JP2018118543A

JP2018118543A - 吊架線及びその製造方法並びに架線

Info

Publication number: JP2018118543A
Application number: JP2017009548A
Authority: JP
Inventors: 蛭田　浩義; Hiroyoshi Hiruta; 浩義蛭田; 田村　和彦; Kazuhiko Tamura; 和彦田村; 泰幸五嶋; Yasuyuki Goto
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Tonichi Kyosan Cable Ltd
Current assignee: Tonichi Kyosan Cable Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2018-08-02

Abstract

【課題】鉄道車両の更なる高速化が行われる鉄道線路用の架線に好適な吊架線及びその製造方法、並びにその吊架線を備えた架線を提供する。
【解決手段】本発明の一態様において、複数の素線２が撚り合わされた撚線を含む、トロリ線を吊り下げるための吊架線であって、素線２が銅錫合金からなり、素線２の直径が３ｍｍ以下であり、素線２の引張強さが５００ＭＰａ以上であり、断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下である、吊架線１を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、吊架線及びその製造方法並びに架線、特に高速鉄道用の架線に用いられる吊架線及びその製造方法並びに架線に関する。

従来、クロム（Ｃｒ）及び（Ｚｒ）を含む、直径４．３ｍｍの銅合金線を７本撚り合わせてなる吊架線が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された吊架線の引張強さは６４．７〜６８．８ｋｇｆ／ｍｍ^２である。

また、従来、銅又は銅合金線とステンレス鋼線とを撚り合わせてなる吊架線が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の吊架線の引張強さは６０〜１３０ｋｇ／ｍｍ^２であり、１３０ｋｇ／ｍｍ^２を越えると断面積に占めるステンレス鋼線の割合が大きくなり、導電率が低くなるとされている。

特開平６−３１６７３５号公報特公昭６３−２３０１５号公報

鉄道車両には、走行速度の更なる高速化が求められている。特に、新幹線等の高速鉄道車両では、将来的に現行の３００ｋｍ／ｈから３５０ｋｍ／ｈまで走行速度を向上させることが検討されている。そして、鉄道車両の高速化に伴い、架線を構成する吊架線に対して付与される架線張力には高張力化が求められる。このような事情から、高速鉄道車両用の架線に用いられる吊架線には、架線張力の高張力化に耐えられる高い引張荷重（引張試験において材料が耐えうる最大の荷重）が求められる。

例えば、現行の高速鉄道車両に用いられる架線において、鉄道車両の走行速度に対応する吊架線の架線張力はおよそ１．５〜２．０トンであるが、３５０ｋｍ／ｈの走行速度に対応する吊架線の架線張力はおよそ２．５トンである。そして、２．５トンの架線張力が付与される吊架線に必要な最低限の引張荷重は５９．３ｋＮである。

吊架線の引張荷重を大きくするためには、吊架線を構成する素線の本数を増やす方法や素線の外径を大きくする方法をとることが考えられるが、素線の本数を増やすことや素線の外径を大きくすることだけでは吊架線のサイズ（断面積）が大きくなってしまうため、他の部材との接続等に関して新規な設計条件の採用が必要となることや、吊架線自体の質量増加やコスト増加につながることが問題となる。このため、鉄道車両の更なる高速化が行われる線路に用いられる架線において、吊架線のサイズを大きくすることなく吊架線の引張荷重を大きくすることが求められる。

本発明の目的は、鉄道車両の更なる高速化が行われる鉄道線路用の架線に好適な吊架線及びその製造方法、並びにその吊架線を備えた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］の吊架線、下記［６］の吊架線の製造方法、及び下記［７］の架線を提供する。

［１］複数の素線が撚り合わされた撚線を含む、トロリ線を吊り下げるための吊架線であって、前記素線が銅錫合金からなり、前記素線の直径が３ｍｍ以下であり、前記素線の引張強さが５００ＭＰａ以上であり、断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下である、吊架線。

［２］前記素線の錫の含有量が０．１質量％以上かつ０．３質量％以下である、上記［１］に記載の吊架線。

［３］前記素線の導電率が８０％ＩＡＣＳ以上である、上記［１］又は［２］に記載の吊架線。

［４］最大２．５トンの架線張力で架線される吊架線として用いられる、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の吊架線。

［５］１９本よりも多い前記素線が撚り合わされた前記撚線を含む、上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の吊架線。

［６］冷間加工度が８０％以上の冷間引抜き加工を銅錫合金からなるワイヤロッドに施して、直径が３ｍｍ以下、引張強さが５００ＭＰａ以上の素線を形成する工程と、複数の前記素線を撚り合わせて、断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下である撚線を形成する工程と、を含む、吊架線の製造方法。

［７］鉄道車両に電力を供給するためのトロリ線と、複数の素線が撚り合わされた撚線を含み、前記素線が銅錫合金からなり、前記素線の直径が３ｍｍ以下であり、前記素線の引張強さが５００ＭＰａ以上であり、断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下である、前記トロリ線を吊り下げるための吊架線と、を備える、架線。

本発明によれば、鉄道車両の更なる高速化が行われる鉄道線路用の架線に好適な吊架線及びその製造方法、並びにその吊架線を備えた架線を提供することができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る吊架線が用いられる吊架式架線の構成例を示す図である。図２は、実施の形態に係る吊架線の径方向の断面図である。

〔実施の形態〕
図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る吊架線が用いられる吊架式架線の構成例を示す図である。これらの吊架式架線は、電車等の電気車（鉄道車両）用の架線であり、特に、新幹線等の高速鉄道車両の鉄道線路で好適に用いられる架線である。

図１（ａ）は、実施の形態に係る吊架線としての吊架線１１を含む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、鉄道車両に電力を供給するためのトロリ線１２がハンガー１３により吊架線１１から吊り下げられる。

図１（ｂ）は、実施の形態に係る吊架線としての吊架線２１及び補助吊架線２２を含むコンパウンドカテナリー式架線２０の概略図である。コンパウンドカテナリー式架線２０においては、補助吊架線２２がドロッパー２４により吊架線２１から吊り下げられ、鉄道車両に電力を供給するためのトロリ線２３がハンガー２５により補助吊架線２２から吊り下げられ、吊架線２１、補助吊架線２２、トロリ線２３が並列に配線される。

（吊架線の構造）
図２は、実施の形態に係る吊架線１の径方向の断面図である。吊架線１は、錫（Ｓｎ）が特定の含有量で含有されており、残部が銅（Ｃｕ）および不可避不純物である銅錫合金（Ｃｕ−Ｓｎ合金）からなる複数の素線２が撚り合わされた撚線で構成される吊架線であり、例えば、シンプルカテナリー式架線１０の吊架線１１、又はコンパウンドカテナリー式架線２０の吊架線２１若しくは補助吊架線２２である。

現在の高速鉄道に用いられている架線において採用されている架線張力２．５トン系の（最大２．５トンの架線張力で架線される）吊架線の断面積（素線の断面積の合計）は２００ｍｍ^２（２００ｓｑ）である。従来の吊架線からの質量やコストの増加を防ぐため、吊架線１の断面積（素線２の断面積の合計）は２００ｍｍ^２以下に設定される。また、細すぎると高速鉄道用の吊架線として十分な引張荷重（引張試験において材料が耐えうる最大の荷重）を確保することが困難になるため、吊架線１の断面積は１５０ｍｍ^２以上に設定される。

素線２の本数は、吊架線１の断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下になるように、素線２の断面積に応じて決定される。例えば、従来、架線張力２．０トン系の吊架線として、純銅からなる素線を１９本撚り合わせた断面積が１５０ｍｍ^２の撚線が用いられている。後述のように、素線２は冷間引抜き加工により従来の素線よりも細く作製されるため、断面積が１５０ｍｍ^２の吊架線を形成するためには、１９本よりも多い本数の素線２が撚り合わされる。例えば、直径が２．３ｍｍの素線２が３７本撚り合わされることにより、断面積が１５０ｍｍ^２の吊架線１が形成される。

吊架線１を構成する撚線は、複数本の素線２を同心撚りで多層に撚り合わされていることが好ましい。例えば、撚線は、中心の素線２が１本からなり、この中心の素線２の外周に複数本の素線２を同心円上に撚り合わせてなる層を多段に配置させた構造とする。このとき、撚線の撚り方向は、右撚り、左撚りのいずれでもよい。また撚線を構成する各層は、右撚りの層と左撚りの層とを交互に多段配置させた異方向撚りで構成されていることが好ましい。また、撚線を構成する複数本の素線２は、その全てが後述するような特定の含有量で錫を含む銅錫合金からなることが好ましい。さらに撚線は、その表面が圧縮されていない形状であることが好ましい。また、撚線の撚りピッチは、吊架線１が適用される架線の仕様等によって適宜変更が可能である。例えば、撚りピッチは最外層の撚りピッチが層心径の２０倍以下であるように調整されること等があるが、これに限定されるものではない。

また、吊架線１の引張荷重を大きくするため、素線２は５００ＭＰａ以上の引張強さを有することが求められる。

素線２は、冷間引抜き加工により形成される。この冷間引抜き加工における冷間加工度を大きくすることにより、素線２の引張強さを大きくすることができる。ここで、冷間加工度は、素線２の母材のワイヤロッドを素線２に加工したときの断面積減少率に等しい。すなわち、ワイヤロッドの断面積をＳ１、素線２の断面積をＳ２とすると、冷間加工度は（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１に等しい。

例えば、直径８ｍｍのワイヤロッドを母材に用いる場合、素線２の直径を３．０ｍｍ以下にすることにより、冷間加工度が８６％以上になり、素線２の直径を２．３ｍｍ以下にすることにより、冷間加工度が９０％以上になる。なお、素線２の直径は、２．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましく、２．０ｍｍ以上２．３ｍｍ以下がより好ましい。素線２の直径が２．０ｍｍ未満である場合、実用上において、吊架線１の端末部分を圧縮させて架線作業を行う際に素線切れが発生するおそれがあり、電気的なロスや機械的強度の低下につながる。

このように、ワイヤロッドの断面積と素線２の断面積の差が大きい方が、素線２の冷間加工度を大きくすることができる。そして、素線２の引張強さを５００ＭＰａ以上とするとともに、吊架線１の質量増加を防止しながら吊架線１の引張荷重を向上させるために、素線２の直径は３ｍｍ以下であることが好ましく、２．３ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、素線２の引張強さを５００ＭＰａ以上にするため、銅錫合金からなる素線２の錫の含有量は０．１質量％以上であることが好ましい。

例えば、冷間加工度が８０％以上であり、直径が２．３ｍｍ、錫の含有量が０．１５質量％の銅錫合金からなる素線２を３７本撚り合わせた場合、吊架線１の断面積はおよそ１５０ｍｍ^２（１５０ｓｑ）であり、引張荷重はおよそ６７．５ｋＮとなる。この場合の吊架線１の引張荷重は、架線張力２．５トン系の架線の必要荷重５９．３ｋＮ以上を十分に満足する。

上述のように、従来、架線張力２．０トン系の吊架線として断面積が１５０ｍｍ^２の撚線が用いられており、また、現在、架線張力２．５トン系の吊架線として断面積が２００ｍｍ^２の撚線が採用されている。本実施の形態によれば、断面積が従来の架線張力２．０トン系の吊架線と同じ１５０ｍｍ^２でありながら、架線張力２．５トン系の吊架線として用いることができる吊架線１を提供することができる。

すなわち、新幹線などの高速鉄道車両の高速化に伴い、吊架線に加わる架線張力が増加した場合であっても、本実施の形態に係る吊架線１を用いれば吊架線のサイズを大きくすることなく架線張力の高張力化に対応することができる。このため、吊架線のサイズの増大に伴う他の部材との接続等に関する新規な設計条件の採用が不要になり、また吊架線の質量増加に伴う架線全体の大幅な設計変更も不要になる。これにより、現行の線路において、鉄道車両の更なる高速化を行う場合に、吊架線１を用いた架線であれば既存の架線設備を用いて鉄道車両の高速化を行うことができる。

吊架線１は、き電線の役割も兼ねるため、素線２の導電率が８０％ＩＡＣＳ（International Annealed Copper Standard）以上であることが好ましい。素線２の錫の含有量を０．３質量％以下に抑えることにより、導電率を８０％ＩＡＣＳ以上にすることができる。

（吊架線の製造工程）
以下に、実施の形態に係る吊架線１の製造工程の一例を示す。

まず、連続鋳造圧延法によって、所定量の錫、好ましくは０．１質量％以上かつ０．３％以下の錫が含まれた銅錫合金からなるワイヤロッドを作製する。

次いで、このワイヤロッドに冷間引抜き加工を施し、直径が３ｍｍ以下の素線２を得る。素線２の引張強さを５００ＭＰａ以上とするためには、この冷間引抜き加工における冷間加工度が８０％以上であることが好ましく、８６％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。

次いで、複数の素線２を撚り合わせて断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下の撚線を形成し、吊架線１を得る。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、銅錫合金からなる引張強さに優れた素線が撚り合わされた吊架線であって、鉄道車両の更なる高速化が行われる鉄道線路用の架線に好適な吊架線を提供することができる。また、上記実施の形態に係る吊架線は銅錫合金からなる素線から構成されているため、価格や供給性に優れ、容易に工業生産が可能で実用的である。

吊架線の構成と特性の関係の評価を行った。以下の表１に示される実施例１〜３は、錫の含有量が０．１５質量％、酸素量２０ｐｐｍ以下の銅錫合金からなる複数本の素線を同心撚りで多層に撚り合わせた本発明の実施例としての吊架線であり、表２に示される比較例１〜２は、タフピッチ銅（純銅）からなる複数本の素線を同心撚りで多層に撚り合わせた比較例としての吊架線である。また、実施例１〜３及び比較例１〜２は、直径８ｍｍのワイヤロッドに冷間引抜き加工を施すことにより表１、２に示す直径を有する素線を製造した。

実施例１〜３及び比較例１〜２の素線の直径はマイクロメーターを用いて測定した。素線の引張強さは、素線の破断荷重を測定し、「素線の破断荷重／素線の断面積」として算出した。素線の断面積は素線の直径から算出した。また、吊架線の引張荷重は、「素線の引張強さ×０．９×吊架線の断面積」として算出した。なお、素線の導電率は、測定値のバラツキを考慮して実測値よりも３％低い値を示している。なお、素線の直径、導電率、破断荷重、素線又は吊架線の断面積は、いずれもＪＩＳＣ３００２に準拠する試験方法によって測定した。

表１、２に示されるように、素線の直径が小さくなる、すなわち冷間加工度が大きくなるほど、素線の引張強さが高くなる傾向が見られる。また、冷間加工度が高くなるほど素線の導電率が低下する傾向があり、例えば、直径が１．９ｍｍである場合の導電率は直径が２．６ｍｍである場合の導電率よりも２％ＩＡＣＳ程度低くなる。

表１の実施例１〜３と表２の比較例１〜２のうち、吊架線の断面積が等しいもの同士を比較すると、質量はほぼ等しいが、引張荷重は実施例の方が比較例よりも大きい。すなわち、従来用いられている純銅からなる吊架線を実施例に係る吊架線に変更することにより、吊架線の質量をほとんど変化させることなく引張荷重を向上させることができる。

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。例えば、吊架線１は、複数の素線２が撚り合わされた撚線以外の部材を含んでもよい。

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。

１吊架線
２素線
１０シンプルカテナリー式架線
１１、２１吊架線
１２、２３トロリ線
１３、２５ハンガー
２０コンパウンドカテナリー式架線
２２補助吊架線
２４ドロッパー

Claims

複数の素線が撚り合わされた撚線を含む、トロリ線を吊り下げるための吊架線であって、
前記素線が銅錫合金からなり、
前記素線の直径が３ｍｍ以下であり、
前記素線の引張強さが５００ＭＰａ以上であり、
断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下である、吊架線。
前記素線の錫の含有量が０．１質量％以上かつ０．３質量％以下である、
請求項１に記載の吊架線。
前記素線の導電率が８０％ＩＡＣＳ以上である、
請求項１又は２に記載の吊架線。
最大２．５トンの架線張力で架線される吊架線として用いられる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の吊架線。
１９本よりも多い前記素線が撚り合わされた前記撚線を含む、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の吊架線。
冷間加工度が８０％以上の冷間引抜き加工を銅錫合金からなるワイヤロッドに施して、直径が３ｍｍ以下、引張強さが５００ＭＰａ以上の素線を形成する工程と、
複数の前記素線を撚り合わせて、断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下である撚線を形成する工程と、
を含む、吊架線の製造方法。
鉄道車両に電力を供給するためのトロリ線と、
複数の素線が撚り合わされた撚線を含み、前記素線が銅錫合金からなり、前記素線の直径が３ｍｍ以下であり、前記素線の引張強さが５００ＭＰａ以上であり、断面積が１５０ｍｍ^２以上かつ２００ｍｍ^２以下である、前記トロリ線を吊り下げるための吊架線と、
を備える、架線。