JP4476745B2 - 架線接触力検出装置付舟体 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の集電装置に係わり、特に高速走行する鉄道車両の集電装置において騒音低減と離線率低減と架線磨耗低減に好適な架線接触力検出装置付舟体に関する。

鉄道車両の高速化に伴いその発生騒音が増加し、環境の保全に対応する改善要求は今後ますます高まるものと考えられる。その中で、近年の高速車両において、集電装置は最も低騒音化が求められている部位であり、その集電装置から発生する主たる騒音源である空力騒音と共に、高速化に伴い舟体へ加わる変動揚力の増大により、架線とすり板との離線率が増加し、アーク騒音が問題になると考えられる。また、ライフサイクルコスト低減の観点からも架線とすり板の磨耗低減が求められている。

このような要求に対して、走行中の車両において、架線とすり板の接触力を自動的に制御し接触力を一定に維持して走行することで、架線とすり板の離線を防止しアーク騒音を低減し、架線とすり板の摩耗低減を図ったアクティブ制御集電装置がある（例特許文献１、２）。また舟体のような高電位部における接触力検出装置として光ファイバーを用いた文献３のような技術がある。

図９ないし図１２に従来の技術による接触力検出装置付舟体の概念図を示す。図１０は図９の詳細図、図１２は図１１の詳細図である。図９はすり板２の両端をバネ機構４により支持し、舟体内部に引通した２本の光ファイバー９を設け、図１０のように光ファイバー９の一端より光源１０１による光を入射し、他端から発射した光がすり板の下面で反射し、その反射光量からすり板の変位を検出器１０２により検出し、演算装置１０３により接触力を推定するものである。また図１１はすり板２の下面とバネ機構４の間に光ファイバー９のセンシングプローブ７を設け、架線１からすり板に接触力１７が加わると、図１２のようにセンシングプローブ内の上板１０４の微小凸部１０４ａと下板１０５の微小凹部１０５ａの間隔が狭まり、間に挟まれている光ファイバー９に曲げが加わり、ファイバー内の光の減衰率が変化することから接触力１７を検出するものである。

従来はすり板が一体構造であり、すり板を支持するバネ機構も片側１つずつであるなど、接触力検出箇所が少数で構成できた。しかし、鉄道車両の高速化に伴い、高速走行に対する応答性を向上するためすり板が複数に分割された構造となり、すり板を支持するバネ機構も増加すると、従来の技術では狭隘な舟体枠３の内部に設けられる光ファイバーの本数に限度があり、アクティブ制御に必要な接触力を確実に検出できない。そこで複数の分割すり板に対応するため接触力検出箇所を複数にし、いずれのすり板が接触力を受けても確実に検出できる構造が必要である。
特願２００１−１３２４６１号 特願２０００−５８５０９８号 特開平８−１４０２１１号公報

上述の従来の架線接触力検出方法は、すり板の枚数が少なく、それを支持するバネ機構が左右に１つずつ設置された構造の舟体の場合は、接触力によるすり板の変位に対応してこの力を検出する事が可能であったが、高速化に伴い接触力の値に対してすり板に作用する慣性力と揚力が大きくなり、接触力の測定精度が低下するという課題を内在していた。また、鉄道車両のさらなる高速化において、すり板の架線に対する高周波の追従を可能にするために、すり板を複数に分割し多数のバネ構造により支持するすり板構造に対しては、従来の構造ではすり板１枚に対し２本のバネ構造と２本の光ファイバーを要するため、狭隘な舟体枠の内部に設けられる本数に限度があり、アクティブ制御を行う集電装置のために必要な接触力として確実に測定できない。

本発明の目的は、上記のように、鉄道車両の高速化に対応するために複数分割となるすり板を多数のバネ構造で支持するすり板構造に対して、架線とすり板との接触力を狭隘な舟体枠内部において必要となる箇所で確実に検出し、その検出値を用いて接触力が一定となるように自動制御し、離線率の低減及び離線時に発生するアーク騒音の低減を図ることができるアクティブ制御集電装置の接触力検出装置付舟体を提供することである。

上記目的を達成するために本発明では、すり板を架線に接触させて支持する２つのバネ機構と、前記バネ機構の下面を支持するためその下面に固着されたバネ支持部材と、前記バネ機構と舟体枠の間に１つの弾性体を設け、バネ支持部材に弾性体を固着し、その弾性体にひずみ量を検出可能なセンシングプローブを固着する。さらにこのセンシングプローブには特定の波長の光波を反射し、且つ、加わったひずみ量に比例して反射光の波長に変化が生じる特性のプローブを用いる。また、反射する光波の中心波長を変えた複数のプローブを１本の光ファイバーに直列に設けることにより、１本の光ファイバーで複数点の測定が可能となる。

さらに、この弾性体の下部を２点支持することで、すり板・バネ機構を伝わった架線からの接触力は弾性体を変形させ、弾性体に設置されたセンシングプローブが弾性体のひずみ量を検出する。上記検出構造をすり板の枚数に応じて複数箇所配列することで、いずれのすり板に接触力が加わっても、それぞれの弾性体が接触力の大きさに応じた変形を受け、それぞれのセンシングプローブが検出したひずみ量を合わせて演算することで、架線とすり板の接触力を算出出来る。さらにセンシングプローブの位置を考慮したひずみ量の演算をすることで接触している架線の位置も測定することが出来る。

以上説明したように、本発明によれば、複数のすり板支持用のバネ機構をもつ舟体においても、２つもしくは１つのバネ機構の下面を弾性体と固着し、弾性体の変形を妨げないように２点支持する単純支持梁構造を複数箇所設けると、架線とすり板との接触力がバネ機構を伝達して弾性体に加わり変形を与え、そのひずみを弾性体に固着したセンシングプローブと、その反射光を計測・演算する光検出器１３と演算装置１４を設けることにより接触力を算出することで、架線の位置と共に、高電位部における接触力を確実に測定出来る。

図１及び図２に本発明の第１の実施例を示す。図１は舟体構造の上面概略図、図２は舟体の正面概略図である。１は架線、２は複数に分割されたすり板、３は舟体枠である。４はすり板を支持するバネ機構、５はバネ機構４を支持する弾性体、６はバネ機構４を伝わる接触力を弾性体５に伝達するバネ支持部材でバネ機構４と弾性体５を相互に固着しており、光ファイバーを引通す部分に切り欠穴１０６を設けている。７は弾性体５に固着されたセンシングプローブで弾性体５ごとに１ヶ所設け、１本の光ファイバーで直列に接続され、複数箇所設置される。８は弾性体５の変形を妨げずに支持する支持部材で１つの弾性体に対し２ヶ所設けている。９は光ファイバーで、舟体枠３の中央部に設けた貫通穴に設置したファイバー貫通部材１０より舟体枠３を貫通し下部の集電装置本体（図示せず）へ取り込まれる。

光ファイバー９には接触力により変形する弾性体５の数だけそれぞれ特定の波長の光波のみを反射するセンシングプローブ７が直列に内蔵されており、各弾性体５にセンシングプローブの部分で固着されている。１１はセンシングプローブを固着・保護するモールド樹脂である。光ファイバー９には、その終端における余分の光の反射を防止する装置１２が設けられている。１３は接触力を検出する箇所の弾性体５に力が加わり、センシングプローブ７にひずみが発生することによる反射光と送出光との波長の変化を検出する光検出器で、１４はその出力により接触力を算出する演算装置である。集電される電気は、架線１とすり板２との接触により取り込まれ、導体（図示せず）もしくは舟体枠３を直接伝達していく。このように本発明の接触力検出装置は架線の電位が直接加わる高電位部に設けられていることになる。

次に本発明の実施形態について詳述する。図３に本発明の接触力検出構造の詳細図を示す。図３は架線が弾性体の直上に位置する場合を表している。また図４に接触力検出構造の上面詳細図を示す。図５は図４のＡ−Ａ方向から見た図である。すり板２ａ及び２ｂの一端をバネ機構４ａで支持し、すり板２ｂの他端及び２ｃの一端をバネ機構４ｂで支持し、バネ機構４ａ及び４ｂを弾性体５ａの両端に固着支持する構造となっている。１５は弾性体５ａが繰り返し接触力を受け変形することで、支持部材８との相対位置が前後左右方向にずれることを防止するガイドで、１６は弾性体５ａの上方向へのずれを防止するストッパである。

ストッパ１６の両端は図５のようにガイド１５の対角位置に設けた穴１１５に差し込まれているために、ストッパ１６は意図して変形させない限り外れない構造となっている。またストッパ１６の高さ方向の位置は弾性体５ａの変形を妨げない位置に設けられているが、平面方向には弾性体５ａと重複しているため、すり板２ａ、２ｂ、２ｃを取り外す時に共に弾性体５ａがガイドより外れるのを防止する。架線１がすり板２ｂに位置する場合、バネ機構４ａ及び４ｂ、バネ支持部材６ａ及び６ｂにより伝達された接触力は１７ａ及び１７ｂのように弾性体５ａに負荷される。

本図では弾性体支持部材８は接触力１７ａ、１７ｂに対して内側で弾性体５ａを単純支持しているため、接触力１７ａ及び１７ｂにより弾性体５ａは上方へ凸となるような変形が発生する。光ファイバー９に内蔵されたセンシングプローブ７ａは、弾性体５ａの変形により伸長し、すり板やバネ機構等の初期荷重のみが負荷された状態からのひずみが増加し反射波の波長がより大きく変化する。この変化量を前記光検出器１３により検出し、演算装置１４により光検出器１３の出力から接触力１７ａ、１７ｂを算出し、アクティブ制御機構（図示せず）にフィードバックする。

架線はジグザグに張られており、すり板は常に一定の位置で架線と接触するわけではなく、弾性体と弾性体の間に位置するすり板上に架線が存在する場合も考えられる。

図６に架線が２つの弾性体の間に跨る場合についての詳細図を示す。バネ機構と弾性体の構成は図３及び図４と同様である。架線１がすり板２ｅにある場合、バネ機構４ｃ及び４ｄに接触力１７ｃ及び１７ｄが作用し、バネ支持部材６ｃ及び６ｄにより２つの弾性体５ｂ及び５ｃの片端が下向きに変形する。その影響でそれぞれの弾性体５ｂ、５ｃに固着されたセンシングプローブ７ｂ及び７ｃがひずみ、反射波の光波長が変化する。そこで２つのセンシングプローブの光波長変化を合わせて演算することですり板２ｅに加わった接触力１７ｃ、１７ｄを検出し、アクティブ制御機構（図示せず）にフィードバックする。

図７に本発明の第２の実施例を説明する正面詳細図を、図８に上面詳細図を示す。図３ないし図６では２つのバネ機構に対して１つの弾性体という構成のため、バネ機構の数は偶数個になる。第２の実施例ではバネ機構１つに対して弾性体１つという構成について説明する。すり板２ｇ及び２ｈをバネ機構４ｅで支持し、バネ機構４ｅは弾性体５ｄの中央部より偏心してバネ支持部材６ｅを介して固着される。このバネ支持部材６ｅはファイバー９が貫通する箇所に切欠き穴１０６を設けている。また、センシングプローブ７ｄは弾性体５ｄの中央部に対し、バネ支持部材６ｅの位置と線対称の位置にモールド樹脂１１により弾性体５ｄに固着・保護されている。架線１の接触力１７ｅはバネ機構４ｅ、バネ支持部材６ｅを伝達し、弾性体５ｄに加わる。支持部材８はバネ支持部材６ｅとセンシングプローブ７ｄを挟むように弾性体５ｄの両端を支持することで接触力１７ｅが負荷された時に弾性体の中央部を下方に凹面となるようにたわませることができる。

弾性体５ｄの中央部からバネ支持部材６ｅと線対称の位置に固着されたセンシングプローブ７ｄは収縮することで、接触力１７ｅが加わる前に比べ波長がより大きく変化し、光検出器１３と演算装置１４による演算から、接触力を検出することが出来る。これにより、バネ機構が奇数の場合でも第１の実施例と第２の実施例を組合せることで、接触力を確実に検出することが出来る。

架線の位置の違いにより、弾性体５に固着されたそれぞれのセンシングプローブの反射光波長が異なるように構成していると、光検出器によりそれぞれのセンシングプローブにおける反射波長と波長変化の大きさを検出し演算することで、接触力だけでなく架線とすり板が接触する位置を特定検出することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態を示す上面図。 本発明の第１の実施の形態を示す正面図。 図１、２に示す実施の形態を説明する正面図。 図１、２に示す実施の形態を説明する上面図。 図４のＡ−Ａ方向から見た図。 図１、２に示す実施の形態を説明する正面図。 本発明の第２の実施の形態を説明する正面図。 本発明の第２の実施の形態を説明する上面図。 従来技術の例を示す概念図。 図９の符号９の詳細図。 従来技術の例を示す概念図。 図１１の符号７の詳細図。

符号の説明

１ 架線
２ すり板
３ 舟体枠
４ バネ機構
５ 弾性体
６ バネ支持部材
７ センシングプローブ
８ 支持部材
９ 光ファイバー
１０ 光ファイバー貫通部材
１１ 樹脂モールド
１２ 乱反射防止装置
１３ 光検出器
１４ 演算装置
１５ ガイド
１６ ストッパ
１７ 接触力
１０１ 光源
１０２ 光検出器
１０３ 演算装置
１０４ 上板
１０５ 下板
１０６ 光ファイバー引通し用切欠き穴
１１５ ストッパ用穴

Claims (6)

1. 架線に接触させて集電するために複数に分割されたすり板と、前記すり板の下面を支持する複数のバネ機構と、前記バネ機構の下面に固着されたバネ支持部材と、前記バネ支持部材に固着された弾性体と、を舟体枠内に納めて構成する舟体において、前記バネ機構と前記舟体枠の間に前記弾性体を設け、前記すり板及び前記バネ機構を伝わる架線の接触力により前記弾性体が変形し、そのひずみ量を前記弾性体に固着されたセンシングプローブにより検出し、前記ひずみ量を演算することにより架線接触力を算出する接触力検出装置を設けたことを特徴とする架線接触力検出装置付舟体。
2. 請求項１に記載の架線接触力検出装置付舟体において、接触力検出装置を構成する前記すり板は、その一端を隣り合うすり板とともに１つの前記バネ機構により支持され、他端を別の隣り合うすり板とともに別のバネ機構により支持され、隣り合う２つのバネ機構を１つの前記弾性体の両端部に固着する構造をもち、前記弾性体の変形を妨げないような支持部材で２点支持する単純支持梁構造を特徴とする架線接触力検出装置付舟体。
3. 請求項１に記載の架線接触力検出装置付舟体において、接触力検出装置を構成する前記すり板は、その一端を隣り合うすり板とともに１つの前記バネ機構により支持され、１つの前記バネ機構と前記センシングプローブを１つの前記弾性体の中央部よりそれぞれ線対称に偏心した位置に固着する構造をもち、前記弾性体の変形を妨げないような支持部材で２点支持する単純支持梁構造を特徴とする架線接触力検出装置付舟体。
4. 請求項１、２又は３項に記載の架線接触力検出装置付舟体において、接触力検出装置は、光源と、前記光源の光を伝える光ファイバーと、加わったひずみに対応した波長の変化をその反射光に生じるセンシングプローブと、その反射光から前記センシングプローブに加わったひずみ量を検出する光検出器と、そのひずみ量から架線接触力を求める演算装置により構成されていることを特徴とする架線接触力検出装置付舟体。
5. 請求項１、２、３又は４項に記載の架線接触力検出装置付舟体において、前記接触力検出装置を構成する前記センシングプローブは、特定の波長の光波を反射する構造をもち、前記接触力検出装置を構成する光ファイバーは、１本の該光ファイバー内に複数の前記センシングプローブが接触力を検出する任意の箇所に内蔵されている構造であることを特徴とする架線接触力検出装置付舟体。
6. 請求項１、２、３、４又は５項に記載の架線接触力検出装置付舟体において、接触力検出装置は、支持部材で２点支持された単純支持梁構造の前記弾性体が繰り返しの荷重を受けて変形する時に、弾性体の支持位置がずれないような前後左右方向のガイド及び上方向のストッパを備えた構造を特徴とする架線接触力検出装置付舟体。

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