(57)【要約】  【課題】  アクティブ方式のパンタグラフにおいて、アクチュエータに著大な出力が働いたような場合でもトロリ線を保護できる対策を備えたパンタグラフを提供する。  【解決手段】  パンタグラフは、トロリ線に押し当てられる舟体を支持する枠組と、枠組を付勢して舟体を上昇させる主バネと、枠組を回転駆動させて、舟体のトロリ線に対する押上力を制御するアクチュエータ５０と、を具備する。アクチュエータ５０の先端５１は、枠組に接続する連結部材５３の基端が接続するブラケット６０に、ピン６１で回転可能に接続されている。ピン６１の外周面には複数のノッチ６１ａが形成されており、所定の荷重を受けると破断する。アクチュエータ５０の著大な出力が働くとピン６１が破断し、アクチュエータ５０は台枠３に設置された受部５４に落下して、アクチュエータ５０の作動を停止する。これにより、舟体は主バネのみで支持される。【選択図】  図１
2010220335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロリ線（架線）に押し当てられる舟体と、
該舟体を支持する枠組と、
該枠組を付勢して前記舟体を上昇させる主バネと、
前記枠組を回転駆動させて、前記舟体の前記トロリ線に対する押上力を制御するアクチュエータと、
を具備するパンタグラフであって、
前記アクチュエータは、基端がピンにより台枠に回転可能に接続され、先端がピンにより前記枠組に回転可能に接続されており、
前記台枠側ピン及び／又は枠組側ピンが所定の荷重を受けると破断し、前記アクチュエータを前記台枠上に落下させて該アクチュエータの制御力の伝達を断つことにより、前記舟体を前記主バネのみで上昇させて支持することを特徴とするパンタグラフ。
【請求項２】
前記台枠に、前記ピンが破断したときに前記アクチュエータが収容される受部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパンタグラフ。
【請求項３】
前記アクチュエータ受部に、該受部に前記アクチュエータが収容されたことを検知する検知部が設けられており、該検知部で前記アクチュエータが前記受部に収容されたことが検知されると異常を報知することを特徴とする請求項２に記載のパンタグラフ。
【請求項４】
前記トロリ線に作用する応力σが、
前記トロリ線歪が、トロリ線種別によって定まる金属疲労に対する基準値を超えないように前記アクチュエータの押上力を制限することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパンタグラフ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パンタグラフに関し、特には、アクティブ制御方式においてフェールセーフ機構を備えたパンタグラフに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の電気鉄道においては、トロリ線（架線）から車体の屋根に総裁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（架線）に押し当てられる舟体（摺り板含む）、舟体を支持する枠組、枠組に上昇力を与える主バネ等を備えている。
【０００３】
トロリ線と舟体との接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動によって変動する。この接触力の変動が大きすぎると、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。離線が頻発すると、舟体とトロリ線との間にスパークが生じて摺り板の摩耗が進む。また、離線に至らない場合でも、パンタグラフの接触力の変動は極力小さい方がよい。
【０００４】
パンタグラフの接触力の変動を小さくするための方法として、アクティブ制御方式が提案されている。この方式は、トロリ線と摺り板体との接触力を測定し、その測定値が一定となるように摺り板体をアクチュエータで制御するものである。ただし、アクティブ制御の場合、制御のフェール時（センサやコントローラの異常などにより予期しない著大な出力が働いた場合）に、アクチュエータによりパンタグラフが過度に押し上げられるおそれがある。そこで、トロリ線を破壊しないなどの安全性を保障する必要がある。
【０００５】
トロリ線の安全性を保障する対策として、枠組に過大な力が作用したときに、枠組を構成する釣り合い棒の一端を支持するピンを折損させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ピンが折損すると、釣り合い棒の支持点が失われ、枠組みが倒れてパンタグラフが下降する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、アクティブ方式のパンタグラフにおいて、アクチュエータに著大な出力が働いたような場合でもトロリ線を保護できる対策を備えたパンタグラフを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のパンタグラフは、  トロリ線（架線）に押し当てられる舟体と、  該舟体を支持する枠組と、  該枠組を付勢して前記舟体を上昇させる主バネと、  前記枠組を回転駆動させて、前記舟体の前記トロリ線に対する押上力を制御するアクチュエータと、を具備するパンタグラフであって、  前記アクチュエータは、基端がピンにより台枠に回転可能に接続され、先端がピンにより前記枠組に回転可能に接続されており、  前記台枠側ピン及び／又は枠組側ピンが所定の荷重を受けると破断し、前記アクチュエータを前記台枠上に落下させて該アクチュエータの制御力の伝達を断つことにより、前記舟体を前記主バネのみで上昇させて支持することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、アクティブ制御におけるフェール時（センサやコントローラの異常によりアクチュエータに予期しない著大な出力が働いたとき）に、アクチュエータの作動を強制的に停止して、主バネのみで舟体を押し上げる。このため、フェール時においてアクチュエータによる架線の過大な押し上げ等を防止して、架線破壊などの事故を防ぐことができる。
【０００９】
本発明においては、  前記台枠に、前記ピンが破断したときに前記アクチュエータが収容される受部が形成されていることが好ましい。
【００１０】
例えば、枠組側のピンが破断すると、アクチュエータは台枠側のピンを中心にして回動して台枠上の受部に収容され、枠組との接続が遮断されるので、アクチュエータがパンタグラフの昇降動作に関与しなくなる。
【００１１】
前記アクチュエータ受部に、該受部に前記アクチュエータが収容されたことを検知する検知部が設けられており、該検知部で前記アクチュエータが前記受部に収容されたことが検知されると異常を報知することとすれば、アクティブ制御系に異常が生じたことを検知し、報知できる。
【００１２】
本発明においては、  前記トロリ線に作用する応力σが、トロリ線種別によって定まる金属疲労による基準値σｌｉｍｉｔを超えないように前記アクチュエータの押上力を制限する。押上力の限界値Ｆｌｉｍｉｔを定める方法としては、例えば次式を用いる方法がある。
【数１】
2010220335.tif 000003
ここで、Ｚ：トロリ線の断面係数、
ＥＩ：トロリ線の曲げ剛性、
Ｔ：トロリ線の張力、
ｖ：列車の速度、
ｃ：トロリ線の波動伝播速度。
なお、トロリ線種別によって定まる金属疲労に対する基準値σｌｉｍｉｔは、例えば、ＧＴ１１０ｍｍ２のトロリ線の場合、６０ＭＰａである。
【発明の効果】
【００１３】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、アクティブ制御において、センサやコントローラの異常によりアクチュエータに予期しない著大な出力が働いたときに、アクチュエータを支持するピンを破断させて、アクチュエータを台枠上に落下させてアクチュエータの作動を停止させる。そして、舟体を主バネのみで上昇させて支持する。このように、フェール時においてアクチュエータによる架線の過大な押し上げ等を防止して、架線破壊などの事故を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るパンタグラフのアクチュエータ支持部の構造を説明する図であり、図１（Ａ）は側面図、図１（Ｂ）は正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るパンタグラフの全体の機構を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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２を参照しつつ、本実施例に係るパンタグラフの機構について説明する。
パンタグラフ１は、電車の車体屋根２上に碍子４を介して設置された台枠３に搭載されている。このパンタグラフ１は、トロリ線（架線）Ｔに押し当てられる舟体１０と、舟体１０を支持する枠組２０と、枠組２０を付勢して舟体１０を上昇させる主バネ４０と、枠組２０を回転駆動させて、舟体１０のトロリ線Ｔに対する押上力を制御するアクチュエータ５０と、を備えている。
【００１６】
舟体１０は、車体幅方向（左右方向：図２の紙面表裏方向）に沿って延びる箱状体であり、一例でアルミニウム合金等からなる。舟体１０には、微動バネ１１及びダッシュポット１２を介して、摺り板体１３が設けられている。この摺り板体１３は、一例で鉄系や銅系の焼結合金製、あるいは、カーボン系材料等からなる。この摺り板体１３がトロリ線Ｔに直接接触する。なお、舟体１０と摺り板体１３とを合わせて舟体と呼称することもある。
【００１７】
舟体１０の下面には、支持バネ（復元バネ）１６及びダッシュポット１７が設けられている。これらは、枠状の舟支え１５に収容されている。舟体１０は、枠組２０が上昇した後には、ダッシュポット１７で減衰力が付与されつつ、支持バネ１６の弾性力でトロリ線Ｔに押し付けられる。
【００１８】
支持バネ１６には、例えば、光ファイバ式の歪ゲージ１８が取り付けられている。同歪ゲージ１８の出力はコントローラ７０に送られる。コントローラ７０では、歪ゲージ１８によって計測された支持バネ１６の歪から支持バネ１６の変位が求められる。
【００１９】
舟体１０は、枠組２０により昇降可能に支持されている。枠組２０は、この例では４節リンクであり、前後方向（レール長手方向）に延びる上枠２１と下枠２２、舟支え及び舟体を正規の姿勢に保つための舟支えリンク２４、及び、釣り合い棒２５を備えている。上枠２１の上端は舟支え１５の中央部に連結されている。上枠２１の下端側は、くの字状に後方に屈曲した形状となっており、くの字屈曲部Ｐ１には下枠２２の上端が連結されている。舟支えリンク２４の上端は、舟支え１３の下端部に連結されており、下端は、下枠２２の上端からやや下方の部分に連結されている。また、上枠２１の下端には釣り合い棒２５の上端が連結されている。この釣り合い棒２５の下端は、車体屋根２上の取付フランジ２７に連結されている。
【００２０】
下枠２２の下端は、主軸２９に連結されている。この主軸２９は、台枠３上の取付フランジ３１に回動可能に取り付けられている。この主軸２９には、台枠３上に配置された主バネ４０及びダッシュポット４１の一端が連結されている。主バネ４０及びダッシュポット４１の他方の端部は、台枠３上の取付フランジ３３に取り付けられている。主バネ４０は、枠組２０に上昇力を与えるバネである。
【００２１】
さらに、主バネ４０と並行に、制御用アクチュエータ５０が配置されている。アクチュエータ５０としては、エアシリンダを使用できる。制御用アクチュエータ５０の出力端５１は、連結部材５３を介して主軸２９に連結されており、基端５２は取付フランジ３３に連結されている。アクチュエータ５０の連結方法の詳細については後述する。この制御用アクチュエータ５０は、前述の、歪ゲージ１８で計測される支持バネ１６の変位に基づいて、舟体１０・摺り板体１３をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を制御する。
一方、台枠３上には、パンタグラフ１の昇降用アクチュエータ５７が設けられている。この昇降用アクチュエータ５７は、主軸２９から延びるてこ部材５８に当接可能となっている。
【００２２】
アクチュエータ５０の下方の台枠３上には、アクチュエータ５０が落下したときに収容される受部５４が設けられている。詳しくは後述するが、アクチュエータ５０は、出力端５１と連結部材５３とを連結するピンが破断した場合、基端５２を中心にして下方に回動する。受部５４は、その際アクチュエータ５０が左右方向に過度に移動しないようにアクチュエータの両側を支持できるような形状であることが好ましい。この受部５４の上面には、落下するアクチュエータ５０によって作動する検知部５５が設けられている。検知部５５としては、空気溜め５５ａと、空気溜め５５ａの上部に形成された空気抜き弁として作用するスイッチ部５５ｂと、空気溜め５５ａ内の圧力を検知する圧力センサ５６とを有するものを使用できる。圧力センサ５６は屋根２に設置されており、検知部５５と圧力センサ５６とは、碍子４を通る空気配管で接続されている。スイッチ部５５ｂに落下したアクチュエータ５０が当たると、スイッチ部５５ｂが押されて空気溜め５５ａ内の空気が抜け、空圧が低下する。この空圧低下を圧力センサ５６で検知することにより、アクチュエータ５０が落下したことを検知する。圧力センサ５６はコントローラ７０に接続しており、アクチュエータ５０の落下をコントローラ７０で検知できる。
【００２３】
パンタグラフ１の昇降動作について説明する。
主バネ４０の付勢力により下枠２２は主軸２９を支点として図中Ｕ方向に起き上がり、この下枠２２の動きが上枠２１に伝わり、さらに上枠２１が図のＵ方向に起き上がり、舟支え１５が持ち上がる。これにより舟体１０が上昇し、摺り板体１３がトロリ線Ｔに押し当てられる。舟体１０を下降させるには、昇降用アクチュエータ５７によって、てこ部材５８を主軸２９を支点としてＤ方向に回転させる。すると、主軸２９が前述とは逆に回転し、主バネ４０が付勢力に抗して伸びるとともに、下枠２２が図のＤ方向に下がる。そして、上枠２１が図のＤ方向に回転し、パンタグラフ１が下降する。
【００２４】
さらに、アクチュエータ５０は、歪ゲージ１８で計測される支持バネ１６の変位や、舟体１０に取り付けられた加速度計で計測される加速度に基づいて、舟体１０・摺り板体１３をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を制御する。
【００２５】
次に、図１を参照して、制御用アクチュエータ５０の支持方法を説明する。ここでは、アクチュエータがシリンダの例を説明する。
アクチュエータ５０の出力端（シリンダのロッド頭部）５１は、ブラケット６０を介して連結部材５３に連結している。ブラケット６０は下方が開口したコの字状の部材であり、上壁６０ａとその両端から下方に延びる側壁６０ｂとを有する。連結部材５３の下端は、ブラケット６０の上壁６０ａに固定されている。アクチュエータ５０の出力端５１は、ブラケット６０の両側壁６０ｂ間に入り、両側壁６０ｂ間を貫通するピン６１により回動可能に支持されている。ピン６１は、例えばステンレス鋼製である。ピン６１の外周面には、図１（Ｂ）に示すように、複数個のノッチ６１ａが形成されており、ピン６１が破壊されやすくなっている。
【００２６】
このようなパンタグラフにおいては、何らかの影響により制御用アクチュエータ５０が著大な出力を発生すると、すなわち、アクチュエータの出力端５１が所定値以上に突き出ると、ピン６１には著大な荷重がかかる。ピン６１には前述のように複数のノッチ６１ａが形成されて破壊されやすくなっているので、このような著大な荷重がかかると折損する。すると、制御用アクチュエータ５０は枠組側の支持点がなくなり、枠組２０との接続が遮断されて、図１（Ａ）の想像線で示すように、基端５２（台枠側）を中心にして下方に回動する。そして、台枠３上に設置された受部５４に落下して収容される。
【００２７】
制御用アクチュエータ５０と枠組２０との接続が遮断された後、枠組２０は主バネ４０のみの上昇力で支持される状態を保っている。つまり、制御用アクチュエータ５０によるアクティブ制御のみが無効となり、パンタグラフ１は主バネ４０の上昇力でのみ支持される。このため、制御用アクチュエータ５０の異常によるパンタグラフ１の過度な押し上げを防止でき、架線破壊などの事故を防止できる。
【００２８】
アクチュエータ５０が受部５４に落下すると、受部５４に設けた検知部５５で検知され、この出力がコントローラ７０に送られて乗車員に報知される。
【００２９】
なお、この例では、ピン６１を破壊されやすくするためにノッチ６１ａを設けた例を説明したが、他に、ピンを一部空洞化する、ピンの材料を脆弱なものに変更するなどの方法がある。
【００３０】
ピン６１を折損させる荷重は、通常の走行中においてアクチュエータ５０の最大出力時にかかる荷重以上の荷重である。この荷重は、パンタグラフの静押上力、揚力特性や、トロリ線の断面係数や曲げ剛性、張力、列車の走行速度などによって決定される。
一例として、以下のように設定できる。
パンタグラフ静押上力Ｐ０と制御力ＦＣの合計押上力Ｆが定常的に架線に作用していた場合、制御力ＦＣを繰り返し応力によりトロリ線破断が発生しないようにするためのトロリ線種別によって定まるトロリ線応力の基準値を超えないように設定する。このトロリ線歪の基準値は、例えばＧＴ１１０ｍｍ２トロリ線の場合は６０ＭＰａである。
制御力の限界値を定めるためには、前記トロリ線応力とパンタグラフの押上力との関係を与える必要がある。そこで、例えば、パンタグラフの点におけるトロリ線に作用する応力σをトロリ線を弾性支床上梁としてモデル化して表現した次式を用いればよい。
【数２】
2010220335.tif 000004
ここで、Ｚ：トロリ線の断面係数、
ＥＩ：トロリ線の曲げ剛性、
Ｔ：トロリ線の張力、
ｖ：列車の速度、
ｃ：トロリ線の波動伝播速度
である。
【００３１】
この例では、制御用アクチュエータ５０の枠組側の出力端５１に設けたピン６１が破断する場合を説明したが、アクチュエータ５０の基端５２とフランジ３３とを連結するピンを破断させてもよい。さらに、両方のピンを破断させることもできる。
【符号の説明】
【００３２】
１  パンタグラフ                          ２  屋根
３  台枠                                  ４  碍子
１０  舟体                                １１  微動バネ
１２  ダッシュポット                      １３  摺り板体
１５  舟支え                              １６  支持バネ
１７  ダッシュポット                      １８  歪ゲージ
２０  枠組                                ２１  上枠
２２  下枠                                ２４  舟支えリンク
２５  釣り合い棒                          ２７  フランジ
２９  主軸                                ３１  取付フランジ
３３  取付フランジ                        ４０  主バネ
４１  ダッシュポット
５０  アクチュエータ                      ５１  出力端
５２  基端                                ５３  連結部材
５４  受部                                ５５  検知部
５６  センサ
５７  昇降用アクチュエータ                ５８  てこ部材
６０  ブラケット                          ６１  ピン
７０  コントローラ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開２００７−１８９７５４
【図１】
2010220335.tif 000005
【図２】
2010220335.tif 000006