JP4523718B2

JP4523718B2 - トロリ線の波動伝播速度測定方法及びトロリ線の張力測定方法

Info

Publication number: JP4523718B2
Application number: JP2000375656A
Authority: JP
Inventors: 充池田; 光雄網干; 隆之臼田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2020-12-11
Also published as: JP2002178797A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トロリ線とパンタグラフとの間に作用する接触力を走行中の車両上で測定し、その測定値に基づいてトロリ線の波動伝播速度を測定する方法に関する。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
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車体に電力を送る方式が一般的である。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車両・パンタグラフの振動等に応じて変動する。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離線が生じるおそれがある。離線が頻発すると、トロリ線とパンタグラフの舟体の間にスパークが生じて、摺り板の損耗が進み、問題となる。離線に至らない場合でも、パンタグラフの接触力の変動は極力小さい方がよい。
【０００３】
そこで、電車の走行中におけるトロリ線とパンタグラフとの接触力を測定し、得られた測定結果を離線の抑制対策の参考としたいとの要請がある。あるいは、このような接触力の測定技術は、離線の抑制対策だけではなく、架線−パンタグラフ系の集電性能の評価や、電車線の設備診断方法の１つとして活用することも考えられている。
【０００４】
このようなパンタグラフの接触力測定技術としては、例えば特願平１１−１９１６１１号や特願２０００−１２２２９９号を挙げることができる。
特願平１１−１９１６１１号のパンタグラフの接触力測定方法は、パンタグラフの舟体の慣性力を舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面間の弾性変形を考慮した上で求め、この慣性力を別途求めた舟体にかかっている力から差し引きすることにより、舟体の上下方向の接触力を求めるものである。
【０００５】
特願２０００−１２２２９９号のパンタグラフの接触力測定方法は、パンタグラフの舟体の慣性力を舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面におけるねじりモーメントと、これらの縦断面間に作用する回転慣性とに基づいて舟体のねじりモーメントを求め、このねじりモーメントに基づきトロリ線と舟体との間に働く前後方向の接触力をも求めるものである。
なお、本明細書においては、通常、「舟体」は摺り板を含む広い意味で用いる。
【０００６】
これらの接触力測定技術により、トロリ線とパンタグラフの舟体との接触力（上下方向及び前後方向）をより正確に求めることが可能となった。
ところで、最近では、架線−パンタグラフ系の動的挙動を決定付ける重要なパラメータである、トロリ線の波動伝播速度を測定する技術が求められている。
【０００７】
この波動伝播速度を測定する方法としては、架線側に直接センサ等を取り付けて波動伝播速度を測定する方法が、これまで多数提案されている（例えば特開平１０−１７６９６８号公報等）。しかしながら、パンタグラフ側の情報に基づきトロリ線の波動伝播速度を測定する方法は、現在提供されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、走行中の車両上で測定したパンタグラフの接触力変動に基づき、トロリ線の波動伝播速度又は張力を測定できる方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
上記の課題を解決するため、本発明のトロリ線の波動伝播速度測定方法は、トロリ線からパンタグラフを介して電車に給電する電気鉄道におけるトロリ線の波動伝播速度測定方法であって；前記電車を走らせながら、前記トロリ線と前記パンタグラフの間に作用する接触力変動を、前記電車の車体上で測定し、この接触力変動を周波数成分に分解して卓越成分を抽出し、この卓越成分から前記トロリ線の動的波動に関連する成分（トロリ線波動成分）を抽出し、該トロリ線波動成分に基づき前記トロリ線の波動伝播速度を求めることを特徴とする。
【０００９】
トロリ線の波動伝播速度は、架線−パンタグラフ系の動的挙動を決定付ける重要なパラメータである。本発明によれば、トロリ線とパンタグラフ間に作用する接触力変動に基づき、走行中の電車上でパンタグラフ側からの情報によりトロリ線の波動伝播速度を測定することができる。これにより、従来、地上において行われていたトロリ線の設備診断作業が不要になり、さらに、走行中の電車により１度に多数のドラム区間（１ドラム＝トロリ線の１単位（約１．５ｋｍ））を測定できるので、トロリ線の設備診断・保守作業等の効率を著しく向上できる。なお、本発明における接触力変動の測定技術としては、特願平１１−１９１６１１号や特願２０００−１２２２９９号に開示されたものを用いることができる。
【００１０】
本発明のトロリ線の波動伝播速度測定方法においては、前記トロリ線の波動伝播速度を次式により算出することができる；
トロリ線の空間周期構造を表す波数をｋ_L、この空間周期構造により生じる前記波動成分の周波数を電車速度ｖで無次元化したときの波数をｋ_v、前記電車速度をトロリ線の波動伝播速度で正規化した無次元化速度をβとするとき、
ｋ_v＝｛（１＋β）／（１−β）｝×ｋ_L。
【００１１】
架線−パンタグラフ系の接触力変動には、次の（１）及び（２）に述べる２つの要因がある；
（１）架線の周期性（トロリ線のハンガ間ディップ等）に起因するもの。
（２）（１）の結果として励起された波動がトロリ線を伝播し、ハンガ等の架線の不連続点で反射して再度パンタグラフに入射することにより発生するもの。
ここで、（１）の接触力変動の周波数ｆ_Lは電車速度に比例し、トロリ線の波動伝播速度をｃとすると、
（１′）ｆ_L＝β×ｃ／Ｌ
と表される。一方、（２）の接触力変動の周波数ｆ_vは、ドップラー効果による周波数変調を考慮すると、
（２′）ｆ_v＝｛（１＋β）／（１−β）｝×ｆ_L
と表される。ここで、Ｌは架線の周期性を表す代表長さである。
【００１２】
そこで、これらの式（１′）、（２′）で表される周波数を電車速度で正規化すると、（１′）式で表される成分（すなわち空間の代表長さＬに比例する成分）の波数ｋ_Lは、
（１″）ｋ_L＝１／Ｌ
で一定値となる。一方、（２′）式で表される波動成分の波数ｋ_vについては、
（２″）ｋ_v＝｛（１＋β）／（１−β）｝×ｋ_L
となり、波数ｋ_vは電車速度ｖによって変化することがわかる。したがって、接触力変動に含まれる波動成分の波数ｋ_vが正確に捉えられ、同時に電車速度ｖも得られるならば、（２″）式によってトロリ線の波動伝播速度を得ることができる。
【００１３】
また、本発明のトロリ線の波動伝播速度測定方法においては、前記卓越成分を前記トロリ線のハンガ間隔に基づき抽出することが好ましい。
上記（２）で述べた成分中、トロリ線のハンガ間ディップに起因して生じる動的波動が電車前方に伝播し、これがハンガ等で反射して前方から再度パンタグラフに入射することにより生じる接触力変動の寄与が大きい。したがって、卓越成分をハンガ間隔に基づき抽出することで、波数ｋ_vをより正確に捉えることができ、これによって、より正確な波動伝播速度を得ることができる。なお、このハンガ間隔は一例として５ｍであって、この場合の波数ｋ_Lは（１″）式から１／５＝０．２となる。
【００１４】
本発明のトロリ線の張力測定方法は、トロリ線からパンタグラフを介して電車に給電する電気鉄道におけるトロリ線の張力測定方法であって；前記電車を走らせながら、前記トロリ線と前記パンタグラフの間に作用する接触力変動を、前記電車の車体上で測定し、この接触力変動を周波数成分に分解して卓越成分を抽出し、この卓越成分から前記トロリ線の動的波動に関連する成分（トロリ線波動成分）を抽出し、該トロリ線波動成分に基づき前記トロリ線の波動伝播速度を求め、さらにレーザ式摩耗測定器等により前記トロリ線の厚みを測定し、このトロリ線の厚みと前記波動伝播速度から前記トロリ線の張力を測定することを特徴とする。
【００１５】
トロリ線の厚さを走行する車両から測定する方法については、レーザ式摩耗測定器をはじめ多くの方式が既に実用化されている。一方、トロリ線の波動伝播速度は
（トロリ線の張力（Ｎ）÷トロリ線の線密度（ｋｇ／ｍ））^1/2
で求めることができる。したがって、トロリ線の厚みと波動伝播速度を求めることにより、トロリ線の張力も求めることができる。
【００１６】
以下、図面を参照しつつ説明する。
なお、以下の説明では、通常の鉄道車両の技術におけるのと同様に、レールの長手方向（車両の進行方向）を前後方向、軌道面におけるレール長手方向と直角の方向を左右方向、軌道面に垂直な方向を上下方向と呼ぶ。また、具体的な数値例は、現状のＪＲの新幹線の一般的な数値である。
【００１７】
まず、図４及び図５を参照して、電気鉄道の架線−パンタグラフ系について説明する。
図４は、本実施例におけるパンタグラフの舟体の詳細を示す斜視図である。
なお、図４には図示されないが、舟体は、ロッドや舟支え、復元ばね、リンク状の枠組等により、電車の天井に取り付けられている。
図５は、本実施の形態における架線構造を示す模式図である。
【００１８】
トロリ線１は、直径約１５ｍｍの銅線である。トロリ線１には、交流２５ｋＶの電圧が印加される。図５に示すように、トロリ線１は、約５ｍおきにハンガ３を介して吊架線５によって吊られている。吊架線５は、約５０ｍおきに架線柱７によって支えられている。トロリ線１単位（１ドラム区間）当たりの長さは約１．５ｋｍである。
【００１９】
図４に示すように、この例の舟体１２は、左右方向に沿って延びている。舟体１２は、前後方向に離れて１本ずつ計２本（１２Ａ、１２Ｂ）設けられているものが多いが、１本の舟体のみで構成されるものもある。この例の舟体１２は、幅４０ｍｍ、長さ１．２ｍ、重さ３．５ｋｇの中空の箱状部材である。舟体１２はアルミニウム合金製である。停車時に舟体１２がトロリ線１に押し当てられる力（静押上力）は５０〜７０Ｎである。
【００２０】
舟体１２の上表面には、摺り板１４が取り付けられている。摺り板１４は、鉄系や銅系の焼結合金製、あるいはカーボン系材料からなる。この摺り板１４は、図４に示すように４分割されているものが多い。このうち、中央の２つが主摺り板で、左右両端の２つが補助摺り板である。主として主摺り板がトロリ線１に直接接触する。摺り板１４は、トロリ線１との接触により経時摩耗するので、定期的に交換する。
【００２１】
舟体１２には、２軸用歪みゲージ３１が貼られている。２軸用歪みゲージ３１は、集電電流によるノイズの誘導を防ぐため、無誘導型ゲージを用いる。この２軸用歪みゲージ３１により測定された舟体１２の断面のせん断歪みにより、舟体１２に働くせん断力を求めることができる。この例では、２軸用歪みゲージ３１は、舟体１２の前面側と後面側とに２個ずつ貼られている。したがって、１本の舟体１２に対して計４個の２軸用歪みゲージ３１が設けられている。左右の歪みゲージ３１は、摺り板１４の主摺り板を含む位置（具体的には、摺り板１４の補助板を舟体１２に固定するためのボルトがねじ込まれる位置）に貼り付けられている。
【００２２】
また、舟体１２の中央下面には、１つの舟体当り１個の加速度計３５が取り付けられている。この加速度計３５により測定可能な周波数は約４０Ｈｚ以下であるが、必要に応じて複数個の加速度計を取り付けることにより、さらに高周波数領域での測定も可能である。加速度計３５により測定された舟体１２中央の加速度により、舟体１２の慣性力を求めることができる。
【００２３】
舟体１２の各２軸用歪みゲージ３１及び加速度計３５は、演算装置（図示されず）に接続されている。この演算装置は、２軸用歪みゲージ３１及び加速度計３５の信号を受けて、舟体１２とトロリ線１との接触力を算出する。この接触力の測定原理は、特願平１１−１９１６１１号や特願２０００−１２２２９９号に開示されたものと同様である。
【００２４】
次に、接触力測定に基づきトロリ線の波動伝播速度を測定した結果の具体的な事例について、図１〜図３を参照しつつ述べる。
図１は、本発明に係るトロリ線の波動伝播速度測定方法の一例を示すフローチャートである。
図１に示すように、トロリ線の波動伝播速度の測定は、まずステップＳ１において、走行中の車両上で舟体１２とトロリ線１との接触力変動を測定する。ここで、架線−パンタグラフ系の接触力変動には、次の（１）及び（２）に述べる２つの要因がある；
（１）架線の周期性（トロリ線のハンガ間ディップ等）に起因するもの。
（２）（１）の結果として励起された波動がトロリ線を伝播し、ハンガ等の架線の不連続点で反射して再度パンタグラフに入射することにより発生するもの。
【００２５】
上記（１）の接触力変動の周波数ｆ_Lは電車速度に比例し、トロリ線の波動伝播速度をｃとすると、
（１′）ｆ_L＝β×ｃ／Ｌ
と表され、この接触力変動により生じた波動がパンタグラフ前方から再度入射することにより生じる周波数ｆ_vは、
（２′）ｆ_v＝｛（１＋β）／（１−β）｝×ｆ_L
と表される。
【００２６】
ステップＳ１の後、ステップＳ２において上記接触力変動を短時間フーリエ分析する。次いで、ステップＳ３において、短時間フーリエ分析した結果から卓越成分を抽出する。さらに、ステップＳ４において、卓越成分からトロリ線波動成分に相当する周波数ｆ_vを抽出する。
【００２７】
そして、ステップＳ５において、上式（１′）、（２′）で表される周波数ｆを電車速度ｖで正規化する。これは、周波数ｆ（単位Ｈｚ）を電車速度ｖで割ることにより波数ｋ（単位１／ｍ）を得ること、すなわち、ｋ＝ｆ／ｖと変換することに相当する。すると、（１′）式で表される成分の波数ｋ_Lは、
（１″）ｋ_L＝１／Ｌ
と一定値になる。本実施例では、空間の代表長さＬをトロリ線のハンガ間隔５ｍとした。この場合は、（１″）式から波数ｋ_L＝１／５＝０．２となる。一方、（２′）式で表される波動成分の波数ｋ_vについては、
（２″）ｋ_v＝｛（１＋β）／（１−β）｝×ｋ_L
となる。ステップＳ５の後、ステップＳ６において、上式（２″）に基づきトロリ線の波動伝播速度を算出する。
【００２８】
図２は、空間の代表長さＬ＝５ｍとした場合の、（２′）式、（２″）式におけるｆ_v、ｋ_vの値を、ヘビーコンパウンド架線及びＣＳシンプル架線のそれぞれについて計算した結果を示すグラフである。
図２において、横軸は電車速度（単位ｋｍ／ｈ）を表し、左縦軸は接触力変動周波数（単位Ｈｚ）を表し、右縦軸は接触力変動波数（単位１／ｍ）を表す。図中のグラフは、細い実線及び点線がそれぞれヘビーコンパウンド架線の接触力変動周波数及び接触力変動波数を表し、太い実線及び点線がそれぞれＣＳシンプル架線の接触力変動周波数及び接触力変動波数を表す。
【００２９】
ヘビーコンパウンド架線は、１７０ｍｍ²の硬銅トロリ線（張力１４．７ｋＮ、線密度１．５１ｋｇ／ｍ）が用いられている。
ＣＳシンプル架線は、１１０ｍｍ²の銅覆鋼トロリ線（張力１９．６ｋＮ、線密度０．９４ｋｇ／ｍ）が用いられている。
図２からわかるように、いずれのグラフも右肩上がりとなっている。これから、接触力変動周波数及び接触力変動波数は、電車速度が上がるに連れて高い値をとることがわかり、電車速度の影響を強く受けることがわかる。
そこで、接触力変動に含まれる波動成分の波数ｋ_vが正確に捉えられ、同時に電車速度ｖも得られるならば、（２″）式によってトロリ線の波動伝播速度を得ることができるといえる。
【００３０】
図３（Ａ）は、ＣＳシンプル架線区間において測定した接触力変動の波形を短時間フーリエ分析した結果を示すグラフであり、図３（Ｂ）は、電車速度ｖを表すグラフである。
図３（Ａ）は、横軸が時間（単位ｓ）を表し、縦軸が波数（単位１／ｍ）を表す。この図３（Ａ）では、接触力変動の卓越成分を網掛けで表している。この図３（Ａ）から、大きな接触力変動が、ハンガ間隔５ｍに相当する波数０．２の箇所に生じているのがわかる。また、この波数０．２よりも上部において、波数が速度によって変化している成分も認められる。これが、ハンガ間隔周期の接触力変動により励起されたトロリ線波動により生じた接触力変動成分を示していると考えられる。
【００３１】
そこで、このＣＳシンプル架線区間のトロリ線波動伝播速度ｃが一定であると仮定し、（２″）式により計算される波数ｋ_vの値と、実測された波動成分とが一致するようにトロリ線波動伝播速度ｃを求めてみると、ｃ＝４８０ｋｍ／ｈという値が得られた。図３（Ａ）に実線で示すグラフが、ｃ＝４８０ｋｍ／ｈとしたときの波数の計算値である。この実線と実測結果（図３（Ａ）の実線付近の網掛け）の示す特徴は良く一致しており、ここで示したトロリ線波動伝播速度の推定方法は妥当であるといえる。
【００３２】
また、トロリ線の厚みはレーザ式摩耗測定器等により容易に計測可能である。トロリ線の波動伝播速度は
（トロリ線の張力（Ｎ）÷トロリ線の線密度（ｋｇ／ｍ））^1/2
で求めることができる。したがって、トロリ線の厚みと波動伝播速度を求めることにより、トロリ線の張力も求めることができる。
【００３３】
このように、本発明によれば、トロリ線とパンタグラフ間に作用する接触力変動に基づき、走行中の電車上でパンタグラフ側からの情報によりトロリ線の波動伝播速度、さらにはトロリ線の張力を測定することができる。これにより、従来、地上において行われていたトロリ線の設備診断作業が不要になり、さらに、走行中の電車により１度に多数のドラム区間（１ドラム＝トロリ線の１単位（約１．５ｋｍ））を測定できるので、トロリ線の設備診断・保守作業等の効率を著しく向上できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、走行中の車両上で測定したパンタグラフの接触力変動に基づき、トロリ線の波動伝播速度あるいは張力を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトロリ線の波動伝播速度測定方法の一例を示すフローチャートである。
【図２】空間の代表長さＬ＝５ｍとした場合の、ｆ_v、ｋ_vの値を、ヘビーコンパウンド架線及びＣＳシンプル架線のそれぞれについて計算した結果を示すグラフである。
【図３】図３（Ａ）は、ＣＳシンプル架線区間において測定した接触力変動の波形を短時間フーリエ分析した結果を示すグラフであり、図３（Ｂ）は、電車速度ｖを表すグラフである。
【図４】本実施の形態において説明したパンタグラフの舟体の詳細を示す斜視図である。
【図５】本実施の形態における架線構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１トロリ線３ハンガ
５吊架線７架線柱
１２（１２Ａ、１２Ｂ）舟体１４摺り板
３１２軸用歪みゲージ３５加速度計

Claims

トロリ線からパンタグラフを介して電車に給電する電気鉄道におけるトロリ線の波動伝播速度測定方法であって；
前記電車を走らせながら、前記トロリ線と前記パンタグラフの間に作用する接触力変動を、前記電車の車体上で測定し、
この接触力変動を周波数成分に分解して卓越成分を抽出し、
この卓越成分から前記トロリ線の動的波動に関連する成分（トロリ線波動成分）を抽出し、
該トロリ線波動成分に基づき前記トロリ線の波動伝播速度を求めることを特徴とするトロリ線の波動伝播速度測定方法。
前記トロリ線の波動伝播速度を次式により算出することを特徴とする請求項１記載のトロリ線の波動伝播速度測定方法；
トロリ線の空間周期構造を表す波数をｋL、この空間周期構造により生じる前記波動成分の周波数を電車速度ｖで無次元化したときの波数をｋv、前記電車速度をトロリ線の波動伝播速度で正規化した無次元化速度をβとするとき、
ｋv＝｛（１＋β）／（１−β）｝×ｋL 。
前記卓越成分を前記トロリ線のハンガ間隔に基づき抽出することを特徴とする請求項１又は２記載のトロリ線の波動伝播速度測定方法。
トロリ線からパンタグラフを介して電車に給電する電気鉄道におけるトロリ線の張力測定方法であって；
前記電車を走らせながら、前記トロリ線と前記パンタグラフの間に作用する接触力変動を、前記電車の車体上で測定し、
この接触力変動を周波数成分に分解して卓越成分を抽出し、
この卓越成分から前記トロリ線の動的波動に関連する成分（トロリ線波動成分）を抽出し、
該トロリ線波動成分に基づき前記トロリ線の波動伝播速度を求め、
さらにレーザセンサ等により前記トロリ線の厚みを測定し、
このトロリ線の厚みと前記波動伝播速度から前記トロリ線の張力を測定することを特徴とするトロリ線の張力測定方法。