JP4001417B2

JP4001417B2 - 損傷検出炭素集電靴

Info

Publication number: JP4001417B2
Application number: JP11790198A
Authority: JP
Inventors: バッシュ，ベルン; ギヨー，フレデリック
Original assignee: Carbone Lorraine Applications Electriques
Current assignee: Carbone Lorraine Applications Electriques
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: ES2302346T3; KR100488646B1; EP0872374A1; EP0872374B1; DE69839103T2; KR19980081286A; FR2761938A1; FR2761938B1; US5969233A; DE69839103D1; JPH10304505A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は損傷検出炭素集電靴に関するもので、「摩擦バンド」または「パンタグラフの弓状の部分」などの別名で呼ばれることもある。これらの集電靴は、一般的にカテナリーケーブルなどの配電固定手段と、一般的にパンタグラフに固定されたＵ字金具とによって前記炭素集電靴を担持しているパンタグラフを備えた、電気機関車などの電力を消費する可動装置の間で電力を移送するのに用いられる。
【０００３】
【従来の技術】
【０００４】
損傷検出装置を含む炭素集電靴を記載した特許はすでにいくつか知られている。集電靴はＵ字金具と摩耗バンドを含み、一般的にバンドはその内面上に流体を封入した長手方向の気密室を含むか形成する溝を内部に備えて、前記摩耗バンドが過剰に損耗した場合または破断した場合に、前記室の気密性が喪失して、前記流体の漏洩または圧力変化を引き起こし、漏洩または前記室内の圧力変化を検出することによって、電力移送手段のいっさいの過剰な損傷の前に、とくにカテナリー吊線またはケーブルが損傷する前にパンタグラフおよび前記集電靴を後退させる。
【０００５】
英国特許GB1374972において、前記室は管であり、材質はシリコンゴム、または、例えば、200℃の動作温度に耐えられるPTFEなどのプラスチックを始めとする他の材料である。
【０００６】
出願人名義のフランス特許FR-A1-2663592において、前記摩耗バンド内の亀裂の出現の検出感度を始めとする、感度を向上させるために、前記室は前記摩耗バンドと同じ機械特性値を示す炭素化材料とする管である。
【０００７】
米国特許第5189903号（＝EP415972）において、前記室は気密層と、前記摩耗バンドと前記溝の基部に銅を亜鉛メッキすることによって気密にした前記溝の壁によって形成される。
【０００８】
欧州特許EP-A1-402666において、前記室は樹脂によって気密にした前記溝の上壁によって、および上部が開いたAlまたはCuあるいは合金製の金属部材によって形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
出願人は現状技術による集電靴、特にフランス特許FR-A1-2663592によって得られたものを使用したときに二つのタイプの問題に気づいた。すなわち、一方では前記摩耗バンド内の亀裂の発生に対する感度があまりに高すぎ、他方では低圧（ただし高電流）配電に適していないことである。
【００１１】
実際、一方では、前記摩耗バンド内に亀裂が発生したときに不都合に検出され、実際には前記摩耗バンドが使用不可ではないことがあり、それが重大な障害にもなる。なぜなら、全ての亀裂が損傷や、あるいは集電靴の交換を正当化する損傷の恐れへと自動的かつ直ちに進行するわけではなく、このような損傷にあたるのは典型的には摩耗バンドの切断や、前記摩耗バンドを構成する炭素化材料の塊の分離であるから、摩耗バンド内に単なる亀裂が発生しただけで、広々とした平野の中で列車が停止することは許容できないからである。
【００１２】
他方では、特に欧州横断高速列車において、現状技術の集電靴が横断する異なる国々の全てのタイプの配電に適合していないこと、特に1.5kVの比較的低圧（ただし、例えば、少なくとも1100A以上の高電流）の電源に適合していないことが明らかになった。実際、後者の場合、特にフランス特許FR-A1-2663592によって得られた集電靴では、集電靴温度の非常な上昇が認められ、温度は500℃に達し、さらには越えたので、集電靴の寿命、前記摩耗バンドとＵ字金具の間の連結（溶接、接着、など）の堅牢性に、したがって、摩耗バンドと、前記摩耗バンドの支えの役割を果たすだけでなく、たいていの場合、摩耗バンドと牽引車のモーターの電源回路入口の間の電流の伝導を保守する役割を有するＵ字金具の間の電流の伝導にも損害を与えると思われる。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、単なる亀裂は感知せず、異なる電源、特に低圧電源、したがって、高電流に、特に欧州横断高速列車（TGV）の場合に適合した損傷または摩耗検出器を備えた損傷検出炭素集電靴を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の目的は、あらゆる速度において、特に超高速において、安定した動作を示すように、重量と空力特性を始めとする、その他の基準または使用によって課される制約を満たす集電靴を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の課題を解決するための手段は、架線から機関車に電力を移送するのに役立つ損傷検出炭素集電靴において、パンタグラフに固定されたＵ字金具の上に取り付けられた摩耗バンドを有し、前記摩耗バンドは黒鉛を含有し、検出装置に接続された流体を封入した長手方向の気密室を備え、前記摩耗バンドが過度に損耗した場合、または破断した場合に、前記室が破損するか穿孔されて前記流体の圧力変化を引き起こし、この変化を検出することによって、電力移送手段およびとくに架線のいっさいの過度の損傷の前にパンタグラフと前記摩耗バンドを支えているＵ字金具を後退させ、また前記長手方向の室が少なくとも400℃まで熱的に安定で、硬度が４（Mohs硬度）未満で、前記摩耗バンドから前記機関車に電力を移送する際に伝導体の役割を果たすように、少なくとも黒鉛以上の伝導率の材料による気密管状部材によって構成されることを特徴とする。
【００１７】
したがって、本発明は、前記気密部材を形成するために、上述の特性の組み合わせを示すいっさいの材料の使用によって構成することができる。
【００１８】
実際、本願発明者らは現状技術に基づく、集電靴の数多くの形状を試験したが、課題を解決できなかった。そこで、本願発明者らは、黒鉛以上の伝導率の材料によって気密管状部材を形成し、電流の一部を前記部材を通って分流させ、それによって前記摩耗バンドの熱的制約を減らし、他方では架線の保護と架線に危険を及ぼすような欠陥のみを単なる亀裂よりも優先して検出するような着想を得ることで、初めて課題を解決することができた。
【００１９】
したがって、本願発明者らは、前記摩耗バンド内に出現し得る亀裂をできるだけ早く検出しようとする通常の取り組みを故意に避けた。
【００２０】
【実施例】
【００２１】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００２２】
全ての図面は本発明による損傷検出炭素集電靴に対応するものである。
図１は、曲率（曲率半径9.965ｍ）である損傷検出炭素集電靴の正面図である。
図２は、図１のＧ方向に対応する底面図である。
図３は、図２の損傷検出炭素集電靴の先端の部分拡大底面図である。
図４は、図３の軸Ｃ−Ｃに沿った長手方向の部分縦断面図である。
図５は、図１のＡ−Ａ線に沿った損傷検出炭素集電靴の短手方向の縦断面図である。
図６は、本発明の損傷検出炭素集電靴の短手方向の縦断面図の部分拡大図である。
図７は、本発明の損傷検出炭素集電靴の異なる実施例を示す縦断面図の部分拡大図である。
【００２３】
図１中に点線で示したのは、そのそれぞれの端部に検出装置（３）への接続エルボ（５０）を備えることができる中空部材（５）である。また、図１中の番号（６）は架線である。
【００２４】
図２中のＵ字金具（４）の長さは1.156ｍである。摩耗バンドの長さは1.030ｍで、厚みはそれぞれの端100mmの部分が先端に向けて逓減している。
【００２５】
図１と図２では、二つの接続エルボ（５０）の位置と、パンタグラフ（図示されていない）へのＵ字金具（４）の固定脚（４１）の位置が図示されている。図２には、導体ケーブル（図示されていない）を固定するための８つの埋め込み用の穴（２３）の位置が示されている。
【００２６】
図３では、パンタグラフへのＵ字金具（４）を固定する補助手段（４３）、ならびに、点線で導体ケーブル（７）が示されている。
【００２７】
図４では、埋め込み用の穴（２３）によって摩耗バンド（２）に固定された導体ケーブル（７）の配置を示している。これらの導体ケーブル（７）はＵ字金具（４）の金属製の固定脚（４１）に接続されている。
【００２８】
図５では、摩耗バンド（２）の長手方向接合縁（２２）とＵ字金具（４）のフランジ（４０）との協同による摩耗バンド（２）とＵ字金具（４）とを組み合わせた状態を示している。また、摩耗バンド（２）の溝（２０）とＵ字金具（４）の基部（４４）の長手方向溝（４２）とで形成された気密室内に固定された中空部材（５）を示している。
【００２９】
前記中空部材（５）は、好適には、前記摩耗バンド（２）の下表面に形成された長手方向溝（２０）内に、少なくとも一部が、配置された金属製の管である。
【００３０】
図６では、摩耗バンド（２）は、溶接層（９）によって前記摩耗バンド（２）の基部（４４）をＵ字金具（４）のフランジ（４０）に溶接できるように、銅の電解メッキによって厚みが10μmの薄い金属層（８）によって下部が被覆されている。
【００３１】
前記中空部材（５）は、架線（６）の保護の役割を果たすためには、図５と６に明らかなごとく、前記摩耗バンド（２）の損耗後に、あるいは破断した場合に、前記架線（６）が前記中空部材（５）と接触し、それを貫通した後にフランジ（４０）と接触するように、前記中空部材（５）の上端位置が、前記Ｕ字金具（４）のフランジ（４０）の上端位置（図６中に破線で示す）よりも高くなることが望ましい。
【００３２】
図７では、本発明の損傷検出炭素集電靴の異なる実施例を示す縦断面図の部分拡大図であり、７ａ〜７ｉに形状、厚み等が異なる様態を示している。具体的には、形状、中空部材（５）の断面、摩耗バンド（２）の溝（２０）の対応する形状、Ｕ字金具（４）の基部（４４）上の長手方向溝（４２）の有無、さらには中空部材（５）の厚みが異なり、特に、７d、７eおよび７ｉの中空部材（５）はより厚くなっている。
【００３３】
先に述べたごとく、解決すべき問題の一つは集電靴（１）の加熱、とくに機関車が高電流の給電を受けている際の前記摩耗バンド（２）の加熱である。
本発明は、架線（６）と導体ケーブル（７）の間に流れる電流の一部が前記伝導性の中空部材（５）を通って流れるようした。
したがって、中空部材（５）の厚みと断面積は、中空部材（５）による電力移送に対応する、電流の全密度に対する割合に応じて選択することが適切である。好適には、前記中空部材（５）の厚みと断面積は、架線と機関車の間で移送される電流の全密度の少なくとも１０％の長手方向移送を確保するように選択されることが望ましい。
【００３４】
実際上の理由から、前記中空部材（５）は、好適には、ＣｕとＣｕ合金、ＡｌとＡｌ合金製の管から選択した、伝導性の高い、金属管とする。また、400℃まで熱的に安定で、硬度が４（Mohs硬度）未満で、前記摩耗バンド（２）から機関車に電力を移送する際に伝導体の役割を果たすように、少なくとも黒鉛以上の伝導率の材料による気密管状形のものとする。架線（６）は、銅の合金、一般的にはＣｕＡｌ型の合金であるので、架線（６）のいっさいの損傷の恐れを低減するために、前記中空部材（５）を構成する材料は、架線（６）より低い硬度とすることができる。好適にはできるだけ軽量で、できるだけ伝導性の高い金属と合金を選択する。環境温度（室温）での電気抵抗は、好適には２０μΩ・ｃｍ未満、より好適には１２μΩ・ｃｍ未満である。
【００３５】
銅の伝導体１ｍｍ²あたりに流れることのできる電流密度は、一般的に５Ａ程度なので、かなりの電流密度が前記中空部材（５）内を流れる。従って、前記中空部材（５）の伝導部分の断面積は、有利には１０ｍｍ²以上の、好適には５０ｍｍ²を越えることが望ましい。実施上の理由から、前記中空部材（５）の断面積は、一般的に１００ｍｍ²未満である。
【００３６】
有利には、前記中空部材（５）は、その伝導特性に応じた熱伝導特性を有する。したがって、必要ならば前記中空部材（５）内に流体を循環させて、あるいはさらに前記中空部材（５）を排熱できるいっさいの熱交換手段に接続して前記摩耗バンド（２）の冷却に使用することができる。好適には、熱伝導性は０．１Ｗ／ｃｍ・Ｋを越え、さらに好適には１Ｗ／ｃｍ・Ｋを越える。
【００３７】
非制限的な例として、図に明示した寸法で、図１から図５に示した損傷検出炭素集電靴を製造した。
【００３８】
摩耗バンド（２）は２０重量％の銅を含浸した黒鉛である。前記摩耗バンド（２）の下部には銅を電解メッキして、前記摩耗バンドをＵ字金具（４）のフランジ（４０）に溶接するのに必要なおよそ10μｍの厚みの銅の層を形成した。Ｕ字金具（４）は鋼鉄製である。中空部材（５）は直径10mm、厚みが0.5mm、中空部材（５）の伝導部分の断面積が15mm²の銅の管である。
【００３９】
摩耗バンド（２）の抵抗率を減らすためには、前記摩耗バンド（２）が銅含浸黒鉛で構成されることが有利である。
【００４０】
本発明の損傷検出炭素集電靴（１）は、図６に示すように、フランジ（４０）と前記摩耗バンド（２）の対向する部分の間に溶接層（９）を付着させた後で、前記摩耗バンド（２）をＵ字金具（４）のフランジ（４０）内に填め込み、前記フランジ（４０）を前記摩耗バンド（２）の対向する部分と溶接することによって構成される。
【００４１】
中空部材（５）は、摩耗バンド（２）をＵ字金具（４）のフランジ（４０）内に填め込んだときに、摩耗バンド（２）とＵ字金具（４）との間に固定されるので、損傷検出炭素集電靴（１）の組立を容易に行うことができる。該中空部材（５）は、損傷検出炭素集電靴（１）が加熱・冷却されたときに、該損傷検出炭素集電靴（１）の性能を損なうことなしに長手方向に膨張・収縮するものであり、その方向に十分な自由度を有するものである。
【００４２】
なお、図示は省略するが、中空部材（５）は、機械加工によって形成することが比較的容易な溝の中に、前記中空部材を配置する代わりに、前記摩耗バンド（２）の本体内に形成した長手方向リーマー通しの中に配置することもできる。
【００４３】
図３、４に示すように、導体ケーブル（７）の端を固定するように、固定脚（４１）の両側で前記摩耗バンド（２）の中に４つの即ち全部で８つの埋め込み用の穴（２３）が形成されている。これらの導体ケーブル（７）は、本実施例では、前記中空部材（５）と電気的に接触していない。図４に示すように、これらの導体ケーブル（７）は、それ自体がＵ字金具（４）と電気的に接触して、該Ｕ字金具（４）に溶接されている固定脚（４１）と電気的に接触している。
【００４４】
本発明の他の実施態様によれば、図示は省略するが、電力移送がＵ字金具（４）によって、あるいは摩耗バンド（２）の基部にメッキされた薄い金属層（８）に溶接された導体ケーブルによってもなされるようにすることもでき、かかる実施例の場合には図４に示す導体ケーブル（７）は必須ではない。
【００４５】
本発明による損傷検出炭素集電靴（１）は、超高速列車（ＴＧＶ）上で、特にに前記摩耗バンド（２）の温度を測定するために計装したパンタグラフで試験した。
【００４６】
本発明による損傷検出炭素集電靴は、低電圧で高い電流（1100A）の電源の場合、前記摩耗バンド内で達する最高温度はおよそ300℃で、これに対し、現状技術の集電靴で達する温度は600℃である。このように大きな温度差は重大な影響を引き起こす。実際、300℃を超える温度では、使用された溶接または鑞付けが溶けるか、溶ける恐れがあり、また、摩耗バンドの酸化と脆弱化の恐れが温度上昇と共に増加する。現状技術で知られているものよりも、本発明による集電靴によれば熱衝撃の恐れが減少するので、亀裂発生の可能性が低下する。
【００４７】
さらに、本発明による損傷検出炭素集電靴は、摩耗バンドに亀裂が発生しても全く影響がなく、パンタグラフの後退と、ＴＧＶの無用な停止を招かない。
【００４８】
本発明によれば、架線との摩擦またはアークによる中空部材の穿孔によるパンタグラフの後退は、主としてＴＧＶラインを保護し、架線の損傷防止のために起きる。ＴＧＶラインを数キロメートルに渡って損傷させるよりもＴＧＶを停止させる方が望ましく、損傷検出炭素集電靴の摩耗バンドに亀裂が生じただけで平野の真ん中でＴＧＶを停止させることは好ましくない。したがって、重要なのはＴＧＶラインの損傷を招くような重大な事故の恐れに対して備えることであり、集電靴の摩耗バンドの損耗の監視とそれらの通常の損耗後の交換は通常の保持措置で対処できるので、前記摩耗バンドの全ての損傷の始まりを検出することではない。
【００４９】
現状技術に開示されているのとは異なる方向に目を向けることによって、本発明は現状技術で知られている集電靴の課題を単純かつ経済的に解決することができた。
【００５０】
したがって、本発明は上述の手段だけに限定されず、種々の伝導性部材を使用して前記集電靴の温度を制御することに基づく数多くの実施態様にも道を開くものである。
【００５１】
実際、必要があれば、本発明によれば、例えば、電流の移送や、前記摩耗バンドの、一番高温になる、中央部分の冷却のために熱の移動に貢献することを目的として熱伝導性および伝導性材料の少なくとも一つの別の（非管状）部材を前記管状部材に追加することによって、前記集電靴の温度をさらに下げることができるだろう。
【００５２】
【発明の効果】
【００５３】
本発明によると、単なる亀裂は感知せず、異なる電源、特に低圧電源、したがって、高電流に、特に欧州横断高速列車（TGV）の場合に適合した損傷または摩耗検出器を備えた損傷検出炭素集電靴を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】損傷検出炭素集電靴の正面図である。
【図２】図１のＧ方向に対応する底面図である。
【図３】図２の損傷検出炭素集電靴の先端の部分拡大底面図である。
【図４】図３の軸Ｃ−Ｃに沿った長手方向の部分縦断面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ線に沿った損傷検出炭素集電靴の短手方向の縦断面図である。
【図６】本発明の損傷検出炭素集電靴の短手方向の縦断面図の部分拡大図である。
【図７】本発明の損傷検出炭素集電靴の異なる実施例を示す縦断面図の部分拡大図である。
【符号の説明】
１損傷検出炭素集電靴
２摩耗バンド
３検出装置
４Ｕ字金具
５中空部材
６架線
７導体ケーブル
８金属層
９溶接層
２２長手方向接合縁
２３穴
４０フランジ
４１固定脚
４２長手方向溝
４３補助手段
４４基部

Claims

架線から機関車に電力を移送するのに役立つ損傷検出炭素集電靴において、
黒鉛を含有した摩耗バンドを備え、検出装置に接続された流体を封入した長手方向の気密室を備え、前記摩耗バンドが過度に損耗または破断した場合に、前記室が破損するか穿孔されて前記流体の圧力変化を引き起こし、この変化を検出することによって、電力移送手段および特に架線のいっさいの過度の損傷の前にパンタグラフと前記摩耗バンドを支えているＵ字金具を後退させるパンタグラフに固定されたＵ字金具の上に取り付けられた摩耗バンドから成り、
前記長手方向の気密室内の部材が少なくとも400℃まで熱的に安定で、硬度が４（Mohs硬度）未満で、前記摩耗バンドから機関車に電力を移送する際に伝導体の役割を果たすように、少なくとも黒鉛以上の伝導率の材料によって形成されることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１に記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材が、前記摩耗バンドの下表面に形成された長手方向溝内に、少なくとも一部が、配置された金属製の管であることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１に記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材が前記摩耗バンドの本体内に形成した長手方向リーマー通しの中に配置した金属管であることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から３のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記摩耗バンドの損耗後に、あるいは破断した場合に、前記架線が前記部材と接触し、それを貫通した後にＵ字金具のフランジと接触するように、前記部材の上端位置が、前記Ｕ字金具のフランジの上端位置のよりも高いことを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項４に記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材が前記損傷検出炭素集電靴の性能を損なうことなしに長手方向に膨張・収縮できるようにその方向に十分な自由度を有することを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から５のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材の厚みと断面積が前記部材内を流れるはずの、電力の前記移送に対応する、電流の全密度に対する割合に特に応じて選択されることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項６に記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材の厚みと断面積が架線と機関車の間で移送される電流の全密度の少なくとも10％の長手方向移送を確保するように選択されることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から７のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材が、CuとCu合金、AlとAl合金製の管から選択した金属管であることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から８のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材の伝導部分の断面積が10mm² 以上の、好適には50mm²を越えるものであることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から９のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記摩耗バンドが銅含浸黒鉛で構成されることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から10のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
架線から前記機関車に電力を移送するために前記摩耗バンド内に固定された導体ケーブルを備えていることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から11のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
前記部材を構成する材料が、架線より低い硬度を示すことを特徴とする損傷検出炭素集電靴。
請求項１から12のいずれか一つに記載の損傷検出炭素集電靴において、
部材が熱伝導特性を有し、前記摩耗バンドの冷却に使用することができることを特徴とする損傷検出炭素集電靴。