JP2017169411A - 集電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を複雑にしたり大幅なコストアップを招くことなく、舟体の後方に生じるカルマン渦に起因する空力音を低減することができる集電装置の低騒音化舟体を提供する。【解決手段】上部にトロリ線に接触する摺り板（１１）を有する舟体（１２）と、前記舟体を支持する舟体支持手段（１５，１６）とを備えた鉄道車両の集電装置において、前記舟体は、舟体の上面に摺り板が搭載され、側方から見た外形が全体としてほぼ流線形をなすように形成され、前記摺り板の下面と前記舟体の上面との間には、車両の進行方向に貫通して空気が通過可能な流通路が設けられているように構成した。【選択図】図４

Description

本発明は、鉄道車両等に搭載されてトロリ線から集電を行う集電装置（パンタグラフ）に関し、特に摺り板を保持する舟体の低騒音化に適用にして有効な技術に関する。

鉄道車両の集電装置は、トロリ線に接触する摺り板、該摺り板を保持する舟体、車両の屋根部に設置された台枠と、該台枠に取り付けられて斜め上方へ延び摺り板をトロリ線に接触させる方向へ付勢する主枠、該主枠の先端に設けられて舟体を支持する舟支え、舟体の両端に設けられたホーンなどにより構成されており、鉄道車両の騒音源の１つに舟体の空力音がある。舟体はすり板を保持する横に細長い部材であり、空力音には、走行中に舟体の後方に生じるカルマン渦に起因して発生するエオルス音（周波数が速度に比例して変化するピーク音）と乱流騒音（高周波広帯域の騒音）とが混在していることが知られている。

従来、舟体の周辺から生じる空力音を低減する技術について幾つかの発明が提案されている。例えば、特許文献１には、舟体の断面形状を流線形に似た形状にすることで、安定した揚力性能および低騒音化を実現するという発明が開示されている。また、特許文献２には、舟体の底部に舟体を前後に貫通する通気流路を設けることで、カルマン渦の構造を破壊してエオルス音を低減させるという発明が開示されている。さらに、特許文献３には、舟体の底面の進行方向前端と後端に、長手方向に延びる凸条部（トリッピングワイヤ）を設けることで、カルマン渦の発生を抑制して空力音を低減させるという発明が開示されている。

特開２００５−２０８３４号公報 特開２００５−１３７０３８号公報 特開２００６−１７４６６２号公報

しなしながら、特許文献１の発明は、主として、安定した揚力性能を実現することに向けてなされた発明であるため、エオルス音を低減させる点では充分な効果が得られない。また、Ｂスプライン曲線や三次元スプライン曲線により定義された形状を配置した流れ場のシミュレーションを実行し、目的関数が最小となるように、最適化手法を組み合わせて得られた断面形状を有するように舟体を設計するというものであるが、新品の時は最適化した曲線形状であったとしても摺り板が摩耗して形状が変化すると充分な性能が得られないという課題がある。
また、特許文献２の発明のように舟体の底部に舟体を前後に貫通する通気流路を設けるという構成では、舟体の構造が複雑になり大幅なコストアップを招くとともに高さ方向の厚みが大きくなってしまい、強度を確保する必要上、重量が重くなり、追従性能が悪化してしまうという課題がある。

一方、舟体の底面に長手方向に延びる凸条部を設けるという特許文献３の発明は、構造が簡単であり大幅なコストアップを招くことがないという利点はあるものの、本発明者らが行なった実験の結果では、エオルス音を低減させる上で充分な効果が得られなかった。
本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、構造を複雑にしたり大幅なコストアップを招くことなく、舟体の後方に生じるカルマン渦に起因する空力音（エオルス音）を低減することができる集電装置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、
上部にトロリ線に接触する摺り板を有する舟体と、前記舟体を支持する支持手段とを備えた鉄道車両の集電装置であって、
前記舟体は、舟体の上面に摺り板が搭載され、側方から見た外形が全体としてほぼ流線形をなすように形成され、
前記摺り板の下面と前記舟体の上面との間には、車両の進行方向に貫通して空気が通過可能な流通路が設けられているように構成した。

このような構成によれば、舟体が全体としてほぼ流線形をなすため、舟体の後方に生じるカルマン渦を抑制できる上、舟体の上方へ向かう空気の流れの一部が摺り板と舟体の上面との間の流通路を通過する流れとなることによって、さらに舟体の後方に生じるカルマン渦を抑制し、カルマン渦に起因する空力音（エルオス音）を低減することができる。

ここで、望ましくは、前記舟体の下面には、該舟体の長手方向に沿って伸びるように、高さが数ｍｍの突状部が形成されているような構成にする。
上記のような構成によれば、舟体の下面に沿って流れる空気の層流が剥がれやすくなって、舟体の後方に生じるカルマン渦を抑制することができる。

また、望ましくは、前記摺り板は、複数の導電性単板に分割され、該導電性単板を並べて配設することで構成され、前記導電性単板のそれぞれの下面に車両の進行方向に沿って伸びるリブが形成され、該リブによって前記摺り板と前記舟体の上面との間に隙間が確保されて空気が通過可能な流通路が構成されているようにする。
このような構成によれば、簡単な設計変更で摺り板と舟体の上面との間に空気が流れる流通路を形成することができるため、舟体の低騒音化に伴う大幅なコストアップを回避することができる。

本発明によれば、構造を複雑にしたり大幅なコストアップを招くことなく、舟体の後方に生じるカルマン渦に起因する空力音（エオルス音）を低減可能な集電装置を実現することができるという効果がある。

本発明に係る低騒音化舟体を備えた集電装置の一実施形態を示す装置の全体斜視図である。 実施形態に係る集電装置の舟体の支持部を拡大して示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実施形態に係る集電装置の舟体の構造を示す分解斜視図、前面図および要部拡大図である。 実施形態に係る集電装置の舟体の作用を説明するための作用説明図である。 （ａ）および（ｂ）は実施形態に係る集電装置の舟体の第１および第２の変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係る低騒音化舟体を備えた集電装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る低騒音化舟体を適用した鉄道車両用の集電装置の一実施形態を示す全体斜視図である。
図１に示されている集電装置１０は、シングルアーム型の集電装置であり、トロリ線に接触して摺動する摺り板１１と、該摺り板１１を保持し集電を行う舟体１２と、舟体１２の両端に設けられトロリ線から横に外れた舟体１２が戻る際にトロリ線を舟体１２の上方へ導く湾曲したポール状のホーン１３Ａ，１３Ｂと、先端に舟体支持部１４が設けられ傾斜角を有した状態で上方へ延びる中空状の主枠１５とを有する。

主枠１５は、図示しないバネの力で角度の小さな屈曲した状態から角度が広がる伸長した状態になることで舟体１２を上昇させて、舟体１２の上面の摺り板１１をトロリ線に接触させるように構成されている。
図１には示されていないが、摺り板１１は舟体１２との間に介挿されているバネによって付勢され、上下方向に変位してトロリ線の上下変動に追従可能に構成されている。
図２は、本実施形態に係る集電装置における主枠１５の先端の舟体支持部１４と舟体１２との連結部分を拡大して示す側面図である。

図２に示すように、舟体支持部１４は、卵の殻を変形させたような形状をなすＦＲＰや金属など剛性のある材料で形成されたカバー１４Ａを備え、該カバー１４Ａの内部と中空状の主枠１５の内部にかけて、該主枠１５が伸縮（屈曲角度が変化）しても舟体１２の水平姿勢を維持する水平維持機構が内蔵されている。なお、このような水平維持機構は、従来から使用されているリンク機構を利用したパンタグラフと同じであるので、説明を省略する。摺り板１１は、カーボンや鉄系焼結合金等の電気抵抗の小さな材料で板状に形成され、着脱可能（取替え可能）に舟体１２に取り付けられている。特に限定されるものでないが、摺り板１１は複数のタイル状の板を並べることで所定の大きさとなるように構成されている。

舟体支持部１４のカバー１４Ａの上部には開口部１４Ｂが形成されているとともに、上記水平維持機構の上端部に固着され上面に上記舟体１２の底面が接合されることで舟体１２を支持する舟支え１６の上部が上記開口部１４Ｂから僅かに突出するように設けられている。
舟体１２は、図２のように、側方から見た場合に半楕円形をなす底面部１２ａと、曲率の小さな円弧もしくは長径の大きな楕円の一部のような形状をなす上面部１２ｂとを有し、全体的に側面視流線形をなすように形成されている。そして、底面部１２ａに進行方向前寄り位置と後寄り位置に、高さおよび幅が数ｍｍ（例えば１〜３ｍｍ）の突状部（トリッピングワイヤ）１２ｃ，１２ｃがそれぞれ形成されている。突状部１２ｃ，１２ｃは、舟体１２の長手方向全体に連続して形成しても良いし、数ｃｍ単位で分割して連なるように形成しても良い。

一方、舟体１２の上面部１２ｂには、図３（ａ）に示すように、比較的大きな長方形の開口部１２ｄが形成され、該開口部１２ｄを閉鎖するように同じく長方形をなす摺り板１１が、舟体１２の上面部１２ｂと数ｍｍ程度の間隔を有するように装着されている。
図３（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る低騒音化舟体の構造を示す分解斜視図および前面図である。
図３（ａ）に示すように、摺り板１１は支持プレート２１の上に載置される。摺り板と支持プレートは非可動でもよいが、追従性向上のため可動式にする場合には、舟体１２の上面の開口部１２ｄの内側に、収納凹部が形成され、該収納凹部内に、支持プレート２１およびこの上に載置された摺り板１１が、支持プレート２１の下面と収納凹部１２ｄの底面との間に介挿される１個または複数個の圧縮バネ２２と共に収納される。なお、圧縮バネ２２の代わりに板バネを介挿するようにしても良い。

また、本実施形態の集電装置においては、特に限定されるものではないが、摺り板１１は複数の矩形状の導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……を支持プレート２１上に並べて配設することで構成される。さらに、摺り板１１を構成する各導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面には、前後方向に延びる一対のリブ１１ａ，１１ａがそれぞれ形成されている。
こられのリブ１１ａ，１１ａの高さを適宜設定することで、図３（ｂ）に示すように、前方から見た場合に、舟体１２の上面と導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面との間に、前後に貫通する高さ数ｍｍ（例えば６ｍｍ）の隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……が生じるように構成されている。

図３（ｃ）には、上記導電性単板に設けられているリブ１１ａ，１１ａの詳細が示されている。図３（ｃ）に示されているように、この実施形態では、摺り板１１を構成する導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面両端部に形成されているリブ１１ａ，１１ａが、導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面の両端部ではなく、若干内側の位置に形成されている。これにより、前方から見た場合に、舟体１２の上面と導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面との間に、前後に貫通する幅ａの隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……の他に、隣接する導電性単板間に幅ｂの隙間Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３……が生じるようになる。この幅ａと幅ｂの寸法を最適化することで空力音を一層低減させることができる。

なお、摺り板１１を構成する導電性単板の収納凹部１２ｄからの飛び出しは、例えばリブ１１ａの両端部の下端に、外側方向へ突出し舟体１２の上壁の開口部の縁部に下方から当接する係止片を形成することで回避することができる。
また、本発明とは直接関係しないが、ホーン１３Ａ，１３Ｂにも、前後方向に貫通して空気の流通路を形成し空力音を減らすための複数のスリットが形成されている。
次に、上記のような構成を有する本実施形態における舟体１２の作用および効果について、図４を用いて説明する。

図４に示すように、本実施形態における舟体１２は、全体がほぼ流線形をしているため、舟体の進行方向後方にカルマン渦が生じにくい形態となっている。加えて、本実施形態における舟体１２は、摺り板１１と支持プレート２１との間に、前後に貫通する隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……およびＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３……が設けられている。そのため、舟体１２へ向かう空気の流れＦ０は、先ず舟体１２の先端部で上方へ向かう流れＦ１と下方へ向かう流れＦ２に分かれる。そして、舟体１２の上方へ向かう流れＦ１は、さらに摺り板１１の上方へ向かう流れＦ１１と、摺り板１１と支持プレート２１との間に隙間（流通路）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……を通過する流れＦ１２に分かれる。これによって、舟体の後方に生じるカルマン渦がさらに抑制されることとなる。

また、本実施形態における舟体１２は、下面に突状部（トリッピングワイヤ）１２ｃ．１２ｃが形成されており、この突状部によって舟体の表面に沿って流れる層流の剥離を促し、カルマン渦の発生を抑制する作用も加わるようになっている。
従って、上記実施形態のような構成を有する舟体１２を備える集電装置は、従来タイプの集電装置に比べて、カルマン渦に起因して発生するエルオス音のピーク値が小さくなるという利点がある。

（変形例１）
図５（ａ）には、上記実施形態に係る集電装置の低騒音化舟体の第１の変形例が示されている。この変形例は、摺り板１１を構成する導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面にリブ１１ａ，１１ａを形成する代わりに、舟体１２の開口部１２ｄの底面の支持プレート２１に複数のリブ２１ｅを形成するようにしたものである。各リブ２１ｅの高さは、上記実施形態における摺り板１１を構成する導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面のリブ１１ａ，１１ａの高さと同じ数ｍｍ（例えば６ｍｍ）である。なお、図５（ａ）および次の図５（ｂ）では圧縮バネ２２の図示を省略している。

（変形例２）
図５（ｂ）には、上記実施形態に係る集電装置の低騒音化舟体の第２の変形例が示されている。この変形例は、上記実施形態および変形例１における導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面のリブ１１ａや支持プレート２１上のリブ２１ｅの代わりに、所定のピッチでスペーサ１７を介在させるようにしたものである。スペーサ１７の間隔（ピッチ）は、各導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の長さよりも小さく設定されている。スペーサ１７の高さは、上記リブ１１ａやリブ２１ｅの高さと同じである。これにより、図３（ｂ）と同様、前方から見た場合に、舟体１２の上面と導電性単板１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ……の下面との間に、前後に貫通する高さ数ｍｍ（例えば６ｍｍ）の隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……が生じるように構成されている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、摺り板１１と舟体１２の上面との間に空気が通る隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……を設けているが、これらの隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……の他に、舟体１２の本体にも前後に貫通し空気が流れることができる複数の挿通孔を設け、該挿通孔と上記舟体１２の上面の隙間とを組み合わせるようにしても良い。これにより、舟体の後方にカルマン渦をさらに生じにくくして、より一層エルオス音を低減することができる。

また、前記実施形態においては、摺り板１１を横方向に４分割して４枚の単板を並べることで構成するようにしたものを示したが、分割数は４枚に限定されるものではない。また、分割せずに全体を１枚の導電性の板で構成しても良いし、４枚の単板をさらに縦方向にも分割して８枚の単板として、それらを並べることで構成するようにしても良い。
さらに、前記実施形態においては、摺り板１１と舟体１２との間に支持プレート２１と圧縮バネ２２を介在させたものを示したが、これらの部品のない構造の舟体であっても良い。

１０ 集電装置
１１ 摺り板
１２ 舟体
１２ｃ 突状部（トリッピングワイヤ）
１２ｄ 開口部（収納凹部）
１３Ａ，１３Ｂ ホーン
１４ 舟体支持部
１４Ａ カバー
１５ 主枠（舟体支持手段）
１６ 舟支え（舟体支持手段）
２１ 支持プレート（支持部材）
２２ 圧縮バネ（付勢手段）

Claims (3)

1. 上部にトロリ線に接触する摺り板を有する舟体と、前記舟体を支持する支持手段とを備えた鉄道車両の集電装置であって、
   前記舟体は、舟体の上面に摺り板が搭載され、側方から見た外形が全体としてほぼ流線形をなすように形成され、
   前記摺り板の下面と前記舟体の上面との間には、車両の進行方向に貫通して空気が通過可能な流通路が設けられていることを特徴とする集電装置。
2. 前記舟体の下面には、該舟体の長手方向に沿って伸びるように、高さが数ｍｍの突状部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の集電装置。
3. 前記摺り板は、複数の導電性単板に分割され、該導電性単板を並べて配設することで構成され、前記導電性単板のそれぞれの下面に車両の進行方向に沿って伸びるリブが形成され、該リブによって前記摺り板と前記舟体の上面との間に隙間が確保されて空気が通過可能な流通路が構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の集電装置。

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