JP5399054B2 - 電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道における高速走行時において安定した集電接触性能を得るためのカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法に関するものである。

「プレサグ」とは接触力変動を抑え安定した集電接触性能を得るため、支持点間周期でトロリ線高さを低く設定するものであり、通常は、支持点に対称に二次曲線を設定する方法が一般的であり、高速走行区間に導入されている例がある。
池田、岩井中：「新幹線の高速化に向けた架線設備の最適化」，Ｊ−ＲＡＩＬ２００７，Ｓ１−２−２

しかしながら、新幹線（登録商標）の高速走行試験では、プレサグがある区間の方が、プレサグがない一定高さの区間より、大きな離線が発生する事象も報告されている（上記非特許文献１参照）。
また、上記したプレサグ架線のプレサグの最適量に関しては定説がないのが現状である。

本発明は、上記状況に鑑みて、プレサグ架線の最適形状と最適量を求め、安定した高速走行性能を実現することができる電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法を提供することを目的する。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法において、目標とする鉄道車両の走行速度、架線構造、パンタグラフの押上力の条件に応じて、位置ｘにおける架線の静高さＹ_S （ｘ）を一定とした場合に、パンタグラフの押上力と等しい一定力を与えて得られるパンタグラフ軌跡であるＹ_d （ｘ）を求め、得られたＹ_d （ｘ）の値を用いて架線の静高さをＹ_S （ｘ）＝−Ｙ_d （ｘ）＋Ｃとしてプレサグ状のトロリ線高さを設定することによって、接触力の変動が生じないようにしたことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法において、前記パンタグラフ軌跡を運動シミュレーション手法を用いて求めることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）鉄道車両の高速走行時の安定した集電接触性能を得ることができる。
（２）パンタグラフの離線を低減することができるので、パンタグラフすり板の荒損・摩耗、トロリ線の局部摩耗を低減でき、安全性・保全性の向上、設備の長寿命化に寄与することができる。
（３）架線に過大な接触力が発生しないので、トロリ線の局部摩耗や過大な応力の発生がなく、安全性・保全性の向上、設備の長寿命化に寄与することができる。

本発明の電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法は、目標とする鉄道車両の走行速度、架線構造、パンタグラフの押上力の条件に応じて、位置ｘにおける架線の静高さＹ_S （ｘ）を一定とした場合に、パンタグラフの押上力と等しい一定力を与えて得られるパンタグラフ軌跡であるＹ_d （ｘ）を求め、得られたＹ_d （ｘ）の値を用いて架線の静高さをＹ_S （ｘ）＝−Ｙ_d （ｘ）＋Ｃとしてプレサグ状のトロリ線高さを設定することによって、接触力の変動が生じないようにした。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
最初に、従来のプレサグ変位の問題について述べる。
図６は従来のプレサグ架線（シンプルカテナリ架線）の側面図である。
従来のプレサグの特徴は、図６に示すように、架線に径間内で左右対称な変位が設けられていることにある。

図７は径間内でのパンタグラフ軌跡を示す図であり、横軸に径間内位置（ｍ）、縦軸に変位（ｍｍ）を示している〔シンプル架線、径間５０ｍ、押上力５４Ｎ（β＝ｖ／ｃ，ｖ：走行速度、ｃ：波動伝播速度）〕。
速度変化に伴ってパンタグラフが径間内で描く軌跡を両端支持弦モデル〔参考文献：織田，大浦，「カテナリー架線の振動について」，鉄道技術研究報告，Ｎｏ．９７７（１９７５）〕を用いて求めると、図７のようになる。ここで、βは無次元化速度であり、β＝０．３程度までならば、パンタグラフの軌跡は径間内でほぼ左右対称となることが分かる。

在来線で一般的に使用されているシンプル架線を例にとると、架線系全体の波動伝播速度は３６０ｋｍ／ｈ程度であることから、β＝０．３（１１０ｋｍ／ｈ）程度ならばパンタグラフによる架線の押上は径間内でほぼ左右対称となっている。したがって、プレサグ変位は径間内のパンタグラフ高さをほぼ一定として、安定した集電を行うことができる。
一方、新幹線（登録商標）では近年の高速化に伴ってβ＝０．７程度で使用されることも多くなっている。図７を例にとれば、βが大きくなるにつれてパンタグラフ軌跡の対称性は失われ、パンタグラフ高さのピークは進行側支持点へと偏っていく。したがって、プレサグ変位とパンタグラフ軌跡の差異が大きくなり、従来の左右対称なプレサグ形状ではパンタグラフ高さを一定とする機能を果たすことができなくなる。

また、東北新幹線における３６０ｋｍ／ｈ高速走行試験では、従来の左右対称なプレサグがある箇所において、プレサグがない箇所より離線が多発するという結果となった。
これらの従来のプレサグ架線の問題を解決し、安定した集電性能を得るため、最適なプレサグ形状について検討を行った。
まず、最適なプレサグ形状の求め方について説明を行う。

最適なプレサグ形状の原理は、一定力で走行した際のパンタグラフ軌跡の負値を、架線静高さとして設定することでこれらを相殺させ、パンタグラフ高さを一定にすることである。
パンタグラフ点での架線の動的変位成分をＹ_d （ｘ）とすれば、パンタグラフ点での架線変位Ｙ_P （ｘ）は次式で表せる。

Ｙ_P （ｘ）＝Ｙ_s （ｘ）＋Ｙ_d （ｘ） …（１）
ここで、
Ｙ_s （ｘ）＝−Ｙ_d （ｘ）＋Ｃ …（２）
とすれば、Ｙ_P （ｘ）＝Ｃとなるのでパンタグラフ高さは一定となり接触力の変動が生じない。

Ｙ_d （ｘ）は一定高さの架線に一定力を与えて得られるパンタグラフ軌跡であり、こうして得られたＹ_s （ｘ）が最適なプレサグ形状となる。
上述から分かるように、このプレサグ形状は押上力と鉄道車両の走行速度に依存する。
上記（１）式の右辺第２項は明瞭な式として表わすことが困難であるが、接触力が与えられれば一意的に求まる性質のものである。ここでは、シミュレーションによってＹ_d （ｘ）を求める。

以下、このようにして求めた変位を、最適な条件に同調する（ｔｕｎｉｎｇ）するように変位を設けていることからＴサグ（Ｔｕｎｉｎｇ Ｓａｇ）変位と呼ぶことにする。
次に、上記で求めた最適なプレサグ形状（Ｔサグ変位）を用いた場合に、パンタグラフ高さ及び接触力が一定となることをシミュレーション法を用いて示す。
表１に、シミュレーションに用いる架線条件などを示す。

ここで、静押上力は５４Ｎ、揚力は鉄道車両の走行速度の２乗に比例するとして３２０ｋｍ／ｈで５５Ｎとした。表１に示す架線は、整備新幹線の標準であることから、設計速度を２６０ｋｍ／ｈとすると、パンタグラフの押上力は５４＋（２６０／３２０）² ・５５＝９０．３Ｎとなる。
架線の高さはハンガ点のみでしか設定できない。そこで、最適な形状のハンガ点Ｈ₁ での架線静高さＹ_s1は、ハンガ点におけるパンタグラフ軌跡をＹ_d1として、
Ｙ_s1＝Ｃ−Ｙ_d1 …（３）
として得る。

まず、上記した方法によりＴサグ変位を求める。以下、鉄道車両の走行速度は単に速度と言う場合もある。
図１は本発明の電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法の一例を示す図である。
本発明の電気鉄道におけるプレサグ架線の設定方法をこの図１を参照しながら説明する。
（１）まず、目標とする鉄道車両の走行速度、架線構造、パンタグラフ押上力の条件を設定する（ステップＳ１）。
（２）次に、運動シミュレーション手法を用いて一定接触力を作用させてパンタグラフ押上軌跡を求める（ステップＳ２）。
（３）次に、ステップＳ２で求めたパンタグラフ押上軌跡を負にしてトロリ線高さを設定する（ステップＳ３）。

以下、その詳細を順次説明する。
図２は本発明に係るＴサグ変位を求めるためのパンタグラフ軌跡（一定力）を示す図であり、シンプル架線、一定接触力（揚力を含む）、速度２６０ｋｍ／ｈで架線運動を計算している。
図２に示すように、シミュレーションにより、一定高さの架線下を一定力（９０．３Ｎ），速度２６０ｋｍ／ｈで走行させてパンタグラフの軌跡を得る。図２によりハンガ点でのパンタグラフ高さを求めることでＴサグ変位を得る。

図３は本発明に係るＴサグ変位架線下でのパンタグラフ高さ軌跡を示す図であり、鉄道車両速度２６０ｋｍ／ｈで架線運動を計算している。
図４に図３から求めたハンガ点でのパンタグラフ高さ［ｍｍ］を、図５にハンガ点での接触力［Ｎ］を示す。
このように、各ハンガ点で、パンタグラフ高さ、接触力ともほぼ一定となることが分かる。なお、Ｔサグ変位を与える箇所はハンガ点であるので、ハンガ間の変動については対象外である。

なお、支持点付近でパンタグラフ高さが若干大きくなるのは、励起される波動の影響と考えられる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法は、鉄道車両の高速走行時に、安定した集電接触性能を得ることができるプレサグの設定方法として利用可能である。

本発明の電気鉄道におけるプレサグ架線の設定フローチャートである。 本発明に係るＴサグ変位を求めるためのパンタグラフ軌跡（一定力）を示す図である。 本発明に係るＴサグ変位架線下でのパンタグラフ高さ軌跡を示す図である。 本発明に係るＴサグ変位架線下を走行時のハンガ点でのパンタグラフ高さ（ｍｍ）を示す図である。 本発明に係るＴサグ変位架線下を走行時のハンガ点での接触力（Ｎ）を示す図である。 従来のプレサグ架線（シンプルカテナリ架線）の側面図である。 径間内でのパンタグラフ軌跡を示す図である。

Claims (2)

1. 目標とする鉄道車両の走行速度、架線構造、パンタグラフの押上力の条件に応じて、位置ｘにおける架線の静高さＹ_S （ｘ）を一定とした場合に、パンタグラフの押上力と等しい一定力を与えて得られるパンタグラフ軌跡であるＹ_d （ｘ）を求め、得られたＹ_d （ｘ）の値を用いて架線の静高さをＹ_S （ｘ）＝−Ｙ_d （ｘ）＋Ｃとしてプレサグ状のトロリ線高さを設定することによって、接触力の変動が生じないようにしたことを特徴とする電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法。
2. 請求項１記載の電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法において、前記パンタグラフ軌跡を運動シミュレーション手法を用いて求めることを特徴とする電気鉄道におけるカテナリちょう架式架空電車線のプレサグの設定方法。

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