JP5280763B2

JP5280763B2 - パンタグラフの接触力測定方法及び装置

Info

Publication number: JP5280763B2
Application number: JP2008185888A
Authority: JP
Inventors: 充池田; 達弥小山
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: JP2010025677A

Description

本発明は、電気鉄道におけるトロリ線とパンタグラフの摺り板との間に作用する接触力を測定する方法及び装置に関する。特には、多分割摺り板を有するパンタグラフにおいて、摺り板体に作用する力のうちの、各摺り板に作用する反力を測定する方法及び装置に関する。

新幹線等の、時速が３００ｋｍ／ｈ以上の高速鉄道車両においては、良好な集電性能を確保する手段の一つとして、多分割摺り板を有する舟体の導入が検討されている。多分割摺り板を有する舟体とは、複数の短尺の摺り板を車両の左右方向に鍵盤状に配置して、各摺り板毎に弾性支持するものである。このような構造により、トロリ線と直接摺動する部材の質量をできるだけ軽くできるので、パンタグラフの追随性が向上する。このようなパンタグラフは将来的には実用化されると考えられている。

図１は、多分割摺り板を有する舟体の一例を模式的に説明する図であり、図１（Ａ）は正面図、図１（Ｂ）は側面図である。なお、正面図は、レール長手方向垂直断面においてみた図であり、車両の左右方向が図の左右方向となる。また、側面図は、車両の横から見た図であり、車両の前後方向が図の左右方向となる。
図１（Ａ）に示すように、この例の舟体１には、摺り板体１０が、複数の微動バネ３によって上下方向に弾性支持されている。舟体１は、車両の左右方向に長く延びた、上面が開口した箱状のものである。図１（Ｂ）に示すように、舟体１の前後側壁の内周面には、樹脂製のスライダ５が取り付けられている。さらに、舟体１の内部のほぼ中央高さ位置には、左右方向に延びるストッパ７が架け渡されている。このストッパ７は、後述するように摺り板体１０の上方向の移動を規制するものである。ストッパ７の各摺り板１３の下方の部分には、微動バネ３が通される孔が開けられている。

摺り板体１０は、車両の左右方向に長く延びる銅板１１と、同銅板１１上に貼り付けられたゴム板１２を有する。銅板１１は通電経路を構成するためのものである。ゴム板１２上には、独立した１２枚の短尺状の摺り板１３が車両の左右方向に鍵盤状に配置されている。摺り板１３は、例えばＦｅ系焼結合金で作製され、幅が３０〜４０ｍｍ、長さが４０〜６０ｍｍ程度である。隣接する摺り板１３間の距離は例えば２〜３ｍｍである。摺り板１３は、中央の１０枚の主摺り板１３ａと左右端の２枚の補助摺り板１３ｂとからなる。一方の補助摺り板は固定されており、他方の補助摺り板は可動である。銅板１１の下面には、摺り板１３の各々に対して１個のガイド１５が固定されている。ガイド１５は、図１（Ｂ）に示すように、側面形状が上に開口したコの字型であり、底板と前後の側板を有する。

微動バネ３は、隣接する摺り板１３の間に設けられている。同バネ３は、上端が摺り板体１０の銅板１１に固定されており、ストッパ７に開けられた孔とガイド１５の底板に開けられた孔を通って下方に延び、下端は舟体１の底板に固定されている。摺り板体１０が上下方向に移動する際、スライダ５がガイド１５の前後壁と摺動する。このようなスライダ５を設けることにより、ガイド１５と舟体１との摩擦力を低減させている。

このような多分割摺り板を有するパンタグラフにおいても、摺り板の摩耗低減や摺り板がトロリ線から離れる離線の対策として、パンタグラフとトロリ線との接触力を測定することが求められている。このような多分割摺り板を有する舟体において、摺り板体に作用する鉛直方向の力のうち主要なものは、１）トロリ線とパンタグラフとの間の接触力、２）摺り板に作用する反力、３）摺り板体の慣性力及び揚力であり、これらの力が常に釣り合っている。接触力を得るためには、２）摺り板に作用する反力、３）摺り板体の慣性力及び揚力を測定すればよい。

そこで、本発明者は、各摺り板を舟体に対して支持するバネの反力を求め、反力に基づいて舟体に対する摺り板の相対変位を求め、これを二階微分して相対加速度を算出し、相対加速度に基づいて慣性力を求める方法を開発しつつある（例えば、特許文献１、２参照）。バネの反力はひずみゲージなどを用いて測定することができる。揚力は、従来の接触力測定と同様に、風洞実験によって得た揚力係数と走行速度から推定することができる。

特願２００７−１９２２０特願２００７−１９２３７

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、トロリ線とパンタグラフとの接触力を得るために、摺り板に作用する反力を求める方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明のパンタグラフの接触力測定方法は、トロリ線に接触する多分割摺り板体と、該摺り板体を前記トロリ線方向に付勢する微動バネと、該微動バネが固定されているとともに、前記摺り板体を上下スライド可能に保持する舟体と、を備えるパンタグラフにおける、前記摺り板体の前記トロリ線に対する接触力を測定する方法であって、前記微動バネのバネ反力を測定し、前記摺り板体と前記舟体との間の摩擦力及び当接力の上下方向成分を測定し、前記バネ反力に前記摩擦力及び当接力の上下方向成分を加味して前記接触力を求めることを特徴とする。

本発明においては、さらに前記摺り板体の前記舟体に対する相対加速度を求め、前記相対加速度に基いて前記摺り板体の慣性力を求め、前記反力及び前記慣性力を加算したものに前記摩擦力及び当接力の上下方向成分を加味して前記接触力を求めることが好ましい。

多分割摺り板を有する舟体において、摺り板体に作用する鉛直方向の力は、１）トロリ線とパンタグラフとの間の接触力、２）摺り板に作用する反力、３）摺り板体の慣性力及び揚力であり、これらの力が常に釣り合っている。そこで、２）摺り板に作用する反力、３）摺り板体の慣性力、及び、４）揚力を求めることができれば、接触力を得ることができる。

本発明のパンタグラフの接触力測定方法のより具体的な態様は、前記摺り板体の摺り板の各々には下方に突出するガイド部が形成されており、前記舟体には、前記ガイド部の摺動するスライド部、及び、前記ガイド部の当接するストッパ部が形成されており、前記ガイド部にひずみゲージを貼り付け、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときのひずみを計測することにより、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときに該ガイド部に発生する反力と前記スライド部との摺動により発生する反力とを検出する。

前述の２）摺り板に作用する反力、には、２−１）微動バネによる反力、２−２）ゴム板や銅板の曲げによる反力、２−３）ガイドに生じる反力、が含まれる。さらに、２−３）ガイドに生じる反力は、２−３−１）ガイドがストッパに接触したときに発生する反力、と、２−３−２）ガイドとスライダが摺動接触したときに発生する反力、とに分類される。
本発明によれば、ガイド部がストッパに接触したときのひずみを計測することにより、２−３−１）ガイド部がストッパに接触したときにガイド部に発生する反力と、２−３−２）ガイド部とスライド部との摺動により発生する反力、を求めることができる。

本発明においては、前記ガイド部の高さ方向におけるほぼ中央部に、該ガイド部の側縁から内方向にくびれた切り欠きを設け、該ガイド部の幅が狭くなったくびれ部を形成し、該くびれ部に前記ひずみゲージを貼り付けて、同部のひずみを計測することにより、前記ガイド部と前記スライド部との摺動により発生する反力を計測することが好ましい。

ガイド部にくびれ部を形成すると、同部に力が集中するので、ガイド部とスライド部とがガイド部のどの面で摺動しても、精度よくひずみを測定することができる。

さらに、前記ガイド部に、前記ストッパ部又は前記舟体底面に向いた突起を形成すると、ガイド部とストッパ部とが一か所で接触するので、反力測定の際に測定ゲインを一定とすることができる。

本発明においては、前記舟体底面に板バネを架け渡し、前記微動バネの下端を該板バネに固定し、該板バネのひずみを計測することにより前記微動バネの反力を求めることとする。

以上の発明においては、前記ひずみゲージとしてＦＢＧ光ファイバセンサを用いることが好ましい。
ＦＧＢセンサは、詳しくは後述するが、所定の物質がドープされた光ファイバに紫外線を照射することによって周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバである。そして、屈折力変調の周期に比例したブラッグ波長のみを反射するという特性を有する。ＦＧＢの長さ方向にひずみが加わるとブラッグ波長が変化し、その変化量はひずみの量に線形に変化するため、反射光の波長を読み取ることにより、ひずみセンサとして利用できる。つまり、異なるブラッグ波長を持った複数のＦＧＢを１本の光ファイバに直列に並べることにより、同時に複数の点のひずみを検知することができる。したがって、各ガイド部にひずみセンサを取り付けるのではなく、１本の光ファイバ型のセンサを使用することができるので、測定装置を簡易化できる。

本発明のパンタグラフの接触力測定装置は、トロリ線に接触する多分割摺り板体と、該摺り板体を前記トロリ線方向に付勢する微動バネと、該微動バネが固定されているとともに、前記摺り板体を上下スライド可能に保持する舟体と、を備えるパンタグラフにおける、前記摺り板体の前記トロリ線に対する接触力を測定する装置であって、前記微動バネのバネ反力を測定する手段と、前記摺り板体と前記舟体との間の摩擦力及び当接力の上下方向成分を測定する手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のパンタグラフの接触力測定装置の具体的態様は、前記摺り板体の摺り板の各々には下方に突出するガイド部が形成されており、前記舟体には、前記ガイド部の摺動するスライド部、及び、前記ガイド部の当接するストッパ部が形成されており、前記ガイド部のひずみを計測するひずみゲージを有し、該ひずみゲージで、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときのひずみを計測し、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときに該ガイド部に発生する反力と前記スライド部との摺動により発生する反力とを検出することとする。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、多分割摺り板を有するパンタグラフにおいて、各摺り板に発生するひずみを計測することにより、パンタグラフの接触力を知るための必須の要素である、各摺り板に作用する反力をより正確に求めることができる。また、各摺り板のひずみ計測に、ＦＧＢセンサを備えた光ファイバを使用するので、各摺り板にひずみセンサを取り付ける場合に比べて、計測系を簡易化できる。
-

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
前述のように、摺り板体に作用する鉛直方向の力のうちの主要なものは、
１）トロリ線とパンタグラフとの間の接触力、
２）摺り板に作用する反力、
３）摺り板体の慣性力
４）揚力、
であり、これらの力が常に釣り合っている。
本発明においては、このうちの、２）摺り板に作用する反力、を従来よりも正確に求める。
２）摺り板に作用する反力は、
２−１）微動バネによる反力、
２−２）ゴム板や銅板の曲げによる反力、
２−３）ガイドに生じる反力、
がある。
さらに、２−３）ガイドに生じる反力は、
２−３−１）ガイドがストッパに接触したときに発生する反力、と、
２−３−２）ガイドとスライダが摺動接触したときに発生する反力、
とに分けられる。

まず、２−１）微動バネによる反力を計測する方法を説明する。
図２は、微動バネによる反力を計測する方法を説明する模式的な側面図である。なお、図中でガイドの図示は省略されている。
舟体１の底面の前後端付近に支柱２１を立設し、支柱２１間にバネ鋼製の板バネ２３を架け渡す。そして、微動バネ３の上端を摺り板体１０の底面に固定し、下端を板バネ２３の中央部に固定する。また、板バネ２３の、微動バネ３の下端が固定されている部分Ｐの前後側に、各々ひずみゲージ２５を取り付ける。同ひずみゲージ２５により、微動バネ３の伸縮により板バネ２３に生じるひずみを測定して反力を測定する。摺り板１３が傾くと、微動バネ３と板バネ２３との固定点Ｐにおいて曲げモーメントが発生するので、その影響をキャンセルするために、固定点Ｐの両側にひずみゲージ２５を取り付けている。

次に、２−２）ゴム板や銅板の曲げによる反力、に関しては、摺り板体全体で見ると内力になるので、接触力測定のために測定する必要はない。ただし、ゴム板と銅板の両端に生じる曲げ反力は外力として摺り板体に作用する。そこで、微動バネの伸縮量からゴム板と銅板に発生する曲げモーメントを推定し、ゴム板と銅板の曲げによる反力を求める。

次に、２−３−１）ガイドがストッパに接触したときに発生する反力と、２−３−２）ガイドとスライダが摺動接触したときに発生する反力、を求める方法を説明する。
図３は、ガイドがストッパに接触したときに発生する反力を求める方法の原理を説明する図であり、図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）は側面図である。
まず、ガイド１５の前後の側壁の外面に、各々二軸のひずみゲージ３１を取り付ける。ひずみゲージ３１は、直交する２個の検知部３１ａ、３１ｂを有する。ガイド１５の底面に圧縮荷重あるいは引っ張り荷重を作用させ、これらのゲージ３１でひずみを計測した。

図４は、測定結果を示すグラフである。縦軸はひずみ量（μＳｔ）、横軸は荷重（Ｎ）を示す。また、太実線は横方向検知部３１ａの測定値、太点線は縦方向検知部３１ｂの測定値を示す。
グラフからわかるように、圧縮荷重と引っ張り荷重のいずれの場合も、ひずみ量はほぼ線形となる。つまり、ガイド１５の前後壁に生じるひずみを計測すれば、ストッパに接触したことによって生じるガイドの反力を求めることが可能になることが確認された。

図５は、ガイドがストッパに接触したときに発生する反力と、ガイドとスライダが摺動接触したときに発生する反力を求める方法の他の例を説明する図である。
ガイド１５がストッパ７に接触したときに発生する反力は、前述のように、ガイド１５の前後側板にひずみゲージ５５を取り付けることによって計測できるが、この例においては、図５（Ｂ）に示すように、ガイド１５の底板の上面及び下面の中央に、先端が尖った突起５１、５２を設ける。この突起５１を設けることにより、ガイド１５は常に突起５１でストッパ５に当たるので、測定ゲインを一定にできる。なお、底板の下面に設けられた突起５２は、下方向のストッパとしての舟体１の底部１ｂに当たる部分である。

次に、ガイド１５がスライダ５と摺動接触したときに発生する反力をより正確に求めるには、図５（Ａ）に示すように、ガイド１５の前後側板に、側縁から内側にくびれた切り欠き１５ａを設けて、幅の狭い部分１５ｂを形成する。そして、この幅の狭い部分１５ｂに二軸のひずみゲージ５５を取り付ける。また、ガイド１５の前後側板のひずみゲージ５５の下方に摺動部１６を設けて、この摺動部１６で舟体１のスライダ５と摺動させるようにする。

ガイド１５の前後壁に幅の狭い部分１５ｂを形成すると、同部分１５ｂに応力が集中する。そして、同部分１５ｂにひずみゲージ５５を取り付けることにより、ガイド１５とスライダ５との摺動摩擦力がガイド前後壁面のどの部分で発生したとしても、ひずみを精度よく測定することができる。

以上の測定は、摺り板の各々について行う必要がある。そこで、ひずみゲージとしてＦＧＢ（Fiber Bragg Grating）センサを有する使用することができる。ＦＧＢセンサとは、ゲルマニウム等をドープしたコアを有する光ファイバに、紫外線を照射することによって周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバである。そして、屈折力変調の周期に比例したブラッグ波長のみを反射するという特性を有する。ＦＧＢの長さ方向にひずみが加わるとブラッグ波長が変化し、その変化量はひずみの量に線形に変化する。このため、ＦＧＢからの反射光の波長を読み取ることにより、ひずみセンサとして利用できる。また、異なるブラッグ波長を持った複数のＦＧＢを１本の光ファイバに直列に並べることにより、同時に複数の点のひずみを検知することができる。

つまり、本例においては、各ガイドにひずみセンサを取り付けるのではなく、１本の光ファイバ型のセンサを使用するので、測定装置を簡易化できる。

多分割摺り板を有する舟体の一例を模式的に説明する図であり、図１（Ａ）は正面図、図１（Ｂ）は側面図である。微動バネによる反力を計測する方法を説明する模式的な側面図である。ガイドがストッパに接触したときに発生する反力を求める方法の原理を説明する図であり、図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）は側面図である。測定結果を示すグラフである。ガイドがストッパに接触したときに発生する反力と、ガイドとスライダが摺動接触したときに発生する反力を求める方法の他の例を説明する図である。

符号の説明

１舟体３微動バネ
５スライダ７ストッパ
１０摺り板体１１銅板
１２ゴム板１３摺り板
１５ガイド１６摺動部
２１支柱２３板バネ
２５、３１、５５ひずみセンサ５１、５２突起

Claims

トロリ線に接触する多分割摺り板体と、該摺り板体を前記トロリ線方向に付勢する微動バネと、該微動バネが固定されているとともに、前記摺り板体を上下スライド可能に保持する舟体と、を備えるパンタグラフにおける、前記摺り板体の前記トロリ線に対する接触力を測定する方法であって、
前記微動バネのバネ反力を測定し、
前記摺り板体と前記舟体との間の摩擦力及び当接力の上下方向成分を測定し、
前記バネ反力に前記摩擦力及び当接力の上下方向成分を加味して前記接触力を求めることを特徴とするパンタグラフの接触力測定方法。
さらに前記摺り板体の前記舟体に対する相対加速度を求め、
前記相対加速度に基いて前記摺り板体の慣性力を求め、
前記反力及び前記慣性力を加算したものに前記摩擦力及び当接力の上下方向成分を加味して前記接触力を求めることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフの接触力測定方法。
前記摺り板体の摺り板の各々には下方に突出するガイド部が形成されており、
前記舟体には、前記ガイド部の摺動するスライド部、及び、前記ガイド部の当接するストッパ部が形成されており、
前記ガイド部にひずみゲージを貼り付け、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときのひずみを計測することにより、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときに該ガイド部に発生する反力と前記スライド部との摺動により発生する反力とを検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のパンタグラフの接触力測定方法。
前記ガイド部の高さ方向におけるほぼ中央部に、該ガイド部の側縁から内方向にくびれた切り欠きを設け、該ガイド部の幅が狭くなったくびれ部を形成し、
該くびれ部に前記ひずみゲージを貼り付けて、同部のひずみを計測することにより、前記ガイド部と前記スライド部との摺動により発生する反力を計測することを特徴とする請求項３に記載のパンタグラフの接触力測定方法。
前記ガイド部に、前記ストッパ部又は前記舟体底面に向いた突起を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載のパンタグラフの接触力測定方法。
前記舟体底面に板バネを架け渡し、前記微動バネの下端を該板バネに固定し、
該板バネのひずみを計測することにより前記微動バネの反力を求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパンタグラフの接触力測定方法。
前記ひずみゲージとしてＦＢＧ光ファイバセンサを用いることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のパンタグラフの接触力測定方法。
トロリ線に接触する多分割摺り板体と、該摺り板体を前記トロリ線方向に付勢する微動バネと、該微動バネが固定されているとともに、前記摺り板体を上下スライド可能に保持する舟体と、を備えるパンタグラフにおける、前記摺り板体の前記トロリ線に対する接触力を測定する装置であって、
前記微動バネのバネ反力を測定する手段と、
前記摺り板体と前記舟体との間の摩擦力及び当接力の上下方向成分を測定する手段と、
を備えることを特徴とするパンタグラフの接触力測定装置。
前記摺り板体の摺り板の各々には下方に突出するガイド部が形成されており、
前記舟体には、前記ガイド部の摺動するスライド部、及び、前記ガイド部の当接するストッパ部が形成されており、
前記ガイド部のひずみを計測するひずみゲージを有し、該ひずみゲージで、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときのひずみを計測し、前記ガイド部が前記ストッパに接触したときに該ガイド部に発生する反力と前記スライド部との摺動により発生する反力とを検出することを特徴とする請求項８に記載のパンタグラフの接触力測定装置。