JP5215243B2

JP5215243B2 - パンタグラフの接触力算出方法

Info

Publication number: JP5215243B2
Application number: JP2009139505A
Authority: JP
Inventors: 俊一久須美; 智甘利; 瑞樹常本; 智原田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: JP2010288353A

Description

本発明は、電気鉄道におけるトロリ線とパンタグラフとの間に作用する接触力を算出するパンタグラフの接触力算出方法に関し、特に、明かり区間、トンネル区間の別にかかわらずに精度高く接触力を算出することが可能なパンタグラフの接触力算出方法に関するものである。

電気鉄道では、車両への電力供給方式として、電車線とパンタグラフとの組み合わせが広く採用されている。電車線の中でも最も重要な部位であるトロリ線は、パンタグラフと直接接触するため、その架設状態は接触性能に大きな影響を与える。

パンタグラフがトロリ線に対して摺動する際には、これらパンタグラフとトロリ線との間に作用する接触力は変動する。この接触力が大きく変動してゼロに近い状態になると両者の接触が維持できず、アークの発生を誘引してパンタグラフ及びトロリの摩耗を促進させてしまい、また、接触力が大き過ぎればこれらパンタグラフ及びトロリ線に機械的なダメージを与えてしまい、いずれにしても安定した集電を阻害する。したがって、当該接触力を測定、評価することは集電の品質を把握するために非常に重要な事項である。
また、電車走行時の接触力の波形は電車線の架設状態の影響を大きく受けていると推定されるため、測定した接触力波形から電車線の状態監視が可能であると考えられる。

そこで、電車の走行中のトロリ線とパンタグラフとの接触力を測定し、得られた測定結果をトロリ線−パンタグラフの集電性能の評価や、電車線の設備診断方法の１つとして活用したいとの要望がある。

上記パンタグラフは、トロリ線に下方から接触する舟体と、該舟体を車体に対して昇降可能に支持する枠体と、該枠体に対して舟体を上方に付勢する復元バネ（第１バネ要素）と車体に対して枠体を上方に付勢する主バネ（第２バネ要素）とから構成されている。

このようなパンタグラフは、車両の停止時においては、主バネで静押上力を発生し、これにより舟体がトロリ線に接触する。そして、車両が走行すると、枠体及び舟体周りの流速が変化してそれぞれに揚力が生じ、さらに舟体には走行中の振動等により上下方向に慣性力が働く。したがって、走行中のパンタグラフがトロリ線を押し上げる力、即ち、両者の接触力は、静押上力、枠体の揚力、舟体の揚力、舟体の慣性力の和として求めることができる。

ここで、静押上力と枠体の揚力との和（内力）は、復元バネの復元力を測定することで容易に得ることができる。また、舟体慣性力は、例えば加速度計で舟体の上下方向加速度を測定することで容易に得ることができる。しかしながら、舟体の揚力を走行中に測定することは困難であるため、当該舟体の揚力の値を得るには他のパラメータより算出する手法が採用されている。
そこで、従来は、風洞実験や現車試験による揚力測定によって舟体の速度-揚力特性を予め把握しておき、この速度-揚力特性と車両の走行速度とから舟体の揚力を算出する手法が採られていた（例えば、非特許文献１参照）。

久須美俊一、「接触力で電車線架設状態を診断する」、ＲａｉｌｗａｙＲｅｓｅａｒｃｈＲｅｖｉｅｗ、財団法人鉄道総合技術研究所、平成１９年６月１日、第６４巻第６号、ｐ．２４−２７

ところで、上記従来の手法による舟体の揚力の算出においては、車両の走行速度がパンタグラフ周りの流速と等しいとの仮定の下、該パンタグラフ周りの流速に代えて車両速度を用いることにより該舟体揚力を算出している。明かり区間においては、走行速度とパンタグラフ周りの流速はほぼ等しくなるため、該明かり区間におけるパンタグラフの接触力については上記手法により精度高く算出することができる。

しかしながら、車両がトンネル区間を走行する際には、屋根上の流速、即ち、パンタグラフ周りの流速が変動して当該流速が走行速度から大きく変動するため、流速変動を無視した上記仮定の下で舟体揚力を算出すると誤差が生じてしまい、結果としてトンネル区間におけるパンタグラフの接触力を正確に得ることができないという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、明かり区間のみならずトンネル区間における舟体揚力を精度高く算出することができ、より高精度にパンタグラフの接触力を算出することが可能なパンタグラフの接触力算出方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係るパンタグラフの接触力算出方法は、トロリ線に下方から接触する舟体と、該舟体を車体に対して昇降可能に支持する枠体と、該枠体に対して前記舟体を上方に付勢する第１バネ要素と、前記車体に対して前記枠体を上方に付勢する第２バネ要素とを備えるパンタグラフにおいて、前記トロリ線に対する前記舟体の接触力を算出するパンタグラフの接触力算出方法であって、走行区間における車両速度、前記第１バネ要素の復元力及び前記舟体の慣性力を検出する工程と、前記車両速度と予め取得した前記枠体の速度-揚力特性から前記枠体の揚力の理論値を算出する工程と、前記第１バネ要素の復元力から前記枠体の揚力の実測値を抽出する工程と、前記枠体の揚力の実測値と前記枠体の揚力の理論値との比である揚力比を算出する工程と、該揚力比の平方根を前記車両速度に乗算して前記パンタグラフ周りの流速を算出する工程と、該流速と予め取得した前記舟体の速度‐揚力特性とから前記舟体の揚力を算出する工程と、該舟体の揚力、前記舟体の慣性力及び前記第１バネ要素の復元力を加算することにより前記舟体の接触力を算出することを特徴とする。

このような特徴のパンタグラフの接触力算出方法によれば、流速変動を無視して車両速度をパンタグラフ周りの流速として舟体の揚力を算出するのではなく、枠体の揚力の実測値に基づいて流速変動を踏まえたパンタグラフ周りの流速を推測し、当該流速を用いて舟体の揚力を算出することで、該舟体の揚力を精度高く得ることができる。
即ち、本発明においては、枠体及び舟体の揚力がともにパンタグラフ周りの流速に支配されるのに着目して、実測の容易な枠体の揚力から上記流速を算出し、当該流速を舟体の流速-揚力特性に適用して舟体の揚力を算出しているのである。
ここで、揚力比をＣ、流速変動の影響を含んだ枠体の揚力の実測値をＦ_Ｌ２ｒ、流速変動を無視して車両速度を流速とした枠体の揚力の理論値をＦ_Ｌ２ｃとすると、揚力比Ｃは下記（１）式で定義される。

また、揚力が流速の２乗に比例する特性を考慮すると、枠体の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒ及び理論値Ｆ_Ｌ２ｃは、下記（２），（３）式で表される。

ここで、ｋ_２は枠体の揚力係数、ｖ_ｐはパンタグラフ周りの流速、ｖ_０は車両速度である。つまり、枠体の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒは実際のパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを考慮したものとして表され、枠体の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃは車両速度ｖ_０をパンタグラフ周りの流速と近似してたものとして表される。そして、上記（２），（３）式をそれぞれ上記（１）式に代入して整理すると、下記（４）式が導かれる。

したがって、枠体の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒと枠体の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃとから算出した揚力比Ｃの平方根に車両速度ｖ_０を乗算することでパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを求めることができる。
なお、パンタグラフ周りの流速を車両速度ｖ_０と近似可能な明かり区間においては、上記揚力比の値は約１になるため、（４）式から求めたパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを用いて舟体の揚力を計算しても車両速度ｖ_０を用いて舟体の揚力を計算した結果とほぼ等しくなる。したがって、本手法を用いることにより、明かり区間とトンネル区間とが混在する全走行区間においてパンタグラフの接触力を精度高く算出することができる。

また、本発明に係るパンタグラフの接触力算出方法においては、前記枠体の揚力の実測値を、前記第１バネ要素の復元力から前記第２バネ要素の復元力を減算した後に高周波ノイズを除去することで抽出することを特徴としている。

ここで、舟体を上方に押し上げる力である内力をＦ_ｂとすると、舟体についての力の釣り合いから、該内力は車両停止時に枠体から押し上げられる力である静押上力Ｆ_０と車両走行時の枠体の揚力Ｆ_Ｌ２との和として表すことができ、下記（５）式が成立する。

また、内力Ｆ_ｂは第１バネ要素の復元力として検出することができ、静押上力Ｆ_０は第２バネ要素の復元力として検出することができるため、それぞれ検出した第１バネ要素の復元力から第２バネ要素の復元力を減算することにより、枠体の揚力Ｆ_Ｌ２を得ることができる。そして、この枠体の揚力Ｆ_Ｌ２に例えばローパスフィルタ処理をすることにより高周波成分のノイズを除去することで、走行時の枠体の揚力をより正確に得ることができる。

さらにまた、本発明に係るパンタグラフの接触力算出方法は、前記走行区間のうち明かり区間においては、前記車両速度と前記舟体の速度‐揚力特性とから前記舟体の揚力を算出し、トンネル区間においては、算出した前記パンタグラフ周りの流速と前記舟体の速度‐揚力特性とから前記舟体の揚力を算出するものであってもよい。

上述のように、明かり区間においては車両速度をパンタグラフ周りの流速と近似することができるため、当該車両速度を用いて舟体の揚力の理論値を算出することができる。一方、トンネル区間においては、パンタグラフ周りの流速と車両速度とが異なるため、上記のように算出したパンタグラフ周りの流速を用いて舟体の揚力を算出する必要がある。したがって、明かり区間とトンネル区間とにおいて舟体の揚力の算出手法を切り替えることで、明かり区間とトンネル区間とが混在する全走行区間の接触力を容易に算出することができる。

本発明のパンタグラフの接触力算出方法によれば、枠体の揚力の実測値からパンタグラフ周りの流速を算出し、当該流速を舟体の流速-揚力特性に適用して舟体の揚力を算出することで、流速の変動を考慮した舟体の揚力を算出することができる。よって、明かり区間のみならずトンネル区間における舟体揚力を精度高く算出することができるため、全走行区間にわたって高精度にパンタグラフの接触力を算出することが可能となる。

接触力の測定対象となるパンタグラフの周辺を車幅方向から見た状態を示す模式図である。パンタグラフに作用する力の釣り合いを示す接触力測定モデルを示す図である。実施形態のパンタグラフの接触力算出方法の手順を示すフローチャートである。速度-揚力特性の一例を表すグラフである。走行区間にわたって検出した車両速度、明かり／トンネル区間の別、枠体の揚力の理論値及び実測値、揚力比の波形である。比較例のパンタグラフの接触力算出方法の手順を示すフローチャートである。比較例及び実施形態により算出した接触力の波形を示すグラフである。実施形態の変形例のパンタグラフの接触力算出方法の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明のパンタグラフの接触力算出方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、通常の鉄道車両の技術におけるのと同様に、レールの長手方向（車両の進行方向）を前後方向、軌道面におけるレール長手方向と直角をなす方向を左右方向（車幅方向）、軌道面に垂直な方向を上下方向と称する。

図１は接触力の測定対象となるパンタグラフの周辺を車幅方向から見た状態を示す模式図である。
車体１の屋根に搭載されたパンタグラフ１０は、図１の上方から下方に向かって、舟体１１、枠体１２、台枠１３、支持碍子１４を備え、さらに、舟体１１と枠体１２との間には復元バネ（第１バネ要素）１５が設けられ、枠体１２には図示しない主バネ（第２バネ要素）が設けられている。

舟体１１は、前後方向に沿って延びるトロリ線（図示省略）に接触し、車両の走行時にはトロリ線と摺動して導通を確保する梁状の部材であって、該舟体１１におけるトロリ線との摺動部分には、例えば鉄系や銅系の焼結合金製、あるいは、カーボン系材料からなるすり板が取り付けられている。
この舟体１１は、車幅方向に沿って略水平方向に延びる直線部と該直線部の両端側から斜め下方に向かって延びる傾斜部とを備えており、直線部に取り付けられた上記すり板を介してトロリ線に接触するようになっている、なお該トロリ線は上記すり板の局所的な磨耗を防止するため、舟体１１の有効幅内において蛇行して配置されている。

枠体１２は、舟体１１を車体１に対して上下方向に変位可能に支持するリンク機構を備えており、舟体１１がトロリ線に接した上昇状態と、パンタグラフ１０の不使用時に舟体１１がトロリ線から離間した下降状態との間で変位可能とされている。

また、この枠体１２の上端側に復元バネ１５を介して上記舟体１１が支持されている。この復元バネ１５は上下方向に伸縮可能に配置されており、これにより舟体１１は該復元バネ１５の伸縮に応じて枠体１２に対して上下方向に相対変位するようになっている。

さらに、枠体１２は、上記主バネによって、車体１に対してトロリ線に向かって押し上げる方向に付勢されている。この付勢力によってリンク機構が上方に向かって延びて、舟体１１とトロリ線との接触状態が保持されるようになっている。

そして、このような枠体１２の下端が台枠１３上に固定されており、該台枠１３が複数の絶縁用の支持碍子１４を介して車体１屋根上に設置されている。

また、本実施形態においては、図示しないレーザ変位計あるいは荷重計等が設けられており、これによって復元バネ１５の上下方向変位あるいは荷重が検出される。さらに、復元バネ１５には、舟体１１の上下方向加速度を検出する図示しない加速度センサが設けられている。

次に、パンタグラフに作用する力の釣り合いを示す接触力測定モデルについて、図２を参照して説明する。
図２に示すように、トロリ線から舟体１１に作用する接触力をＦ_ｃ、舟体１１を上方に向かって押し上げる力である内力をＦ_ｂ、舟体１１に作用する鉛直方向の慣性力をＦ_ｉｎｅ、舟体１１に作用する揚力をＦ_Ｌ１とすると、舟体１１に関する力の釣り合いから、下記（６）式が成立する。

したがって、接触力Ｆ_ｃを算出するには、内力Ｆ_ｂと舟体_１１の慣性力Ｆ_ｉｎｅと舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１との和を求めればよい。

また、枠体１２に関する力の釣り合いから、上記内力Ｆ_ｂは、静押上力をＦ_０、枠体の揚力Ｆ_Ｌ２とすると、下記（７）式で表すことができる。

なお、内力Ｆ_ｂは復元バネ（第１バネ要素）１５の復元力と等しく、静押上力Ｆ_０は車両停止時において枠体１２が舟体１１を押し上げる力、即ち、主バネの復元力と等しい。

以上を踏まえ、図３を参照して本実施形態のパンタグラフの接触力算出方法について説明する。図３は実施形態のパンタグラフの接触力算出方法を示すフローチャートである。以下、ステップ毎に順を追って説明する。

(ステップＳ１：舟体の速度-揚力特性取得)
風洞実験又は現車による揚力測定試験により、舟体１１の周りの流速（速度）と舟体１１に作用する揚力を測定し、これに基づいて舟体１１の速度-揚力特性（図４参照）を求める。

(ステップＳ２：枠体の速度-揚力特性取得)
風洞実験又は現車による揚力測定試験により、枠体１２の周りの流速（速度）と枠体１２に作用する揚力を測定し、これに基づいて枠体１２の速度-揚力特性（図４参照）を求める。

ここで、図４に速度-揚力特性の一例を示す。ここでは、舟体１１は速度が上昇するほどプラスの揚力（上方向への揚力）が大きくなり、枠体１２は速度が上昇するほどマイナスの揚力（下方向への揚力）が大きくなるものとする。また、パンタグラフ１０に作用する全体揚力は舟体１１の揚力と枠体１２の揚力との和で決定される。
なお、上記舟体１１及び枠体１２の速度-揚力特性はあくまで一例であり、場合によっては、枠体１２についても、舟体１１と同様に、速度が上昇するほどプラスの揚力（上方向への揚力）が大きくなる。

（ステップＳ３：車両速度ｖ_０の検出）
車両が走行区間を走行する際の車両速度ｖ_０を全走行区間にわたって検出する。この車両速度ｖ０は、実際に車両が走行した際のランカーブから検出してもよいし、速度信号から検出してもよい。

（ステップＳ４：内力Ｆ_ｂの検出）
車両が走行区間を走行する際の内力Ｆ_ｂを全走行区間にわたって検出する。この内力Ｆ_ｂは、復元バネ（第１バネ要素）１５の復元力と等しいため、該復元力を測定することにより内力Ｆｂが検出される。
具体的には、上記レーザ変位計を用いた場合には、復元バネ１５の上下方向変位を全走行区間にわって検出し、復元バネ１５の収縮量を求める。そして、この収縮量と復元バネ１５のバネ定数とに基づいて全走行区間にわたっての内力Ｆ_ｂが求められる。また、上記荷重計を用いた場合には、復元バネ１５の荷重を走行区間にわたって測定することで、直接的に内力Ｆｂを検出することができる。

（ステップＳ５：舟体加速度の検出）
車両が走行区間を走行する際の舟体１１の上下方向加速度を全走行区間にわたって検出する。具体的には、復元バネ１５に設けられた上記加速度センサによって当該舟体１１の上下方向加速度を検出する。

上記ステップＳ３〜Ｓ５は、車両を実際に全走行区間を走行させて各値を検出することにより同時に行なわれる。なお、この際に、走行区間における明かり区間、トンネル区間の別を検出してもよい。また、この明かり区間、トンネル区間の別は、明かり／トンネル信号から取得してもよい。

（ステップＳ６：枠体揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃの算出）
ステップＳ２で取得した枠体１２の速度‐揚力特性と、ステップＳ３で検出した車両速度ｖ_０とから全走行区間にわたっての枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃを算出する。枠体１２の正確な揚力を得るにはパンタグラフ１０周りの流速ｖ_ｐを速度-揚力特性に当てはめて算出する必要があるが、ここでは、車両流速ｖ_０とパンタグラフ１０周りの流速ｖ_ｐとが等しいと仮定して、車両流速ｖ_０を速度-揚力特性に当てはめて枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃを算出している。したがって、算出された枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃは、パンタグラフ周りの流速変動を無視した値となる。

（ステップＳ７：枠体揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒの抽出）
ステップＳ４で検出した内力Ｆ_ｂから枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒを抽出する。
ここで上記（７）式に示したように、内力Ｆ_ｂは静押上力Ｆ_０と枠体１２の揚力Ｆ_Ｌ２との和として表すことができる。さらに、上述のように静押上力Ｆ_０は、主バネ（第２バネ要素）の車両停止時における復元力に等しい。
したがって、主バネの復元力を検出し、上記内力Ｆ_ｂから減算することで、枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒを得ることができる。
さらに、この枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒには、車両走行時の高周波のノイズが含まれているため、０．２Ｈｚローパスフィルタ処理を施すことにより、ノイズを除去する。これにより、枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒが精度高く抽出される。

（ステップＳ８：揚力比Ｃの算出）
ステップＳ６で算出した枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃとステップＳ７で算出した枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒとから揚力比Ｃを算出する。
この揚力比Ｃは、下記（８）式で定義される。

即ち、揚力比Ｃは、枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃを基準とした実測値Ｆ_Ｌ２ｒの比を表している。

ここで、走行区間にわたって検出した車両速度ｖ_０、明かり／トンネル区間の別、枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｒ及び実測値Ｆ_Ｌ２ｃ、揚力比Ｃの波形を図５に示す。図５における横軸はキロ呈を示している。この図５から、トンネル区間でのみ揚力比Ｃが増大していることがわかる。この理由を以下説明する。
揚力が速度（流速）の２乗に比例する特性を考慮すると、枠体の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒ及び理論値Ｆ_Ｌ２ｃは、下記（９），（１０）式で表される。

ｋ_２は枠体の揚力係数、ｖ_ｐはパンタグラフ周りの流速、ｖ_０は車両速度である。
上記（９），（１０）式から、車両速度ｖ_０がパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐと等しいと近似できる明かり区間においては、枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒと理論値Ｆ_Ｌ２ｃとが等しくなる。また、トンネル区間においては、一般に車両速度ｖ０よりもパンタグラフ周りの流速ｖｐが大きくなるため、枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒの方が理論値Ｆ_Ｌ２ｃよりも大きくなる。
したがって、これら枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒ及び理論値Ｆ_Ｌ２ｃの比である上記揚力比Ｃは、図５に示すように、明かり区間では流速変動が起こらないためおよそ１の値を示し、トンネル区間では流速変動の影響を受けて１よりも大きな値を示すことになるのである。

（ステップＳ９：パンタグラフ周りの流速ｖ_ｐの算出）
ステップ３で取得した車両速度ｖ_０と、ステップＳ８で算出した揚力比Ｃとからパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを算出する。この流速ｖ_ｐの算出は、下記（１１）式に基づいて行なわれる。

この（１１）式は、揚力比Ｃを算出する（８）式に、枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒ及び理論値Ｆ_Ｌ２ｃを算出する上記（９），（１０）式を代入して整理したものである。上記（１１）式から、走行区間にわたった車両速度ｖ_０（流速変動を無視したパンタグラフ周りの流速ｖ_０）に揚力比Ｃの平方根を乗算することで、流速変動の影響を含んだ実際のパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを求めることができる。

（ステップＳ１０：舟体の揚力Ｆ_Ｌ１の算出）
ステップ１で取得した舟体１１の速度‐揚力特性と、ステップＳ９で算出したパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐとから、全走行区間にわたっての舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出する。
ステップＳ９で算出したパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐはトンネル内における変動分を含んでいるため、当該流速ｖ_ｐを舟体１１の速度-揚力特性に当てはめて舟体１１の揚力の値を算出することで、流速変動の影響を考慮した舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出することができる。

（ステップＳ１１：舟体の慣性力Ｆ_ｉｎｅの算出）
ステップＳ５で検出した舟体１１の上下方向加速度に基づいて舟体１１の慣性力Ｆ_ｉｎｅを算出する。この慣性力Ｆ_ｉｎｅの算出は、舟体１１の上下方向加速度と等価質量とから求められる。

（ステップＳ１２：内力、舟体の慣性力及び舟体の揚力の加算による接触力の算出）
上記（６）式に基づいて、ステップＳ４で検出した内力Ｆ_ｂと、ステップＳ１１で算出した舟体１１の慣性力Ｆ_ｉｎｅと、ステップＳ１０で算出した舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を合算することによりパンタグラフ１の接触力Ｆ_ｃを算出する。

次に、上述した本実施形態のパンタグラフの接触力算出方法の効果を、以下説明する比較例と対比して説明する。

図６は比較例のパンタグラフの接触力算出方法を示すフローチャートである。以下、ステップ毎に順を追って説明する。

（ステップＳ１０１：舟体の速度-揚力特性取得)
風洞実験又は現車による揚力測定試験により、舟体１１の周りの流速（速度）ｖと舟体に作用する揚力を測定し、これに基づいて舟体１１の速度-揚力特性（図４参照）を求める。なお、実施形態と違い、枠体１２の速度-揚力特性は取得しない。

（ステップＳ１０２車両速度ｖ_０の検出）
車両が走行区間を走行する際の車両速度ｖ_０を全走行区間にわたって検出する。
（ステップＳ１０３：内力Ｆ_ｂの検出）
車両が走行区間を走行する際の内力Ｆ_ｂを全走行区間にわたって検出する。
（ステップＳ１０４：舟体加速度の検出）
車両が走行区間を走行する際の舟体１１の上下方向加速度を全走行区間にわたって検出する。

（ステップＳ１０５：舟体の揚力Ｆ_Ｌ１の算出）
ステップ１０１で取得した舟体１１の速度‐揚力特性と、ステップＳ１０２で検出した車両速度ｖ_０とから、舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出する。
この比較例では、車両流速ｖ_０とパンタグラフ１０周りの流速ｖ_ｐとが等しいと仮定して、車両流速ｖ_０を速度-揚力特性に当てはめて枠体１２の揚力値を算出している。したがって、算出された枠体１２の揚力値Ｆ_Ｌ１は、パンタグラフ周りの流速変動を無視した値となる。

（ステップＳ１０６：舟体の慣性力Ｆ_ｉｎｅの算出）
ステップＳ５で検出した舟体１１の上下方向加速度に基づいて舟体１１の慣性力Ｆ_ｉｎｅを算出する。
（ステップＳ１０７：内力と舟体の慣性力及び揚力との加算による接触力の算出）
上記（６）式に基づいて、ステップＳ４で検出した内力Ｆｂと、ステップＳ１１で算出した舟体１１の慣性力Ｆｉｎｅと、ステップＳ１０で算出した舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を合算することによりパンタグラフ１の接触力Ｆ_ｃを算出する。

このような比較例及び上述した実施形態のパンタグラフ１０の接触力算出方法により算出したパンタグラフ１０の接触力の波形について図７を参照して説明する。
図７は明かり区間及びトンネル区間を含む走行区間における接触力Ｆ_ｃの波形を示す図である。この図７において、（Ａ）は比較例の接触力算出方法により得られた接触力の波形であり、上段はフィルタ処理後の波形、下段はフィルタ処理前の生波形である。また、（Ａ）は実施形態の接触力算出方法により得られた接触力Ｆ_ｃの波形であり、上段はフィルタ処理後の波形、下段はフィルタ処理前の生波形である。なお、図７の横軸はキロ呈を示している。

比較例の波形（Ａ）においては、トンネル区間における接触力Ｆ_ｃが低下している。これは、車両速度ｖ_０をパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐと等しいと仮定して当該流速ｖ_ｐの変動を無視した結果、トンネル区間の舟体１１の揚力を一定としたにもかかわらず、パンタグラフ周りの流速ｖ_ｐが増加して枠体１２の揚力がマイナスに増加したことに基づく。
したがって、比較例では舟体１１の揚力を正しく算出することができないため、トンネル区間においてパンタグラフ１に作用する接触力Ｆ_ｃに誤差が生じてしまう。

これに対して、本実施形態の波形（Ｂ）においては、トンネル区間における接触力が増加している。これは、トンネル区間においてパンタグラフ周りの流速ｖｐが増加することを考慮して舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出したため、流速ｖ_ｐの増加分、舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１も増加したことに基づく。よって、本実施形態では、流速変動を考慮して舟体１１の揚力を算出しているため、トンネル区間における接触力を精度高く算出することができる。

以上のように、本実施形態においては、流速変動を無視して車両速度ｖ_０をパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐとして舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出するのではなく、枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒに基づいて流速変動を踏まえたパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを推測し、当該流速ｖ_ｐを用いて舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出しているため、該舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を精度高く得ることが可能となるのである。

即ち、本実施形態においては、枠体１２及び舟体１１の揚力がともにパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐに支配されるのに着目して、実測の容易な枠体１２の揚力Ｆ_Ｌ２ｒから上パンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを算出し、当該流速ｖ_ｐを舟体１２の速度-揚力特性に適用することで精度の高い舟体１１の揚力を得ることができるのである。

なお、パンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを車両速度ｖ_０と近似可能な明かり区間においては、上記揚力比Ｃの値は約１になるため、当該揚力比Ｃと車両速度ｖ_０とを用いて（１１）式から求めたパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐにより舟体１１の揚力ＦＬ１を計算しても、車両速度ｖ_０を用いて舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を計算した結果とほぼ等しくなる。したがって、本実施形態の接触力算出方法を使用することにより、明かり区間とトンネル区間とが混在する全走行区間においてパンタグラフ１０の接触力を精度高く算出することができる。

以上、本発明のパンタグラフの接触力算出方法の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。

例えば、本実施形態の変形例として、図８のフローチャートを示すようなパンタグラフの接触力算出方法であってもよい。この変形例においては、明かり区間、トンネル区間の別によって舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１の算出方法を変更している。以下、ステップ毎に順を追って説明する。

（ステップＳ２１：舟体の速度-揚力特性取得)
風洞実験又は現車による揚力測定試験により、舟体１１の周りの流速（速度）と舟体１１に作用する揚力を測定し、これに基づいて舟体１１の速度-揚力特性（図４参照）を求める。
（ステップＳ２２：枠体の速度-揚力特性取得)
風洞実験又は現車による揚力測定試験により、枠体１２の周りの流速（速度）と枠体１２に作用する揚力を測定し、これに基づいて枠体１２の速度-揚力特性（図４参照）を求める。

（ステップＳ２３：車両速度ｖ_０の検出）
車両が走行区間を走行する際の車両速度ｖ_０を全走行区間にわたって検出する。
（ステップＳ２４：内力Ｆ_ｂの検出）
車両が走行区間を走行する際の内力Ｆ_ｂを全走行区間にわたって検出する。
（ステップＳ２５：舟体加速度の検出）
車両が走行区間を走行する際の舟体１１の上下方向加速度を全走行区間にわたって検出する。

（ステップＳ２６：枠体揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃの算出）
ステップＳ２２で取得した枠体１２の速度‐揚力特性と、ステップＳ２３で検出した車両速度ｖ_０とから全走行区間にわたっての枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃを算出する。
（ステップＳ２７：枠体揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒの抽出）
ステップＳ２４で検出した内力Ｆｂから枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒを抽出する。

（ステップＳ２８：トンネル区間か否かの判別）
トンネル区間か明かり区間かを判別する。この判別は、走行区間を車両が走行した際に検出したトンネル区間、明かり区間の別に基づいて行なってもよいし、明かり／トンネル信号から判別してもよい。
そして、明かり区間である場合にはステップＳ２９に進み、トンネル区間である場合にはステップＳ３０に進む。

（ステップＳ２９：パンタグラフ周りの流速ｖ_ｐ＝ｖ_０と決定）
明かり区間の場合、パンタグラフ周りの流速ｖ_ｐとして、車両速度ｖ_０を採用する。
明かり区間においては、車両速度ｖ_０をパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐと近似可能であるため、舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出するためのパラメータとして車両速度ｖ_０を使用しても舟体の揚力Ｆ_Ｌ１を制度高く算出できる。

（ステップＳ３０：揚力比算出）
トンネル区間の場合、ステップＳ６で算出した枠体１２の揚力の理論値Ｆ_Ｌ２ｃとステップＳ７で算出した枠体１２の揚力の実測値Ｆ_Ｌ２ｒとから揚力比Ｃを算出する。
（ステップＳ３１：パンタグラフ周りの流速ｖ_ｐの算出）
ステップ２３で取得した車両速度ｖ_０と、ステップＳ３０で算出した揚力比Ｃとからパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐを算出する。具体的には、実施形態で説明したように、上記（１１）式を用いて算出する。
トンネル区間においては、車両速度ｖ_０とパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐが異なるため、車両速度ｖ_０を直接的に用いて舟体１１の揚力ＦＬ１を算出することはできない。よって、実施形態と同様に、舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出するためのパラメータとして、トンネル内での変動を踏まえた流速ｖ_ｐを用いる。

（ステップＳ３２：舟体の揚力Ｆ_Ｌ１の算出）
明かり区間の場合、ステップ２１で取得した舟体１１の速度‐揚力特性と、ステップＳ２９で決定したパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐ（＝ｖ_０）から、全走行区間にわたっての舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出する。
トンネル区間の場合、ステップ２１で取得した舟体１１の速度‐揚力特性と、ステップＳ３１で算出した変動を踏まえたパンタグラフ周りの流速ｖ_ｐから、全走行区間にわたっての舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を算出する。

（ステップＳ３３：舟体の慣性力Ｆ_ｉｎｅの算出）
ステップＳ２５で検出した舟体１１の上下方向加速度に基づいて、舟体１１の慣性力Ｆ_ｉｎｅを算出する。

（ステップＳ３４：内力と舟体の慣性力及び揚力との加算による接触力の算出）
上記（６）式に基づいて、ステップＳ２４で検出した内力Ｆ_ｂと、ステップＳ３３で算出した舟体１の慣性力Ｆ_ｉｎｅと、ステップＳ３２で算出した舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１を合算することによりパンタグラフ１の接触力Ｆ_ｃを算出する。

以上のように、変形例のパンタグラフの接触力算出方法においても、明かり区間とトンネル区間とにおいて舟体１１の揚力Ｆ_Ｌ１の算出手法を切り変えることで、明かり区間とトンネル区間とが混在する全走行区間の接触力Ｆ_ｃを算出することができる。

１車体
１０パンタグラフ
１１舟体
１２枠体
１３台枠
１４支持碍子
１５復元バネ（第１バネ要素）

Claims

トロリ線に下方から接触する舟体と、該舟体を車体に対して昇降可能に支持する枠体と、該枠体に対して前記舟体を上方に付勢する第１バネ要素と、前記車体に対して前記枠体を上方に付勢する第２バネ要素とを備えるパンタグラフにおいて、前記トロリ線に対する前記舟体の接触力を算出するパンタグラフの接触力算出方法であって、
走行区間における車両速度、前記第１バネ要素の復元力及び前記舟体の慣性力を検出する工程と、
前記車両速度と予め取得した前記枠体の速度-揚力特性から前記枠体の揚力の理論値を算出する工程と、
前記第１バネ要素の復元力から前記枠体の揚力の実測値を抽出する工程と、
前記枠体の揚力の実測値と前記枠体の揚力の理論値との比である揚力比を算出する工程と、
該揚力比の平方根を前記車両速度に乗算して前記パンタグラフ周りの流速を算出する工程と、
該流速と予め取得した前記舟体の速度‐揚力特性とから前記舟体の揚力を算出する工程と、
該舟体の揚力、前記舟体の慣性力及び前記第１バネ要素の復元力を加算することにより前記舟体の接触力を算出することを特徴とするパンタグラフの接触力算出方法。
前記枠体の揚力の実測値を、前記第１バネ要素の復元力から前記第２バネ要素の復元力を減算した後に高周波ノイズを除去することで抽出することを特徴とする請求項１に記載のパンタグラフの接触力算出方法。
前記走行区間のうち明かり区間においては、前記車両速度と前記舟体の速度‐揚力特性とから前記舟体の揚力を算出し、
トンネル区間においては、算出した前記パンタグラフ周りの流速と前記舟体の速度‐揚力特性とから前記舟体の揚力を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のパンタグラフの接触力算出方法。