Wabtecは、計算流体力学を使用して、さまざまな条件下で設計と性能を最適化します。
何年経ってもまだ感動的:パンタグラフへの感謝
100年以上経った今でも、パントはイノベーションのホットスポットとして驚かされています
ご家庭では試さないでください。
誰かが最高速度で線路を駆け下る新幹線の窓から腕を突き出すほど愚かだったら、列車の頂上にある別の種類の腕に作用する力を味わうでしょう。トランジットレールの最も奇跡的でありながら知られていないコンポーネントの1つ、パンタグラフに出会ってください。
そして、この汎用性の高い機器は、線路の上にある長い電線から電荷を引き出し、列車に電力を供給するように適切に誘導するという典型的な機能を果たすため、空気力学は直面する課題の1つにすぎません。
バレリーナの精密さと敏捷性と、突進するサイの力強さを兼ね備えたパントは、現代の鉄道機器の中で最も耐久性が高く、ダイナミックで、欠かせない部品の1つです。パンタグラフにはほとんど無限の種類がありますが、これまで以上に軽量で強く、伝導性が高く、応答性が向上したパンタグラフは、鉄道業界のトップエンジニアの想像力をかき立て続けています。
「シングルアーム」の世紀
「ひし形」のパンタグラフの発明は、ジョン・Q・スミスと1903年のサンフランシスコ湾での通勤電車の旅にまでさかのぼりますが、このパンツの完成度は、ワブテックの先駆者であるルイ・ファイヴリーの功績が広く認められています。彼は1920年代初頭に独自の強化されたデザインでダイヤモンドスタイルのパントを改良しただけでなく、最終的にはシングルアームパントの発明によって型を破りました。フェイブリーのステップチェンジ設計は、同じ年の1955年に電動列車の世界速度記録（331 km/h/206 mph）を樹立し、今日まで業界標準となっています。
そして、シングルアームパントの継続的な革新により、記録破りの性能が続きました。ワブテックの新しいパントモデルにより、1990年と2007年にそれぞれ列車の最高速度は時速515km/320マイル、時速574km/356マイルになりました。ワブテックのパンタグラフは、20世紀から21世紀にかけて、材料設計、フットプリントサイズ、ルーフトップインテグレーション、アームリーチ、パワーモードの革新など、スピードの新記録を打ち立てただけでなく、20世紀から21世紀にかけて多くの初の成果を上げました。これにより、パントの種類は150種類を超え、世界中で9万台以上が設置されました。
ニード・フォー・スピード
しかし、スピードに戻りましょう。20世紀初頭のダイヤモンド型のパントは、その時代の架線と同等の剛性と電圧を備えていました。しかし、そのかさばる形状は高速化やカテナリーワイヤーの電圧上昇には不向きでした。Faiveley はこの機会を捉えて、より軽量で、空気力学的性能と導電性に優れ、パンヘッドをワイヤーに常に接触させておくための器用さも備えた、より優れた新しい種類のパンタグラフを開発しました。
皮肉なことに、ワブテックのパンタグラフデザイナーとエンジニアは、最適なパントを追求するために、今日でも同じ課題に取り組んでいます。
「パンタグラフの開発の要点は、主に安定した動的性能の達成、高品質の電流収集の確保、そしてお客様が必要とするパッケージングまたはゲージングの両方を実現することです」と、ワブテックの電力収集エンジニアリングディレクターであるマット・アトキンスは言います。「ダイナミックな性能とは、パントが現実世界の状況（天候、風、速度、電車の跳ね返り、ワイヤーの動きなど）で機能する必要があるということです。現在のコレクションでは、これらと同じ要素に加えて、電気容量と機械工学の懸念事項をまとめて検討してください。最終的には、列車に効果的に動力を供給するためには両方が必要ですが、邪魔になるために可能な限りのことをする多くの制約があり、それを乗り越えることが私たちの仕事です。」
パンタグラフの設計とエンジニアリングの課題を理解するもう1つの方法は、「必需品」の短いリストを検討することです。
- 軽量でなければなりません。
- 丈夫でなければならない。
- 空気力学的でなければならない。
- 2方向 (飛行機とは違って正方向と逆方向!) で動く必要があります。
- 電気を通さなければなりません。
- 摩擦を管理しなければならない。
- 絶え間なく変化するダイナミックな環境でも機能しなければなりません。
- また、電圧、架空線の高さ、電車の種類が異なる世界や、次に来るもの（以下を参照）に合わせて構成できる必要があります。
もちろん、このリストには終わりがありません。そして、ワブテックのパントチームほどこのことをよく知っている人はいませんし、これらのしばしば競合する要求に応えて、会社のパンタグラフポートフォリオの洗練と改善に専念している企業はいません。
パーフェクトパンタグラフの夢
世界中のワブテックのパンタグラフエンジニアは、完璧なパントを開発するというこだわりを共有しています。では、それはどのようなものなのでしょうか？繰り返しになりますが、マット・アトキンスにはいくつかアイデアがあります。
「完璧なパントは超軽量であり、それには本質的に金属化されたカーボンであるパンヘッドの革新が必要だということは誰もが認めると思います。今日では、パンヘッド素材の密度が高ければ高いほど、処理できる電流容量は増えます。しかし、それではスピードの敵である重量が増えます。つまり、非常に軽量で、非常に大電流容量のパンタグラフが最優先です」とアトキンス氏は言います。
「そして、それは話の半分に過ぎません。パンタグラフがお客様のニーズを満たすために文字通り必要な長さについては触れていません。お客様は常にパントの物理的範囲が非常に広く、つまりパントアームがさまざまな距離を巧みに伸ばせること、つまり、カテナリーワイヤーの高さが異なるさまざまな線路で列車を使用できるようにすることを求めています。その好例がインドで、ワブテックはハイリーチパントの市場リーダーです。」
未来のパント
ワブテックは、パントのイノベーションに伴う物理的、材料、電気的、機械的な課題に取り組むとともに、より人間的な変数、つまり政府の規制にも対処しなければなりません。
現在のところ、パンタグラフの世界で最も話題になっているのは、「エアレス」列車というERJUの義務を満たすにはどうすればよいかということです。紙の上では、エアレス列車の展望は素晴らしく見えます。機関車や輸送車両から大型のエアコンプレッサーや配管をなくすことで、列車の軽量化と効率化が図れます。
しかし、パンタグラフの多くは動作に空気を必要とするため、この変化はパンタグラフにとって大きな課題となります。パンヘッドをカテナリーに密着させておくダイナミックでリアルタイムの動きはすべて、通常、パントの空気加圧シリンダーまたはベローズによって可能になります。
その答えは、最終的には全電動パンタグラフ、別名「ePanto」にあるかもしれません。Wabtecはこれを設計し、現在プロトタイピング中で、間もなく検証の準備が整います。課題は多岐にわたります。1）空気駆動システムと同じくらい応答性の高いパントアームを動かすことができる電動アクチュエータ、2）列車の安全性を高める現在のシステムと同じ1秒未満の応答速度でパントをシャットダウンできる電動オートドロップシステムの導入などです。さらに、パンタグラフのコンポーネントレベルの動作電圧と架空線の集電電圧の間には、解決すべき電気絶縁の問題があります。
ワブテックのパワーコレクション・パンタグラフ製品開発ドメインリーダーであるフィリップ・ジェフロイは、「ePantosは、自動車メーカーが製造したり顧客が保守したりするのに高価な機器を大量に用意する必要がなくなるという点で、ワブテックや業界全体にとってゲームチェンジャーとなる可能性があります。「しかし、それらには大きな革新が必要であり、ワブテックが決して避けてこなかった課題です。
「パンタグラフ・イノベーションの現在のフロンティアを評価するにあたり、フェアリーが成し遂げたことと、彼がこの会社のために設定した成功の道を振り返らずにはいられません。彼のパンタグラフデザインにおける最初の大きな革新から100年以上経った今でも、私たちは彼と同じ物理的な力や電気機械の現実と戦っていることに驚いています。そして、彼のように、私たちの勤勉さと創造性は、お客様、会社、業界に目に見える進歩をもたらしています。」