列車のパンタグラフとトロリー線が接触する部分は、鉄道部品メーカーや試験エンジニアにとって、最も複雑で、予測や改善はもちろん理解するのが困難な環境のひとつを生み出します。
列車が効率よく運行するためには、パンタグラフがカテナリーシステムから吊り下げられたトロリー線に常に接触していなければなりません。しかし、これらのワイヤーとその支持構造は、任意の断面において異なる垂直方向の剛性を示します。カテナリーシステムは、溝ができないように 30〜100 メートル間隔でジグザグになっています。パンタグラフがワイヤーにかける力は、決められた範囲内（70N～120N）でなければなりません。この値が低すぎると、接触不良でアークが発生し、列車が停電するだけでなく、トロリー線や接触棒がエッチングや過熱によって損傷します。力が強すぎると、摩擦によってワイヤーや接触棒が早く摩耗してしまいます。
適正な力を発揮するためには、垂直方向の動きを変化させる必要があります。しかし、列車がより高速で移動すると、パンタグラフは適切な反応ができなくなります。トロリー線をできるだけ平らにしても、それはそのままぶら下がっているときだけ平らです。パンタグラフがワイヤーを持ち上げると、その変形により波が発生します。持ち上げ過ぎると、パンタグラフの波形がずっと大きくなり、次のパンタグラフの接触不良の原因になります。
これらの問題を解決することは、急成長する世界の高速鉄道業界にとって非常に重要です。しかし、鉄道車両の高速化に伴い、現在のパンタグラフ技術ではスピードとサービスの質が危険にさらされます。最悪の場合、摩耗したトロリー線 1 本に亀裂が入って断線し、技術者がダメージを受けた線を交換するための費用と時間のかかる作業プロセスを完了する間に、何千回もの運行がキャンセルされたり、ルート変更したりする障害が発生する可能性があります。
複雑な相互作用の再現
試験の観点から、複雑かつ動的なパンタグラフの動作環境をいかにラボで再現するかが最大の課題です。パンタグラフは現在、最大 350 kph (220 mph) のスピードで走行していますが、開発が進むにつれ、その上限はさらに高くなっています。また、パンタグラフには、非常に小さな接触面積で数百トンの鉄道車両を最高速度まで加速させるだけの電力を運んでいます。そして、私たちが実演したように、物理的な構成部品は、縦方向の動きが大きく、圧力の度合いが異なるスライド環境で相互に作用します。
従来のパンタグラフ研究では、直径 1〜2 メートルの回転ディスクにトロリー線を取り付けて、基本的なスピン/スライド試験を行っていました。試料は、カーボンやその他の接触材をパンタグラフシューに似せて作ったものです。回転しているワイヤーに試料を押し当て、前後にスライドさせます。これらの試験は、さまざまな材料の摩耗効果を特徴づけるためには役立ちますが、実際に使用されているシステムで発生する接触力学を再現するものではありません。
MTS Systems Corp. が開発した新システムは、パンタグラフの環境をより完全にシミュレーションすることができます。これにより、メーカーや試験エンジニアは、パンタグラフやトロリー線の動的要素をより正確かつ精密に研究することができます。これは、試験グループがオフライン比率（接触が減少する時間）、接触の抵抗、力率、アーク放電の時間と強度、および接触棒の温度を測定するために設計されています。また、試験グループはワイヤーや接触棒の摩耗や形状変化をリアルタイムで測定することができます。
これらの測定を可能にすることで、高速鉄道用の新しいパンタグラフの設計がどのように機能するかについて、より良好な把握を得るためにシステムを使用することができます。試験エンジニアは、接触損失とその関連効果、接触抵抗とアーク放電時間、アークと接触棒の温度、トロリー線と接触棒の摩耗効果などを効果的に研究することができます。最終的に、この試験データは、メーカーがパッシブまたはアクティブなパンタグラフサスペンションシステムを開発する際に役立ちます。このシステムにより、トロリー線の動きの動的追跡が可能になり、接触システムの摩耗を最小限に抑えながら、より良い接触が得られます。
試験システムの機能
この新しいシステムは、世界中の鉄道車両が経験する様々な運転条件におけるパンタグラフとカテナリーシステムの動的要素を忠実に再現することができます。
最大 550 kph の速度で回転する直径 4m の回転ディスクの下端にトロリー線を取り付け、列車の速度をシミュレートします。このディスクは、可変速度をシミュレートするようにプログラムされ、実際の列車速度の時刻歴を再現することができます。トロリー線の垂直変位または剛性をシミュレートするために、ディスクはトロリー線の垂直変位の時刻歴を再生したり、剛性の時刻歴をシミュレートしたりするようにプログラムされたモーションキャリッジに取り付けられています。また、キャリッジがジグザグに動くことで、トラック上のトロリー線の動きをシミュレートしています。完全なパンタグラフは、レールを走るときの鉄道車両の上下の動きをシミュレートする振動台に取り付けられます。シミュレーションを完了させるには、システムが最大で 2,000 アンペアの電流を接触点上に流すことができます。高速気流を接触部に当てて冷却し、ワイヤーの下を通過するパンタグラフをシミュレートします。ワイヤーのジグザグな動きに追従する計装キャリッジにより、接触棒とトロリー線のリアルタイムなモニタリングを実現します。
この試験システムは、個々のコンポーネントのプログラム可能性により、実際のパンタグラフとトロリー線の相互作用をより現実的にシミュレーションすることができます。複数の試験モードにより、試験エンジニアは実際の時刻歴を再生したり、以下のような使用可能なすべての試験チャネルを変化させたりすることができます。ワイヤーの垂直変位、ワイヤーの水平（ジグザグ）変位、ワイヤーの速度、パンタグラフの垂直運動、パンタグラフの昇降、電流の流れ、冷却風。また、このシステムは再現性の高い試験シナリオを提供することができ、試験対象品の設計のわずかな違いを詳細に測定することができます。これらの測定により、実際の使用環境で構成部品がどのように機能するかについて、より自信を持ってエンジニアリング上の決定や設計変更を行うことができます。
パラメトリック試験では、さまざまなパラメータを変更しながら、ディスクを繰り返し動かします。例えば、ディスクが一定の垂直位置を維持するようにプログラムした後、徐々に大きな変位を導入して、接触性能への影響を詳細に調べることができます。合成データの再生では、デジタルモデルに基づいてトロリー線の変位履歴を予測し、高度な信号処理ソフトウェア (MTS Remote Parameter Control (RPC) 等) を使用して目的のディスク移動履歴を実現します。
最後に、実際の時刻歴再生では、トロリーワイヤーの変位を軌道上で測定し、ソフトウェアを使用してワイヤーの動きの時刻歴を再現します。再生のタイムベースの変更による違う列車速度のシミュレーションや、実際の操作の短い部分を接続や反復による希望の総距離のドライブファイルの作成ができます。
モニタリングおよび計測
この試験システムでテストエンジニアの能力が向上する理由のひとつは「実世界」測定がほぼ不可能な多くの要素を標準化された再現可能な方法で測定できる点です。
このために、システムには広範な試験モニタリング装置が搭載されています。これには、コンタクトバーの負荷測定、接触荷重、抗力負荷などがあります。各コンタクトバーの両端で垂直方向の加速度を測定することで、鉄道車両やコンタクトワイヤーの外乱に反応するコンタクトバーの動的な動きをモニタリングできます。温度は、コンタクトバーの背面に取り付けられたトランスデューサと録画機能付きの赤外線カメラでモニタリングされます。レーザースキャナは、摩耗調査のためにワイヤーとコンタクトバーのプロファイルを記録します。ワイヤーの移動距離は自動的に記録されます。電流と電圧は接点の入力側と出力側の両方で測定され、抵抗値、力率、オフライン時間なども詳細にモニタリングできます。アーク放電の時間と強度を光学的にモニタリングされます。すべてのデータは時間的に同期しているので、特定の事例や稼働状況を詳細に調べることができます。
装置のモニタリングチャネルも充実しています。チャネルには、メインシャフトのベアリング (垂直・水平方向の加速度と温度) やアクチュエータの負荷と変位、自動潤滑システムの動作、パンタグラフの昇/降状態、油圧機器、駆動モータが含まれます。警告やシャットダウンのレベルを含めたモニタ制限は任意のデータチャネルで設定できるため、テストエンジニアはシステムの動作を正確に制御できます。このリミットディテクタと制御・モニタリングシステムを組み合わせることで、オペレータが機械を常時モニタリングしなくても、自動試験が可能になります。
これらの機能は、パンタグラフや列車メーカーにとって大きな違いをもたらします。例えば、走行中のパンタグラフの接触力学に関する多くのパラメータを測定することは、試験チームにとって現実的な提案となっています。これまでは再現性が低く制御も限られていたため、解決が非常に難しく現実的ではない問題でした。現在では正確なシミュレーションによって価値のある洞察が得られます。例えば、試験グループは運用コストに直接影響する力率や損失をより正確に計算できます。
このシステムは、世界中の鉄道試験チームの研究方法を変える次世代型パンタグラフ試験技術の一部です。列車速度の向上、鉄道路線のリージョン拡大、利用者の世界的増加に伴い、市場の課題は厳しくなっています。メーカーは、この試験システムやラボでのパンタグラフやカテナリ架線の複雑な動きを現実的にシミュレーションできる他の試験システムを使うことで、これらの課題に対処できます。使用環境におけるパンタグラフの応答をより正確かつ詳細に把握することで、製品設計者は効率性、信頼性、性能に優れたパンタグラフを開発するために必要な知見を得ることができます。
