JP4719177B2 - パンタグラフの接触力調整方法及びパンタグラフ - Google Patents

Description

本発明は、空中に架設されたトロリ線から鉄道車両に電気を供給するパンタグラフに関する。特には、舟体（摺り板を含む）とトロリ線との間の接触力を適正な範囲内に収めることができる、パンタグラフの接触力調整方法及びパンタグラフに関する。

現状の電気鉄道においては、トロリ線から、車体屋根に搭載されたパンタグラフを介して車両に給電する方法が一般的である。このようなパンタグラフは、摺り板を介してトロリ線に押し当てられる舟体と、その舟体を昇降可能に支える支持機構等を備えている。

トロリ線と舟体との間の接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動によって変動する。接触力が小さい場合、舟体がトロリ線から離れる「離線」が生じるおそれがある。離線が頻発すると、舟体とトロリ線との間にスパークが生じて摺り板の摩耗が進む。一方、接触力が大きい場合、トロリ線に過大な応力が生じ、トロリ線及びパンタグラフの損傷が生じやすくなる。こうしたことから、トロリ線と舟体との間の接触力は常に適正な範囲内に収まり、かつ、極力変動の小さい方がよい。
本出願人らは、舟体とトロリ線との間の接触力を適正な範囲内に収めるために特許文献１において、舟体に噴流噴出しを設けて舟体周りの流れ場を変化させる技術を提案している。
特開２０００−２７０４０３号公報

本発明の目的は、簡単な構成で舟体（摺り板を含む）とトロリ線との間の接触力を適正な範囲内に収めることができるように改良を加えた、パンタグラフの接触力調整方法及びパンタグラフを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のパンタグラフの接触力調整方法は、
摺り板を介してトロリ線に押し付けられる鈍頭型の舟体を備えたパンタグラフの接触力調整方法であって、
前記舟体の前縁部の上下に、可動式の凹凸手段を設け、
前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の下面側の気圧を低下させ、
前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の気圧を低下させることを特徴とする。

舟体が流線型の場合、これとは逆に、前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の流速を低下させ、前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の流速を低下させる。

また、本発明のパンタグラフ（鈍頭型）は、
摺り板を介してトロリ線に押し付けられる鈍頭型の舟体と、
前記舟体の前縁部の上下にそれぞれ設けられた可動式の凹凸手段と、を備え、
前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の下面側の気圧を低下させ、
前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の気圧を低下させることを特徴とする。

本発明の他のパンタグラフ（流線型）は、
摺り板を介してトロリ線に押し付けられる流線型の舟体と、
前記舟体の前縁部の上下にそれぞれ設けられた可動式の凹凸手段と、を備え、
前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の流速を低下させ、
前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の流速を低下させることを特徴とする。

本発明のパンタグラフ及びその駆動方法によれば、トロリ線と舟体との接触力に応じ、凹凸手段を適宜駆動して舟体の上下で気圧差を生じさせることで、舟体に作用する揚力を増減させることができるので、接触力を適正な範囲内に収めることが可能となる。

本発明のパンタグラフは、また、前記接触力を検出する検出手段をさらに備え、該検出手段の検出結果に応じて前記凹凸手段が動作されるものとすることができる。

前記凹凸手段の一形態としては、前記舟体表面に取り付けられた、棒状、線状、帯状又はメッシュ状のラフネスとすることができる。
あるいは、前記舟体の表面に取り付けられた、厚み方向に屈曲可能な薄板と、該薄板を屈曲させる駆動源と、を有するものとしてもよい。この形態の場合、駆動源は、空圧式もしくは油圧式のアクチュエータ、又は、圧電素子を利用することができる。

本発明の他のパンタグラフは、
摺り板を介してトロリ線に押し付けられる舟体と、
前記舟体の前縁部の上下にそれぞれ設けられた可動式の凹凸手段と、
該凹凸手段を動作させる駆動機構と、
を備えるパンタグラフであって、
前記摺り板が、
前記舟体に弾性的に保持された、前記トロリ線との間の接触力に応じて前記舟体に対して上下移動するものであり、
前記駆動機構が、
前記摺り板と前記凹凸手段とを機械的に連結し、前記舟体に対する前記摺り板の上下移動に応じて前記凹凸手段を動作させるリンク機構であることを特徴とする。

本発明によれば、上述したように、舟体（摺り板を含む）とトロリ線との間の接触力を適正な範囲内に収めることができる、パンタグラフの接触力調整方法及びパンタグラフを提供することができる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、鈍頭型の舟体が流体中を移動する際の流れについて説明する。図１は、パンタグラフの舟体を模式的に示す縦断面図である。なお、図１の舟体は上下対称のものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この舟体５の断面形状は鈍頭型である。「鈍頭型」には、断面が矩形をはじめとして円形又はそれに近い形状も含まれる。舟体５は、その下部側が図示しない支持機構によって支えられ、上部側がトロリ線（不図示）に向けて押し付けられる（「摺り板」については後述する）。
なお、舟体５の支持方式は特に限定されるものではなく、シングルアーム形、菱形、下枠交差形等のいずれであってもよい。

図１のような鈍頭型の舟体５を流れの中に置いた場合、図１（Ａ）に示すように、上面側及び下面側の流れ（物体表面の境界層）は、いずれも、舟体表面に沿うことなく舟体の前縁部付近（剥離点５ａ）で剥離する。剥離点５ａよりも下流では、流れが剥離した領域Ｂが舟体５の上下及び後側をとり囲むように広がっている。この領域Ｂでは圧力低下が生じているが、その圧力低下量は、後述する、流れが舟体５に沿って増速した場合に比べれば小さい。

図１（Ｂ）は、舟体５の上面前縁部にラフネス７を配置した例を示している。ラフネス（凹凸手段）７とは、物体表面の境界層を乱流境界層（物体の表面に沿って流れる性質を有する）に遷移させる働きをする部材の総称であり、例えば棒状、線状、帯状又はメッシュ状の部材を利用することができる。一例として、トリッピングワイヤと呼ばれる細いワイヤや、長尺帯状のテープなどであってもよい。
なお、ラフネス７は、流れが剥離する位置（剥離点５ａ）よりも上流に設けられている。

ラフネス７によって揚力が変化する原理は次の通りである。
図１（Ｂ）に示す例では、舟体５の下面にはラフネス７が配置されていないので、下面側の流れは、図１（Ａ）の場合と同様、前縁部付近の剥離点５ａで剥離する。剥離点５ａよりも下流では、流れが剥離した領域Ｂが広がる。

一方、舟体５の上面にはラフネス７が配置されているので、上面側の流れはラフネス７により乱流化され、境界層は乱流境界層へと遷移する。これにより、流れは、物体表面から剥離することなく舟体表面に沿って流れる。流れが物体に沿った場合、剥離した場合と比較して、一般に圧力低下量が大きくなる。したがってこの例では、ラフネス７の配置により舟体５の上面側が相対的に低圧となり、その結果、舟体５に作用する揚力が増加している。
なお、図１では示していないが、ラフネス７を舟体５の下面に配置すれば、上記とは逆に揚力を減少させることができる。ラフネス７の位置を舟体の形状等に応じて適宜変更し、舟体の上下の圧力バランスを調整することで、舟体に作用する揚力を適正な範囲内に収めることが可能となる。

図２は、本発明の一例に係るパンタグラフの舟体を模式的に示す縦断面図である。
図２に示すように、この舟体５は全体として鈍頭型であり、上部にはトロリ線（不図示）と接触する摺り板６が取り付けられている。摺り板６は、車体の幅方向に長く延びる（長さ例５００〜６００ｍｍ）鉄製の焼結合金などであり、トロリ線と接触して電気供給を受ける。

図示は省略するが、舟体５は、バネシリンダやリンク等を有し、舟体５を押し上げることができる支持機構によって支えられている。

舟体５の前縁部の上下には可動式（舟体に対して出入り可能）のラフネス７Ａ、７Ｂ（上側が７Ａ、下側が７Ｂ）が設けられている。ラフネス７Ａ、７Ｂとしては、上記の通り、棒状、線状、帯状又はメッシュ状の部材を利用できる。ラフネス７Ａ、７Ｂは、舟体５の表面から突出した位置と、舟体５の表面とほぼ同一面となる位置との間で移動する。
なお、前縁部とは、図２に示すように、摺り板６の前端部６ａの上流であり、かつ、流れが物体から剥離する剥離点５ａ（図１も参照）よりも上流の領域をいう。

ラフネス７Ａ、７Ｂは、舟体５に内蔵された駆動源１２によって動かされる。駆動源１２としては、圧電アクチュエータ、電磁式アクチュエータ、空圧式又は油圧式アクチュエータ等を利用することができる。又は、ボールねじなどを利用してもよい。

駆動源１２は接触力センサ１１に接続されている。接触力センサ１１は、一例として歪みゲージやロードセルであり、摺り板６に加わる力、すなわち摺り板６とトロリ線との間の接触力を検出する。

駆動源１２は、接触力センサ１１によって検出された接触力が所定の上限値を超えた場合に下側のラフネス７Ｂのみを突出させる。また、接触力が所定の下限値を下回った場合には、上側のラフネス７Ａのみを突出させる。

次に、以上のように構成された本実施形態のパンタグラフにおける舟体５の動作について図３を参照して説明する。
図３（Ａ）は、トロリ線との接触力が所定の上限値を上回ったときの舟体の動作を示す模式図である。

接触力センサ１１（図２参照）によって検出された接触力の値が所定の上限値を超えた場合、駆動源１２が作動して下側のラフネス７Ｂを突出させる。このように下側のラフネス７Ｂが突出した場合、舟体５の下面側の流れがラフネスにより乱流化され、境界層は乱流境界層へと遷移し、舟体表面に沿って流れることとなる。一方、舟体５の上面ではラフネス７Ａは突出していないため、流れは舟体５の前縁部付近の剥離点５ａで剥離する。

このように、舟体５の上面側で流れが剥離する一方、下面側ではラフネス７Ｂの作用により流れが舟体５に沿うことにより、舟体５の下面側の圧力低下量が大きくなり、下面側の圧力が相対的に低下し、舟体５に作用する揚力が減少する。その結果、トロリ線と舟体５との間の接触力を小さくすることができる。

図３（Ｂ）は、トロリ線との接触力が所定の下限値を下回ったときの舟体の動作を示す模式図である。
接触力センサ１１（図２参照）によって検出された接触力の値が所定の下限値を下回った場合、駆動源１２が作動して上側のラフネス７Ａを突出させる。このように上側のラフネス７Ａが突出した場合、図１を参照して説明したように、舟体５の上面側ではラフネス７Ａの作用により流れが舟体５に沿う一方、下面側では流れが剥離するため、上面側の圧力低下量が大きくなり、上面側の圧力が相対的に低下し、舟体５に作用する揚力が増す。その結果、トロリ線と舟体５との間の接触力を大きくすることができる。

以上説明したように、本実施形態のパンタグラフによれば、舟体５（鈍頭型）の前縁部上下に可動式のラフネス７Ａ、７Ｂが設けられており、トロリ線との接触力が大きくなった場合には下面のラフネス７Ｂを突出させることで、揚力を減少させることができ、逆に、接触力が小さくなった場合には上面のラフネス７Ａを突出させることで、揚力を増加させることができる。そのため、トロリ線と舟体５との間の接触力を適正な範囲内に収めることができる。

（第２の実施形態）
本発明は、パンタグラフの舟体が流線型である場合にも適用することができる。図４は、パンタグラフの舟体（流線型）を模式的に示す図である。なお、図４の舟体は上下対称のものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

図４の舟体１５は、流線型の断面形状を有している。この舟体１５を流れの中に置いた場合、図４（Ａ）に示すように、流れは剥離することなく舟体１５の表面に沿って流れる。流れが物体に沿う場合、流速が大きいほど圧力低量が大きく、流速が小さいほど圧力低下は小さい（ベルヌーイの定理）。

図４（Ａ）の場合、舟体１５の上面側の流れと下面側の流れが同じであるので、舟体の上下に圧力差が生じることはない（図４（Ａ）は上下対称の舟体を一例として示したものにすぎず、本発明がこうした舟体を有するパンタグラフに限定されるものでないことは言うまでもない）。
一方、図４（Ｂ）のように、舟体１５の上面前縁部（一例）にラフネス７を配置すると、このラフネス７が、流速を減速させる障害物として働き、舟体１５の上面側の流速が小さくなる。その結果、上面側の圧力低下量が小さくなり、下面側が相対的に低圧となって、舟体１５に作用する揚力が減少する。
なお、図４では図示していないが、ラフネス７を下面前縁部に配置すれば、上記とは逆に、舟体１５に作用する揚力を増加させることができる。

次に、上記の原理に基づいた、本実施形態における流線型の舟体１５の動作について図５を参照して説明する。
図５（Ａ）は、トロリ線との接触力が所定の上限値を上回ったときの舟体の動作を示す模式図である。なお、図５の舟体１５は、断面形状が流線型である点を除き、第１の実施形態と同様に構成されている。つまり、舟体１５は、第１の実施形態同様、上部には摺り板１６が取り付けられ、前縁部の上下には可動式のラフネス７Ａ、７Ｂが設けられている。舟体１５の内部には、摺り板１６とトロリ線との間の接触力を検出する接触力センサと、該センサの検出結果に基づいてラフネス７Ａ、７Ｂを動かす駆動源が収容されている。

図５（Ａ）に示すように、接触力センサによって検出された摺り板１６とトロリ線との間の接触力が所定の上限値を超えた場合、内蔵された駆動源が作動し、上側のラフネス７Ａを突出させる。下側のラフネス７Ｂは舟体１５の表面とほぼ同一面となる位置のままである。
この場合、舟体の下面側の流れはラフネスＢの影響を受けることなく比較的高速で流れる一方、上面側の流れはラフネス７Ａの影響を受けて低速となる。これにより、舟体１５の下面が相対的に低圧となり、舟体に作用する揚力が減少する。

一方、図５（Ｂ）に示すように、接触力が所定の下限値を下回った場合には、内蔵された駆動源が作動し、下側のラフネス７Ｂを突出させる。上側のラフネス７Ａは舟体１５の表面とほぼ同一面となる位置のままである。
この場合、上面側の流れはラフネスＡの影響を受けることなく比較的高速で流れる一方、下面側の流れはラフネス７Ｂの影響を受けて低速となる。これにより、舟体１５の上面側が相対的に低圧となり、舟体に作用する揚力が増加する。

以上説明したように、流線型の舟体１５の場合であっても、センサの検出結果に基づいて舟体前縁部のラフネス７Ａ、７Ｂのいずれかを突出させることにより、舟体に作用する揚力を調整することができ、トロリ線と舟体との間の接触力を適正な範囲内に収めることができる。但し、舟体が鈍頭型の場合と流線型の場合とでは、舟体の周りの流れ場の性質が異なっているため、ラフネス７Ａ、７Ｂを突出させたときの作用が逆となる。

（第３の実施形態）
本発明は、舟体上部の摺り板が可動式であるパンタグラフにも適用することができる。図６は、その一例を示す縦断面図である。
図６に示す舟体２５は、一例として鈍頭型である。舟体２５の上部には、摺り板２６がコイルバネ２７を介して弾性的に保持されており、摺り板２６はトロリ線との接触力に応じて上下移動する。つまり、トロリ線との接触力が大きい場合には、トロリ線によって下向きに押されてバネ２７を押し縮めながら下方に移動し、接触力が小さい場合には、バネ２７により上向きに押されて上方に移動する。

摺り板２６の下面には、リンク機構２２が機械的に連結されている。このリンク機構２２は、舟体２５の前縁部の上下に設けられた可動式のラフネス７Ａ、７Ｂに連結されている。リンク機構２２は、摺り板２６が下方に移動した際には下側のラフネス７Ｂを突出させ、摺り板２６が上方に移動した際には上側のラフネス７Ａを突出させる。

このように構成された本実施形態のパンタグラフによれば、摺り板２６とトロリ線との間の接触力が大きくなったとき、摺り板２６がトロリ線によって下向きに押されて下方に移動し、それに応じて、リンク機構２２によって下側のラフネス７Ｂが突出させられる。したがって、第１の実施形態同様、下側のラフネス７Ｂの突出により、舟体２５の下面側の流れはラフネスにより乱流化され、境界層は乱流境界層へと遷移して舟体表面に沿って流れ、一方、舟体２５の上面側の流れは舟体前縁部で剥離する。その結果、舟体２５の下面側の圧力が相対的に低下し、舟体２５に作用する揚力が減少するので、トロリ線との接触力を小さくすることができる。

一方、摺り板２６とトロリ線との接触力が小さくなったときには、摺り板２６がバネ２７の作用により上方に移動し、それに応じて、リンク機構２２によって上側のラフネス７Ａが突出させられる。これにより、上記とは逆に、舟体２５の上面側の流れはラフネスによって乱流化され、境界層は乱流境界層へと遷移して舟体表面に沿って流れ、一方、舟体２５の下面側の流れは舟体前縁部で剥離する。その結果、舟体２５の上面側の圧力が相対的に低下し、舟体２５に作用する揚力が増加するので、トロリ線との接触力を大きくすることができる。

以上、本発明の例を幾つか説明したが、ラフネス及びその駆動源は図７に示すようなものとすることもできる。
図７（Ａ）は舟体５の上面の一部を拡大して示す断面図であり、舟体の表面に、厚み方向に屈曲可能な薄板からなるラフネス８を設けた例を示している。
ラフネス８は、舟体５内に設けられた、一端が舟体表面に開口する空気流路９の開口部を覆っている。空気流路９の基端側は図示しない空気溜に接続されている。空気流路９の途中には同流路を開閉するバルブＢが設けられている。

この構成においては、例えば、第１の実施形態（図２参照）で述べたようなセンサ１１を利用し、そのセンサ１１の検出結果に基づいてバルブＢが開閉される。バルブＢの開時には、空気流路９のバルブＢよりも下流側に空気が供給され、流路内が加圧され、この圧力がラフネス８に作用し、ラフネス８が舟体表面から突出する（破線で示す）。一方、閉時には加圧が解除され、ラフネス８はフラットな状態（実線で示す）に戻る。

図７（Ｂ）は、空気流路９等を利用するのではなく、ラフネス８′自体を圧電アクチュエータで構成した例を示す。この圧電アクチュエータは、一例として、舟体の表面に取り付けられた、厚み方向に屈曲可能な薄板８ａ′と、その両面又は片面に貼り付けられた圧電素子８ｂ′とで構成されている。図７（Ａ）の場合と同様、例えば、第１の実施形態（図２参照）で述べたようなセンサ１１を利用し、そのセンサ１１の検出結果に基づいて圧電素子が駆動される。圧電素子が駆動されるとラフネス８′が舟体表面から突出した状態（破線で示す）となる。一方、駆動されない状態ではラフネス８′はフラットな状態（実線で示す）に戻る。

パンタグラフの舟体を模式的に示す縦断面図である。 本発明の一例に係るパンタグラフ（鈍頭型）の舟体を模式的に示す縦断面図である。 図２の舟体の動作を示す模式図である。 本発明の一例に係るパンタグラフ（流線型）の舟体を模式的に示す縦断面図である。 図４のタイプの舟体の動作を示す模式図である。 可動式の摺り板を有する舟体に本発明を適用した例を示す縦断面図である。 ラフネスの他の構成例を示す縦断面図である。

符号の説明

５、１５、２５・・・舟体、５ａ・・・剥離点、６、１６、２６・・・摺り板、６ａ・・・前縁部
７、８、８′・・・ラフネス
９・・・空気流路、１１・・・接触力センサ、１２・・・駆動原、２２・・・リンク機構、２７・・・コイルバネ

Claims (9)

1. 摺り板を介してトロリ線に押し付けられる鈍頭型の舟体を備えたパンタグラフの接触力調整方法であって、
   前記舟体の前縁部の上下に、可動式の凹凸手段を設け、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の下面側の気圧を低下させ、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の気圧を低下させることを特徴とするパンタグラフの接触力調整方法。
2. 摺り板を介してトロリ線に押し付けられる流線型の舟体を備えたパンタグラフの接触力調整方法であって、
   前記舟体の前縁部の上下に、可動式の凹凸手段を設け、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の流速を低下させ、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の下面側の流速を低下させることを特徴とするパンタグラフの接触力調整方法。
3. 摺り板を介してトロリ線に押し付けられる鈍頭型の舟体と、
   前記舟体の前縁部の上下にそれぞれ設けられた可動式の凹凸手段と、を備え、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の下面側の気圧を低下させ、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の気圧を低下させることを特徴とするパンタグラフ。
4. 摺り板を介してトロリ線に押し付けられる流線型の舟体と、
   前記舟体の前縁部の上下にそれぞれ設けられた可動式の凹凸手段と、を備え、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の上限値を超えた場合には、上側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の上面側の流速を低下させ、
   前記トロリ線と前記摺り板との間の接触力が所定の下限値を下回った場合には、下側の前記凹凸手段を動作させて前記舟体の下面側の流速を低下させることを特徴とするパンタグラフ。
5. 前記接触力を検出する検出手段をさらに備え、該検出手段の検出結果に応じて前記凹凸手段が動作されることを特徴とする、請求項３又は４に記載のパンタグラフ。
6. 前記凹凸手段が、
   前記舟体表面に取り付けられた、棒状、線状、帯状又はメッシュ状のラフネスであることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載のパンタグラフ。
7. 前記凹凸手段が、
   前記舟体の表面に取り付けられた、厚み方向に屈曲可能な薄板と、
   該薄板を屈曲させる駆動源と、を有することを特徴とする、請求項３〜６のいずれか１項に記載のパンタグラフ。
8. 前記駆動源が、空圧式もしくは油圧式のアクチュエータ、又は、圧電素子であることを特徴とする請求項７に記載のパンタグラフ。
9. 摺り板を介してトロリ線に押し付けられる舟体と、
   前記舟体の前縁部の上下にそれぞれ設けられた可動式の凹凸手段と、
   該凹凸手段を動作させる駆動機構と、
   を備えるパンタグラフであって、
   前記摺り板が、
   前記舟体に弾性的に保持された、前記トロリ線との間の接触力に応じて前記舟体に対して上下移動するものであり、
   前記駆動機構が、
   前記摺り板と前記凹凸手段とを機械的に連結し、前記舟体に対する前記摺り板の上下移動に応じて前記凹凸手段を動作させるものであることを特徴とするパンタグラフ。
   
   

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