JP5283272B2

JP5283272B2 - トロリ線

Info

Publication number: JP5283272B2
Application number: JP2009147235A
Authority: JP
Inventors: 淳菅原
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP2011001025A

Description

この発明は、集電装置のすり板が摺動し電気車に電力を供給するトロリ線に関する。

電気鉄道の架線では、集電装置（パンタグラフ）のすり板がトロリ線と摺動すると、このすり板が通過するたびにこのトロリ線が湾曲してこのトロリ線の表面に曲げ応力（以下、トロリ線応力という）が発生する。このため、トロリ線材料について疲労試験を行って疲労特性を把握する一方、速度向上試験等ではトロリ線応力を実測して把握することにより、トロリ線の疲労破断を防いでいる。従来のトロリ線は、例えば、硬銅の電導体内に鋼線を配置している（特許文献１参照）。このような従来のトロリ線では、架線の補強用に鋼線を使用し、導電特性を向上させるために銅を使用することによって、波動伝播特性及び耐疲労特性などを向上させて高速走行を可能としている。

特許第2633570号公報

近年、トロリ線の断面形状を工夫することによってトロリ線応力を低減し、疲労破断のおそれを小さくし疲労寿命を延伸可能なトロリ線が提案されている。しかし、このようなトロリ線では、トロリ線上面の断面形状によっては横風を受けたときにカルマン渦によって微風振動が発生して跳ね上がるギャロッピング現象（上下振動）が発生する。特に、トロリ線上面が扁平な断面形状の場合には、特定の風向の横風に対してトロリ線上面側の流れの剥離に起因する失速現象が起こり、ギャロッピング現象を生じる可能性が高いことが風洞試験で確認されている。このため、トロリ線応力の低減効果を発揮しつつギャロッピング特性を改善可能なトロリ線が要望されている。

この発明の課題は、トロリ応力を低減しつつトロリ線上面からの気流の剥離を抑制しギャロッピング特性を改善することができるトロリ線を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１及び図２に示すように、集電装置（２）のすり板（２ａ）が摺動し電気車（１）に電力を供給するトロリ線であって、横風を受けたときの上下振動を低減するために、トロリ線上面（９Ｄ）からの気流の剥離を抑制する剥離抑制部（９ｄ）を備え、前記剥離抑制部は、前記トロリ線上面の中央部に第１の湾曲面（９ｅ）を備え、前記トロリ線上面の両肩部に前記第１の湾曲面に連なりこの第１の湾曲面よりも曲率半径（Ｒ ₂ ）の小さい第２の湾曲面（９ｆ，９ｇ）を備え、前記第１の湾曲面の曲率半径がＲ ₁ であり、前記第２の湾曲面の曲率半径がＲ ₂ であるときに、Ｒ ₁ ≦10Ｒ ₂ /3＋20(mm)であり、前記集電装置のすり板が摺動するときに発生するトロリ線応力を低減するために、中立軸（Ｏ）から前記トロリ線上面（９Ｄ）までの距離（Ｌ ₁ ）がこの中立軸から前記トロリ線下面（９Ａ）までの距離（Ｌ ₂ ）よりも短いことを特徴とするトロリ線（９）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のトロリ線において、前記トロリ線の断面積は、113.17 mm²であることを特徴とするトロリ線である。

この発明によると、トロリ応力を低減しつつトロリ線上面からの気流の剥離を抑制しギャロッピング特性を改善することができる。

この発明の実施形態に係るトロリ線を備える架線を概略的に示す側面図であり、（Ａ）は集電装置の通過前後の状態を模式的に示す側面図であり、（Ｂ）は集電装置が通過中の状態を模式的に示す側面図。この発明の実施形態に係るトロリ線の断面図である。この発明の実施例に係るトロリ線の断面図である。この発明の実施例に係るトロリ線のギャロッピング特性の風洞試験結果を示すグラフである。この発明の実施例、現行品及び比較例に係るトロリ線の断面図であり、（Ａ）は現行品のトロリ線の断面図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は比較例に係るトロリ線の断面図であり、（Ｅ）実施例に係るトロリ線の断面図である。この発明の実施例、現行品、比較例に係るトロリ線のギャロッピングの有無を示すグラフである。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係るトロリ線を備える架線を概略的に示す側面図であり、図１（Ａ）は集電装置の通過前後の状態を模式的に示す側面図であり、図１（Ｂ）は集電装置が通過中の状態を模式的に示す側面図。図２は、この発明の実施形態に係るトロリ線の断面図である。
図１に示す車両１は、電車又は電気機関車などの電気車であり、例えば高速で走行する新幹線などの鉄道車両である。集電装置２は、トロリ線９から電力を車両１に導くための装置である。集電装置２は、トロリ線９と摺動するすり板２ａと、このすり板２ａを支持する集電舟（舟体）２ｂと、この集電舟２ｂを支持した状態で上下方向に動作する枠組２ｃと、車両１の屋根上のがい子に取り付けられた状態で枠組２ｃを支持する台枠２ｄなどを備えている。図１に示す集電装置２は、例えば、車両１の進行方向に対して非対称なシングルアーム式パンタグラフである。

架線３は、線路上空に設置される架空式電車線路であり、長さ方向に所定の間隔をあけて支持点で支持されている。図１に示す架線３は、例えば、新幹線などの高速運転区間で適用されるコンパウンド式のカテナリちょう架方式の電車線路、又はこのコンパウンド式の各線を太くし張力を上げたヘビーコンパウンド式のカテナリちょう架方式の電車線路である。架線３は、図１に示すちょう架線４と、補助ちょう架線５と、ハンガ６と、ドロッパ７と、図２に示すイヤー８と、図１及び図２に示すトロリ線９などを備えている。図１に示す補助ちょう架線５は、トロリ線９を支持する線条であり、ちょう架線４はこの補助ちょう架線５を介してトロリ線９を吊り下げる線条である。ハンガ６は、トロリ線９を補助ちょう架線５に吊り下げる金具であり、ドロッパ７は補助ちょう架線５をちょう架線４に吊り下げる金具である。

図２に示すイヤー８は、集電装置２のすり板２ａの摺動に支障がないようにトロリ線９の溝部９ｂを把持する架線金具である。イヤー８は、曲線区間においてトロリ線９を曲線外側に引っ張る曲線引金具、トロリ線９の振動を抑えトロリ線９にジグザグ偏位を付与する振止金具などの支持装置の先端部、又はハンガ６の下端部などに取り付けられている。

図１及び図２に示すトロリ線９は、集電装置２のすり板２ａが摺動し車両１に電力を供給する部材である。この発明の実施形態に係るトロリ線９は、図１に示すように、集電装置２の通過時に湾曲して表面にトロリ線応力が発生したときに、このトロリ線応力を低減する機能を有するとともに、横風を受けてトロリ線上面から気流が剥離してギャロッピングが発生したときに、この気流の剥離を抑制する機能も有する。トロリ線９は、例えば、新幹線の高速化に対応するために質量に比して高張力であり高強度の材質によって製作されており、大きな引張強さと高い導電率を有する銅合金トロリ線の一種であり、Cr,Zr,Siを僅かに含有する銅合金を熱処理することによって特性を向上させているクロム・ジルコニウム系高強度銅合金トロリ線(以下、PHC(Precipitation-hardened Copper Alloy)トロリ線という))である。トロリ線９の断面積は、図３に示す実施例においては113.17mm²であり、従来型のPHCトロリ線の断面積111.1(mm²)と略同一であり、トロリ線９の質量も従来型のPHCトロリ線の質量991(g/m)と略同一である。トロリ線９の引張荷重は、59.0(kN)以上であり、トロリ線９の導電率は76.0(%)以上である。トロリ線９は、図１に示すハンガ６によってちょう架可能な溝付きトロリ線であり、図２に示すように断面形状が中心線Ｃを中心として左右対称である。トロリ線９は、下面９Ａと、側面９Ｂ，９Ｃと、上面９Ｄとを備えている。トロリ線９は、集電装置２のすり板２ａが摺動するときに発生するトロリ線応力を低減するために、中立軸Ｏから上面９Ｄまでの距離Ｌ₁がこの中立軸Ｏの下面９Ａまでの距離Ｌ₂よりも短い。ここで、中立軸Ｏは、トロリ線９に曲げモーメントが作用したときに引張力及び圧縮力のいずれも作用しない中立面と、トロリ線９の横断面との交線である。ここで、距離Ｌ₁は、中心線Ｃ上に位置する上面９Ｄの最上部と中立軸Ｏとの間の垂直距離であり、距離Ｌ₂は中心線Ｃ上に位置する下面９Ａの最下部と中立軸Ｏとの間の垂直距離である。

下面９Ａは、トロリ線９の下部を構成する湾曲面であり、摺動部９ａを備えている。摺動部９ａは、集電装置２のすり板２ａが摺動する部分であり、下面９Ａの最下部を中心部として左右に形成されており、図２に示すように所定の曲率半径（円弧半径）Ｒ₀の湾曲面である。図３に示す実施例では摺動部９ａの曲率半径Ｒ₀は、営業列車と同程度の速度で走行しながらトロリ線９の摩耗状態を測定する架線試験車（架線検測車）の摩耗測定機を使用して摺動面の幅を光学的に測定可能なように、従来型のPHCトロリ線の曲率半径6.17(mm)と同一である。

側面９Ｂ，９Ｃは、トロリ線９の側部を構成する平坦面であり、溝部９ｂと平坦部９ｃとを備えている。溝部９ｂは、イヤー８によって把持される部分であり、イヤー８の爪状の下端部を掛け止めして左右方向から締め付けられる。溝部９ｂは、図２に示すように、略Ｖ字状に形成された平坦面である。溝部９ｂは、従来型のPHCトロリ線用のイヤー８を使用可能なように、上側平坦面と下側平坦面とが交差する溝角度θ₀が78°(水平面に対して上側溝角度θ₁が51°及び下側溝角度θ₂が27°）であり、従来型のPHCトロリ線の溝角度と同一である。平坦面９ｃは、垂直に形成された平面部分であり、下側が摺動面９ａに連なり上側が溝部９ｂに連なっている。

上面９Ｄは、トロリ線９の上部を構成する湾曲面であり、剥離抑制部９ｄを備えている。剥離抑制部９ｄは、横風を受けたときの上下振動を低減するために、トロリ線９の上面９Ｄからの気流の剥離を抑制する部分である。剥離抑制部９ｄは、湾曲面９ｅ〜９ｇを備えている。湾曲面９ｅは、トロリ線９の上面９Ｄの中央部に形成された部分であり、上面９Ｄの最上部を中心部として左右に形成されており、図２に示すように所定の曲率半径（円弧半径）Ｒ₁の円弧面である。湾曲面９ｆ，９ｇは、トロリ線９の上面９Ｄの両肩部に形成された部分であり、湾曲面９ｅに連なりこの湾曲面９ｅよりも曲率半径（円弧半径）Ｒ₂（Ｒ₂＜Ｒ₁）が小さい。湾曲面９ｆ，９ｇは、下側が溝部９ｂに連なっている。

次に、この発明の実施形態に係るトロリ線の作用について説明する。
図１に示すように、車両１とともに集電装置２が矢印方向に移動すると、集電装置２のすり板２ａによってトロリ線９が押し上げられて、集電装置２が通過するたびにトロリ線９が湾曲しトロリ線９の表面にトロリ線応力が発生する。トロリ線応力を繰り返し受けるとトロリ線９が疲労し破断するおそれがあるが、実際に問題となるのはトロリ線９の上面９Ｄに発生するトロリ線応力である。図２に示すように、トロリ線９の中立軸Ｏから上面９Ｄまでの距離Ｌ₁がこの中立軸Ｏの下面９Ａまでの距離Ｌ₂よりも短くなるようにトロリ線９の断面形状が設計されている。このため、実際に問題となるトロリ線９の上面９Ｄに発生するトロリ線応力が低減する。

トロリ線９が横風を受けるとこのトロリ線９の周囲にカルマン渦が発生して、トロリ線９の上面９Ｄから気流が隔離してトロリ線９に上下振動が発生する。図２に示すように、トロリ線９の両肩部における湾曲面９ｆ，９ｇの曲率半径Ｒ₂が、トロリ線９の中央部における湾曲面９ｅの曲率半径Ｒ₁よりも小さく形成されている。このため、トロリ線９の上面９Ｄからの気流の剥離が抑えられて、トロリ線９の上下振動も抑えられる。

この発明の実施形態に係るトロリ線には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、横風を受けたときの上下振動を低減するために、トロリ線９の上面９Ｄからの気流の剥離を剥離抑制部９ｄが抑制する。このため、トロリ線９が横風を受けて上下振動した状態で集電装置２が通過したときに、すり板２ａがトロリ線９から離れる離線現象が発生するのを防ぎ、列車の走行に支障が生ずるのを防ぐことができる。

(2) この実施形態では、トロリ線９の上面９Ｄの中央部に湾曲面９ｅを備え、トロリ線９の上面９Ｄの両肩部に湾曲面９ｅに連なりこの湾曲面９ｅよりも曲率半径Ｒ₂の小さい湾曲面９ｆ，９ｇを備えている。このため、トロリ線９の断面形状を最適化することによって、トロリ線応力の低減効果を発揮しつつギャロッピング特性を改善することができる。

(3) この実施形態では、集電装置２のすり板２ａが摺動するときに発生するトロリ線応力を低減するために、中立軸Ｏからトロリ線９の上面９Ｄまでの距離Ｌ₁がこの中立軸Ｏからトロリ線９の下面９Ａまでの距離Ｌ₂よりも短い。このため、トロリ線９の上面９Ｄに発生するトロリ線応力を低減してトロリ線９の疲労寿命を延伸させることができる。

(4) この実施形態では、トロリ線９の断面積が通常のトロリ線の断面積と略同一である。このため、実際の電車線路を改変することなく容易に導入することができる。

(5) この実施形態では、トロリ線９の断面積が略110mm²である。このため、現行の170mm²用のイヤーをそのまま適用してトロリ線９を吊り下げることができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
図３は、この発明の実施例に係るトロリ線の断面図である。
曲げ応力低減効果とギャロッピング特性の改善とを両立可能な断面形状を検討するために、図３に示す実施例に係るトロリ線について風洞試験を実施した。ここで、図３に示す寸法はmmである。風洞試験の結果、ギャロッピング特性は、図２に示すトロリ線９の上面９Ｄの湾曲面９ｅ〜９ｇの曲率半径Ｒ₁，Ｒ₂に強く依存することが確認された。このため、図３に示すトロリ線では、曲率半径Ｒ₁を10(mm)とし、曲率半径Ｒ₂を1.5(mm)として製作した。図３に示すトロリ線は、従来型の溝付きトロリ線の円形ベースの断面に比べて曲げ応力を10％程度低減可能であると予測される。

図４は、この発明の実施例に係るトロリ線のギャロッピング特性の風洞試験結果を示すグラフである。
図４に示す縦軸は、ギャロッピング条件式の値であり、横軸は迎角（度）である。ここで、ギャロッピング条件式の値＝Ｃ_D＋ｄＣ_L/ｄ_α（Ｃ_D：抗力係数、Ｃ_L：揚力係数、α：迎角）である。また、迎角とは、図２に示すトロリ線９の中心線Ｃと直交する方向（水平方向）と気流の方向とのなす角度であり、トロリ線９に向かって気流が斜め上方向であるときには正の値であり、トロリ線９に向かって気流が斜め下方向であるときには負の値である。ギャロッピング条件式の値が著しく負値である場合には、ギャロッピングを生じる可能性が高いが、図４に示すようにこの実施例にかかるトロリ線では風速30(m/s)以下ではギャロッピングを生じる可能性が低いことが確認された。なお、風速30(m/s)を超える場合には、この実施例に係るトロリ線についてもギャロッピングを生じる可能性が高い。しかし、風速30(m/s)の場合には、列車の運転抑止や徐行を行う運転規制がかかるため、この発明の実施例に係るトロリ線のギャロッピング特性が原因となって列車の運行に支障が生じる可能性は低い。

図５は、この発明の実施例、現行品及び比較例に係るトロリ線の断面図であり、図５（Ａ）は現行品のトロリ線の断面図であり、図５（Ｂ）〜（Ｄ）は比較例に係るトロリ線の断面図であり、図５（Ｅ）実施例に係るトロリ線の断面図である。図６は、この発明の実施例、現行品、比較例に係るトロリ線のギャロッピングの有無を示すグラフである。
図５に示す実施例、現行品及び比較例１〜３に係るトロリ線について風洞試験を実施した。ここで、図５に示す寸法はmmであり、実施例、現行品及び比較例１〜３に係るトロリ線の断面積はいずれも公称断面積110(mm²)と略同一である。図６に示す縦軸は、図２に示す曲率半径Ｒ₁に相当し、横軸は図２に示す曲率半径Ｒ₂に相当する。図６に示す風洞試験は、風速30(m/s)以下でのギャロッピングの有無の結果である。図６に示すように、実施例に係るトロリ線については、現行品のトロリ線と同様にギャロッピングを生じ難いことが確認されたが、比較例１〜３に係るトロリ線についてはギャロッピングを生じ易いことが確認された。その結果、図５及び図６に示すように、図２に示す曲率半径Ｒ₂を小さくすると気流の剥離が激しくなって剥離領域が広がるため、トロリ線上面に気流を再付着させるためにはトロリ線上面を凸状にし曲率半径Ｒ₁を小さくするほうが好ましいことが確認された。また、図６に示す風洞試験結果から図中一転鎖線で示すように、図２に示す曲率半径Ｒ₁，Ｒ₂については、Ｒ₁≦10Ｒ₂/3＋20(mm)とすることが好ましいことが確認された。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
例えば、この実施形態では、新幹線などの高速化を例に挙げて説明したが、在来線の高速化を図る場合にもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、トロリ線９の断面積が110(mm²)である場合を例に挙げて説明したが、断面積が170(mm²)のトロリ線についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、トロリ線９がPHC材質である場合を例に挙げて説明したが、機械的強度及び耐摩耗性を向上させるために鋼心を入れたCSトロリ線やTAトロリ線などの複合トロリ線についてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、コンパウンド式のカテナリちょう架線方式の電車線路にトロリ線９を使用する場合を例に挙げて説明したが、近年新幹線でも使用されているシンプル式のカテナリちょう架線方式の電車線路にトロリ線９を使用することもできる。

１車両（電気車）
２集電装置
２ａすり板
３架線
８イヤー
９トロリ線
９Ａ下面（トロリ線下面）
９Ｂ，９Ｃ側面
９Ｄ上面（トロリ線上面）
９ａ摺動部
９ｂ溝部
９ｃ平坦部
９ｄ剥離抑制部
９ｅ湾曲面（第１の湾曲面）
９ｆ，９ｇ湾曲面（第２の湾曲面）
Ｃ中心線
Ｏ中立軸
Ｒ₀〜Ｒ₂ 曲率半径

Claims

集電装置のすり板が摺動し電気車に電力を供給するトロリ線であって、
横風を受けたときの上下振動を低減するために、トロリ線上面からの気流の剥離を抑制する剥離抑制部を備え、
前記剥離抑制部は、前記トロリ線上面の中央部に第１の湾曲面を備え、前記トロリ線上面の両肩部に前記第１の湾曲面に連なりこの第１の湾曲面よりも曲率半径の小さい第２の湾曲面を備え、
前記第１の湾曲面の曲率半径がＲ ₁ であり、前記第２の湾曲面の曲率半径がＲ ₂ であるときに、Ｒ ₁ ≦10Ｒ ₂ /3＋20(mm)であり、
前記集電装置のすり板が摺動するときに発生するトロリ線応力を低減するために、中立軸から前記トロリ線上面までの距離がこの中立軸から前記トロリ線下面までの距離よりも短いこと、
を特徴とするトロリ線。
請求項１に記載のトロリ線において、
前記トロリ線の断面積は、113.17 mm²であること、
を特徴とするトロリ線。