JP3352009B2

JP3352009B2 - 接触力測定装置

Info

Publication number: JP3352009B2
Application number: JP36876497A
Authority: JP
Inventors: 克士真鍋; 光雄網干
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1997-12-28
Filing date: 1997-12-28
Publication date: 2002-12-03
Anticipated expiration: 2017-12-28
Also published as: JPH11194059A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電気鉄道に
おけるトロリ線等の給電線とパンタグラフ等の集電装置
との間に作用する接触力を測定する装置に関する。特に
は、精度良く接触力が測れるとともに、通常の営業車両
においてもパンタグラフ接触力を測定することのできる
接触力測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現状の営業用の電気鉄道においては、ト
ロリ線からパンタグラフを介して電力を車体に送る方式
を採るものが一般的である。このようなトロリ線とパン
タグラフの舟体との接触力は、トロリ線の高さ変動や振
動、車両やパンタグラフの振動によって変動する。この
接触力の変動が大きすぎると、パンタグラフの舟体がト
ロリ線から離れることとなる（これを離線という）。こ
の離線が頻発すると、両者の間にスパークが生じて摺り
板の損傷が促進され、問題となる。

【０００３】そこで、電車の走行中のトロリ線とパンタ
グラフとの接触力を測定して、その測定結果を、離線を
抑制する方策を立案するための参考としている。あるい
は、将来的には、接触力をアクティブにリアルタイムで
コントロールすることも考えられている。

【０００４】このようなパンタグラフ接触力測定技術と
しては、以下が公知である。（１）特開平７−２９１００１号公報には、舟体支持バ
ネの伸縮量を測定し、この量から同バネの押圧力を計算
して接触力を求める方法が開示されている。舟体支持バ
ネの伸縮量を測定するには、舟体と舟体支持パイプの間
の寸法を渦電流式や光学式の距離センサを用いて測定す
る。

【０００５】（２）日本機械学会第７４期通常総会講演
会講演論文集No.97-1 、(I) 、 2149、 p.699、700 に
は、舟体と摺り板との間にロードセルを設けるととも
に、摺り板に加速度計を取り付けたパンタグラフ接触力
測定装置が開示されている。この装置では、ロードセル
で測定した力を、摺り板の等価質量に加速度をかけた慣
性力で補正する。したがって比較的正確な接触力が求め
られる。

【０００６】（３）日本機械学会第５回交通・物流部門
大会講演論文集No.96-51、 1115 、 p.127-130 には、
舟体の歪並びに、舟体の加速度を測定する方法が開示さ
れている。この方法では、舟体の歪から計算した舟体に
かかっている力を、舟体の等価質量に加速度をかけた慣
性力で補正する。この場合も、比較的正確な接触力が求
められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した各
従来の公知技術には、例えば以下に述べるような課題が
あった。すなわち、（１）の方法では、舟体（摺り板含
む）の慣性力が無視されることとなり、接触力の測定誤
差が生じる。また、（２）の装置にあっては、パンタグ
ラフは非通電で、ロードセル組み込みという特殊な工作
を施したものであり、通常の営業列車に応用できるもの
ではない。さらに、（３）の方法は、舟体が単なる質点
として振動するのではなく、梁として振動するため、等
価質量の同定が難しい。また、梁の固有振動モード付近
（例えば１００ヘルツ、２００ヘルツ近辺）においては
接触力測定の誤差が大きい。

【０００８】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、トロリ線等の給電線とパンタグラフ等の集
電装置との間に作用する接触力を精度良く測れるととも
に、通常の営業車両においても同接触力を測定すること
のできる接触力測定装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の接触力測定装置は、給電線と集電装置と
の間に作用する接触力を測定する装置であって、上記集
電装置の振動ｙ（ｔ）と上記接触力ｆ（ｔ）との間の周
波数応答関数１／Ｈ（ｉω）（ωは振動角周波数、ｉは
虚数単位）を等価モデルによる計算又は加振試験による
実測結果から求める周波数応答関数算出手段と、上記周
波数応答関数１／Ｈ（ｉω）から、次式によりインパル
ス応答関数ｈ（ｔ）を計算するインパルス応答関数算出
手段と、

【数３】上記集電装置の振動ｙ（ｔ）を測定する振動測定手段
と、この振動ｙ（ｔ）と上記インパルス応答関数ｈ
（ｔ）とから次式

【数４】の重畳積分により上記接触力ｆ（ｔ）を求める接触力算
出手段と、を備えることを特徴とする。

【００１０】ここで、給電線としては、架空電車線（ト
ロリ線）、サードレール等があり、集電装置としては、
パンタグラフ、集電靴等がある。サードレールとは、地
下鉄の軌道の横等に設けた剛体の給電線をいう。集電靴
とは、サードレール用に電車の台車に取り付けた集電装
置のことである。

【００１１】本発明の接触力測定装置においては、上記
集電装置がパンタグラフからなり、上記振動ｙ（ｔ）と
して、このパンタグラフの変位を測定するができる。こ
の場合、上記変位を非接触測定することもできる。

【００１２】本発明の接触力測定装置においては、上記
集電装置がパンタグラフからなり、上記振動ｙ（ｔ）と
して、このパンタグラフの加速度を測定することができ
る。

【００１３】本発明の接触力測定装置においては、上記
集電装置がパンタグラフからなり、上記振動ｙ（ｔ）と
して、このパンタグラフの歪を測定することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施の形
態では、特に架線（トロリ線）とパンタグラフとの間の
接触力（押圧力）を例にとって説明する。図１は、本発
明の一実施例に係る接触力測定装置を含む電気鉄道パン
タグラフ周辺を示す図である。この図において、符号１
は電車の車体屋根であって、この車体屋根１上には、パ
ンタグラフ２が搭載されている。このパンタグラフ２
は、トロリ線３に押しつける前後２組の舟体４を備え
る。これらの舟体４の上表面には、トロリ線３に直接接
触する摺り板５が貼られている。舟体４は、舟体支持バ
ネ６の弾性を介してトロリ線３に押し付けられる。舟体
支持パイプ７の上には前後２組の舟体支持バネ６が取り
つけられており、同パイプ７は同バネ６を介して舟体４
を支持する。舟体支持パイプ７の下には、パンタグラフ
２全体を昇降するリンク構造の枠組８が設けられてい
る。

【００１５】以下各部の概要を説明する。なお材質、寸
法等は現状のＪＲの新幹線の一般的な架線・車両につい
ての数字である。トロリ線３は、径約１５mmの銅線であ
って、交流２５kVの電圧が印加されている。トロリ線３
は、約５ｍおきに吊架線（図示されず）によって吊られ
ている。吊架線は、約５０ｍおきに柱（図示されず）に
よって支えられている。摺り板５は、鉄系や銅系の焼結
合金である。この摺り板５は、トロリ線３との接触によ
り摩耗するので、定期的に交換する。舟体４は、幅４０
mm、長さ１ｍ程度のアルミ製の薄い箱状の部材である。
舟体４をトロリ線３に押し当てる力（通常接触力）は、
５０〜７０Ｎである。

【００１６】舟体支持バネ６は、ゴム製バネやコイルバ
ネである。舟体支持パイプ７は、パンタグラフ２の上部
構造を保持している。枠組８は、リンク構造をしてお
り、押し当てる力を発生するバネ（図示されず）によっ
て上下に昇降する。例えば、非使用時は、枠組８は折り
畳まれて下がり、舟体４はトロリ線３から離れる。

【００１７】上述したようなパンタグラフ２には、以下
に述べるような振動測定手段としてのセンサが配設され
ている。なお、これらのセンサは、いずれか１個を用い
てもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。図１にお
いて右側の舟体４の下面の符号１１は、同面に貼り付け
られた歪ゲージである。この歪ゲージ１１により、舟体
４の弾性変形に係る振動を測定し、それから接触力を計
算する。歪ゲージ１１による方法は、前述のように、貼
り付ける構造体の共振域では誤差が大きくなるが、比較
的高周波域で精度良く振動を測定できる。高電圧印加部
に歪ゲージを貼る場合には、信号を光ファイバー等で測
定機器にまで引き出すことが好ましい。

【００１８】同様に図１において右側の舟体４の左側の
符号１２はビデオカメラである。このビデオカメラ１２
は、舟体４の側面を見ており、同舟体４の高さを画像処
理により測定する。なお、同ビデオカメラ１２のレンズ
は、車両の左右方向（レール幅方向）に像を圧縮する特
殊なレンズであって、舟体４の長手方向に平均化した画
像情報を得ることができる。このビデオカメラ１２によ
る方法は、通常比較的高い周波数域の振動を検出しにく
い。しかし、非接触測定が可能であるのでパンタグラフ
接触力測定装置の構成は極めてシンプルであり、信頼性
も高い。

【００１９】また、同様に図１において右側の舟体４の
下方の舟体支持パイプ７上に配置されている符号１３は
レーザ変位計である。このレーザ変位計１３も、舟体４
の高さの振動を検出するものである。車体屋根１の上の
左手に配置されているのもこれとは別のレーザ変位計１
４である。このレーザ変位計１４は、枠組８の高さ位置
振動を検出する。これらレーザ変位計１３、１４による
測定は、上述のビデオカメラ１２による測定とほぼ同じ
特性である。しかし、高周波数域への対応力はレーザ変
位計１３、１４の方が良い。

【００２０】一方、図１において左側の舟体４の側面の
符号１５、舟体支持パイプ７の下面の符号１６は加速度
計である。この加速度計１５、１６により、舟体４や舟
体支持パイプ７の加速度振動を捕える。加速度による接
触力計算は、接触力の定常力を捕えることはできない。
しかし、高周波数領域の接触力の変動を測定するのに向
いている。

【００２１】そして、これらのセンサ（歪ゲージ１１、
ビデオカメラ１２、レーザ変位計１３、１４及び加速度
計１５、１６）には、以下の構成からなる演算装置が接
続され、これらセンサ及び演算装置によってかかる接触
力測定装置が構成される。すなわち、図２にそのブロッ
ク構成を示すように、センサには、当該センサにより測
定された測定値を増幅して出力するアンプ部（増幅手
段）２１が接続される。このアンプ部２１には、上記測
定値をディジタル信号に変換して出力するＡＤ変換回路
（ディジタル信号変換手段）２２が接続される。このＡ
Ｄ変換回路２２には、フィルタ処理部２３を介して、上
記信号を数値として記憶する振動波形記憶部２４が接続
される。

【００２２】一方、符号２５は、パンタグラフ２の振動
ｙ（ｔ）と当該パンタグラフ２とトロリ線３との接触力
ｆ（ｔ）との間の周波数応答関数１／Ｈ（ｉω）を、等
価モデルによる計算又は加振試験による実測結果から求
める周波数応答関数算出部である。この周波数応答関数
算出部２５には、インパルス応答関数ｈ（ｔ）を計算す
るインパルス応答関数計算処理部２６が接続される（な
お、これら周波数応答関数算出部２５及びインパルス応
答関数計算処理部２６の計算原理は、後述する重畳積分
回路の計算原理において説明する）。このインパルス応
答関数計算処理部２６には、インパルス応答関数記憶部
２７が接続される。

【００２３】そして、上記振動波形記憶部２４とインパ
ルス応答関数記憶部２７とは、符号２８で示す重畳積分
回路（接触力算出手段）に接続される。ここで、上記周
波数応答関数算出部２５、インパルス応答関数計算処理
部２６及び重畳積分回路２８は、以下に述べるような原
理にしたがって計算を実行し、結果として重畳積分回路
２８が、パンタグラフ２とトロリ線３との接触力ｆ
（ｔ）を計算するようになっている。

【００２４】すなわち、振動角周波数をω、虚数単位を
ｉとし、パンタグラフ２に作用する接触力ｆ（ｔ）及び
パンタグラフ２の振動ｙ（ｔ）が以下の式で表されると
する。

【数５】この「数５」中のＺｐは、パンタグラフ２の機械インピ
ーダンス（接触力と上下速度の比）を表す。ｆ（ｔ）、
ｙ（ｔ）の周波数特性をそれぞれＦ（ｉω）、Ｙ（ｉ
ω）とし、これらの間にＹ（ｉω）＝Ｈ（ｉω）・Ｆ
（ｉω）の関係があるとすれば、パンタグラフ２は、接
触力ｆ（ｔ）（入力信号）が作用したときに、振動ｙ
（ｔ）（出力信号）が生じるような、周波数応答関数Ｈ
（ｉω）の特性を有する線形システムと考えることがで
きる。それゆえ、パンタグラフ２の振動から接触力を推
定するためには、この周波数応答関数Ｈ（ｉω）の逆数
１／Ｈ（ｉω）の特性を有する線形システムを考えると
よい。すなわち、パンタグラフの機械インピーダンスを
Ｚｐとし、

【数６】と表すと、Ｙ（ｉω）＝−（１／（ｉωＺｐ（ｉω）））・Ｆ（ｉω）＝Ｈ（ｉω）・Ｆ（ｉω）、Ｈ（ｉω）＝−１／（ｉωＺｐ（ｉω））と表すことができる。そのため、上述の関係が成立し、
周波数応答関数Ｈ（ｉω ）の特性を有する線形システム
と考えることができる。一方、１／Ｈ（ｉω）の特性を
有する線形システムは、振動ｙ（ｔ）（入力信号）が作
用したとき、接触力ｆ（ｔ）（出力信号）が生じるよう
な、１／Ｈ（ｉω）＝−ｉωＺｐ（ｉω）の特性を有する。したがって、この周波数応答関数１／
Ｈ（ｉω）に対するインパルス応答関数をｈ（ｔ）とす
れば、逆フーリエ変換を求めることにより以下の「数
７」が得られる。

【数７】この「数７」に基づき、線形システムの連続的入力に対
する応答を重ね合わせの原理を用いて考慮すると、パン
タグラフ２の接触力は、

【数８】の重畳積分で求められる。なお、この式において積分範
囲を∞〜−∞としているのは、上述した線形システムと
しての入出力関係が因果性時間応答と考えられないため
である。

【００２５】以上のような原理により、重畳積分回路２
８においては、接触力ｆ（ｔ）が算出される。この重畳
積分回路２８には、これによる算出結果をアナログ信号
に変換して出力するＤＡ変換回路（アナログ信号変換手
段）２９が接続される一方、同算出結果を記憶する処理
結果記憶部（算出結果記憶手段）３０が接続される。

【００２６】次に、上記の構成からなる接触力測定装置
の作用について説明する。上記各センサ（歪ゲージ１
１、ビデオカメラ１２、レーザ変位計１３、１４及び加
速度計１５、１６）により、パンタグラフ２の振動が測
定される。すると、この測定値は、アンプ部２１で増幅
された後、ＡＤ変換回路２２でディジタル信号に変換さ
れる。次いで、この信号は、フィルタ処理部２３を介し
て、振動波形記憶部２４において数値として記憶され
る。

【００２７】一方、周波数応答関数算出部２５において
は、周波数応答関数１／Ｈ（ｉω）が計算される。この
計算に基づき、インパルス応答関数計算処理部２６にお
いては、インパルス応答関数ｈ（ｔ）が計算され、この
計算結果は、インパルス応答関数記憶部２７で記憶され
る。

【００２８】そして、重畳積分回路２８では、振動波形
記憶部２４とインパルス応答関数記憶部２７とからの出
力に基づき、パンタグラフ２とトロリ線３との接触力ｆ
（ｔ）が計算される。この計算結果は、ＤＡ変換回路２
９でアナログ信号に変換されて出力される一方、処理結
果記憶部３０で記憶される。したがって、ＤＡ変換回路
２９からの出力に基づき、パンタグラフ２とトロリ線３
との接触力ｆ（ｔ）を観察することができる。

【００２９】図３は、歪測定によるパンタグラフ接触力
測定装置の加振力と測定力比の振幅周波数特性を表すグ
ラフである。（Ａ）は前舟についてのグラフであり、
（Ｂ）は後舟についてのグラフである。横軸は振幅周波
数を示し、縦軸は測定力と加振力の比を示す。図４は、
歪測定によるパンタグラフ接触力測定装置の加振力と測
定力比の位相周波数特性を表すグラフである。（Ａ）は
前舟についてのグラフであり、（Ｂ）は後舟についての
グラフである。横軸は振幅周波数を示し、縦軸は位相差
を示す。

【００３０】図３、４より、接触力推定値と加振力との
比は１に近い。また、その位相は０に近い。すなわち、
接触力が正確に推定されていることがわかる。比が１か
ら外れている主な周波数は数Hz以下と８０Hz近傍であ
り、前者は加振力成分が無いための誤差であり本質的に
は問題にはならない。後者は舟体梁の１次固有振動数に
相当し、システム関数の推定に誤差が含まれるためと考
えられる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の接触力測定方法及びその装置によれば、以下の効果を
得ることができる。予め加振試験等で得られたパンタグ
ラフ要素の振動と接触力との関係を利用するため、精度
の高い測定が可能となる。また計測する対象によっては
比較的高い周波数まで接触力を測定することが可能であ
る。振動計測方法をレーザ変位計や、ビデオカメラ及び
画像処理とした場合には、非接触測定が可能である。さ
らには、本発明により、パンタグラフの接触力が精度良
く測定でき、高速化のための集電性能評価や、架線異常
検知や架線保全管理の効率化、工事施工管理の精度向上
が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態で説明したパンタグラフの構成を
示す模式図である。

【図２】同接触力測定装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図３】歪測定によるパンタグラフ接触力測定装置の加
振力と測定力比の振幅周波数特性を表すグラフである。
（Ａ）は前舟についてのグラフであり、（Ｂ）は後舟に
ついてのグラフである。横軸は振幅周波数を示し、縦軸
は測定力と加振力の比を示す。

【図４】歪測定によるパンタグラフ接触力測定装置の加
振力と測定力比の位相周波数特性を表すグラフである。
（Ａ）は前舟についてのグラフであり、（Ｂ）は後舟に
ついてのグラフである。横軸は振幅周波数を示し、縦軸
は位相差を示す。

【符号の説明】

２パンタグラフ（集電装置）３トロリ線（給電
線）１１歪ゲージ（振動測定手段）１２ビデオカメラ
（振動測定手段）１３、１４レーザ変位計（振動測定手段）１５、１６加速度計（振動測定手段）２１アン
プ部（増幅手段）２２ＡＤ変換回路（ディジタル信号変換手段）２
３フィルタ処理部２４振動波形記憶部２５周波数応答関
数算出部２６インパルス応答関数算出部２８重畳積分回路（接触力算出手段）２９ＤＡ変換回路（アナログ信号変換手段）３０
処理結果記憶部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】給電線と集電装置との間に作用する接触
力を測定する装置であって、上記集電装置の振動ｙ（ｔ）と上記接触力ｆ（ｔ）との
間の周波数応答関数１／Ｈ（ｉω）（ωは振動角周波
数、ｉは虚数単位）を等価モデルによる計算又は加振試
験による実測結果から求める周波数応答関数算出手段
と、上記周波数応答関数１／Ｈ（ｉω）から、次式によりイ
ンパルス応答関数ｈ（ｔ）を計算するインパルス応答関
数算出手段と、【数１】上記集電装置の振動ｙ（ｔ）を測定する振動測定手段
と、この振動ｙ（ｔ）と上記インパルス応答関数ｈ（ｔ）と
から次式【数２】の重畳積分により上記接触力ｆ（ｔ）を求める接触力算
出手段と、を備えることを特徴とする接触力測定装置。
【請求項２】上記集電装置がパンタグラフからなり、
上記振動ｙ（ｔ）として、このパンタグラフの変位を測
定することを特徴とする請求項１記載の接触力測定装
置。
【請求項３】上記集電装置がパンタグラフからなり、
上記振動ｙ（ｔ）として、このパンタグラフの加速度を
測定することを特徴とする請求項１記載の接触力測定装
置。
【請求項４】上記集電装置がパンタグラフからなり、
上記振動ｙ（ｔ）として、このパンタグラフの歪を測定
することを特徴とする請求項１記載の接触力測定装置。