JP2017099204A - パンタグラフ異常検知方法及び検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ないセンサ数で、大きな電車線偏位の箇所にある段付摩耗などについても高い精度で検知できるパンタグラフ異常検知装置を提供する。【解決手段】 パンタグラフの異常を検知する装置は、パンタグラフＰとしゅう動するトロリ線Ｔをレール直角方向に支持する曲線引金具45にかかる荷重を測定する荷重測定手段（歪センサ61など）と、測定した荷重から高周波の振動成分を取り除くフィルタ手段72を備える。さらに、高周波振動成分を取り除いた後の荷重の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定する異常判定手段（段付摩耗判定部）73を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、カテナリ式電車線からパンタグラフを介して車両に集電する電気鉄道においてパンタグラフの異常を検知する方法及び装置に関する。特には、パンタグラフすり板に発生する段付摩耗やすり板の脱落などの異常を、少ないセンサ数でも高い精度で検知できるパンタグラフ異常検知方法等に関する。

パンタグラフに重大な異常が生じると、広範囲にわたって電車線設備が損傷する可能性があり、損傷の程度が大きい場合は長時間の運転阻害が発生する。このようなパンタグラフの異常の一つに、すり板の段付摩耗がある。段付摩耗は、すり板や舟体の割損、ひいてはパンタグラフ全体の破損の原因にもなり得る。

ここで、図３（Ａ）、図８及び図９を参照しつつ、カテナリ式電車線とパンタグラフの概要を説明する。図３（Ａ）は、トロリ線Ｔの架設状態を模式的に示す平面図である。図８は、シンプルカテナリ式の電車線１及びその支持構造物の一部を示す斜視図である。図９は、パンタグラフＰの上部（舟体付近）の構造の例を示す正面図である。

図８においては、レール長手方向に延びるトロリ線Ｔが示されている。トロリ線Ｔは銅製などの棒状のものであって、図９に示すパンタグラフすり板11としゅう動し、車両（図示されず）に給電する。トロリ線Ｔは、上下に延びるハンガー３を介して、レール長手方向に延びる山なりの吊架線２によって、極力水平となるように支持されている。これらのトロリ線Ｔ・ハンガー３・吊架線２などを電車線１と総称している。

電車線１を支持する支持構造物５は、例えば、図８に示される電柱50や、電柱50に支持された水平パイプ51などを含む。支持構造物５は、吊架線２を上下方向に支える他に、トロリ線Ｔをまくらぎ方向（軌道面におけるレール長手方向の直角方向）に引っ張る曲線引金具45を有する（本明細書では「曲線引金具」は「振止金具」を含む意味で用いる）。

曲線引金具45は、トロリ線Ｔの左右偏位の屈曲点９（図３を参照しつつ後述）や、電車線中心線の屈曲点（カーブや分岐・合流）にも設けられている。曲線引金具45は、上記水平パイプ51に取り付けられるものの他、電柱50に針金（図示されず）を介して取り付けられたり、下束（図示されず）に取り付けられたりする。このような曲線引金具45は、トロリ線の横張力やトロリ線に作用する風圧荷重などの引張力に耐えうる強度を有する。

次に図３（Ａ）を参照しつつ、トロリ線Ｔの水平面（軌道面の平行面）における配設状況を説明する。図３（Ａ）に示すように、トロリ線Ｔは、平面視で軌道中心線Ｃをあるピッチで繰り返し横切るようにジグザグに架設されている（左右偏位という）。これにより、パンタグラフすり板11とトロリ線Ｔとのしゅう動位置がまくらぎ方向に分散されて、すり板11の摩耗が平均化されるようになっている。

左右偏位の具体例は、±２５０ｍｍ、周期１００ｍである。この図の電車線の場合、左右偏位の周期１００ｍは、支持構造物５のピッチ５０ｍの倍である。なお、支持構造物５の存在する位置のことを「支持点５」といい、そのピッチのことを「径間」ともいう。トロリ線Ｔの左右偏位の屈曲点９には、上述の曲線引金具（あるいは振止金具）45が配置されており、トロリ線Ｔをレール直角方向に引っ張るようになっている。

図９は、パンタグラフの上部（舟体付近）の構造の例を示す正面図である。
このパンタグラフＰは、トロリ線Ｔとしゅう動するすり板11を保持する舟体10を備える。舟体10は、電気鉄道車両の屋根に起立倒伏可能に設置された枠組（図示されず）に支持されている。

舟体10は、車体の幅方向（まくらぎ方向）に沿って延びる箱状体である。舟体10の上面には、すり板11（この例では三枚に分割されている）が取り付けられている。すり板11は、一例で鉄系や銅系の焼結合金、あるいは、カーボン系材料等で作製される。このすり板11がトロリ線Ｔに直接接触する。舟体10は、両端付近で左右の舟支え13に支持されているものや、中央付近で支持されているもの（図示されず）がある。左右方向を外下方向に延びるホーン14は、トロリ線Ｔが舟体10の下に入り込みを防止している。ホーン14は、舟支え13に取り付けられているものや、舟体10に取り付けられているもの（図示されず）がある。

図１０を参照しつつ、パンタグラフすり板のしゅう動面摩耗の形態について説明する。図１０（Ａ）に示すように、すり板11の上面（トロリ線しゅう動面）11bは、列車走行に伴い、徐々にかつなだらかに摩耗するのが一般的である。すなわち、摩耗した部分11dは、まくらぎ方向の中央部が、摩耗減寸の比較的大きい（深い）幅広の底となり、左右端に向かって摩耗減寸が少なくなるのが一般的である。そして、例えば、残存すり板厚２mm程度ですり板の交換を行う。

しかしながら、稀に、局所的かつ急峻な段差状の摩耗が生じることがある。これを一般的に「段付摩耗」（符号11x）と呼んでいる（図１０（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。特に図１０（Ｃ）のように、段付摩耗11xが対向して二箇所存在し、その間が溝状になっているものを「溝摩耗」（符号11y）と呼ぶ。

段付摩耗11xの発生は、直流区間において多くみられるが、交流区間でも報告されている。また、特定のパンタグラフやすり板で発生しているわけでなく、パンタグラフ種別（シングルアーム、ひし形）やすり板種別（金属系すり板、カーボン系すり板）によらず発生が報告されている。さらに、段付摩耗11xの傾斜や摩耗深さ（数mm〜10mm前後）には様々なものがある。なお、発生位置は舟体中央付近や、主すり板11gと補助すり板11hとの境界付近などにおいて多く発生する傾向があるものの、その他の位置における発生も報告されている。また、段付摩耗11xが発生した電車のパンタグラフ搭載数や走行速度も様々である。

段付摩耗11xが生じると、段付摩耗11xの肩部においてトロリ線Ｔがすり板に引っ掛かって、トロリ線Ｔがすり板11上をまくらぎ方向に左右変位（スライド）しにくくなる。そのため、段付摩耗11xの底の部分でトロリ線Ｔが長くしゅう動することとなる（トロリ線とのしゅう動頻度が高くなる）。その結果、段付摩耗部の摩耗がさらに進展し、場合によってはすり板11や舟体10（図９参照）の割損、ならびにこれに伴う電車線の破損に至る可能性がある。ところで、パンタグラフすり板は、レール直角方向に複数枚に分割されているのが一般的であるが、分割されたすり板のうちの一枚が脱落すると、上記の段付摩耗に類似の事態になりうる。

このような事故を防ぐために、鉄道事業者では定期検査の際にすり板の目視検査を実施するとともに、車両基地の入り口にパンタグラフすり板測定装置を設置して段付摩耗の有無を判断し、段付摩耗が認められるすり板については適宜交換がなされている。しかし、段付摩耗の進展速度が速い場合は、次のこれらの検査までの間に段付摩耗が発生・成長し、すり板や舟体の割損が生じる可能性がある。そのため、これらの検査の周期よりも短い周期で段付摩耗の有無を自動で検知することが求められている。

ただし、段付摩耗は特定のすり板種別や特定の部位において発生するわけではないことから、その検知には以下の事項が要求される。
ア）段付摩耗の発生位置（舟体中央や、主すり板と補助すり板の境界付近など）によらず検知可能であること。
イ）パンタグラフ種別、すり板種別、パンタグラフの搭載位置、搭載数、および電車走行速度に依存せず検知可能であること。
ウ）摩耗形態には様々なものがあるが、このうち摩耗速度が急速に成長する可能性が高い形態のもののみを段付摩耗と判定すること。
エ）高頻度で検査可能であること。

検知手法としては、パンタグラフ、もしくは電車線等の地上設備のいずれかにセンサなどを実装する手法が考えられる。しかし、前者については、パンタグラフの常時監視が可能であるものの、全ての車両の全てのパンタグラフに検知システムを実装することが必要となるため、導入コストが高い。後者については、（１）加速度計などのセンサにより検知する方法と、（２）ビデオカメラ等により撮影した画像から検知する方法が考えられる。しかし、トロリ線が引っ掛かる摩耗形状をあらかじめ予測しておくことは困難であるため、（２）により段付摩耗を検知することは難しい。そこで、本発明者らは加速度計あるいは歪ゲージ等のセンサをある区間の地上設備に設置し、当該区間を通過する全ての車両に搭載されている全てのパンタグラフを監視する手法に主に着目し開発してきた。

本発明者らはパンタグラフ異常として段付摩耗に焦点を当て、段付摩耗の早期発見を可能とする２つの手法を開発している（非特許文献１）。しかし、これらの手法を適用するためには多数のセンサが必要であるなどのいくつかの問題があった。そこで、少ないセンサにより効果的に段付摩耗を検知可能な新しい手法を開発した（特許文献１、非特許文献２）。

特許文献１ 特許公開2015-150997「パンタグラフ異常検知方法及び検知装置」
非特許文献１ 臼田隆之、池田充、「トロリ線の振動測定によるすり板段付き摩耗の検出」、鉄道総研報告、Vol.25、No.4、2011年4月
非特許文献２ 小山達弥、臼田隆之、「曲線引金具の応力測定によるパンタグラフの異常検知手法」、Dynamics and Design Conference 2015 USB論文集、日本機械学会、2015年8月

上記特許文献１では、風荷重に対する補正方法については述べられているものの、段付摩耗の検知精度の向上については言及されていない。本発明は、少ないセンサ数で、大きな電車線偏位の箇所にある段付摩耗などについても高い精度で検知できるパンタグラフ異常検知方法及び検知装置を提供することを目的とする。

本発明のパンタグラフの異常検知方法は、 パンタグラフの異常を検知する方法であって、 前記パンタグラフとしゅう動するトロリ線をレール直角方向に支持する曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を測定し、 測定した前記荷重から高周波の振動成分を取り除き、 高周波振動成分を取り除いた後の荷重の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定することを特徴とする。

本発明のパンタグラフの異常検知装置は、 パンタグラフの異常を検知する装置であって、 前記パンタグラフとしゅう動するトロリ線をレール直角方向に支持する曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を測定する荷重測定手段（実施形態では歪ゲージ61など）と、 測定した前記荷重から高周波の振動成分を取り除くフィルタ手段（ローパスフィルタ72）と、 高周波振動成分を取り除いた後の荷重の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定する異常判定手段（段付摩耗判定部73）と、を備えることを特徴とする。

本発明においては、前記曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を、近接する３箇所の支持点において測定し、 該３箇所の支持点にうちの、第一支持点と第二支持点における荷重を加算して一二支持点加算荷重を得るとともに、第二支持点と第三支持点における荷重を加算して二三支持点加算荷重を得、 両加算荷重のいずれか一方でも所定の閾値を超えた場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定することが好ましい。

本発明によれば、大きな電車線偏位の箇所にある段付摩耗などについても高精度で検知できるパンタグラフ異常検知方法及び検知装置を提供することができる。これにより、段付摩耗のあるパンタグラフを搭載した電車を抑止し、パンタグラフおよび電車線の大きな破損を未然に防ぐことで、列車の安定輸送に寄与できる。また、センサ数が少なくてもすむとともに、支持構造物（電柱など）の直近の曲線引金具にそのセンサを取り付けることができるため、設備がシンプルとなり設置・メンテナンスが容易になる。

以下、本発明のパンタグラフ異常の検知方法及び検知装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

本発明の一つの実施形態に係るパンタグラフ異常検知装置の構成を示す図であって、（Ａ）は曲線引金具の構成や、歪ゲージ61・信号伝送系統（ＦＭテレメータ65など）の配置状態を示す正面図であり、（Ｂ）は、検知装置全体の概要を示すブロック図である。 図１の実施形態に係るパンタグラフ異常検知装置における、段付摩耗判定部などの作用を示すフローチャートである。 図３（Ａ）はトロリ線Ｔの架設状態と、トロリ線Ｔに沿ってレール長手方向に走行する車両のパンタグラフすり板11（段付摩耗11x付き）を模式的に示す平面図である。図３（Ｂ）は、（Ａ）の段付摩耗11x部分を、トロリ線Ｔが左右偏位しながらしゅう動する様子（段付摩耗11x近傍のトロリ線Ｔの挙動）を模式的に示す正面図である。 段付摩耗11xの生じたパンタグラフすり板11が通過する際に、曲線引金具45に作用する力を説明するための模式的平面図である。 曲線引金具45にかかるまくらぎ方向の力（荷重）の推移を模式的に示すグラフである。 本発明の一つ実施形態を用いた試験において測定された曲線引金具荷重のグラフである。 本発明の一つ実施形態を用いた試験において測定された曲線引金具荷重のグラフである。 本発明の他の実施形態における、段付摩耗判定アルゴリズムを説明するフローチャートである。 シンプルカテナリ式の電車線１及びその支持構造物の一部を示す斜視図である。 パンタグラフＰの上部（舟体付近）の構造の例を示す正面図である。 パンタグラフすり板のしゅう動面摩耗の形態を説明するための模式的正面図である。

Ｔ；トロリ線、Ｃ；軌道（電車線）長手方向中心線、Ｐ；パンタグラフ
１；電車線、２；吊架線、３；ハンガー、５；支持構造物、９；屈曲点
１０；舟体、１１；すり板、１３；舟支え、１４；ホーン
４３；信号線、４５、４５−１、４５−２、４５−３；曲線引金具
５０；電柱、５１；水平パイプ、５２；支持金具、５３；イヤー、５４；アーム
５７；電車運行指令、５９；引手金具部
６１；歪ゲージ、６５；ＦＭテレメータ
７１；受信機、７２；波形処理部、７３；段付摩耗判定部

まず、図３を参照しつつ段付摩耗発生時におけるトロリ線Ｔの挙動及び曲線引金具45にかかる荷重について説明する。図３（Ａ）はトロリ線Ｔの架設状態と、トロリ線Ｔに沿ってレール長手方向に走行する車両のパンタグラフすり板11（段付摩耗11x付き）を模式的に示す平面図である。図３（Ｂ）は、（Ａ）の段付摩耗11x部分を、トロリ線Ｔが左右偏位しながらしゅう動する様子（段付摩耗11x近傍のトロリ線Ｔの挙動）を模式的に示す正面図である。

図３には、太い実線で示すトロリ線Ｔが、基本的にはレール長手方向に延びるように、そして一定周期でまくらぎ方向にジグザグに折れるように配設されている。トロリ線Ｔは、図の左側から右側に向かって、支持点5-1・支持点5-2・支持点5-3において、曲線引金具45-1・45-2・45-3により、まくらぎ方向に引っ張られて保持されている。曲線引金具45の保持は、図中で３箇所のトロリ線屈曲点9-1・9-2・9-3となっている。

図３（Ａ）には、走行するパンタグラフすり板11が、８箇所（（ア）〜（ク））において示されている。すり板11には、中心線Ｃの図の下側に対向する二箇所の段付摩耗11x、11x´が示されている。図３（Ｂ）において、左上の（ア）・（オ）の図は、トロリ線Ｔが、すり板上面11bの通常部11t（段差のほとんど無いなだらかな部分）をしゅう動しながら、段付摩耗11x部に近づくように左右偏位している状況である。このときは、トロリ線Ｔは、引っ掛からずにスムーズに変位運動している。なお、（ア）と（オ）は、図３（Ａ）の（ア）あるいは（オ）に対応しているが、トロリ線Ｔの実際の左右偏位方向は逆である（（イ）や（カ）なども同様）。

図３（Ｂ）における右上の（イ）・（カ）の図は、トロリ線Ｔが、段付摩耗11xから滑り落ちて、段付摩耗底11zに入った状況である。このときも、トロリ線Ｔは、引っ掛からずにスムーズに変位運動している。

次に、図３（Ｂ）における左下の（ウ）・（キ）の図は、トロリ線Ｔが、段付摩耗底11zを図の右に進んで右側の段付摩耗11x´（急峻な摩耗部）に当たっている状況である。このときは、トロリ線Ｔの左右偏位は、段付摩耗11x´に引っ掛って止まっており、トロリ線Ｔは、段付摩耗11x´の上の面11bに移行することができない。しかし、その間にもすり板11（車両・パンタグラフ）は進行し、レール長手方向のトロリ線Ｔとすり板11とのしゅう動は続く。その間、段付摩耗11x´によって妨害されている左右偏位の量（寸法）は増える。そして、トロリ線Ｔが段付摩耗11x´に引っ掛かっている間、左右偏位の強制停止に起因するトロリ線Ｔへの弾性押し付け力Ｆが図の左方向にかかる。

すなわち、図４に示すように、すり板11の段付摩耗11x´に引っ掛かったトロリ線Ｔ２（破線）は、すり板11に引かれて図の下方に撓んでいる。そして、すり板11からトロリ線Ｔ２に、黒矢印で示す力Ｆがかかっている。この力Ｆは、トロリ線Ｔ２をまくらぎ方向に位置決めする曲線引金具45-2・3によって受け持たれ、夫々の金具に、白抜き矢印で示す横荷重ｆ・ｆ´がかかる。このときに曲線引金具45にかかる荷重を計測して段付摩耗11xの発生を検知するのが、本発明の基本発想である。

再び図３にもどって説明する。図３（Ｂ）における右下の（エ）・（ク）の図は、（ウ）・（キ）の状況で邪魔されていた左右偏位が蓄積して力Ｆが増して引っ掛かりの限界を超え、トロリ線Ｔが、図の右側の段付摩耗11x´を乗り越えた状況である。そして、トロリ線Ｔが段付摩耗底11zから脱して、すり板上面11bに登った状況である。このとき、トロリ線Ｔは、あたかも弾かれた弦のように自由振動する。この振動を検知して段付摩耗11x発生を検知しようというのが、非特許文献１などに記載されている方法である。

上述のように、すり板11の段付摩耗11xにトロリ線Ｔが引っ掛かったときに、すり板11からトロリ線Ｔに働く作用力Ｆは、列車の進行に伴い徐々に増加し、段付摩耗底部11zからトロリ線が抜け出た瞬間に急激に減少するため、全体としてみれば鋸歯状の波形となる。そして、この力Ｆを受け持つ曲線引金具の荷重ｆ・ｆ´や、荷重に伴う金具の歪も鋸歯状のものとなる。

次に、図１を参照しつつ、本発明の一つの実施形態に係るパンタグラフ異常検知装置の構成を説明する。図１において、（Ａ）は曲線引金具の構成や歪ゲージ61・信号伝送系統（ＦＭテレメータ65など）の配置状態を示す正面図である。（Ｂ）は、検知装置全体の概要を示すブロック図である。

図１（Ａ）の上部には、支持構造物５（図８参照）の一部である水平パイプ51が示されている。水平パイプ51の下方には、支持金具52を介して、曲線引金具45が取り付けられている。曲線引金具45は、支持金具52に支持されている端部から先に向かって、引手金具部59・アーム54・イヤー53などの部分を有する。曲線引金具45は、支持金具52に対して鉛直平面上で回動可能に支持されている。アーム54の先端にはイヤー53が接続されており、このイヤー53によってトロリ線Ｔが把持される。このような曲線引金具45によって、トロリ線Ｔは、水平方向には固定されている。なお、トロリ線Ｔは、鉛直方向にはハンガー３・ちょう架線２（図８参照）により吊下げられており、上下に動揺可能である。このトロリ線Ｔの上下動に合わせて、曲線引金具45は、上下に首を振る。

本実施形態において、曲線引金具45のアーム54の曲線部54bには、荷重センサとしての歪ゲージ61が貼られている。荷重センサは、歪ゲージの他に、ロードセルやＦＢＧセンサなどを用いることができる。荷重センサは、曲線引金具45のアーム54の直線部54aやイヤー部53、引手金具部59などに取り付けることもできる。

歪ゲージ61には信号線（有線）43が接続されており、同信号線43は曲線引金具45近くのＦＭテレメータ65まで延びている。ＦＭテレメータ65は、図１に示す水平パイプ51あるいは電柱50（図８参照）の上などに固定されている。

図１（Ｂ）のブロック図に示すように、パンタグラフ異常検知装置は、上述の歪ゲージ61及びＦＭテレメータ65の他に、受信機71や段付摩耗判定部73、波形処理部72を含んでいる。ＦＭテレメータ65は、無線で歪信号を近くの受信機71まで送信する。受信機71は、電柱の近くなどに配置されている。

波形処理部72は、本実施形態の特徴的構成であるローパスフィルタなどからなる。ローパスフィルタの通過させる周波数帯域や、ローパスフィルタの作用については後述する。なお、特許文献１にあるように、風荷重キャンセルのためのハイパスフィルタ（例えば０．１ヘルツ未満カット）、あるいはバンドパスフィルタを用いることもできる。

波形処理された歪（荷重）信号は、段付摩耗判定部73に送られ、同部73は段付摩耗（異常可能性）の有無を判定する。段付摩耗判定部73の機能は、一例として、コンピュータ装置（図示されず）のプロセッサーにおいて、記憶媒体（図示されず）に記憶されたプログラムをロードして実行することにより、実現される。段付摩耗の有無の判定結果は、電車運行指令57などに送られる。

図２は、図１のパンタグラフ異常検知装置における、段付摩耗判定部の作用を示すフローチャートである。上述の歪ゲージ61などにより曲線引金具に作用する荷重を測定し、波形処理部72で高周波成分の取り除かれた荷重信号は、段付摩耗判定部73で判定される。すなわち、曲線引金具45にかかる荷重が所定の閾値を超過したか否かを判定する（Ｓ１）。「超過（ＹＥＳ）」の場合は、パンタグラフに段付摩耗ありと判定する（Ｓ２）。Ｓ１で荷重が閾値以下の場合は、段付摩耗なしと判定する（Ｓ３）。

次に、隣接する複数の支持点５において荷重測定する他の実施形態について説明する。本発明の手法により測定可能な範囲を見積もるために、電気抵抗法（「電車線とパンタグラフの特性」、鉄道総合技術研究所編．1993年参照）により、径間長50mの電車線のトロリ線にまくらぎ方向荷重（100N）が作用したときの曲線引金具に生じる反力を求めた。

図５では、第一支持点5-1（図３参照）からまくらぎ方向の荷重位置までの距離xfの地点xfのトロリ線Ｔに、まくらぎ方向の荷重（100N）が作用したときにおける、第一支持点5-1の曲線引金具45-1に生じる力f1xf、ならびに電車線の第二支持点5-2の曲線引金具45-2に生じる力f2xfをそれぞれ示している。また、f1xf＋f2xfも併記している。

図５より、f1xf＋f2xf を測定することで静荷重の50％程度の力を把握することができることが分かる。この程度トロリ線Ｔのまくらぎ方向荷重を捉えることができれば、曲線引金具45の横荷重を測定することにより、段付摩耗の有無を十分に判別することが可能である。つまり、f1xfとf2xfを同時に測定して加算することで、パンタグラフすり板の段付摩耗のまくらぎ方向位置がどこであっても、段付摩耗を検知可能である。

本実施形態の方法を電車線に適用する際は、図１０（Ｂ）のように１箇所にしか段付摩耗がない場合を考慮しても、連続する３箇所の支持点の曲線引金具のひずみ測定することで段付摩耗検知が可能である。したがって、非特許文献１のトロリ線Ｔ振動を検知する手法に比べて、少ないセンサ数で段付摩耗を検知可能である。さらに、振動検知手法では支持点から離れた位置にセンサを設置するため、有線のセンサを使用する場合はちょう架線にセンサ用ケーブルを配線する必要があったが、新手法では支持点のみで測定するためセンサの設置が従来手法に比べて極めて容易である。

本発明者らは、実軌道・電車線における試験により、本実施形態の異常検知方法に誤検知や見逃しが生じる可能性のないことを検証した。なお、本書では、誤検知とは正常なパンタグラフが通過した際に段付摩耗ありと判断することを、見逃しとはすり板に段付摩耗があるパンタグラフを正常なものとして判断することをそれぞれ意味する。

段付摩耗が発生したすり板をパンタグラフに搭載して営業線を走行させる試験を実施することは困難であるため、機械加工により段付摩耗を形成したすり板を保守用車の接地用パンタグラフに固定し、保守用車を走行させることで段付摩耗ありの条件を模擬した。このすり板には、２箇所に段付摩耗がある溝摩耗が形成されている。溝摩耗の深さは２mm、段付摩耗間の距離つまり溝摩耗の幅は20mmである。この段付摩耗は、過去に段付摩耗と判断された摩耗と比べると小さな段差であるため、この段付摩耗を検知できれば検知能力としては十分である。

模擬段付摩耗を有する保守用車については走行速度を時速５kmとし、段付摩耗部のまくらぎ方向位置は軌道中心から歪ゲージを貼った曲線引金具の存在する方向に115mmとした。また、試験期間中は、営業列車のパンタグラフに段付摩耗の発生は認められなかったため、これらの試験では営業列車のパンタグラフを全て健全なものとして取り扱った。

図６は、本発明の一つ実施形態を用いた試験において測定された曲線引金具荷重信号のグラフである。縦軸は、曲線引金具に生じた歪の量であり、横軸は時間である。（Ａ）及び（Ｂ）は、ローパスフィルタを通さない信号のグラフであり、（Ｃ）及び（Ｄ）は、ローパスフィルタを通した信号のグラフである。また、（Ａ）及び（Ｃ）は、トロリ線Ｔが段付摩耗を通過する前後を含む比較的長い時間のデータ、（Ｂ）及び（Ｄ）はそれらのピーク付近の横軸（時間）拡大図である。この試験においては、ローパスフィルタは、２Hz以下を通過帯域とするものを用いた。

全てのグラフで、すり板の段付摩耗にトロリ線Ｔが引っ掛かった際に生じる鋸歯波形が表れている。ただし、鋸歯波形の明瞭さは、ローパスフィルタ通過信号のグラフ（Ｃ）・（Ｄ）がくっきりしている。

そして、本発明の特徴点に係わるローパスフィルタに関して、ローパスフィルタを通していない（Ａ）及び（Ｂ）の信号においては、段付摩耗なしのグラフ（直線）においても、閾値（30μSt）を超えるインパルス状のピークが存在することが認められる。これは、なんらかの理由により増幅される高周波の外乱的なものと思われる。この高周波の外乱的な信号を取去った（Ｃ）及び（Ｄ）のグラフでは、段付摩耗部分とそれ以外の部分とで、信号強度に著しい差が明確に存在しており、精度の高いすり板段付摩耗検知を実現可能なことは歴然としている。

図７は、本発明の他の実施形に係る段付摩耗検知方法における、段付摩耗判定アルゴリズムを説明するフローチャートである。このアルゴリズムにおける特徴点は以下である。 曲線引金具45にかかる荷重を、近接する３箇所の支持点5-1・2・3（図３（Ａ）参照）において測定している。そして、該３箇所の支持点にうちの、第一支持点5-1の曲線引金具45-1と第二支持点5-2における曲線引金具45-2の荷重を加算して一二支持点加算荷重を得るとともに、第二支持点5-2と第三支持点5-3における荷重を加算して二三支持点加算荷重を得る。そして、両加算荷重のいずれか一方でも所定の閾値を超えた場合に、パンタグラフに異常可能性有りと判定する。

すなわち、図７に示すように、曲線引金具45-1の荷重（歪）信号１と曲線引金具45-2の荷重信号２の反転信号とを加算する（Ｓ1）。ここで曲線引金具45-2の荷重信号２を反転させるのは、両曲線引金具45にかかる力が引っ張りと圧縮で異なるため、単に加算したのでは相当部分が打ち消されるためである。そして、この加算信号をローパスフィルタ（あるいはバンドパスフィルタ）に通してノイズとなる高周波成分を除く（Ｓ２）。なお、加算前の荷重信号をフィルタにかけてもよい。そして、加算荷重が所定の閾値を超えた場合に、すり板段付摩耗ありと判定する（Ｓ３・Ｓ４）。

また、第三の曲線引金具45-3の荷重信号３と曲線引金具45-2の荷重信号２の反転信号とを加算する（Ｓ1´）。そして、この加算信号をローパスフィルタ（あるいはバンドパスフィルタ）に通してノイズとなる高周波成分を除く（Ｓ２´）。なお、加算前の荷重信号をフィルタにかけてもよい。そして、加算荷重が所定の閾値を超えた場合に、すり板段付摩耗ありと判定する（Ｓ３´・Ｓ４´）。

この実施形態の場合、すり板のまくらぎ方向のどのような位置に段付摩耗があっても、比較的大きい荷重信号が安定して得られる。また、左右偏位の方向往復のいずれかに引っ掛かる段付摩耗が、いずれも把握できる。したがって、精度の高いパンタグラフ異常判定を行える。

Claims (6)

1. パンタグラフの異常を検知する方法であって、
   前記パンタグラフとしゅう動するトロリ線をレール直角方向に支持する曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を測定し、
   測定した前記荷重から高周波の振動成分を取り除き、
   高周波振動成分を取り除いた後の荷重の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定することを特徴とするパンタグラフの異常検知方法。
2. 前記曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を、近接する３箇所の支持点において測定し、
   該３箇所の支持点にうちの、第一支持点と第二支持点における荷重を加算して一二支持点加算荷重を得るとともに、第二支持点と第三支持点における荷重を加算して二三支持点加算荷重を得、
   両加算荷重のいずれか一方でも所定の閾値を超えた場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフの異常検知方法。
3. あらかじめ決定しておいた振動数以上の高周波振動成分をローパスフィルタにより取り除くことを特徴とする請求項１又は２記載のパンタグラフの異常検知方法。
4. パンタグラフの異常を検知する装置であって、
   前記パンタグラフとしゅう動するトロリ線をレール直角方向に支持する曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を測定する荷重測定手段と、
   測定した前記荷重から高周波の振動成分を取り除くフィルタ手段と、
   高周波振動成分を取り除いた後の荷重の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定する異常判定手段と、
   を備えることを特徴とするパンタグラフの異常検知装置。
5. 前記荷重測定手段が、前記曲線引金具又は振止金具にかかる荷重を、近接する３箇所の支持点において測定するものであり、
   該３箇所の支持点にうちの、第一支持点と第二支持点における荷重を加算して一二支持点加算荷重を得るとともに、第二支持点と第三支持点における荷重を加算して二三支持点加算荷重を得る加算手段を更に備え、
   前記異常判定手段が、上記両加算荷重のいずれか一方でも所定の閾値を超えた場合に、前記パンタグラフに異常可能性有りと判定することを特徴とする請求項４記載のパンタグラフの異常検知装置。
6. 前記フィルタ手段が、あらかじめ決定しておいた振動数以上の高周波振動成分をローパスフィルタにより取り除くことを特徴とする請求項４又は５記載のパンタグラフの異常検知装置。

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