JPH0525902U - 低空力音型集電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】集電舟、上枠管を初めとする集電舟支持部の形
状を変えて、空力騒音の小さいパンタグラフを構築し、
沿線の騒音を低減し、電気車の一層の高速化をはかる。 【構成】集電舟１０の形状を楕円体、或いは、集電舟１
０の断面形状を流線形断面とすること、更には、集電舟
１０の外周囲をフェアリングで覆い、集電舟１０の形状
を楕円体、又は、断面を流線形としたものと、集電舟の
支持部１１として、円形断面、又は、楕円形断面を有す
る柱状形状としたものを、集電舟１０と集電舟支持部１
１のそれぞれとして組み合わせている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、高速で走行する電気車の集電装置の低空力音（低騒音）化の形状に 関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

一般に速度２００ｋｍ／ｈを超える電気車の集電装置には、パンタグラフが使 用されており、電気車が高速で走行する際に、このパンタグラフから発生する空 力音が沿線で大きな騒音となっている。パンタグラフは、集電舟、これを支える 上枠管、下枠管、で構成される枠組み管、枠組み管の横剛性を補強するための斜 め管と天井管、パンタグラフの側線と本線とのトロリ線の渡りをスムーズにする ための案内の機能を果たす主ホーン、集電舟の上昇、下降力の駆動源となるため のバネ、ダンパを収容する台枠で構成されている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

電気車のパンタグラフは、図11に示すような状況で、架線にパンタグラフが下 方から接触し、滑り合うことによって、電気車内への電気の取り込みを実現して いる。その際、パンタグラフは、電気車の走行速度に等しい空気流を切ることに なる。

【０００４】 図６及び図７及び図８は、従来型パンタグラフの全体を示したものである。集 電舟10は、架線のトロリ線と滑り合う部分であるすり板12を上部にボルト締めさ れた、ほぼ寸法が４０ｍｍ角の矩形断面を有する前舟21と後舟22で構成され、該 前舟と該後舟は、その端部をつなぎ枠13で結合されている。該集電舟を上枠管14 と下枠管15のリンク機構により上昇、或いは、下降せしめ、この駆動力は、台枠 16内に収容されている空気シリンダ、ダンパ、バネ装置によって得ている。また 、該上枠管と該下枠管は枠組み管17を構成し、該枠組みの横方向の剛性を保つた めに、斜め管18と天井管19がある。その他、パンタグラフは、側線と本線とのト ロリ線の渡りをスムーズにするための案内の役目を果たす主ホーン20を備えてい る。なお、台枠内に収容されている空気シリンダ、ダンパ、バネ装置については 、本考案と直接関係しないため詳細な説明は割愛する。

【０００５】 次に、パンタグラフが接触し、滑り合うことによって集電する相手である架線 について説明する。図12は、高速集電に適した代表的な架線であるヘビーコンパ ウンド架線方式の構造を示している。パンタグラフと直接接触するのは、材質が 硬銅で断面積が１７０ｍｍ² で形がほぼ円に近いトロリ線41である。該トロリ線 を、長さ１５０ｍｍのハンガ42によって、硬銅より線の補助吊架線43に５ｍ間隔 で懸架し、これを更に、亜鉛メッキ鋼より線の吊架線44に、ドロッパ45により、 １０ｍ間隔で懸架し、最上部の該吊架線は、５０ｍ間隔に設置された支持点46に 固定されている。

【０００６】 パンタグラフ空力音の主要な発生源は、集電舟である。集電舟は２本の並行な 棒状部材で構成され、これらは、通常、部材の長手方向に直角な空気流を受ける ことになる。しかも、並行に配置された前後の棒状部材から発生する流れの剥が れが流体力学的に相互に強め合う状況となり、大きいレベルの空力音を発生する 。また、前後の集電舟の断面形状が矩形に近いことから、エッジ部の流れの剥が れも多く、空力音の源となる。更に、集電舟、天井管、枠組み、主ホーンの棒状 部材の大きさが２０ｍｍ〜４０ｍｍを一辺、或いは、直径とする矩形断面、円形 断面の棒状部材で構成されていることから、これらの部材から発生する空力音の 周波数が、高速では、聴覚に敏感な領域の周波数となり、パンタグラフの空力音 が大きい原因となっている。

【０００７】 図９に従来型パンタグラフの集電舟周辺の流れの状況を示した。前舟21と後舟 22の間隔によって流れの状況は変わるが、該前舟が単独で置かれた場合に卓越に するカルマン渦の周波数と物体の代表長さ、及び、空気流速の関係は、広く明ら かにされており、下記の数１の関係がある。

【０００８】

【数１】

【０００９】 数１において、ｆはカルマン渦の周波数、Ｕは空気の流速、ｄは物体の代表長 さ、Ｓはストローハル数である。

【００１０】 また、カルマン渦の周波数は、空気の流速とカルマン渦の発生間隔とによって 、下記の数２のようにも表される。

【００１１】

【数２】

【００１２】 数２において、ｆはカルマン渦の周波数、Ｕは空気の流速、ａはカルマン渦の 発生間隔である。

【００１３】 集電舟の前後の舟の間隔が、カルマン渦の発生間隔ａの整数倍のとき、発生す る空力音が大きくなる性質がある。前後の舟の間隔がこれ以外の場合、特に、カ ルマン渦の発生間隔ａの２分の１の奇数倍のときにも、流体力学的な相互作用に よって空力音は消滅することはなく、一本によって発生する空力音以上の大きさ の空力音が発生する。卓越したカルマン渦以外の周波数の空力音についても、２ 本の場合には一本以上の空力音の大きさとなる。しかも、集電舟の前後の部材の 一辺の寸法が４０ｍｍの矩形断面に近いことから、聴覚に敏感な周波数帯域の空 力音となる。

【００１４】

【表１】

【００１５】 表１にパンタグラフを構成する各部材から発生する卓越した空力音の実測値を 示した。空力音の周波数は、１分の１のオクターブ分析した場合の卓越した周波 数が属する周波数バンドを示した。

【００１６】 解決しようとする問題点は、従来の技術が集電舟を２本の平行に配置された棒 状部材によって構成していることにより、前後の舟間の流体力学的相互作用によ って空力音が大きくなることが避けられないこと。前後の舟の断面形状が矩形で あり、そのため、エッジ部で流れが剥がれ、これが空力音の発生源となること。 集電舟、天井管、上枠管、斜め管から発生する空力音が可聴周波数帯域で聴覚に 敏感な空力音となるため、これら集電舟、上枠管を初めとする集電舟支持部の形 状を変えて、空力騒音の小さいパンタグラフを構築しようとするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するために、本考案は、集電舟の形状を楕円体、或いは、集電 舟の断面形状を流線形断面とすること、更には、集電舟の外周囲をフェアリング で覆い、集電舟の形状を楕円体、又は、断面を流線形としたものと、集電舟の支 持部として、円形断面、又は、楕円形断面を有する柱状形状としたものを、集電 舟と集電舟支持部のそれぞれを組み合わせて低空力音型集電装置の全体を構成す ることを特徴としている。

【００１８】

【作用】

図３はこの方法による概念図であって、パンタグラフの集電舟10を楕円体、そ の集電舟支持部11を円柱で構成した場合を示している。また、図４は集電舟10の 断面形状を流線形断面、集電舟の支持部11を円柱で構成した場合の概念図である 。むろん、フェアリングで覆う手段によって、パンタグラフの集電舟とその支持 部の枠組みを上記の形状としても空力音の低減効果が十分に発揮される。

【００１９】 集電舟の形状を楕円体形状、或いは、集電舟の断面を流線形断面とすることに より、前後の舟が一体となり、前後の舟による流体力学的な相互作用がなくなり 、加えて、流体力学的に滑らかな形状とすることによって、集電舟からの流れの 剥がれも少なくなり、発生する空力音が小さくなる。また、上枠管、下枠管、斜 め管、天井管で構成する集電舟支持部を一体とし、円柱形状とすることによって 、個々の部材から発生する空力音の和より小さな空力音となる。更に、集電舟、 或いは、集電舟の支持部から発生する空力音は、その寸法を従来の集電舟、或い は、集電舟支持部より大形化（流れに対する代表寸法を１００〜２００ｍｍ）と することにより、聴覚に鈍感な周波数となり、空力音が低減する。

【００２０】

【実施例】

図１及び図２は、本考案の１実施例である。すり板１、微動ばね２、集電舟体 ３で集電舟10を構成し、復元ばね５、復元ばね座６、集電舟の昇降用シリンダ７ Ａで集電舟支持部11を構成し、支持碍子８で集電舟支持部を支え、これら全体を 収容用作動シリンダ７Ｂの作用によって、直立、或いは、収納する機構となって いる。

【００２１】 集電舟10はすり板１、該すり板を支持する微動ばね２により支持され、集電舟 体３に固定される。該集電舟体の両側の先端部は、パンタグラフがトロリ線と接 触して、側線と本線を相互に行き来する際の案内の機能を果たす主ホーン４が設 けられている。

【００２２】 該集電舟は、偏平な楕円体形状で、該集電舟の支持は復元ばね５を介して、そ の下部の復元ばね座６に繋がり、該復元ばね座は、昇降用のシリンダ７Ａと一体 をなす。該シリンダは、パンタグラフ支持碍子８に固定される。一方、このパン タグラフ全体をパンタグラフ支持碍子下端のヒンジ９を支点として、収容シリン ダ７Ｂにより90度倒伏することが出来る。

【００２３】 次に、偏平な楕円体形状の集電舟の周辺の流体力学的な流れと集電舟から発生 する空力音について説明する。図５は集電舟付近の流れの様子を示したものであ る。この集電舟は、従来の集電舟のように前後の２つの舟に分割されていないた め、前後の舟による流体力学的な相互作用はない、しかも、この楕円体の大きさ を従来のパンタグラフの集電舟を包む寸法とし、厚みを６倍にした場合には、発 生する空力音の支配的な周波数は、６分の１となる。速度２６０ｋｍ／ｈの場合 には、この周波数は４０Hzとなり、聴覚に鈍感な周波数になる。しかも、集電舟 周囲の流れがスムーズで、流れの剥がれが少ないことからも、発生する空力音が 小さくなる。

【００２４】 集電舟の断面形状を流線形とした場合においても、前記した集電舟が楕円体の 場合と同様の低空力音の効果が得られる。

【００２５】 次に集電舟支持部に発生するカルマン渦による周波数について述べる。数式１ で示したような関係が成立し、円柱の場合の、ストローハル数が０．２なので、 集電舟の支持部の円柱の径を２００ｍｍとすると、発生空力音の周波数は７０Hz となり、前記の集電舟と同様、聴覚に鈍感な周波数になる。

【００２６】 このような部材で構成された低空力音型集電装置と従来型パンタグラフの空力 音の実際に測定した例を図10に示す。図10は、従来型パンタグラフと本考案によ る低空力音型集電装置の流速200km/h のときの空力音の３分の1 オクターブ分析 を示したものである。図に示すように、低空力音型集電装置は、１２５Hzバンド を超える各周波数バンドにおいて、従来型パンタグラフより空力音が小さく。全 体音としても、約十数ホン小さい値を示している。

【００２７】

【考案の効果】

以上詳細に説明したように、本考案の集電装置の集電舟は、偏平な楕円体の形 状をなし、従来の集電舟と異なり、前後舟による流体力学的な相互作用によって 、空力音が増幅することがなく、また、断面形状が流線形に近いことから、流れ の剥がれも少なく、空力音が小さい。しかも、空力音の主体となる周波数が低く なり、聴覚に鈍感な周波数となる。同様に、集電舟の支持部は、直径２００ｍｍ の円柱形状となっていることから、従来の上枠管、下枠管、斜め管、天井管で構 成された直径２２ｍｍの棒状部材を主体に構成されている箇所から発生する空力 音より、周波数が１０分の１となり、速度２６０ｋｍ／ｈでは主体となる空力音 の周波数は７０Hzとなる。集電舟、及び、集電舟支持部から発生する空力音の周 波数は、このように聴覚に鈍感な周波数となり、集電装置全体としての低空力音 （低騒音）化が達成される。

【００２８】 この低空力音型集電装置は、沿線の騒音を低減し、電気車の一層の高速化に道 を開くもので、多大の社会的効果が得られる。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案にかかる低空力音型集電装置の実施例
で、側面図を示す。

【図２】図１の正面図。

【図３】集電舟の形状が偏平な楕円体の場合の低空力音
型集電装置の概念図

【図４】集電舟の形状が流線形断面の場合の低空力音型
集電装置の概念図

【図５】本考案の場合に実現される集電舟付近の流れの
様子を示したものである。ａは集電舟の断面が楕円形
の、ｂは集電舟の断面が流線形の集電舟周辺の流れの状
況をそれぞれ示す。

【図６】従来型の集電装置（パンタグラフ）の一例で、
平面図を示す。

【図７】図６の正面図を示す。

【図８】図６の側面図を示す。

【図９】従来形の集電舟周辺の流れの様子を示す。

【図10】従来形の集電装置と本考案による空力音の１／
３オクターブ分析の一例を示す。△は従来形のパンタグ
ラフの空力音、□は本考案による低空力音型パンタグラ
フ（集電装置）の空力音、●は暗騒音をそれぞれ示す。

【図11】パンタグラフが側線の架線から本線の架線へ渡
る状況を示す。

【図12】代表的な架線構造の一例（コンパウンド架線）
を示す。

【００３０】

【符号の説明】

１ すり板 ２ 微動ばね ３ 集電舟体 ４ 主ホーン ５ 復元ばね ６ 復元ばね座 ７A 昇降用シリンダ ７B 収容シリンダ ８ 支持碍子 ９ ヒンジ 10 集電舟 11 集電舟支持部 12 すり板 13 つなぎ枠 14 上枠管 15 下枠管 16 台枠 17 枠組み管 18 斜め管 19 天井管 20 主ホーン 21 前舟 22 後舟 31 パンタグラフ（集電装置） 32 主ホーン 33 本線の架線構造 34 側線の架線構造 35 交叉金具 41 トロリ線 42 ハンガ 43 補助吊架線 44 吊架線 45 ドロッパ 46 支持点

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 トロリ線から電気を車内に取り込む電気
   車の集電装置において、集電舟の形状が楕円体であるこ
   とを特徴とする低空力音型集電装置。
2. 【請求項２】 トロリ線から電気を車内に取り込む電気
   車の集電装置において、集電舟の断面形状が流線形断面
   であることを特徴とする低空力音型集電装置。
3. 【請求項３】 請求項1 、又は、請求項２記載の低空力
   音型集電装置において、集電舟の外周囲をフェアリング
   で覆うことを特徴とする低空力音型集電装置。
4. 【請求項４】 集電舟の支持部の形状として、円形断
   面、又は、楕円形断面の柱状形状を有する請求項１、な
   いし、請求項３のいずれか１項記載の低空力音型集電装
   置。