲げ癖がより残りにくく、端末部の手作業における施工性がよい。なお、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金からなる従来のトロリ線の引張強さは、およそ５３０ＭＰａであり、波動伝搬速度を高めることが可能であるが、端末部の手作業における施工性が悪く、またパンタグラフのすり板が、トロリ線が硬いために摩耗しやすいことがある。

また、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金の製造には、析出硬化のための熱処理工程が必要ないため、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金からなる従来のトロリ線よりも製造コストを低く抑えることができる。

さらに、本発明者らは、トロリ線の引張強さを５００ＭＰａ未満とすることにより、ドラムから延線した際の曲げ癖がより残りにくく、施工性がより向上することを見出した。このため、トロリ線１２の引張強さは、５００ＭＰａ未満であることが好ましい。なお、本実施の形態において、引張強さは、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して測定する。

トロリ線１２を介して電気車に給電が行われる際には、トロリ線１２の大弧面２２の底部が、パンタグラフ等の電気車の集電装置に接触する。このため、集電装置の摺動により、トロリ線１２は大弧面２２の底部から摩耗する。摩耗限度位置２４は、摩耗により変化するトロリ線１２の底面の限度位置を示し、トロリ線１２の底面が摩耗限度位置２４に達したときにはトロリ線１２は交換される。

ここで、図２中の距離Ｌ_１は、磨耗前のトロリ線１２の底面の位置と摩耗限度位置２４との距離であり、摩耗しろと呼ばれる。また、距離Ｌ_２は、トロリ線１２の底面が摩耗限度位置２４に達したときの残存したトロリ線１２の高さであり、残存高さと呼ばれる。また、トロリ線１２の断面の摩耗限度位置２４以上の領域の面積は、残存断面積と呼ばれる。

トロリ線１２は、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金からなる従来のトロリ線よりも強度が低いため、施工性に優れる一方で、摩耗しやすいという欠点がある。このため、公称断面積を従来のトロリ線よりも大きい１２０ｍｍ^２とすることにより、残存断面積の割合を公称断面積が１１０ｍｍ^２の従来のトロリ線と同等（例えば８１．５％）にすることができる。このため、従来のトロリ線を本実施の形態に係るトロリ線１２で置き換えても、摩耗管理を変更する必要がない。

なお、トロリ線１２は、磨耗が摩耗限度位置２４に達したことを検知するための検知線を有してもよい。この場合、摩耗が進むと、摩耗限度位置２４に達する前に検知線が断線し、断線検知システムが作動して、トロリ線１２が限界に近いところまで摩耗していることが検知される。

また、トロリ線１２は引張強さが４８５ＭＰａ以上であるため、公称断面積が１２０ｍｍ^２である場合、引張強さに公称断面積を掛けることにより求められる引張荷重は、５８．２ｋＮ以上である。熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金からなる従来のトロリ線は、引張強さが５３０ＭＰａ、公称断面積が１１０ｍｍ^２であるため、引張荷重が５８．３ｋＮである。すなわち、トロリ線１２の公称断面積が１２０ｍｍ^２とすることにより、従来のトロリ線と同等以上の引張荷重を確保することができる。

Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金は、Ｓｎ含有量が多いほど強度が増す。トロリ線１２の公称断面積が１２０ｍｍ^２である場合、引張強さを４８５ＭＰａ以上とするためには、トロリ線１２の主成分であるＣｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金のＳｎ含有量を０．３質量％以上とすることが求められる。

一方で、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金は、Ｓｎ含有量が多いほど導電率が低くなるという性質を有するが、トロリ線１２を整備新幹線用の架線に用いる場合には、Ｓｎの添加による導電率の低下はほとんど問題にならない。これは、新幹線の通過により上昇するトロリ線の温度を降下させるための自然冷却時間を十分にとることができるため、導電率の低さによりトロリ線の温度が少々上昇し易くなっても悪影響がないことによる。なお、整備新幹線に用いられるトロリ線の導電率は、６０％ＩＡＣＳ（International Annealed Copper Standard）以上であることが求められている。

しかしながら、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金からなる従来のトロリ線の導電率と同等にするため、本実施の形態に係るトロリ線１２では７０％ＩＡＣＳ以上の導電率を確保したい。トロリ線１２の公称断面積が１２０ｍｍ^２である場合、導電率を７０％ＩＡＣＳ以上とするためには、トロリ線１２の主成分であるＣｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＳｎ含有量を０．５質量％未満、又はＣｕ−Ｓｎ系合金のＳｎ含有量を０．６質量％未満とすることが求められる。

また、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金は、Ｉｎ含有量が多いほど強度及び導電率が増す。強度及び導電率を効果的に増加させるためには、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＩｎ含有量を０．０１質量％以上とすることが好ましい。

一方、Ｉｎは高価であるため、トロリ線１２の製造コストの増加を抑えるために、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＩｎ含有量は０．１質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以下であることがより好ましい。

なお、トロリ線１２の公称断面積が１２０ｍｍ^２である場合、公称断面積が１１０ｍｍ^２である従来のトロリ線と比較して波動伝搬速度が低下するものの、２９０ｋｍ／ｈ程度の列車速度に対応できる。

（トロリ線の製造工程）
以下に、トロリ線１２の製造工程の一例を示す。

本実施の形態に係るトロリ線１２の製造工程は、銅母材にＳｎ、又はＳｎ及びＩｎを添加して溶解し、銅合金溶湯を形成する溶解工程と、その銅合金溶湯を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、その鋳造材に複数段（多段）の熱間圧延加工を施して圧延材を形成する熱間圧延工程と、その圧延材を洗浄し、巻取ってトロリ線１２を得るための線材を得る洗浄・巻取り工程と、を含む。以下、各工程について詳細に説明する。

＜溶解工程＞
先ず、酸素を０．００１〜０．１質量％（１０〜１０００質量ｐｐｍ）含む銅母材に、全体の割合が０．３質量％以上、０．５質量％未満となる量のＳｎ、又は全体の割合が０．３質量％以上、０．５質量％未満となる量のＳｎ及び全体の割合が０．０１質量％以上、０．１質量％未満となる量のＩｎを添加して溶解を行うことで、銅合金溶湯を形成する。

＜鋳造工程＞
次に、前工程で得られた銅合金溶湯は、ＳＣＲ方式の連続鋳造圧延に供される。具体的には、ＳＣＲ連続鋳造の通常の鋳造温度（１１２０〜１２００℃）よりも低い温度（１１００〜１１５０℃）で鋳造を行うと共に、鋳型（銅鋳型）を強制水冷し、銅合金溶湯の凝固温度より少なくとも１５℃以上低い温度まで、鋳造材を急速冷却する。

＜熱間圧延工程＞
次に、連続鋳造圧延における通常の熱間圧延温度よりも５０〜１００℃低い温度、すなわち鋳造材の温度を９００℃以下、好ましくは７５０℃〜９００℃に調整した状態で、鋳造材に、多段の熱間圧延加工を施す。最終圧延時において、５００〜６００℃の圧延温度で熱間圧延加工を施し、圧延材を形成する。本工程における圧延温度を通常の温度よりも低くすることにより、トロリ線１２の強度を高めることができる。

＜洗浄・巻取り工程＞
次に、圧延材を洗浄し、巻取りを行い、トロリ線１２を得るための線材を得る。

以上に説明した各工程は、既存又は慣用の連続鋳造圧延設備（ＳＣＲ連続鋳造機）を用いて実施することができる。以上に説明した工程のあと、得られた線材を伸線加工することにより、小弧面２１と大弧面２２とイヤー溝２３とを有するトロリ線１２を得る。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、高速鉄道用のシンプルカテナリー式架線に用いられるトロリ線の主成分をＣｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金とすることにより、析出硬化のための熱処理工程が不要でありながら、熱処理系のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金と同等以上の引張荷重や４８５ＭＰａ以上、５００ＭＰａ未満の引張強さを確保することができるため、低コスト化や施工性の向上を図ることが可能である。

（トロリ線の引張強さ及び導電率の評価）
Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金及び不可避不純物からなり、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＳｎ含有量が０．３０質量％、Ｉｎ含有量が０．１質量％である１２０ｍｍ^２の公称断面積（実測断面積１１８ｍｍ^２）を有するトロリ線を製造したところ、引張強さが４８５ＭＰａ、導電率が８１．０％ＩＡＣＳであった。なお、引張強さは、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して測定した（以下同様）。

また、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金及び不可避不純物からなり、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＳｎ含有量が０．４８質量％、Ｉｎ含有量が０．０５質量％である１２０ｍｍ^２の公称断面積（実測断面積１１８ｍｍ^２）を有するトロリ線を製造したところ、引張強さが４９０ＭＰａ、導電率が７４．０％ＩＡＣＳであった。

また、Ｃｕ−Ｓｎ系合金及び不可避不純物からなり、Ｃｕ−Ｓｎ系合金のＳｎ含有量が０．４質量％である１２０ｍｍ^２の公称断面積（実測断面積１１８ｍｍ^２）を有するトロリ線を製造したところ、引張強さが４８８ＭＰａ、導電率が７８．０％ＩＡＣＳであった。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０シンプルカテナリー式架線
１１ちょう架線
１２トロリ線
１３ハンガー
２１小弧面
２２大弧面
２３イヤー溝

Claims

シンプルカテナリー式架線に用いられるトロリ線であって、
Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金を主成分とし、
引張強さが４８５ＭＰａ以上、５００ＭＰａ未満である、
トロリ線。
導電率が７０％ＩＡＣＳ以上である、
請求項１に記載のトロリ線。
公称断面積が１２０ｍｍ^２以上である場合の引張荷重が５８．２ｋＮ以上である、
請求項１又は２に記載のトロリ線。
公称断面積が１２０ｍｍ^２以上であり、
前記Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金と不可避不純物からなり、
前記Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＳｎ含有量が０．３質量％以上、０．５質量％未満であり、
前記Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金のＩｎ含有量が０．０１質量％以上、０．１質量％以下である、
請求項３に記載のトロリ線。
公称断面積が１２０ｍｍ^２以上であり、
前記Ｃｕ−Ｓｎ系合金と不可避不純物からなり、
前記Ｃｕ−Ｓｎ系合金のＳｎ含有量が０．３質量％以上、０．６質量％未満である、
請求項３に記載のトロリ線。
トロリ線と、
前記トロリ線を支持するちょう架線と、
を有し、
前記トロリ線は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金又はＣｕ−Ｓｎ系合金を主成分とし、引張強さが４８５ＭＰａ以上、５００ＭＰａ未満である、
シンプルカテナリー式架線。