JP2007282436A - すり板及びパンタグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】カーボン系材料からなるすり板であって、これに直接雌ネジを切ることなく、パンタグラフの舟体下からボルトで取り付けることが可能なすり板を得る。
【解決の手段】すり板１０は、内側に雌ネジが切られている筒状の金属管１１、１２が嵌合固定されている貫通穴を端部付近にそれぞれ１つずつ有するカーボン系材料部材１３と、カーボン系材料部材１３底面側に装着された金属製のサヤ１４とを有し、サヤ１４には、カーボン系材料部材１３の貫通穴の底面側開口部と同位置に配設されるような孔が形成され、パンタグラフの舟体１５にもサヤ１４と同位置に同様の孔が形成されており、すり板１０の底面側からサヤ１４及び舟体１５の各孔にボルト１６、１７をそれぞれ挿通し、金属管１１、１２に締結することによって、サヤ１４をカーボン系材料部材１３に固定するとともに、すり板１０を舟体１５に固定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボン系材料からなるすり板、及び、これを用いたパンタグラフに関する。

カーボンすり板においても、従来の金属合金系すり板と同様にそのまま使用されることを目的とした提案がいくつかある。しかし、Ｃ／Ｃコンポジット材料を除くカーボン系材料からなるすり板は衝撃等により割れ、カケが生じやすい脆性材料である。よって、すり板をパンタグラフにおける舟体に直接ボルトで固定するには安全性にやや問題があるので、サヤと呼ばれる表面にメッキを施した金属（鋼）板ですり板底部を挟み込み、このサヤを介して舟体にボルトで固定する方法が採用されていることが多い。この舟体へのすり板取り付け方法は、カーボン系材料からなるすり板への装着方法のうち標準的なものである。

上述のように、サヤを用いず、ボルトを舟体下から挿入し、舟体を介して直接すり板を固定する方法としては、下記特許文献１、２に開示されているような方法がある。特許文献１には、炭素粉と良導電性の金属粉とを混合して加圧成形し、その成形体を金属が溶出しない範囲の高温で焼結した炭素系集電摺動材料において、金属粉の配合割合を重量比にて５０〜７０％に設定すると共に、得られた焼結体の見掛比重が３．０ｇ／ｃｍ^３以上、衝撃値が３．３ｋｇｆ・ｃｍ／ｃｍ^２以上よりなるものとし、その焼結体にパンタグラフ舟体との締結用ネジ穴を直接穿設したことを特徴とする炭素系集電摺動材料が開示されており、この材料をサヤを用いず、ボルトを舟体下から挿入し、舟体を介して直接すり板を固定する方法が開示されている。特許文献２には、パンタグラフのすり板およびその取り付け方法」では少なくとも一端部及び他端部の底面に雌ネジが形成されたパンタグラフのカーボンすり板にボルトの締め付けにより、サヤを必要とせず、パンタグラフの舟体に取り付けるようにされていることを特徴とするパンタグラフのすり板が開示されている。

また、サヤを介して舟体にボルトで固定する方法としては、下記特許文献３に開示されているような方法がある。

また、サヤではないが、補助板を介して舟体にボルトで固定する方法としては、下記特許文献４に開示されているような方法がある。具体的には、焼結体の底面に長手方向のほぼ全長に及ぶ溝を中央付近に形成し、溝に嵌合する突条を有する金属製の底板を嵌め合わせて補強し、かつ貫通して焼結体の中に達するボルト孔を形成して、このボルト孔に螺入したボルトによって該焼結体を支持部材に取り付け得るようにすることを特徴とする摺動集電子の構成方法等が提案されている。

特許２００１−１１４７９号公報 特許２００２−４４８０３号公報 特許２０００−３５０３０３号公報 特許２００２−８４６０２号公報

しかしながら、特許文献１〜４に開示されているボルトを舟体下から挿入し、舟体を介してすり板を直接またはサヤを介して固定するこれらの方法には、以下の共通する問題点がある。すなわち、脆性材料であるカーボン系すり板に直接タップを用いて雌ネジを切るという操作は、いくらネジブッシュのような金属でネジと接触する部分を補強したとしても、またｎ数を増やした強度試験データを積み重ねたところで、数多くの振動を受けるパンタグラフに装着した際、金属材料のように「全く割れなく、安全である」とは言い難く、むしろタップの切れ味によってはすり板摺動面近傍（内部）にエッジが存在してしまうと考えられ、振動や衝撃などにより大きな割れに進展する可能性があると考えられる。

また、これらすり板にタップなどを用いて雌ネジを切るという作業や、その雌ネジの上からネジブシュを挿入する作業は、特に脆性材料であるカーボン系すり板では小さな衝撃でチッピングなど小さなカケを生じやすいこと（特にネジ入り口付近）、金属に比べ切れが悪く、超鋼などを用いたとしてもタップの交換頻度が金属より高いこと、また、切れ味が悪くなると垂直にネジをたて難くなり不良となること、雌ネジの検査でも同様に慎重な作業が要求されることなど、手間及び時間のかかる複雑な作業である。

そこで、本発明は、脆弱性の高いカーボン系材料からなるすり板であっても、これに直接雌ネジを切ることなく、パンタグラフの舟体下からボルトで取り付けることが可能なすり板を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段及び効果

本発明は、カーボン系材料からなり、底面とこの底面に対向する摺動面とを有する長方体状のすり板であって、前記底面から前記摺動面方向へ形成されている穴と、内側に雌ネジ部を有しており、前記穴に嵌合固定されている金属管とを備えている。前記穴は、貫通しているものでも、未貫通のものであってもよい。

上記構成により、すり板を構成する脆弱性の高いカーボン系材料に直接雌ネジを切らないので、欠けるなどの品質低下がなく、また、雌ネジの役割を加工しやすい金属管が果たすので、パンタグラフの舟体などの目的物の下からボルトで容易に取り付けることが可能なすり板を提供できる。また、すり板底面を平面にでき、摩耗限界付近であっても機械的強度を確保できるので、すり板を薄型軽量化できる。さらに、すり板を薄型軽量化できたことで、本発明のすり板がパンタグラフに取り付けられた際、すり板とトロリー線とが離線しにくくなるので、離線アークを低減できる。これらの効果から、例えば、本発明のすり板がパンタグラフに取り付けられた際、振動に強いものとできる。

本発明のすり板においては、前記金属管の外周部が、平滑な曲面形状の他、段形状、ローレット形状、テーパー形状、外形から内径側にかけて切り欠いた形状のうち、いずれか１つの形状又は２つ以上組合せた形状に加工されていることが好ましい。

上記構成により、前記穴と金属管外周部に塗布する接着剤との結合力を高めるとともに、ボルト締結時にトルクがかかった状態で金属管が空転することを防止することができる。

本発明のすり板においては、前記金属管が、外周部に塗布されたエポキシ系、シアノアクリレート系、フェノール樹脂系接着剤のいずれか１つによって、前記穴に接着固定されていることが好ましい。

上記構成により、確実に金属管を穴に固定できるので、例えば、パンタグラフの舟体下からボルトで取り付けた際の固定安定度を向上することができ、振動に強いものとできる。

本発明のすり板においては、前記カーボン系材料が、カーボン材料に銅系金属を含浸してなる銅含浸型カーボン材料、又は、カーボン粉末と銅粉末とを混合した後、成形、焼成した混合焼結型カーボン材料であることが好ましい。

上記構成により、優れた耐摩耗性を有するすり板を提供できる。その結果として、例えば、本発明のすり板を、カケ、割れの問題なくしてパンタグラフの舟体に取り付けることができるだけでなく、厚みを薄くできるため、従来の金属合金系すり板に使用されている舟体を改造することなく、そのまま使用することができる。

本発明のすり板においては、孔が形成されているとともに、前記孔が前記穴の開口部と同位置に配設されるように前記底面側に装着された金属製サヤを備えていることに特徴がある。

上記構成により、金属製サヤを介して、パンタグラフの舟体などの目的物に取り付けることができるので、脆性材料のカーボン系すり板においても、安全に且つ従来使用実績のあるすり板のすり板厚みを薄くして取り付けることができる他、ボルトで取り付けた際などにすり板本体を傷付けることがない。

本発明のすり板においては、前記底面と前記金属製サヤとの接触面に導電性接着剤が塗布されていることが好ましい。

上記構成により、すり板と金属製サヤとの導電性を確保しながら、金属製サヤとともにすり板を保護することができる。

本発明のすり板においては、前記穴の底面側に、前記接着剤の逃げしろ部を形成していることが好ましい。

上記構成により、金属管を接着する際に余分な接着剤が穴から底面側に出てきた場合に、この接着剤が底面に付着しにくくなるので、平滑な平面を有する底面を保持しやすいものとできる。

本発明のパンタグラフは、ボルトを挿通できる孔を有する舟体を備えているものであって、上述の金属製サヤが装着されているすり板と前記舟体とが、前記舟体の孔に挿通されたボルト及び前記金属管によって締結固定されているものである。

上記構成により、振動に強いパンタグラフを提供できる。

＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態に係るすり板について説明する。図１においては、（ａ）が本発明の第１実施形態に係るすり板と、パンタグラフの舟体とを示す上視図、（ｂ）が（ａ）の（ｂ）−（ｂ）矢視断面図、（ｃ）が（ａ）の（ｃ）−（ｃ）矢視断面図である。なお、（ａ）においては、上視図であるため、すり板によってパンタグラフの舟体は見えない状態（隠れた状態）となっている。

本実施形態に係るすり板１０は、内側に雌ネジ（図示せず）が切られている筒状の金属管１１、１２が嵌合固定されている貫通穴を端部付近にそれぞれ１つずつ有する略長方体状のカーボン系材料部材１３と、カーボン系材料部材１３底面側に装着された金属製のサヤ１４とを有している。サヤ１４には、カーボン系材料部材１３の貫通穴の底面側開口部と同位置に配設されるような孔が形成されている。パンタグラフの舟体１５にも、サヤ１４と同位置に同様の孔が形成されており、すり板１０の底面側からサヤ１４及び舟体１５の各孔にボルト１６、１７をそれぞれ挿通し、金属管１１、１２に締結することによって、サヤ１４をカーボン系材料部材１３に固定するとともに、すり板１０を舟体１５に固定している。これにより、図示しないパンタグラフにすり板１０が取り付けられている状態となっている。

金属管１１、１２は、カーボン系材料部材１３の貫通穴の軸方向長さと同じ若しくはやや短いものであり、カーボン系材料部材１３底面から突出しないように配設されている。また、真鍮（黄銅）又はステンレスからなるが、これらに限られず、他の金属材料からなるものであってもよい。また、金属管１１、１２は、その外周部に塗布された接着剤でカーボン系材料部材１３の貫通穴に接着固定されている。接着剤としては、エポキシ系、シアノアクリレート系、又はフェノール樹脂系接着剤などが用いられる。

カーボン系材料部材１３は、両側面の底面側に長さ方向に沿って突起部分を有する略長方体形状の部材である。カーボン材料に銅系金属を含浸してなる銅含浸型カーボン材料、又は、カーボン粉末と銅粉末とを混合した後、成形、焼成した混合焼結型カーボン材料である。これらの材料は、優れた耐摩耗性の実績を有するすり板とできるため、その取り付け部分のカケ、割れなどを問題とすることなく、厚みを薄くして舟体に装着できるという点から好ましい。なお、これらに限られず、他のカーボン材料であってもよい。

サヤ１４は、断面が略コの字型の金属製部材（例えば、亜鉛メッキ鋼板の他、スズメッキ鋼、銅、りん銅、りん青銅板など）であり、カーボン系材料部材１３の底面及び突起部分を保護している。このサヤ１４とカーボン系材料部材１３の底面との接触面には、導電性接着剤が塗布されている。

ボルト１６、１７は、真鍮（黄銅）、又は炭素鋼にユニクロメッキを施したものが用いられるが、これらに限られず、他の金属材料やこれにメッキしたものからなるものであってもよい。

摩耗しろは、サヤ１４の高さ（図１（ｃ）の上下方向）を調節することで増減が可能であるが、サヤ高さが小さいとすり板保持力が小さくなる。

上記構成により、脆弱性の高いカーボン系材料部材１３に直接雌ネジを切らないので、欠けるなどの品質低下がなく、また、雌ネジの役割を加工しやすい金属管１１、１２が果たすので、パンタグラフの舟体１５の下からボルト１６、１７で容易に取り付けることが可能なすり板１０を提供できる。また、すり板１０底面を平面にでき、摩耗限界付近であっても機械的強度を確保できるので、すり板１０を薄型軽量化できる。さらに、すり板１０を薄型軽量化できたことで、すり板１０がパンタグラフに取り付けられた際、すり板１０とトロリー線とが離線しにくくなるので、離線アークを低減できる。これらの効果から、例えば、すり板１０がパンタグラフに取り付けられた際、振動に強いものとできる。

また、接着剤によって、確実に金属管１１、１２をカーボン系材料部材１３の貫通穴に固定できるので、パンタグラフの舟体１５下からボルト１６、１７で取り付けた際の固定安定度を向上することができ、振動に強いものとできる。

また、サヤ１４を介して、パンタグラフの舟体１５に取り付けることができるので、ボルト１６、１７で取り付けた際などにカーボン系材料部材１３を傷付けることがない。

また、すり板と金属製サヤとの導電性を確保しながら、金属製サヤとともにすり板を保護することができる。

なお、カーボン系材料部材１３には、貫通穴が形成されているが、開口部を底面に有する未貫通の穴でもよい。この場合、金属管１６、１７は、この穴の深さと同じ長さ若しくはやや短いものにして、カーボン系材料部材１３底面から突出しないものとする。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るすり板について説明する。図２においては、（ａ）が本発明の第２実施形態に係るすり板と、パンタグラフの舟体とを示す上視図、（ｂ）が（ａ）の（ｂ）−（ｂ）矢視断面図、（ｃ）が（ａ）の（ｃ）−（ｃ）矢視断面図である。なお、（ａ）においては、上視図であるため、すり板によってパンタグラフの舟体は見えない状態（隠れた状態）となっている。なお、第１実施形態と同様の部分（符合２０〜２７）には、符合１０〜１７を付して、その説明を省略することがある。

本実施形態におけるすり板２０は、（１）金属管２２のカーボン系材料部材２３底面側に切り欠き２２ａが形成されている点、（２）カーボン系材料部材２３の金属管２１側の貫通穴の底面側に、金属管２１を貫通穴に固定するための接着剤の逃げしろ２３ａが形成されている点で、第１実施形態におけるすり板１０と異なっている。

金属管２２は、カーボン系材料部材２３底面側において、対称的な切り欠き２２ａが形成されており、逃げしろ２３ａと同様の役割を果たすものである。

上記構成により、第１実施形態と同様の効果を奏すると共に、金属管２１を接着する際に余分な接着剤が貫通穴から底面側に出てきた場合に、この接着剤が底面に付着しにくくなるので、平滑な平面を有する底面を保持しやすいものとできる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るすり板について説明する。図３においては、（ａ）が本発明の第３実施形態に係るすり板と、パンタグラフの舟体とを示す上視図、（ｂ）が（ａ）の（ｂ）−（ｂ）矢視断面図、（ｃ）が（ａ）の（ｃ）−（ｃ）矢視断面図である。なお、（ａ）においては、上視図であるため、すり板によってパンタグラフの舟体は見えない状態（隠れた状態）となっている。なお、第１実施形態と同様の部分（符合３０〜３７）には、符合１０〜１７を付して、その説明を省略することがある。

本実施形態におけるすり板３０は、（１）金属管３１が配設されている側のカーボン系材料部材３３の貫通穴３３ａがテーパー形状となるように形成されている点、（２）金属管３１が、貫通穴３３ａに沿った外形を有している点、（３）貫通穴３３ａと反対側の端部付近に形成されている穴が未貫通となっていて、金属管３２の軸方向長さが穴の深さと同等となっている点で、第１実施形態におけるすり板１０と異なっている。

カーボン系材料部材３３の貫通穴３３ａがテーパー形状となっており、この貫通穴３３ａに沿ったテーパー形状をした金属管３１を摺動面側から挿入し（挿入前に金属管３１外周或いは貫通穴３３ａ内周に接着剤が塗布されている。）、ボルト３６で締結している。

上記構成により、第１実施形態と同様の効果を奏すると共に、カーボン系材料部材３３の貫通穴がテーパー形状となっているので、トルクをかけたときにボルトの空転がほとんどない。また、もう一方の穴を未貫通としたことで、穴開け加工の際、両端部からドリルで加工する作業を半減することができる。

次に本発明について実施例を用いて説明する。

（実施例１）
底面が平面である４０×２７０×１５ｍｍのカーボン系すり板ＰＣ−７８Ａ（東洋炭素（株）製）に、内径に雌ネジが形成された真鍮製パイプをカーボン系すり板材料に埋め込み、接着剤にて固定後、亜鉛メッキ鋼板サヤを装着し、真鍮ボルト、ナット、座金、ばね座金を加えたすり板質量は６５０ｇ、設計した摩耗しろは１０ｍｍであり、すり板厚みに対する摩耗しろの比率は６７％であった。

（実施例２）
底面が平面である４０×２７０×１２．３ｍｍの混合焼結型カーボン系すり板に、内径に雌ネジが形成された真鍮製パイプをカーボン系すり板材料に埋め込み、接着剤にて固定後、亜鉛メッキ鋼板サヤ内部に導電性接着剤を塗布後装着し、真鍮ボルト、ナット、座金、ばね座金を加えたすり板質量は５７０ｇ、設計した摩耗しろは８．３ｍｍであり、すり板厚みに対する摩耗しろの比率は６７％であった。なお、本実施例で用いた混合焼結型カーボン系すり板は、特開２００４−７６０９８号公報の実施例２に記載の方法と同様の方法で製造した。

（実施例３）
底面が平面である４０×２７０×１０ｍｍのカーボン系すり板ＰＣ−７８Ａ（東洋炭素（株）製）に、内径に雌ネジが形成された真鍮製パイプをカーボン系すり板材料に埋め込み、接着剤にて固定後、銅サヤを装着し、真鍮ボルト、ナット、座金、ばね座金を加えたすり板質量は７５０ｇ、設計した摩耗しろは１４ｍｍであり、すり板厚みに対する摩耗しろの比率は７８％であった。

（比較例１）
底面に幅１４ｍｍ高さ６ｍｍの溝を有する４０×２７０×２３ｍｍのカーボン系すり板ＰＣ−７８Ａ（東洋炭素（株）製）に、炭素鋼（ユニクロメッキ）ボルト、亜鉛メッキ鋼板サヤを装着し、ナット、座金、ばね座金を加えたすり板質量は８２０ｇ、各電車区での実際の摩耗しろは１０ｍｍであり、すり板厚みに対する摩耗しろの比率は４３％であった。

これら実施例１〜３及び比較例１を下記表１にまとめた。なお、質量減少率とは、比較例１を基準にした場合の各実施例の質量減少率を指す。

表１から、従来のすり板厚み２３ｍｍ（比較例１）に対し、１２．３〜１８ｍｍ程度（実施例１〜３）と薄くすることができ、その分、サヤやボルトなどを含めた質量は９〜３０％減少していることがわかる。このとき、摩耗しろは８．３〜１４ｍｍで、（摩耗しろ／すり板厚み）×１００（％）は、６７〜７８％になった。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。例えば、金属管の外周部が、段形状やローレット形状（表面に凹凸形状があるもの）でもよく、上述の実施形態における金属管の形状とこれらとを２つ以上組合せてもよい。これにより、金属管と、この金属管が嵌合するすり板に形成された穴との間に存在する接着剤の接着力を補強することができる。また、平滑な曲面形状だけの金属管よりも、段形状、ローレット形状、テーパー形状、外形から内径側にかけて切り欠いた形状がある場合には、金属管とすり板との間において接着剤による結合力を強くすることができるので、ボルトと締結する際、金属管が空転し難くなる。

（ａ）が本発明の第１実施形態に係るすり板と、パンタグラフの舟体とを示す上視図、（ｂ）が（ａ）の（ｂ）−（ｂ）矢視断面図、（ｃ）が（ａ）の（ｃ）−（ｃ）矢視断面図である。 （ａ）が本発明の第２実施形態に係るすり板と、パンタグラフの舟体とを示す上視図、（ｂ）が（ａ）の（ｂ）−（ｂ）矢視断面図、（ｃ）が（ａ）の（ｃ）−（ｃ）矢視断面図である。 （ａ）が本発明の第３実施形態に係るすり板と、パンタグラフの舟体とを示す上視図、（ｂ）が（ａ）の（ｂ）−（ｂ）矢視断面図、（ｃ）が（ａ）の（ｃ）−（ｃ）矢視断面図である。

Claims (8)

1. カーボン系材料からなり、底面とこの底面に対向する摺動面とを有する長方体状のすり板であって、
   前記底面から前記摺動面方向へ形成されている穴と、
   内側に雌ネジ部を有しており、前記穴に嵌合固定されている金属管とを備えていることを特徴とするすり板。
2. 前記金属管の外周部が、平滑な曲面形状、段形状、ローレット形状、テーパー形状、外形から内径側にかけて切り欠いた形状のうち、いずれか１つの形状又は２つ以上組合せた形状に加工されていることを特徴とする請求項１記載のすり板。
3. 前記金属管が、外周部に塗布されたエポキシ系、シアノアクリレート系、フェノール樹脂系接着剤のいずれか１つによって、前記穴に接着固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のすり板。
4. 前記カーボン系材料が、カーボン材料に銅系金属を含浸してなる銅含浸型カーボン材料、又は、カーボン粉末と銅粉末とを混合した後、成形、焼成した混合焼結型カーボン材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のすり板。
5. 孔が形成されているとともに、前記孔が前記穴の開口部と同位置に配設されるように前記底面側に装着された金属製サヤを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のすり板。
6. 前記底面と前記金属製サヤとの接触面に導電性接着剤が塗布されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のすり板。
7. 前記穴の底面側に、前記接着剤の逃げしろ部を形成していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のすり板。
8. ボルトを挿通できる孔を有する舟体を備えているパンタグラフであって、
   請求項５〜７のいずれか１項に記載のすり板と前記舟体とが、前記舟体の孔に挿通されたボルト及び前記金属管によって締結固定されていることを特徴とするパンタグラフ。

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