JP4575116B2

JP4575116B2 - パンタグラフ特性の診断方法及び装置

Info

Publication number: JP4575116B2
Application number: JP2004332723A
Authority: JP
Inventors: 光雄網干
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: JP2006145264A

Description

本発明は、電気車に設置されているパンタグラフの特性の診断方法及び装置に関し、特にパンタグラフの定常押上力（静押上力＋定常揚力）に基づいてパンタグラフの特性を診断する方法及び装置に関する。

従来から、パンタグラフ定常押上力の計測方法として、中腰走行状態でのロードセルによる直接計測法、非特許文献１に示されている舟体２箇所の断面力と偏位測定による揚力推定法などがある。これらはいずれも特定のパンタグラフに測定装置を組み込んで計測するものであり、現車走行試験などにおいて用いられている。しかしながら、商業運転中の任意の電気車に設置されているパンタグラフの特性を診断する方法には採用できないものである。

また、特許文献２に示されている超異方倍率レンズを用いて架線・パンタグラフ系の運動挙動を連続録画し、録画した画像を分析することによってパンタグラフのトロリ線への接触力を推定する方法がある。この方法は、特定のパンタグラフに測定装置を組み込んで計測する方法と異なり、地上側から計測する方法であるから、前者よりは汎用性はある。しかしながら、この従来方法は計測点が限られること、及び夜間計測が難しいので、商業運転中の任意の電気車に設置されているパンタグラフの特性を診断する方法としては実用的ではない。

更に、非特許文献２には、パンタグラフによるトロリ線の押上量を計測することによりパンタグラフの異常を検出する装置が示されている。この従来装置において、トロリ線の押上量Ｕは、ワイヤを用いた機械式距離センサで直接計測されている。この従来装置は、特定のパンタグラフに測定装置を組み込んで計測するものではなく、架線側に計測器を常置するものであり、観測点を通過する全ての電気車のパンタグラフの診断を行うことができるものである。ところで、この従来装置においては、トロリ線の押上量Ｕは、接触力Ｆと弾性Ｅの積で与えられると定義されている。接触力Ｆはトロリ線へのパンタグラフの接触力であり、弾性Ｅは支持点においてトロリ線を支持しているバネの弾性である。このため、トロリ線の押上量Ｕは、支持点のバネの弾性に大きく影響を受けるから、ばらつきが生じることになる。また、トロリ線の押上量は、走行速度や観測点付近のトロリ線高さの変化によっても大きな影響を受ける。従って、この従来装置も、商業運転中の任意の電気車に設置されているパンタグラフの特性を診断する方法としては信頼性に問題があると言わざるをえない。

特許第３３６１４４８号公報特開平７−２６０５６２号公報池田充，他：「架線・パンタグラフ間の接触力測定による電車線診断技法の検討」，日本機械学会第２回評価・診断に関するシンポジウム，2003年12月 H.Moller,:"Stationary uplift measurement as a diagnostic tool forpantograph monitoring",WCRR2001 網干光雄：「運動計算による架空電車線凹凸の動特性評価法」，平成16年電気学会産業応用部門大会，2004年9月

本発明が解決しようとする課題は、商業運転中の任意の電気車に設置されているパンタグラフの特性を診断する信頼性の高い方法及び装置を提供することである。

上述の課題を解決するパンタグラフ特性の診断方法および装置は、本願発明者が確認し非特許文献３に開示している事実、即ち、トロリ線凹凸の精密計測法と架線・パンタグラフ系の運動シミュレーション法を組み合わせることにより、トロリ線の押上量や歪み量、パンタグラフの接触力などの予測値は現車走行試験の実測値と良く合致するという事実に基づいている。

即ち、上述の課題を解決するパンタグラフ特性の診断方法は、観測点付近の架線の架設状態の計測を行う架設状態計測ステップ、前記架設状態計測ステップで得られたデータに基づいて架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行う運動シミュレーションステップ、前記運動シミュレーションステップの運動計算結果に基づいて観測点におけるパンタグラフ定常押上力に対するトロリ線押上量の対照表を作成する対照表作成ステップ、トロリ線押上量を計測する押上量計測ステップ、前記押上量計測ステップで得られたトロリ線押上量から前記対照表に基づいてパンタグラフ定常押上力を推定する定常押上力推定ステップ、及び前記定常押上力推定ステップで得られたパンタグラフ定常押上力の推定値を評価基準値と比較してパンタグラフの良否の判定を行う判定ステップとからなる診断方法である。

また、上述の課題を解決するパンタグラフ特性の診断装置は、観測点付近の架線の架設状態の計測を行う架設状態計測装置、前記架設状態計測装置で得られたデータに基づいて架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行い、前記シミュレーションの運動計算結果に基づいて観測点におけるパンタグラフ定常押上力に対するトロリ線押上量の対照表を作成する運動シミュレーション装置、トロリ線押上量を計測する押上量計測装置、及び、前記押上量計測装置で得られたトロリ線押上量から前記対照表に基づいてパンタグラフ定常押上力を推定し、このパンタグラフ定常押上力の推定値を評価基準値と比較してパンタグラフの良否の判定を行う評価装置とから構成されたパンタグラフ特性の診断装置とで構成されている。

本発明においては、架線側の観測点に計測器を常置し、当該観測点を通過する全てのパンタグラフの定常押上力をモニタすることが可能である。そして、本発明は、単にパンタグラフによるトロリ線の押上量のみからではなく、観測点付近の架線の架設状況と電気車の速度特性が考慮されたパンタグラフの定常押上力に基づいて診断するものであるから、信頼性の高いパンタグラフ特性の診断ができるようになった。

観測点付近のトロリ線凹凸の計測を行うトロリ線凹凸計測ステップ、前記トロリ線凹凸計測ステップで得られたトロリ線凹凸データに基づいて架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行う運動シミュレーションステップ、前記運動シミュレーションステップの運動計算結果に基づいて観測点におけるパンタグラフ定常押上力に対するトロリ線押上量の対照表を作成する対照表作成ステップ、トロリ線押上量を計測する押上量計測ステップ、及び前記押上量計測ステップで得られたトロリ線押上量から前記対照表に基づいてパンタグラフ定常押上力を推定する定常押上力推定ステップ、及び前記定常押上力推定ステップで得られたパンタグラフ定常押上力の推定値を評価基準値と比較してパンタグラフの良否の判定を行う判定ステップとからなるパンタグラフ特性の診断方法である。

本発明の一実施例のパンタグラフ特性の診断装置は、図１に示す如く、トロリ線凹凸計測装置１、架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行う運動シミュレーション装置２、パンタグラフの定常押上力の推定並びに特性評価を行う評価装置３、及び、トロリ線押上量を計測する押上量計測装置４とで構成されている。

観測点付近の架線の架設状態の計測を行う架設状態計測装置であるトロリ線凹凸計測装置１は、例えば、特許文献１に開示されている如き装置で、長尺体の測定位置xにおける垂直方向の変位を測定し第１変位信号y₁(x)を出力する第１非接触変位センサ、前記測定位置xから微小間隔Δx離れた測定位置における前記長尺体の垂直方向の変位を測定し第２変位信号y₂(x+Δx )を出力する第２非接触変位センサ、前記第１及び第２変位信号から傾斜信号{y₂(x+Δx )−y₁(x) }／Δxを算出する傾斜信号算出手段、及び前記傾斜信号を積分する傾斜信号積分手段とからなる長尺体の凹凸を連続的に測定する装置において、前記傾斜信号積分手段が、測定しようとする長尺体の凹凸波長をλとして表される傾斜測定値の真値に対する比{sinπλ（Δx／λ）}／π（Δx／λ）の逆数の周波数特性を有するインパルス応答関数を前記傾斜信号{y₂(x+Δx )−y₁(x) }／Δxに重畳し積分することによって前記傾斜補正と積分を行うものであることを特徴とする長尺体の凹凸を連続的に測定する装置である。

トロリ線押上量を計測する押上量計測装置４は、例えば、観測点付近に設置されたレーザー変位計である。押上量計測装置４は、ワイヤ式ポテンショメータを用いた計測装置、画像計測装置等も利用可能である。

架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行う運動シミュレーション装置２は、定常押上力とトロリ線押上量の対照表作成部２ａを含んで構成されている。また、評価装置３は、パンタグラフの定常押上力推定部３ａとパンタグラフの特性評価部３ｂを含んで構成されている。

架線・パンタグラフ系の運動シミュレーション法は、高速鉄道の分野では実用化されている技術であり、非特許文献３にも詳細に開示されているが、概ね次のような方法である。即ち、架線・パンタグラフ系の運動シミュレーション法では、トロリ線などの架線の線条を多数の質点に分割し、それぞれの運動方程式に従い、きざみ時間毎に逐次計算を行う。一方、パンタグラフは複数の質点とばね、減衰要素で表現される。架線とパンタグラフ間の接触力が正の場合は、パンタグラフ最上質点と当該位置のトロリ線変位が同じとして計算する。もし接触力が負となるような場合には、それぞれ単独で運動するとして計算を行う。図３は、架線の線条を多数の質点に分割し、質点間に速度比例型の減衰要素を配置した架線モデルを示した図である。

図３の架線モデルにおいて、基本的な計算プログラムでは、線条の運動は数１の数式で表される波動方程式に相当する運動を計算している。

ここで、ρ、Ｔはそれぞれ線条の線密度と張力であり、ｙ、ｘ、ｔはそれぞれ上下変位、位置、時間を表す。ただし、線条の減衰については、質点間の上下速度差に比例する減衰力が発生すると仮定している。

次に、図２のフローチャートを参照して、上述のパンタグラフ特性の診断装置の動作を説明する。トロリ線凹凸計測装置１は、観測点付近のトロリ線凹凸を計測し、そのデータを運動シミュレーション装置２に入力する（１０１）。運動シミュレーション装置２の定常押上力とトロリ線押上量の対照表作成部２ａは、前記トロリ線凹凸データと、その他の架設状態データに基づいて、架線・パンタグラフ系の運動計算を行う（１０２）。運動シミュレーション装置２は、ステップ１０２の運動計算結果に基づいてパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量の対照表を作成する（１０３）。トロリ線押上量計測装置４は、トロリ線の押上量を計測し、そのデータを評価装置３に入力する（１０４）。評価装置３のパンタグラフの定常押上力推定部３ａは、入力されたトロリ線押上量から前記対照表に基づいてパンタグラフ定常押上力を推定する（１０５）。そして、評価装置３のパンタグラフの特性評価部３ｂは、パンタグラフ定常押上力の推定値を評価基準値と比較してパンタグラフの良否の評価を行う（１０６）。

ステップ１０３によって作成されたパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量の対照表は、図４から図７に示す如きものである。即ち、図４から図７は、パンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量との対照表をグラフ化したもので、縦軸をトロリ線押上量（ｍｍ）、横軸を速度（ｋｍ／ｈ）とし、且つ、パンタグラフ定常押上力をパラメータとして示したグラフである。パンタグラフ定常押上力は、４０Ｎ、６０Ｎ、８０Ｎ、１００Ｎ、１２０Ｎ、及び１４０Ｎの６つの値が使われている。速度は電気車の走行速度であって、１６０ｋｍ／ｈ、１８０ｋｍ／ｈ、２００ｋｍ／ｈ、２２０ｋｍ／ｈ、２４０ｋｍ／ｈ、２６０ｋｍ／ｈ、２８０ｋｍ／ｈ、３００ｋｍ／ｈの８つの値が使われている。

図４は観測点であるＡ支持点の第１パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量の対照表を、図５は同じくＡ支持点の第２パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量の対照表をそれぞれグラフ化したものである。また、図６は観測点であるＢ支持点の第１パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量の対照表を、図７は同じくＢ支持点の第２パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量の対照表をそれぞれグラフ化したものである。

図４から図７に示す如く、パンタグラフの定常押上力が大きいほどトロリ線の押上量も大きくなる傾向は同じであるが、定常押上力８０Ｎで３００ｋｍ／ｈで走行した場合、第１パンタグラフ通過時のトロリ線押上量はＡ支持点では２０ｍｍ程度，Ｂ支持点では３５ｍｍ程度と大きな差異が見られる。また第２パンタグラフの押上量の速度特性は，Ａ支持点とＢ支持点とで異なる様相を示す。本発明は、これらのことを考慮して、信頼性の高いパンタグラフの定常押上力の推定を行っているのである。即ち、本発明においては、観測点付近の架線の架設状態のデータに基づいて架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行い、前記運動シミュレーションステップの運動計算結果に基づいて観測点におけるパンタグラフ定常押上力に対するトロリ線押上量の対照表を作成し、計測されたトロリ線押上量から前記対照表に基づいてパンタグラフ定常押上力を推定するので、信頼性の高いパンタグラフ定常押上力の推定ができるのである。

図８は、Ｃ支持点において第１パンタグラフと第２パンタグラフの定常押上力が同じと仮定して計算したものである。因みに、走行速度を２４０ｋｍ／ｈのとき、パンタグラフ定常押上力を４０Ｎとしたときのトロリ線押上量は１５ｍｍ、パンタグラフ定常押上力を１４０Ｎとしたときのトロリ線押上量は４２ｍｍである。そして、パンタグラフ定常押上力を６０Ｎ、８０Ｎ、１００Ｎ、１２０Ｎとしたときのトロリ線押上量は、それぞれ２０ｍｍ、２６ｍｍ、３１ｍｍ、３６ｍｍである。他の走行速度におけるトロリ線押上量も、同様の傾向を示している。第１パンタグラフの各定常押上力に対して、第２パンタグラフの押上量を計算すればさらに推定精度は向上する。また複数の観測点を設けることは、速度算出，精度向上に有効である。なお、図８には、Ｃ支持点におけるトロリ線押上量の実測例が実線の折れ線で示されている。

図９に、図８から本発明により求めた第１パンタグラフの定常押上力の推定値を太い折れ線で示す。図９において、第１パンタグラフの定常押上力の推定値は、走行速度が１７０ｋｍ／ｈのとき６０Ｎ、２３０ｋｍ／ｈのとき８０Ｎ、２７５ｋｍ／ｈのとき９０Ｎ、そして３０５ｋｍ／ｈのとき９４Ｎとなっている。図９には、当該パンタグラフの現車走行試験（揚力測定）による実測値を合わせて示している。両者は概ね近い特性を示すが、１０Ｎ程度の差が見られる。現車走行（揚力測定）におけるパンタグラフ作用高さの差異の影響も考えられる。しかしながら、この程度の差は、実用上十分に補正可能なものである。

本発明の一実施例のパンタグラフ特性の診断装置のブロック図である。本発明の一実施例のパンタグラフ特性の診断方法を説明するフローチャートである。架線の線条を多数の質点に分割し、質点間に速度比例型の減衰要素を配置した架線モデルを示した図である。Ａ支持点第１パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量との関係を示したグラフである。Ａ支持点第２パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量との関係を示したグラフである。Ｂ支持点第１パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量との関係を示したグラフである。Ｂ支持点第２パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量との関係を示したグラフである。Ｃ支持点第１パンタグラフにおけるパンタグラフ定常押上力とトロリ線押上量との関係を示したグラフ、及び、トロリ線押上量の実測値のグラフである。本発明によるパンタグラフ定常押上力の推定例を示した図である。

符号の説明

１トロリ線凹凸計測装置
２運動シミュレーション装置
２ａ定常押上力とトロリ線押上量の対照表作成部
３評価装置
３ａパンタグラフの定常押上力推定部
３ｂパンタグラフの特性評価部
４トロリ線押上量計測装置

Claims

観測点付近の架線の架設状態の計測を行う架設状態計測ステップ、前記架設状態計測ステップで得られたデータに基づいて架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行う運動シミュレーションステップ、前記運動シミュレーションステップの運動計算結果に基づいて観測点におけるパンタグラフ定常押上力に対するトロリ線押上量の対照表を作成する対照表作成ステップ、トロリ線押上量を計測する押上量計測ステップ、前記押上量計測ステップで得られたトロリ線押上量から前記対照表に基づいてパンタグラフ定常押上力を推定する定常押上力推定ステップ、及び前記定常押上力推定ステップで得られたパンタグラフ定常押上力の推定値を評価基準値と比較してパンタグラフの良否の判定を行う判定ステップとからなるパンタグラフ特性の診断方法。
前記架設状態計測ステップは、観測点付近のトロリ線凹凸の計測を行うトロリ線凹凸計測ステップであることを特徴とする請求項１のパンタグラフ特性の診断方法。
観測点付近の架線の架設状態の計測を行う架設状態計測装置、前記架設状態計測装置で得られたデータに基づいて架線・パンタグラフ系の運動シミュレーションを行い、前記シミュレーション結果に基づいて観測点におけるパンタグラフ定常押上力に対するトロリ線押上量の対照表を作成する運動シミュレーション装置、トロリ線押上量を計測する押上量計測装置、及び、前記押上量計測装置で得られたトロリ線押上量から前記対照表に基づいてパンタグラフ定常押上力を推定し、このパンタグラフ定常押上力の推定値を評価基準値と比較してパンタグラフの良否の判定を行う評価装置とから構成されたパンタグラフ特性の診断装置。
前記架設状態計測装置は、観測点付近のトロリ線凹凸の計測を行うトロリ線凹凸計測装置であることを特徴とする請求項３のパンタグラフ特性の診断装置。