JP3888750B2

JP3888750B2 - パンタグラフの接触力の測定方法

Info

Publication number: JP3888750B2
Application number: JP29844797A
Authority: JP
Inventors: 功成瀬; 将利伊藤; 繁雄鈴木
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd; Central Japan Railway Co
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd; Central Japan Railway Co
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: JPH11136804A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気鉄道集電システムである架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力を連続的に測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の技術によるパンタグラフ接触力の測定方法の説明図である。
同図において、１はトロリ線、２はトロリ線１に接触し集電するためのすり板、３は補助すり板、４は舟体、６は舟体を支持する舟体支エ装置、１２は舟体４に取り付けられた板ばね、１３は板ばねの変形量を測定するための歪ゲージ、１０は上記歪ゲージの出力に基づきパンタグラフの接触力を演算する演算器、１１は演算器１１の出力信号である。
【０００３】
従来の方法においては、上記のように、舟体４を実使用時とは大幅に異なる形状に追加工し、パンタグラフの接触力を測定していた。
すなわち、舟体４中に板ばね１２を設けてすり板２を両端支持し、板ばね１２に歪ゲージ１３を貼り付け、該歪ゲージ１３の出力を演算器１０に入力する。
そして、車両の走行中、振動するトロリ線に押し付けられるすり板１２の変形歪量を上記歪ゲージ１３で測定し、演算器１０により変形歪量を接触力に換算して、パンタグラフの接触力を測定する。
また、上記板ばねの代わりに接触力を測定するための小型荷重計を組み込む方法、あるいは、舟体の支持ばねの伸縮量を接触力に換算してパンタグラフの接触力を測定する方法も行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
歪ゲージ、小型荷重計などの荷重センサを舟体に組み込む従来の方法は、荷重センサが、測定される架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力に最も近接して設置されること、かつ、板ばねに締結されている質量がすり板のみなので周波数応答特性が良好で、測定される接触力変動は高い周波数成分まで得られるという長所がある。
【０００５】
一方、上記した従来の方法は次のような問題点を持っている。
(1) 実走行時における大電流の集電、架線とパンタグラフとの間で発生するアーク、架線とすり板の摺動による摩擦熱により、すり板や板ばねあるいは小型荷重計は高温度となり熱膨張し変形する。このため、測定すべき接触力以外のこれらの要因で大きく荷重センサの出力が変動する。
(2) 板ばねとすり板との固有振動数にもとずく共振出力成分が歪ゲージ出力に混入する。
(3) 板ばねあるいは小型荷重計の舟体への挿入など舟体に相当な変更を加えて装置を組み込む必要がある。また、舟体形状がかわることなどにより機械特性、揚力特性が実使用時の舟体特性と異なる。
【０００６】
また、舟体支持ばねの伸縮量から接触力を求める方法では、すり板の熱膨張、熱変形にもとずく伸縮量に関しての出力変動はないものの、舟体支持ばねと締結されている舟体、すり板からなる系の周波数応答特性により得られる接触力変動は非常に低周波数成分域の測定値になるなどの問題点がある。
【０００７】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであって、既設の舟体になんら特別な加工をすることなく、また、温度上昇による熱膨張、熱変形に基づく歪ゲージ出力変動もなく、高い周波数成分を含む架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力を連続的に測定することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を本発明においては、次のように解決する。
舟体に、所定の隙間を設けてすり板と補助すり板を締結する。また、上記舟体の底面であって上記補助すり板の真下の範囲内に、舟体変形測定用歪ゲージおよび舟体揚力測定用歪ゲージを取り付けるとともに、上記舟体の中央部の底面に舟体加速度センサを取り付ける。
上記舟体変形測定用歪ゲージの取り付け位置は、舟体支持ばねの取り付け位置から第１の距離Ｌ１だけ離れた位置とし、上記舟体揚力測定用歪ゲージの取り付け位置は、舟体支持ばねの取り付け位置から第２の距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）だけ離れた位置とする。
そして、上記舟体変形測定用歪ゲージの変形歪量と、上記舟体揚力測定用歪ゲージの変形歪量と、上記舟体加速度センサにより検出される加速度を演算器に入力し、すり板を架線のトロリ線に押し付けた際のすり板の接触力を算出する。
【０００９】
本発明のパンタグラフ接触力測定方法は、上記のように舟体支持ばねから舟体に加わる力と舟体に加わる揚力により舟体が変形して歪が発生することを利用して架線とパンタグラフとの接触力を測定するものであり、既設の舟体になんら特別な加工することなく、架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力を測定することができる。
また、舟体変形測定用歪ゲージ、舟体揚力測定用歪ゲージ、舟体加速度センサが舟体の底面に取り付けられているため、車両が走行するときの走行風により上記ゲージ、センサ等が冷却され、温度上昇や不均一な温度分布を生ずることがなく、熱膨張、熱変形の影響を受けることがない。
【００１０】
さらに、通常、舟体と同一の材料で形成される補助すり板の直下の範囲内に、歪ゲージを取り付けるとともに、補助すり板とすり板を所定の隙間を設けて舟体に取り付けたため、これらの温度が上昇しても、すり板と舟体との間で生じる異種金属の熱膨張係数差に基づくバイメタル効果による舟体の変形、あるいは不均一な温度分布に基づく変形歪により、舟体変形測定用歪ゲージと舟体揚力測定用歪ゲージが影響を受けることがない。
またさらに、演算器を用いて、舟体変形測定用歪ゲージと舟体揚力測定用歪ゲージによる測定出力をそれぞれに応じて力換算して合算し、それを舟体中央部底面に取り付けた舟体加速度センサから換算して求めた舟体慣性力で補正しているので、架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力を、高い周波数成分まで高精度にかつ連続的に測定することができる。
【００１１】
【発明の実施形態】
図１は本発明における１実施例を示す図である。本実施例は、補助すり板とすり板を隙間Ｌ３（例えばＬ３＝０．６ｍｍ程度）開けて舟体に締結し、舟体支持ばね取り付け位置より距離Ｌ１（例えばＬ₁＝４０ｍｍ程度）だけ離れた位置に舟体変形測定用歪ゲージを取り付け、また、舟体支持ばね取り付け位置より距離Ｌ２（例えばＬ₂＝１９５ｍｍ程度）だけ離れた位置に舟体揚力測定用歪ゲージを取り付け、さらに、舟体中央部の底面に舟体加速度センサを取り付けた場合を示している。
同図において、前記図６に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、１はトリロ線、２はすり板、３は補助すり板であり、すり板２と補助すり板３は、隙間Ｌ３だけ離して舟体４に締結されている。
【００１２】
５は舟体支持ばねであり、舟体４は舟体支持ばね５を介して舟体支エ装置６に取り付けられている。
７は舟体変形測定用歪ゲージ、８は車両走行中に舟体４に作用する揚力を測定するための舟体揚力測定用歪ゲージ、９は舟体の底面の中央部に取り付けられた加速度センサであり、これらの出力は演算器１０に入力される。
上記舟体変形測定用歪ゲージ７、舟体揚力測定用歪ゲージ８の取り付け位置は、所望する出力信号の大きさにより適宜決定することができるが、舟体の曲げモーメントを簡単に求めるためには、歪ゲージ７はトロリ線１の摺動範囲外に取り付ける必要があり、また、前記したバイメタル効果による舟体の変形による影響を回避するためには、歪ゲージ８は補助すり板３の直下の範囲内に取り付ける必要がある。
【００１３】
歪ゲージ７がトロリ線１の摺動範囲内に取り付けられていると、図２（ａ）に示すようにトロリ線１が歪ゲージ７と舟体支持ばね５の間にあるとき、歪ゲージ７の取り付け位置において舟体４にはたらく曲げモーメントＭはＭ＝Ｆ１・Ｌ１−Ｐ・Ｌ２（ここで、Ｆ１は舟体支持ばね５による力、Ｐは接触力である）となり、後述するように、曲げモーモントＭ１から舟体支持ばね５による力Ｆ１を簡単に求めることができなくなる。
【００１４】
また、通常、すり板２は鉄系の材料で形成され、舟体４、補助すり板３はアルミニウムで形成される。このため、すり板２の取り付け部分は、異種金属の結合によるバイメタル効果により温度上昇したとき変形する。
歪ゲージ７，８をすり板２の取り付け部分に取り付けると、上記バイメタル効果による変形に歪ゲージ７，８が応動し、接触力による曲げモーメントを正しく検出することができない。
一方、補助すり板３の取り付け部分は、同種金属で形成されているため、上記バイメタル効果が生じないので、接触力による曲げモーメントを精度良く検出することが可能である。
【００１５】
したがって、歪ゲージ７は図２（ｂ）に示すトロリ線１の摺動範囲外であって、補助すり板３の直下の範囲内に取り付ける必要があり、歪ゲージ８は補助すり板３の直下の範囲内に取り付ける必要がある。
以上のような理由から、本実施例では、舟体変形測定用歪ゲージ７を、トロリ線１の摺動範囲外で、舟体支持ばね５から距離Ｌ１離れた位置に取り付け、また、舟体揚力測定用歪ゲージ８を、補助すり板３の直下の範囲内で、舟体支持ばね５から距離Ｌ２離れた位置に取り付けており、Ｌ２＞Ｌ１に選定している。
【００１６】
次に本実施例における架線とパンタグラフの接触力の測定について説明する。
振動するトロリ線１に押し付けられて走行する舟体４には、舟体支エ装置６以下から舟体支持ばね５を介して加わる実作用力と、走行風による上向きあるいは下向き実作用力である揚力と、加速度運動に基づく舟体慣性力が作用している。
まず、舟体４に作用する力の内、舟体支エ装置６以下から舟体支持ばね５を介して加わる実作用力について説明する。
舟体４には、図３に示すようにトロリ線１からの力（接触力）Ｐと、舟体支持ばね５からこれに対向する力Ｆ１，Ｆ２が作用しており、ＰとＦ１，Ｆ２は次の式（１）関係にある。
歪ゲージ７が、図３に示すように舟体支持ばね５の作用点からＬ１の距離に取り付けられている場合、上記Ｆ１，Ｆ２の内の力Ｆ１について考えると、歪ゲージ７にはたらく曲げモーメントＭは次の（２）式で表される。
歪ゲージ７における応力σ１は、Ｚを断面係数とすると次の（３）式で表される。
【００１７】
【数１】
Ｐ＝Ｆ１＋Ｆ２（１）
Ｍ＝Ｆ１・Ｌ１（２）
σ１＝Ｍ／Ｚ＝Ｆ１・Ｌ１／Ｚ（３）
【００１８】
ここで、歪ゲージ７の出力をε１、Ｅを縦弾性係数とすると、応力σ１とε１は次の（４）式の関係にあり、Ｆ１は次の（５）となる。
【００１９】
【数２】
σ１＝ε１・Ｅ（４）
Ｆ１＝ε１・Ｅ・Ｚ／Ｌ１＝ε１・Ａ（５）
【００２０】
ここで、上記Ａは歪み換算係数であり、Ａ＝Ｅ・Ｚ／Ｌ１である。
すなわち、歪ゲージ７の出力ε１に歪み換算係数Ａを掛けることにより、前記した舟体支持ばね５を介して舟体４加わる実作用力Ｆ１を求めることができる。
また、実作用力Ｆ２についても上記と同様に求めることができ、Ｆ２は次の（５’）式となる。
以上のように、歪ゲージ７の間に架線がある場合には、架線の位置にかかわらず、実作用力Ｆ１，Ｆ２を求めることができる。
【００２１】
【数３】
Ｆ２＝ε２・Ｅ・Ｚ／Ｌ１＝ε２・Ａ（５’）
【００２２】
次に、舟体４に作用する力の内、走行風により舟体４にはたらく揚力Ｗについて説明する。
走行風により舟体４にはたらく揚力が等分布荷重であると仮定すると、車両が走行中、舟体４には図４に示すように、単位長さ当たりＷ（kgf/m)の揚力がはたらく。
歪ゲージ７，８が、図４に示すように舟体支持ばね５の作用点からＬ１，Ｌ２の距離に取り付けられていると、揚力により歪ゲージ７，８にはたらく曲げモーメントＭ７，Ｍ８はそれぞれ次の（６）（７）式で表される。したがって、歪ゲージ７，８の出力ε７，ε８は次の（８）（９）式で表され、ε８とε７の差を求めると、次の（１０）式のようになる。
【００２３】
【数４】

【００２４】
ここで、ε８’＝ε８・（Ｌ１／Ｌ２）とおくと、ε８’は次の（１１）式となり、ε８’とε７の差を求めると次の（１２）式が得られる。
ε８’とε７の差をε’とすると、単位長さ当たりの揚力Ｗは次の（１３）式で表され、舟体４にはたらく揚力Ｗ・（Ｌｏ−２Ｌ１）〔Ｌｏは舟体４の全長〕は次の（１４）式となる。
【００２５】
【数５】

【００２６】
すなわち、前記（１０）式における第１項目が０になるように歪ゲージ８の力換算係数を適当に選定すれば、歪ゲージ８と歪ゲージ７の差より、単位長さ当たりの揚力Ｗを求めることができる。
例えば、舟体４を揚力がはたらかない状態にした上で、歪ゲージ７と歪ゲージ８の差が０になるように歪ゲージ８の力換算係数を操作すれば、上記（１０）式における第１項目を消去することができ、歪ゲージ８と歪ゲージ７の差より舟体４にはたらく揚力Ｗ・（Ｌｏ−２Ｌ１）を求めることができる。
以上のように、車両速度に応じて変化する舟体揚力を歪ゲージ８と歪ゲージ７の差より簡単に算出することができる。なお、上記係数Ｃ’は実用上は、風洞実験等により求めることが可能である。
【００２７】
次に、舟体４に作用する力の内、加速度運動に基づく舟体慣性力ついて説明する。
図５は、トロリ線１と舟体４に作用する力を模式的に示した図でありｍは舟体の質量、Ｐはトロリ線１からの力（接触力）、Ｐｏは舟体支持ばね５から舟体４に加わる力、αは舟体５の加速度を示している。
同図において、接触力Ｐは次の（１５）式で表される。
【００２８】
【数６】
ｍα＝Ｐｏ−Ｐ
Ｐ＝Ｐｏ−ｍα＝Ｐｏ＋（−ｍα）（１５）
【００２９】
すなわち、接触力Ｐは、舟体支持ばね５から舟体４に加わる力を慣性力（−ｍα）で補正することにより求めることができる。
以上の原理に基づき、演算器１０は次のようにしてパンタグラフの接触力を演算する。
舟体変形測定用歪ゲージ７は、舟体支持ばね５による力Ｆ１と距離Ｌ１の間にはたらく揚力による舟体曲げモーメントの大きさに比例した舟体変形歪量を測定する。
舟体揚力測定用歪ゲージ８は、舟体支持ばね５による力Ｆ１と距離Ｌ２の間に働く揚力による舟体曲げモーメントの大きさに比例した舟体変形歪量を測定する。
さらに、加速度センサ９は、舟体４に加わる加速度αを検出する。
【００３０】
これら歪ゲージ７，８、加速度センサ９の出力を演算器１０に入力する。演算器１０は、舟体揚力測定用歪ゲージ８により測定された舟体変形歪量から舟体変形測定用歪ゲージ７により測定された舟体変形歪量を減算して、舟体４の距離Ｌ１−Ｌ２間に作用する局部揚力変形歪量を舟体（Ｌｏ−２Ｌ１）に作用する揚力変形歪量に換算する。
そして、舟体変形測定用歪ゲージ７により測定された変形歪量を上記揚力変形歪量に加算し、パンタグラフにはたらく実作用力に換算する。
【００３１】
さらに、加速度センサ９により検出された舟体４に作用する加速度と舟体４の質量との相乗積から舟体慣性力を求め、前記上記舟体４にはたらく実作用力を舟体慣性力で補正する。これにより、トロリ線１の舟体４上に位置に係わらず、架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力に対応した出力信号１１を得ることができる。
上記のようにして得た架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力は、光ファイバ、ＦＭテレメータ等により車内に伝送され記録される。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、既設のパンタグラフを用いて、舟体に特別の加工をすることなく、高い周波数成分を含む架線とパンタグラフの間の相互に作用する接触力を高精度に連続的に測定することができる。
また、集電電流、架線とパンタグラフの間で発生するアーク等によるすり板等の熱膨張、熱変形の影響を受けることがない。
このため、走行電流を流すなどの実使用条件のままで、電気鉄道集電システムにおける架線とパンタグラフの間で作用する接触力測定を行うことが可能となり、パンタグラフにおける離線等の追従特性や揚力特性、架線の内のトロリ線における偏磨耗の早期発見等などを走行車両から簡易に、しかもリアルタイムに計測したり保守点検を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における架線とパンタグラフとの間に作用する接触力の測定方法を説明する図である。
【図２】歪ゲージ７，８の取り付け位置を説明する図である。
【図３】舟体支持ばねを介して舟体に加わる実作用力の算出を説明する図である。
【図４】舟体にはたらく揚力の算出を説明する図である。
【図５】加速度運動に基づく舟体慣性力補正を説明する図である。
【図６】従来方法を説明する図である。
【符号の説明】
１トロリ線
２すり板
３補助すり板
４舟体
５舟体支持ばね
６舟体支エ装置
７舟体変形測定用歪ゲージ
８舟体揚力測定用歪ゲージ
９舟体加速度センサ
１０演算器
１１出力信号
１２板ばね
１３歪ゲージ

Claims

電気鉄道集電システムである架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力を測定する方法であって、
舟体に、所定の隙間を設けてすり板と補助すり板を締結し、
上記舟体の底面であって上記補助すり板の真下の範囲内に、舟体変形測定用歪ゲージおよび舟体揚力測定用歪ゲージを取り付けるとともに、上記舟体の中央部の底面に舟体加速度センサを取り付け、
上記舟体変形測定用歪ゲージの取り付け位置を、舟体支持ばねの取り付け位置から第１の距離Ｌ１だけ離れた位置とし、上記舟体揚力測定用歪ゲージの取り付け位置を舟体支持ばねの取り付け位置から第２の距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）だけ離れた位置とし、
上記舟体変形測定用歪ゲージの変形歪量と、上記舟体揚力測定用歪ゲージの変形歪量と、上記舟体加速度センサにより検出される加速度を演算器に入力し、
上記演算器により、すり板を架線のトロリ線に押し付けた際のすり板の接触力を算出する
ことを特徴とするパンタグラフ接触力測定方法。