JP4843536B2 - パンタグラフ揚力推定システムおよび推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、パンタグラフの揚力を推定するシステムおよび方法に関する。

パンタグラフは、車両の移動にともなって架線を接触しつつ移動し、架線から電気を車両に供給する。パンタグラフは、その頂部に架線と接触する舟体を有し、コイルバネなどの力で架線との接触を維持している。

パンタグラフの揚力（空気力のうち上下方向の成分）は、集電性能に大きく影響を与える要因である。したがって、風洞試験や現車においてパンタグラフの舟体をワイヤで中腰にする試験などによりパンタグラフの揚力を測定している。

たとえば、非特許文献１には、パンタグラフを上げ、かつ、コードによって架線に接触しない状態に維持し、コードの一端につけられたロードセルによって揚力を計測する例が開示されている。また、非特許文献２には、パンタグラフの揚力を含む種々の特性を測定するための風洞実験の例が開示されている。
「ＥＲＲＩ Ａ １８６／ＲＰ ５ Pantograph/overhead line interaction」 Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｒａｉｌ Ｒｅｓｅａｔｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、第５頁、第３８頁、１９９６年９月 「東北新幹線"はやて"搭載 環境にやさしい静かなパンタグラフ」 柴田勝彦他著、三菱重工技報、Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．３、２００３年５月

車両の走行時には、パンタグラフのすり板磨耗による形状変化、舟体迎角の変動、トンネル突入時の流速や風向きの変化などの影響により、パンタグラフの揚力は変化するため、架線を摺動しているパンタグラフに作用する揚力を測定するための効果的な方法が求められているが、そのような効率的な手法が提案されていないのが現状である。

そこで、本発明は、車両の走行時に架線を摺動するパンタグラフの揚力を推定するシステムおよび方法を提供することを目的とする。

本発明においては、測定区間のハンガ軸力および測定区間両端のトロリ線の傾斜から、測定区間を通過するパンタグラフの低周波数の接触力を算出する。パンタグラフ通過時に測定される接触力の平均値から、別途測定しておいたパンタグラフの静押上力（停止時に測定される）を減算することで、パンタグラフの揚力を推定する。

より詳細には、本発明の目的は、パンタグラフの揚力を推定する揚力推定システムであって、
少なくとも、測定区間（−ε＜ｘ＜ε）の間に存在する、前記トロリ線と連結されたハンガのハンガ軸力ｈ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）、および、測定区間の両端における傾斜（∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋ε、∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−ε）をそれぞれ示すデータを記憶した記憶装置と、
前記ハンガ軸力、傾斜を示すデータから、以下の式

（Ｔ：トロリ線の張力）
に基づいて、接触力ｆ（ｔ）を算出する接触力算出手段と、
前記接触力ｆ（ｔ）の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出する平均値算出手段と、
前記接触力の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））に基づいて、以下の式
ｆ_Ｌ＝Ｍ（ｆ（ｔ））−ｆ_０
（ｆ_０：パンタグラフの静押上力）
により、揚力ｆ_Ｌを算出する揚力算出手段と、
を備えたことを特徴とする揚力推定システムにより達成される。

好ましい実施態様においては、前記平均値算出手段が、時間ｔ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｍ）における接触力ｆ（ｔ_ｊ）に基づいて、以下の式

により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出する。

別の好ましい実施態様においては、前記平均値算出手段が、時間ｔの関数である接触力ｆ（ｔ）を、時間的な測定区間０≦ｔ≦Ｔで積分して積分時間Ｔで除した以下の式

により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出する。

また、本発明の目的は、少なくとも、測定区間（−ε＜ｘ＜ε）の間に存在する、前記トロリ線と連結されたハンガのハンガ軸力ｈ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）、および、測定区間の両端における傾斜（∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋ε、∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−ε）をそれぞれ示すデータを記憶した記憶装置において、パンタグラフの揚力を推定する揚力推定方法であって、
前記ハンガ軸力、傾斜を示すデータから、以下の式

（Ｔ：トロリ線の張力）
に基づいて、接触力ｆ（ｔ）を算出する接触力算出ステップと、
前記接触力ｆ（ｔ）の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出する平均値算出ステップと、
前記接触力の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））に基づいて、以下の式
ｆ_Ｌ＝Ｍ（ｆ（ｔ））−ｆ_０
（ｆ_０：パンタグラフの静押上力）
により、揚力ｆ_Ｌを算出する揚力算出ステップと、
を備えたことを特徴とする揚力推定方法により達成される。

好ましい実施態様においては、前記平均値算出ステップが、時間ｔ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｍ）における接触力ｆ（ｔ_ｊ）に基づいて、以下の式

により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出するステップを含む。

別の好ましい実施態様においては、前記平均値算出ステップが、時間ｔの関数である接触力ｆ（ｔ）を、時間的な測定区間０≦ｔ≦Ｔで積分して積分時間Ｔで除した以下の式

により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出するステップを含む。

本発明によれば、車両の走行時に架線を摺動するパンタグラフの揚力を推定するシステムおよび方法を提供することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、架線の構造の一例を概略的に示す図である。図１に示すように、架線１のトロリ線１０に、パンタグラフ２の舟体３が接触する。図１の例では、パンタグラフ２を備えた車両（図示せず）は、矢印１００の方向に進行する。車両の進行に伴って、パンタグラフ２の舟体３は、トロリ線１０を摺動する。

図１に示すように、架線を支える支柱（図示せず）の支持点１１、１２の間に、吊架線１３が張設される。また、吊架線１３から等間隔でハンガ（たとえば、符号１４、１５参照）が垂下している。ハンガの下端は、トロリ線１０に連結される。

本実施の形態では、支持点１１、１２間の距離は５０ｍであり、その間に５ｍ間隔で１０個のハンガが設けられる。本実施の形態においては、支持点１１、１２の間を測定区間としている。

ハンガの各々には、歪ゲージ（たとえば、符号１０１参照）が取り付けられ、ハンガ軸力（図１のｈ_１、ｈ_２、・・・、ｈ_１０）を測定できるようになっている。ハンガ軸力は、歪ゲージにより測定されたハンガの伸縮から得ることができる。或いは、ハンガにロードセルを取り付けることにより、ハンガ軸力を直接測定することも可能である。

また、トロリ線１０上、測定区間の端部の各々に、１組（２つ）の加速度計（符号１０２−１、１０２−２参照）が配置される。加速度計１０２−１、１０２−２の間の距離はΔｘである。

以下、本発明にかかるパンタグラフの揚力推定の原理を説明する。まず、パンタグラフと架線との間の接触力を考える。本発明においては、測定区間を通過するパンタフラフの低周波数の接触力をまず算出する。

図１において、パンタグラフ２の接触力ｆは、１箇所に作用しており、ｎ箇所のハンガ軸力ｈ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）で支持されている無限長の弦として運動方程式の定式化を行う。δをデルタ関数、ρをトロリ線の線密度、ＥＩをトロリ線の曲剛性、Ｔをトロリ線の張力、ｘ_ｉをｉ番目のハンガ点のｘ座標、ｖを列車速度とすると、トロリ線のｙ方向の挙動ｙ（ｘ，ｔ）を、（１）式のように表すことができる。

本発明においては、低周波数での議論のため、主に高周波成分である慣性力（（１）式の左辺第２項）およびＥＩの項（（１）式の左辺第３項）を削除する（（２）式参照）。さらに、測定区間を「−ε＜ｘ＜ε」の範囲とし、測定区間にパンタグラフがあると仮定する。この仮定の下で、（２）式を積分すると、（３）式を得ることが出来る。

（３）式において右辺第１項はハンガ軸力の総和である。また、（３）式において、右辺第２項は、トロリ線張力による鉛直成分（ｙ方向の成分）である。また、∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋ε、∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−εは、それぞれ、測定区間の端部における傾斜である。（３）式の右辺第２項は、トロリ線上、測定区間の両端にそれぞれ１組ずつ配置された加速度計（たとえば、符号１０２−１、１０２−２参照）を測定することにより得ることができる。

上記（３）式にしたがって、低周波数でのパンタグラフと架線との間の接触力ｆ（ｔ）を算出することができる。パンタグラフの揚力ｆ_Ｌは、接触力の時間平均Ｍ（ｆ（ｔ））と、予め測定されているパンタグラフの静押上力ｆ_０とから、以下の（４）式により求めることができる。

ｆ_Ｌ＝Ｍ（ｆ（ｔ））−ｆ_０ ・・・（４）
なお、接触力の時間平均Ｍ（ｆ（ｔ））は、（５）式に示すものであるが、離散値として演算する場合には、（６）式に示すように、時間ｔ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｍ）における接触力ｆ（ｔ_ｊ）の平均として求めることができる。

以下、パンタグラフの揚力ｆ_Ｌを推定するための具体的なシステム構成についてより詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態にかかるパンタグラフ揚力推定システムの構成を示すブロックダイヤグラムである。図２に示すように、本実施の形態にかかるパンタグラフ揚力推定システム２０は、種々のデータを記憶する記憶装置２２と、インタフェース２４と、トロリ線張力による鉛直成分を算出するトロリ線張力演算部２６と、記憶装置２２に記憶されたデータを用いて、低周波数での接触力を算出する接触力演算部２８と、演算された接触力に基づいて、パンタグラフの揚力を算出する揚力演算部３０と、を備えている。

また、パンタグラフ揚力推定システム２０は、入力装置３１、表示装置３２、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、ＤＶＤ−ＲＡＭなどの可搬記憶媒体３５を読み書きするための記憶媒体読み書き装置３４を有し、インタフェース２４との間でデータを授受する。

記憶装置２２には、ハンガ軸力データファイル３６、トロリ線張力による鉛直成分のデータのデータファイル（以下、「トロリ線張力データファイル」と称する。）３８、静押上力データファイル４０が記憶される。また、接触力演算部２８による演算結果および揚力演算部３０の演算結果も、これら演算部による処理の後に、たとえば、演算結果ファイル４２として記憶装置２２に格納される。また、記憶装置２２には、図示しないが演算過程で生じた種々のデータも記憶される。

ハンガ軸力データファイル３６には、測定区間におけるハンガ軸力ｈ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）が格納される。また、トロリ線張力データファイル３８には、たとえば、測定区間の両端の測定点にそれぞれ１組ずつ（２つずつ）配置された加速度計による加速度から算出された傾斜に基づくトロリ線張力による鉛直成分データ（（３）式右辺第２項）が格納される。或いは、トロリ張力データファイル３８には、上記算出された傾斜（∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋ε、∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−ε）のデータが格納されていても良い。

本実施の形態において、歪ゲージなどのセンサから取得した値を直接演算に利用できる場合には、当該センサから取得した値が、それぞれのファイルのデータとして記憶装置２２に格納される。その一方、センサから取得した値に一定の処理を施した後に演算に利用する場合には、データファイル生成部４４が、センサから取得した値に必要な演算を施して、ファイルのデータを生成して記憶装置２２に格納する。

図３は、本実施の形態にかかるパンタグラフ揚力推定システムにおけるデータファイルの生成、接触力の演算および揚力の演算の概略を示すフローチャートである。図３に示すように、パンタグラフ揚力推定システム２０のデータファイル生成部４４は、ハンガに配置された歪ゲージから取得したデータを、力を示すデータに変換して、変換されたデータを含むハンガ軸力データファイル３６を生成して、記憶装置２２に格納する（ステップ３０１）。

或いは、ハンガにロードセルが配置されている場合には、ハンガに配置されたロードセルから取得したデータをそのままハンガ軸力として利用できるため、データファイル生成部４４は、取得したデータを含むハンガ軸力データファイル３６を、記憶装置２２に格納する。

また、データファイル生成部４４は、以下のようなデータに基づいて、トロリ線張力データファイル３８のデータ（トロリ線張力による鉛直成分データ）を生成し、トロリ線張力データファイル３８を記憶装置２２に格納する（ステップ３０２）。

（３）式の右辺第２項において、測定区間の一端の傾斜∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋εは、次の（７）式のように表すことができる。

前述したように、本実施の形態においては、測定区間の両端にそれぞれ１組（２つ）の加速度計が、Δｘだけ離間して配置されている。（７）式において、ｙ（ε＋Δｘ／２，ｔ）は、測定区間の一端における一方の加速度計の出力を２階積分することにより得られる変位、ｙ（ε−Δｘ／２，ｔ）は、当該一端における他方の加速度計の出力を２階積分することにより得られる変位である。測定区間の他端の傾斜∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−εも、同様に求めることができる。データファイル生成部４４は、算出された傾斜から、トロリ線張力による鉛直成分のデータＴ（（∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋ε）−（∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−ε））を算出する。算出されたトロリ線張力による鉛直成分のデータを含むトロリ線張力データファイル３８は、記憶装置２２に格納される。

接触力演算部３８は、ハンガ軸力データファイル３６に含まれるハンガ軸力データ、トロリ線張力データファイル３８に含まれるトロリ線張力による鉛直成分データに基づいて、上述した（３）式に基づいて接触力ｆ（ｔ）を算出し、記憶装置２２に算出された接触力ｆ（ｔ）のデータ（接触力データ）を記憶する（ステップ３０３）。

次いで、揚力演算部３０は、記憶装置２２から接触力データおよび静押上力ファイル４０中の静押上力データを読み出し、接触力データの時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出し（ステップ３０４）、算出された接触力データの時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））から静押上力ｆ_０を減じて、パンタグラフの揚力ｆ_Ｌを算出し、算出された揚力データｆ_Ｌを含む演算結果ファイル４２を記憶装置２２に格納する（ステップ３０５）。

なお、静押上力ファイル中のデータ（静押上力データ）は、車両基地などにおいてフォースゲージなどを使用して、パンタグラフの静押上力を計測した値（実測値）が利用される。実測値のデータを含む静押上力データファイル４０が、予め記憶装置２２に格納され、揚力演算部３０は、静押上力データファイル４０中の静押上力データを読み出して、演算に使用する。

ステップ３０４においては、より具体的に、揚力演算部３０は、接触力ｆ（ｔ）という時間の関数を近似等により求め、時間の関数であるｆ（ｔ）を、時間的な測定区間０≦ｔ≦Ｔで積分し、積分値を測定区間の長さＴで除算することにより、揚力を求めることができる。これは、上記（５）式にしたがった演算である。

或いは、揚力演算部３０は、離散値として求められた接触力ｆ（ｔ_ｊ）（ｊ＝１，・・・，ｍ）の総和を、そのサンプル数ｍで除算することによっても、揚力を求めることができる。これは、上記（６）式にしたがった演算である。

本実施の形態によれば、低周波数でのパンタグラフと架線との間の接触力の時間平均値と、パンタグラフの静押上力との差をとることによって、パンタグラフの揚力を推定する。したがって、効率よくかつ精度良く、車両の走行時に架線を摺動するパンタグラフの揚力を推定することができる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

たとえば、前記実施の形態においては、測定区間の端部の各々に、１組（２つ）の加速度計を配置し、それぞれの加速度計の値から端部の傾斜を算出しているが、これに限定されるものではない。図４に示すように、測定区間の端部に、加速度計の代わりに、傾斜計（符号１１０、１１１参照）を配置すれば、当該測定区間の端部の傾斜を取得することができる。この場合には、測定区間の両端部の傾斜を取得して（たとえば、記憶装置２２に記憶しておいた傾斜のデータを読み出して）、当該傾斜から、トロリ線張力による鉛直成分のデータを算出することができる。

また、前記実施の形態においては、測定区間を、架線の支持点の間として設定しているが、測定区間はこれに限定されるものではない。

さらに、前記実施の形態においては、シンプルカテナリ式の架線におけるパンタグラフの揚力の推定に本発明を適用したが、これに限定されるものではなく、コンパウンドカテナリ式など他の架線形式でも本発明が適用できることは言うまでもない。

図１は、架線の構造およびセンサの配置の一例を概略的に示す図である。 図２は、本発明の実施の形態にかかるパンタグラフ揚力推定システムの構成を示すブロックダイヤグラムである。 図３は、本実施の形態にかかるパンタグラフ揚力推定システムにおけるデータファイルの生成、接触力の演算および揚力の演算の概略を示すフローチャートである。 図４は、架線の構造およびセンサの配置の他の例を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 架線
２ パンタグラフ
１０ トロリ線
２０ パンタグラフ揚力推定システム
２２ 記憶装置
２６ トロリ線張力演算部
２８ 接触力演算部
３０ 揚力演算部
３６ ハンガ軸力データファイル
３８ トロリ線張力データファイル
４０ 静押上力データファイル
４２ 演算結果ファイル
４４ データファイル生成部

Claims (6)

1. パンタグラフの揚力を推定する揚力推定システムであって、
   少なくとも、測定区間（−ε＜ｘ＜ε）の間に存在する、前記トロリ線と連結されたハンガのハンガ軸力ｈ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）、および、測定区間の両端における傾斜（∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋ε、∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−ε）をそれぞれ示すデータを記憶した記憶装置と、
   前記ハンガ軸力、傾斜を示すデータから、以下の式
   （Ｔ：トロリ線の張力）
   に基づいて、接触力ｆ（ｔ）を算出する接触力算出手段と、
   前記接触力ｆ（ｔ）の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出する平均値算出手段と、
   前記接触力の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））に基づいて、以下の式
   ｆ_Ｌ＝Ｍ（ｆ（ｔ））−ｆ_０
   （ｆ_０：パンタグラフの静押上力）
   により、揚力ｆ_Ｌを算出する揚力算出手段と、
   を備えたことを特徴とする揚力推定システム。
2. 前記平均値算出手段が、時間ｔ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｍ）における接触力ｆ（ｔ_ｊ）に基づいて、以下の式
   により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出することを特徴とする請求項１に記載の揚力推定システム。
3. 前記平均値算出手段が、時間ｔの関数である接触力ｆ（ｔ）を、時間的な測定区間０≦ｔ≦Ｔで積分して積分時間Ｔで除した以下の式
   により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出することを特徴とする請求項１に記載の揚力推定システム。
4. 少なくとも、測定区間（−ε＜ｘ＜ε）の間に存在する、前記トロリ線と連結されたハンガのハンガ軸力ｈ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）、および、測定区間の両端における傾斜（∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝＋ε、∂ｙ／∂ｘ_ｘ＝−ε）をそれぞれ示すデータを記憶した記憶装置において、パンタグラフの揚力を推定する揚力推定方法であって、
   前記ハンガ軸力、傾斜を示すデータから、以下の式
   （Ｔ：トロリ線の張力）
   に基づいて、接触力ｆ（ｔ）を算出する接触力算出ステップと、
   前記接触力ｆ（ｔ）の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出する平均値算出ステップと、
   前記接触力の時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））に基づいて、以下の式
   ｆ_Ｌ＝Ｍ（ｆ（ｔ））−ｆ_０
   （ｆ_０：パンタグラフの静押上力）
   により、揚力ｆ_Ｌを算出する揚力算出ステップと、
   を備えたことを特徴とする揚力推定方法。
5. 前記平均値算出ステップが、時間ｔ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｍ）における接触力ｆ（ｔ_ｊ）に基づいて、以下の式
   により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の揚力推定方法。
6. 前記平均値算出ステップが、時間ｔの関数である接触力ｆ（ｔ）を、時間的な測定区間０≦ｔ≦Ｔで積分して積分時間Ｔで除した以下の式
   により、時間平均値Ｍ（ｆ（ｔ））を算出するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の揚力推定方法。