パンタグラフの摩擦振動発生メカニズムの解明
１．はじめに
架線・パンタグラフ間の摩擦係数が高くなると、しゅう動摩擦に起因するパンタグラフの不安定振動が発生し（図1）、著大アークの発生による列車遅延やトロリ線の荒損等が問題となっています。パンタグラフの不安定振動とは、列車が極低速走行する際に生じる、連続的な大離線を伴うびびり振動です。新幹線に使用する材料の摩擦係数を調べた研究によると、300km/hのしゅう動履歴を作成した後に、低速で走行することで摩擦係数が0.8程度まで増加することが報告されています。
２．摩擦振動を高精度に予測可能なパンタグラフの詳細モデル
舟体の弾性変形や枠組の運動を表現可能なパンタグラフの３次元詳細モデルを構築しました。対象としたパンタグラフは、近年において不安定振動の発生が確認されている新幹線用シングルアームパンタグラフです。モデル構築においては、パンタグラフを枠組部と舟体部に分割し、それぞれの運動を平面内運動でモデル化しました（図2）。そして、全ての部材をはり要素で離散化した上で、接合部において、枠組部と舟体部の鉛直方向変位が一致する条件を課すことで、両者の運動を連成させました。また、舟体部のローリング振動を再現するために、接合部に回転ばねを付加しました。実機の周波数応答関数との比較により、固有振動数の誤差が5Hz以下という高い精度でモデル化が実現できていることを確認しました（図3）。
３．安定性解析手法
得られた詳細モデルに対して、固有値解析を実施することで安定性を解析する手法を提案しました。架線から受ける鉛直方向の接触力をペナルティ法により表現するために、詳細モデルのすり板上面に接触要素を取り付け、クーロン摩擦を仮定することで、接触力に比例した摩擦力を前後方向に与えます。これにより、接触力と摩擦力を、接触剛性と摩擦係数によって表現できるようになります（図4）。 詳細モデルの固有値解析から得られる固有値の実部が、系の減衰の負値を表しますので、1個でも正の固有値実部があれば、不安定振動が発生することがわかります。詳細モデルの安定性解析を行った結果を図5に示します。図中の〇は、青色と赤色がそれぞれ再現試験結果により安定および不安定だった条件に対応しています。詳細モデルの安定性解析結果と再現試験結果を比較すると、高精度に安定／不安定の評価ができていることが分かります。
４．現象解明
詳細モデルの摩擦係数を変化させながら安定性解析を行うと、２つの固有モードの振動数が近づいていき不安定振動が発生します（図6）。このことから、固有モード同士が摩擦力によって連成することで不安定振動が発生することがわかりました。
参考文献
- 坂本真彦，加来洋成，鈴木優太：ED76形式パンタグラフのピッチング対策，R&m，日本鉄道車両機械技術協会，2012.05，pp.55-59
- 根本公紀，久保田喜雄：銅合金トロリ線と鉄系焼結合金すり板の摩擦・摩耗に及ぼすしゅう動速度の影響，第26回鉄道技術連合シンポジウム（J-RAIL2019）講演論文集，No.S7-4-2，2019
- Amano, Y., Kobayashi, S., Yabuno, H., Yamashita, Y. and Mori, H.：Mechanism and suppression of friction-induced vibration in catenary-pantograph system, Nonlinear Dynamics, Vol. 112, pp.14959–14980, 2024. （※）
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