JP5679848B2 - 揚力調整部材付きパンタグラフ - 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ための集電装置（パンタグラフ）に関する。特には、揚力を付加する（揚力の速度特性を妥当なプラス特性とする）ことにより、トロリ線からの離線を防止できるように改良を加えた揚力調整部材付き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（架線）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電力を送る方式が一般的である。このようなパンタグラフは、トロリ線に押し当てられる舟体（すり板を含む）や、舟体を昇降可能に支持するとともに、トロリ線に押し当てる押上力を与える支持機構等を備えている。

走行中のパンタグラフは、自身が受ける揚力と支持機構の機械力とによって、すり板をトロリ線に押し付けている。揚力は車両速度などによって変化し、揚力が小さい場合、あるいは、負（パンタグラフを下げる方向に作用する）の場合、トロリ線に押し付けられる力は、静押上力と同等、あるいはそれよりも小さくなってしまう。このときトロリ線とパンタグラフとの接触力変動が大きく作用すれば、パンタグラフの舟体がトロリ線から離れる離線現象が生じるおそれがある。特に車両速度が速い場合は、トロリ線からの外乱によって接触力の変動が大きくなり、離線が起こりやすくなる。

このため、パンタグラフの揚力は、車両速度に対してある程度プラス特性（車両速度が上がると揚力も上がる）であることが好ましい。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、トロリ線からの離線を防止するために、車両速度によらず揚力がプラスとなるように改良された揚力調整部材付きパンタグラフを提供することを目的とする。

本発明のベースとなる本発明の揚力調整部材付きパンタグラフは、 電気鉄道車両の屋根上に設置された起立倒伏可能な枠組と、 該枠組上に支持され、トロリ線と摺動するすり板体を保持する舟体と、を具備するパンタグラフであって、 前記枠組の左右の枠体の頂部を繋ぐ天井管を有し、 該天井管に、揚力付加部材が付設されていることを特徴とする。

パンタグラフにおいては、車両速度が速くなると接触力変動が大きくなって離線しやすくなる。この離線低減のためには、車両速度に対してある程度プラス傾斜の揚力特性を有することが望ましい。本願発明においては、天井管に揚力付加部材を付設して、接触力がマイナスにならないように揚力で接触力を補充するので、離線を抑えることができる。なお、揚力付加部材の具体的な構成例としては、一般にステンレス製の丸管である天井管に、下方出っ張り形状などの揚力付加部材を付設したものとできる。

本発明においては、 前記揚力付加部材が下方に垂下する板状の部材、あるいは、下方に突出する角を有する部材であることとできる。

天井管から下方に垂下する、あるいは、下方に突出する部位を設けることにより、天井管の周囲で流れ場が変化する。そして、舟体の上方を流れる気流の速度が、下方を流れる気流の速度よりも速くなって、天井管に揚力が発生すると考えられる。したがって、天井管に下方に垂下する板状部材や、下方に突出する角を有する部材を付設することにより、天井管を介して舟体に揚力を与えることができる。

パンタグラフにおいては、車両速度が上がると揚力も上がるような特性を有することが望ましい。そこで、天井管に揚力付加部材を付設して天井管に揚力を付加することにより、揚力で接触力を補充できるので、離線の発生を抑えることができる。
揚力付加部材とは、具体的には、天井管から下方に垂下する、あるいは、下方に突出する部材とできる。このような部材を付設することにより、舟体の上方を流れる気流の速度が、下方を流れる気流の速度よりも速くなって、天井管に揚力が発生すると考えられる。

本発明の第１の実施の形態に係る揚力調整部材付きパンタグラフの上部（舟体付近）の構造を示す図であり、図１（Ａ）は正面図、図１（Ｂ）は天井管の側断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る揚力調整部材付きパンタグラフの上部（舟体付近）の構造を示す図であり、図２（Ａ）は正面図、図２（Ｂ）は天井管の側断面図である。 本発明の揚力調整部材付きパンタグラフの全体の構造を示す斜視図である。 本発明の揚力調整部材付きパンタグラフの全体の構造を模式的に説明する側面図である。 パンタグラフの揚力の計測結果を示すグラフである。

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。
まず、図３、図４を参照して、本発明の揚力調整部材付きパンタグラフの一実施の形態に係る全体の構造を説明する。図３はパンタグラフの斜視図、図４はパンタグラフの構造を模式的に説明する側面図である。
この揚力調整部材付きパンタグラフ１は、トロリ線Ｔと摺動するすり板体１１を保持する舟体１０と、舟体１０を支持し、電気鉄道車両の屋根３に起立倒伏可能に設置された枠組２０とを主に備える。これらは、図４に示すように、車両の屋根３に碍子４を介して固定されたフレーム５に取り付けられている。

舟体１０は、車体の幅方向（左右方向）に沿って延びる箱状体である。舟体１０は、一例でアルミニウム合金等で作製される。この例では、２個の舟体１０が、走行方向（前後方向）に平行に並んでいる。各舟体１０の上面には、すり板１１が取り付けられている。すり板１１は、一例で鉄系や銅系の焼結合金、あるいは、カーボン系材料等で作製される。このすり板１１がトロリ線Ｔに直接接触する。この例のように舟体１０を２個備えることにより、いずれかのすり板１１を確実にトロリ線Ｔに着線させることができる。２個の舟体１０は、両端付近で左右の舟支え１３に支持されている。各舟支え１３には、左右方向を外方向に延びるホーン１４（図３参照）が取り付けられている。

枠組２０は、この例では下枠交差型であり、図４に示すように、前後の枠体２１Ａ、２１Ｂを有する。各枠体２１は、回動可能に連結された上枠２２と下枠２３とからなる。各枠体２１の上枠２２の上端は天井管２５に連結されている。天井管２５は、左右方向に延びる、例えば金属製の円筒状の管である。天井管２５には揚力付加部材３０が付設されている。揚力付加部材３０については後述する。この天井管２５の両端には、左右の舟支え１３が支持されている。

図４に示すように、一方（この例では前側）の枠体２１Ａの下枠２３の下端は主軸４１に連結されている。主軸４１は、フレーム５上の取付フランジ４２に回動可能に取り付けられている。同時に、同下枠２３の下端は、フレーム５に配置された主バネ４３に連結されている。主バネ４３は、枠組２０に上昇力を与えるバネである。

主軸４１には、釣り合い棒４５の一端が連結されている。釣り合い棒４５のもう一方の端部は、フレーム５上の取付フランジ４６で、もう一方（この例では後側）の枠体２１Ｂの下枠２３の下端に連結されている。

この揚力調整部材付きパンタグラフ１は、以下の通りに昇降動作する。舟体１０を上昇させるには、図示しない解除機構を解除して主バネ４３を縮める。すると、この主バネ４３の復元力を受けて主軸４１が図の反時計方向に回動し、これにより、前側の枠体２１Ａの下枠２３が起き上がる。同時に、釣り合い棒４５を介して後側の枠体２１Ｂの下枠２２も起き上がる。各下枠２３の起き上がりにより、各枠体２１の上枠２２が間接運動をして枠組２０が伸び、天井管２５を介して舟支え１３を持ち上げる。このようにして舟体１０が上昇し、すり板１１がトロリ線Ｔに押し当てられる。

逆に、舟体１０を下降させるには、図示しない折り畳み用シリンダで、前側の枠体２１Ａの下枠２３を倒す。これとともに主軸４１が図の時計方向に回動し、釣り合い棒４５を介して後側の枠体２１Ｂの下枠２３が倒れる。すると、各枠体２１の上枠２２が折りたたまれて、天井管２５を介して舟体１０が下降する。枠組２１の折り畳み状態では、主バネ４３が伸びた状態となり、図示しないカギ装置でロックすることにより、パンタグラフ１を折り畳み状態でロックできる。

図１、図２を主に参照して、本発明の第１の実施の形態に係る揚力調整部材付きパンタグラフの構造を説明する。図１（Ａ）はパンタグラフの正面図、図１（Ｂ）は天井管の側断面図である。
この例の揚力調整部材付きパンタグラフの天井管２５には、２枚の下方に垂下する板状の部材３０（揚力付加部材）が付設されている。板状部材３０は、天井管２５の左右方向の中央に対してほぼ対称な位置に、左右方向に並んで取り付けられている。

板状部材３０は、樹脂や金属等で作製され、例えば、図１（Ｂ）に示すように、断面形状が円弧状の取付部３０ａと、同取付部３０ａの下端からほぼ垂直に下方に延びる暖簾状の垂下部３０ｂとを有する。取付部３０ａを天井管２５に沿って当てて垂下部３０ｂをほぼ垂直に垂下する姿勢として、取付部３０ａをビス３１などで天井管２５に固定することにより、板状部材３０を天井管２５に取り付けることができる。

このように板状部材３０を天井管２５に取り付けることによって、パンタグラフ１の揚力が向上する理由は以下のように推測される。天井管２５から下方に垂下する部材が存在すると、天井管２５の周囲、特に、舟体の上方と下方とで流れ場が変化する。そして、舟体の上方を流れる気流の速度が、下方を流れる気流の速度よりも速くなって、天井管２５に揚力が発生する。

なお、揚力の向上度合いは、板状部材３０の垂下部３０ｂの長さや面積によって変わることが実験によって確認されているので、搭載される車両の速度や走行区間におけるトンネルの頻度（トンネル内では一般に対向風速が増加するため）などに応じて、垂下部３０ｂの長さや面積を選定する。

また、本例では、２枚の板状部材３０を左右方向に並べて取り付けたが、１枚とすることや３枚以上とすることもできる。

図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る揚力調整部材付きパンタグラフの構造を説明する。図２（Ａ）はパンタグラフの正面図、図２（Ｂ）は天井管の側断面図である。
この例の揚力調整部材付きパンタグラフの天井管２５には、２個の角柱の部材５０（揚力付加部材）が付設されている。角柱部材５０は、図２（Ｃ）に示すように、１個の角Ｃが下方に突出する姿勢で、天井管２５の左右方向の中央に対してほぼ対称な位置に、左右方向に並んで取り付けられている。

角柱部材５０も樹脂や金属で作製され、図２（Ｂ）に示すように、天井管２５と同等の径の貫通孔５１を有する角柱を縦に二分割したもので構成できる。各分割片５２で天井管２５を挟んで、いずれかの角を下方に突出する姿勢として、各分割片５２をビス５３などで天井管２５に固定することにより、角柱部材５０を天井管２５に取り付けることができる。

この例のパンタグラフも、図１のパンタグラフと同様の理由で揚力を向上できると考えられる。なお、角柱部材５０には、上下に角部があるが、舟体１０の存在により角柱部材５０の上下の空気流れ状況は異なるので、上下の角部の周辺の空気流乱れも互いに異なる。

このように天井管２５から下方に垂下する、あるいは、下方に突出する部位が存在することで揚力を向上させることができるので、これらの実施例以外にも、下方に垂下あるいは突出する部位を有する部材を使用することができる。例えば、図２で示した角柱部材ではなく三角柱状の部材を使用して、同部材の一つの角が下方に突出するように天井管に取り付けてもよい。

また、本実施例では下枠交差形のパンタグラフについて説明したが、菱形やシングルアーム型のパンタグラフにも適用できる。

次に、図５のグラフを参照して本発明の揚力調整部材付きパンタグラフの揚力を計測した実験結果を説明する。グラフの縦軸は揚力（Ｎ）、横軸は風速（車両速度）（ｋｍ／ｈ）を示す。比較例として、揚力付加部材を付設しないものを挙げた。
比較例の揚力付加部材なしのものは、車両速度が上がるにつれて徐々に揚力も上がっているが、最大でも５Ｎに達していない。
これに対して、図１、図２で示した本発明の揚力調整部材付きパンタグラフも、車両速度が上がるにつれて徐々に揚力も上がってくる。そして、車両速度が７０ｋｍ／ｈを超えるとより一層揚力が上がり始め、最大で１８Ｎ程度に達している。このことから、本発明のパンタグラフは、車両速度が速い状態で特に揚力が向上することが確認された。

１ 揚力調整部材付きパンタグラフ ３ 屋根
４ 碍子 ５ フレーム
１０ 舟体 １１ すり板
１３ 舟支え １４ ホーン
２０ 枠組 ２１ 枠体
２２ 上枠 ２３ 下枠
２５ 天井管
３０ 板状部材（揚力付加部材） ３１ ビス
４１ 主軸 ４２ 取付フランジ
４３ 主バネ ４５ 釣り合い棒
４６ 取付フランジ
５０ 角柱部材（揚力付加部材） ５１ 貫通孔
５２ 分割片 ５３ ビス

Claims (1)

1. 電気鉄道車両の屋根上に設置された起立倒伏可能な枠組と、
   該枠組上に左右の舟支えを介して支持され、トロリ線と摺動するすり板体を保持する、走行方向に平行に並んでいる２個の舟体と、
   を具備するパンタグラフであって、
   前記枠組の左右の枠体の頂部を繋ぎ、前記左右の舟支えを支持する天井管を有し、
   該天井管に、揚力付加部材が付設されており、
   前記揚力付加部材が下方に暖簾状に垂下する板状の部材であることを特徴とする揚力調整部材付きパンタグラフ。

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