JP4641897B2 - アーム式パンタグラフの頂点カバー - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の屋根に搭載されるシングルアームパンタグラフ等のアーム式パンタグラフの技術に関し、作用高さの違いによって、パンタグラフに発生する揚力の大きさが変動するのを抑制するための手段を提供する。

鉄道車両の集電装置として、従来最も広く使用されている菱形パンタグラフのほかに、側面視するとほぼ「く」字形を成すシングルアームパンタグラフの採用が進んでいる。一般的なシングルアームパンタグラフのリンク構造を概略的に説明すると、く字形を成しヒンジで連結された上枠及び下枠と、上枠及び下枠を折り畳み又は展開したときに上枠の上端部に配置した集電舟を垂直に上下動させるための釣合棒と、集電舟の姿勢を高さ位置にかかわらず水平に保つための平行棒とから成っている。

ところで、シングルアームパンタグラフを新幹線等の高速車両に搭載する場合、各リンクが露出していると大きい空力音が発生し騒音の原因となるので、何らかの対策が講じられる。そのため図６に示すように、シングルアームパンタグラフＱにおいて、上枠１及び下枠２をいずれもパイプ状とし、上枠１の内部に平行棒を内装すると共に下枠２の内部に釣合棒を内装し、実質的に外部露出するのが上枠１及び下枠２のみとする構成を採用することにより、走行時に発生する空力音の抑制を図っている。また、上枠１と下枠２とが接合されるヒンジ部分にカバー３を装着して、この部分から発生する騒音を減少させる。以上の騒音対策は、特許文献１に記載されている。

さらに騒音を低減化するため、パンタグラフの台枠５を低騒音の形態としたり、集電舟４を支える舟体支えの外面を頂点カバー６等で覆う工夫も採用されている。図７に示すように、集電舟４の底面を支持する舟体支え７は、一方のヒンジ７ａに上枠１の上端部１ａが連結され、他方のヒンジ７ｂに上枠１に内装した平行棒８の一端がリンク棒９を介して連結されている。頂点カバー６は、上記舟体支え７の両側面と反なびき方向の前面側とを覆っている。また舟体支え７のなびき方向の前面側は、上枠上端部１ａによって覆う構造となっている。
特許第２７３７０７２号公報

前記従来のシングルアームパンタグラフＱにあっては、空力音の問題以外に、なびき方向へ走行したとき、パンタグラフの作用高さによって集電舟４に作用する揚力が変動するという問題が有った。すなわち、架線の高さ変動に従って集電舟も上下に昇降するが、図８（Ａ）に示すパンタグラフＱの作用高さ（Ｌ）が低いときより、同図（Ｂ）に示す作用高さ（Ｈ）が高いときの方が、集電舟４に作用する揚力が大きくなるという現象である。その理由は次のように推測される。空力音低減化のため、舟体支え７のなびき方向前面側は、上枠上端部１ａで覆われている。従来、この上枠上端部１ａは平坦な形状であり、そのため、図８に示すように、なびき方向へ走行する時には、上枠上端部１ａと集電舟４下面とで囲まれた領域に空気が滞留して、空気塊Ｘ，Ｙが形成された状態となる。この空気塊Ｘ，Ｙは、集電舟４に対し上向きの圧力を及ぼす。そして、図８（Ａ）に示す作用高さ（Ｌ）が低いときと、同図（Ｂ）に示す作用高さ（Ｈ）が高いときとでは、上枠上端部１ａと集電舟４下面との成す角度が異なるので、上記空気塊Ｘ，Ｙの体積に差異が生じる。その結果、集電舟４に作用する圧力に差異が生じ、作用高さ（Ｌ）が低いときよりも作用高さ（Ｈ）が高いときのほうが、見かけの揚力が大きくなると考えられる。パンタグラフの作用高さによって集電舟４に働く揚力が大きく変動すると、集電舟４と架線との接触状態が不安定になり、集電性能が低下する等、様々な問題を引き起こす。

本発明が、鉄道車両に搭載されるシングルアームパンタグラフ等のアーム式パンタグラフにおける作用高さの違いに基づく揚力変動を抑制するために採用した手段の特徴とするところは、上枠の上端部と、集電舟を支持する舟体支えとの接続部を覆う頂点カバーであって、なびき方向の前面側を覆うなびき面部と反なびき方向の前面側を覆う反なびき面部とを有し、前記なびき面部における上面の少なくとも主要部が上向きに凸の湾曲面に形成されていることにある。

前記頂点カバーにおいて、前記なびき面部における稜線に相当する部位を、外向きに凸の湾曲面に形成することが望ましい。また、前記なびき面部の上面に形成した湾曲面の最大高さ位置は、集電舟の下面の高さ位置を超えないように設定することが望ましい。

本発明に係る頂点カバーは、なびき面部における上面の少なくとも主要部が上向きに凸の湾曲面に形成されているので、これをアーム式パンタグラフにおける上枠の上端部と集電舟を支持する舟体支えとの接続部に装着することにより、なびき方向走行時に、上枠上端部と集電舟下面とで囲まれた領域の空気の流れを円滑にして、空気が滞留するの防止する。また空気塊が形成されたとしても、その体積が小さくなると共に、作用高さの違いで生じる体積の差異が抑制されるから、揚力の変動量を低減させることができる。

なお、前記なびき面部における稜線に相当する部位を外向きに凸の湾曲面に形成することにより、空気の流れをより円滑にして、揚力変動を一層抑制することができる。

また、前記なびき面部の上面に形成した湾曲面の最大高さ位置を、集電舟の下面の高さ位置を超えないように設定することにより、集電舟回りの空気の流れが、頂点カバーで乱されることがなくなる。

図１に、シングルアームパンタグラフＰに装着した本発明に係る頂点カバー１０の一例を示す。頂点カバー１０は、シングルアームパンタグラフＰにおける上枠１の上端部と集電舟４の下面を支持する舟体支えとの接続部を覆うものであって、なびき方向の前面側を覆うなびき面部１０Ａと、反なびき方向の前面側（なびき方向の背面側）を覆う反なびき面部１０Ｂとを合体させて構成される。材質は、ＦＲＰ・プラスチック・金属等が考えられるが、製作性・コスト・強度・重量等を考慮すると、ＦＲＰが最適である。

なびき面部１０Ａは、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す如く、上面部１１、正面部１２ａ、及び側面部１３ａから構成され、底面側及び背面側は開放されている。反なびき面部１０Ｂは、図２（Ｄ）〜（Ｆ）に示す如く、正面部１２ｂ、側面部１３ｂ、底面部１４及び背面部１５から構成され、上面側のほぼ全域が開放されている。

上記なびき面部１０Ａと反なびき面部１０Ｂとを合体させ、シングルアームパンタグラフの上枠上端部へボルト等で固定することにより、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示す如き本発明に係る頂点カバー１０が構成される。なお図中に符号１７で示すのは、上記ボルトを挿通させるための貫通孔である。当該頂点カバー１０の形態を説明すれば、正面１２及び側面１３は、なびき面部１０Ａ及び反なびき面部１０Ｂそれぞれの正面部１２ａ，１２ｂ及び側面部１３ａ，１３ｂの合体により、ほぼ平面に形成される。正面１２には、なびき面部１０Ａ及び反なびき面部１０Ｂそれぞれに形成した半円形の切欠２０ａ及び２０ｂの合体により、シングルアームパンタグラフの上枠１を挿通させるための開口部２０が形成されている。ところで図示する例では、なびき面部１０Ａと反なびき面部１０Ｂとの分割境界を、正面１２のほぼ中央高さ位置から、ほぼ水平に長さの３分の１程度の位置まで進み、さらに上面部１１の後端に達するように設定したが、これに限定されるものではない。

上面には、なびき面部１０Ａの上面部１１により形成される上向きに凸の湾曲面と、なびき面部１０Ａの上縁と反なびき面部１０Ｂの上縁とで囲まれた開口部１６（図３（Ｃ）参照）とが設けられる。当該開口部１６は、集電舟の下面を支える舟体支えを挿通させるためのものである。上記湾曲面の形態は、なびき方向に沿う断面及びなびき方向に垂直な断面が共に上向きの凸曲線を描くように形成され、具体的には、なびき方向に沿う断面及びなびき方向に垂直な断面の曲率半径がいずれも、当該上面部１１の前後方向（なびき方向に同じ）の長さ寸法とほぼ同じ程度に設定される（例えば、上面部１１の前後方向の長さ１６０ｍｍに対し曲率半径を１５０ｍｍとする）。但し、曲率は必ずしも一定でなくてもよい。なお、頂点カバー１０を上枠１に装着したときに、湾曲面の最大高さ位置が、集電舟の下面の高さ位置を超えないように設定することが望ましい。

ところで前記湾曲面の形態は、本例の如く、なびき方向に沿う断面及びなびき方向に垂直な断面が共に上向きの凸曲線を描くよう形成するのが望ましいが、いずれか一方向の断面形状が上向きに凸となる湾曲面としても、相応の効果を発揮させることが可能である。また、上面部１１の全体を湾曲面とするのでなく、主要部のみを湾曲面とする態様も可能である。ここで主要部とは、上面部１１の少なくとも５０％以上の領域であり、残りの領域は平面としてもよい。また一部を湾曲面とする場合、集電舟４に近い領域を湾曲面とすることが望ましい。

底面は、反なびき面部１０Ｂの底面部１４により、ほぼ平面に形成され、背面は、反なびき面部１０Ｂの背面部１５により、後方へ突出する部分球面状に形成されている。かかる背面形状は、反なびき方向へ走行したときの空気抵抗を減少させる機能を有する。さらに、上面１２及び側面１３における正面部１２の近傍（図３（Ｃ）（Ｄ）のα領域）は、円錐台の側面の一部を成す如き形態に形成されている。なお、当該頂点カバー１０における外表面の稜線部に相当する部分（例えば、表面１２と、上面部１１，側面１３又は底面部１４とが交差する部位）は、曲率半径の小さい（例えば２〜６ｍｍ）湾曲面に形成し、原則として２平面が交差して成る直線部を持たないようにしてある。

かかる形態の頂点カバー１０を、図３（Ｅ）に示す如く、シングルアームパンタグラフに装着すると、上枠１の上端部１ａ及び舟体支え（図示せず）のなびき方向前面側が、湾曲部１１で覆われることになる。このため、なびき方向へ走行したときに、集電舟４（図１参照）の下側を通過する空気流は湾曲部１１によって左右にかき分けられるので、空気が集電舟の下部によどむことがなく、空気塊が生成したとしても、その体積は従来よりもはるかに縮小される。従って、パンタグラフの作用高さが違っても、集電舟が空気塊から受ける圧力の差異が皆無又はきわめて少なくなるので、パンタグラフの作用高さの違いによる揚力変動を抑制することができる。

本発明に係る頂点カバーの効果を次のような風洞実験により確認した。実験は、風洞内に設置したシングルアームパンタグラフに、本発明に係る頂点カバー（図２，３に示すもの）を装着した場合、及び、従来の頂点カバー（図７に示すもの）を装着した場合について、作用高さを４８００ｍｍ，５０００ｍｍ及び５２００ｍｍに固定し、そのときの風速（２２０・２７０・３００・３５０ｋｍ／時）と発生する揚力との関係を調べたものである。揚力の測定は、頂点カバーの側面に連結したワイヤーを垂直下方へ張設し、当該ワイヤーの下端にロードセルを接続して行った。実験結果を図４に示す。

図４の（Ａ）は本発明に係る頂点カバーを装着した場合、（Ｂ）は従来の頂点カバーを装着した場合の揚力値測定結果を示すグラフである。また図５は、本発明及び従来品それぞれについて、作用高さが最大（５２００ｍｍ）のときと最低（４８００ｍｍ）のときの揚力値の較差（グラフ上下方向の差）を示すグラフである。これらのグラフから明らかな如く、本発明を採用することにより揚力の変動量が縮小される。具体的な数値で示せば、２２０ｋｍ／時で５４％（約９Ｎ減）、２７０ｋｍ／時で５６％（約１３Ｎ減）、３００ｋｍ／時で５５％（約１５Ｎ減）、３５０ｋｍ／時で７１％（約１２Ｎ減）に揚力変動量が縮小されている。

本発明は、シングルアームパンタグラフ以外のアーム式パンタグラフにも適用が可能である。

本発明に係る頂点カバーを装着したシングルアームパンタグラフを示すものであって、図（Ａ）は集電舟部分の斜視図、図（Ｂ）は頂点カバー部分の斜視図である。 本発明に係る頂点カバーを構成するなびき面部と反なびき面部とを示すものであって、図（Ａ）はなびき面部の正面図、図（Ｂ）はなびき面部の側面図、図（Ｃ）はなびき面部の平面図、図（Ｄ）は反なびき面部の正面図、図（Ｅ）は反なびき面部の側面図、図（Ｆ）は反なびき面部の平面図である。 本発明に係る頂点カバーを示すものであって、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は背面図、図（Ｃ）は平面図、図（Ｄ）は側面図、図（Ｅ）は側面断面図である。 シングルアームパンタグラフの作用高さの違いによる揚力値の変動を測定した実験結果を示すグラフであって、図（Ａ）は本発明に係るもの、図（Ｂ）は従来品に係るものである。 シングルアームパンタグラフの作用高さ位置が最大時の揚力値と最小時の揚力値の変動量を示すグラフである。 従来のシングルアームパンタグラフを示す斜視図である。 従来の頂点カバーを示すものであって、図（Ａ）は装着時の状態を示す側面図、図（Ｂ）は取り外した状態の側面図である。 従来のシングルアームパンタグラフにおける問題点を説明するためものであって、図（Ａ）は作用高さ位置が低い状態の側面図、図（Ｂ）は作用高さ位置が高い状態の側面図である。

符号の説明

Ｐ…シングルアームパンタグラフ １…上枠 １ａ…上枠の上端部 ４…集電舟 １０…頂点カバー １０Ａ…なびき面部 １０Ｂ…反なびき面部 １１…上面部 １２…正面 １３…側面 １４…底面部 １５…背面部

Claims (3)

1. 鉄道車両に搭載されるアーム式パンタグラフにおける上枠の上端部と、集電舟を支持する舟体支えとの接続部を覆う頂点カバーであって、なびき方向の前面側を覆うなびき面部と反なびき方向の前面側を覆う反なびき面部とを有し、前記なびき面部における上面の少なくとも主要部が上向きに凸の湾曲面に形成されていることを特徴とするアーム式パンタグラフの頂点カバー。
2. 前記なびき面部における稜線に相当する部位が、外向きに凸の湾曲面に形成されている請求項１に記載するアーム式パンタグラフの頂点カバー。
3. 前記なびき面部の上面に形成した湾曲面の最大高さ位置が、集電舟の下面の高さ位置を超えないように設定されている請求項１に記載するアーム式パンタグラフの頂点カバー。