JP6291688B2 - Temperature analysis method and power supply device manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道車両に用いられるトロリ線及びすり板の温度解析方法、及び、トロリ線及びすり板からなる電力供給装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a temperature analysis method for a trolley wire and a sliding plate used in a railway vehicle, and a method for manufacturing a power supply device including the trolley wire and a sliding plate.

電気鉄道に用いられる集電系材料(電力供給装置)を構成するトロリ線やすり板の寿命は摩耗により決定されるため、これまでにも集電系材料の摩耗に関する研究や材料開発が数多く報告されている(非特許文献1〜3参照)。一般的に、トロリ線とすり板の摩耗特性は、材料の組合せで変化する。非特許文献4によれば、Cr-Zr系銅合金トロリ線に対するすり板の組合せを変更した摩耗試験結果より、接触面温度上昇の観点から整理したトロリ線摩耗マップが作成されている。また、非特許文献5によれば、無酸素銅に対するすり板の組合せを変更した摩耗試験結果より、アーク放電エネルギーの累積値で整理した比較を報告されている。   Since the life of trolley wire files that make up current collecting materials (power supply devices) used in electric railways is determined by wear, many studies and material developments related to wear of current collecting materials have been reported so far. (See Non-Patent Documents 1 to 3). In general, the wear characteristics of the trolley wire and the sliding plate vary depending on the combination of materials. According to Non-Patent Document 4, a trolley wire wear map arranged from the viewpoint of a contact surface temperature rise is created from a wear test result obtained by changing a combination of a sliding plate with respect to a Cr—Zr-based copper alloy trolley wire. Further, according to Non-Patent Document 5, there is reported a comparison organized by the accumulated value of arc discharge energy based on the result of wear test in which the combination of the sliding plates with respect to oxygen-free copper is changed.

更に、非特許文献6によれば、これまでに硬銅トロリ線と鉄系焼結合金の組合せにおける摩耗試験を実施し、通電下の摩耗形態が荷重と電流に支配される接点温度によって、3つに分類できることが報告されている。また、非特許文献7によれば、接点近傍の温度分布解析結果より、通電下の摩耗形態遷移機構を提案し、接触表面に存在する酸化膜などの被膜抵抗が摩耗形態に大きく影響を及ぼすことが明らかにされている。   Further, according to Non-Patent Document 6, a wear test on a combination of a hard copper trolley wire and an iron-based sintered alloy has been performed so far, and the wear mode under energization depends on the contact temperature governed by load and current. It can be classified into two types. Further, according to Non-Patent Document 7, a wear form transition mechanism under energization is proposed based on the temperature distribution analysis result in the vicinity of the contact point, and the film resistance such as an oxide film existing on the contact surface greatly affects the wear form. Has been revealed.

菅原淳:「新しいトロリ線の開発と適用」、鉄道車両と技術、No.96 pp.46-50 (2004)Kaoru Sugawara: "Development and application of new trolley lines", railway vehicles and technology, No.96 pp.46-50 (2004) 宮平裕生、土屋広志:「パンタグラフすり板の摩耗を低減する」、RRR、Vol. 71、No.2 pp.8-11 (2014)Hiroo Miyahira, Hiroshi Tsuchiya: “Reduce pantograph wear”, RRR, Vol. 71, No.2 pp.8-11 (2014) M. Ikeda、 H. Tsuchiya: Recent Trends on Pantograph forHigh-Speed Railways in Terms of Tribology、 Journal of Japanese Society of Tribolosists、 Vol. 58、 No. 7、 pp.447-454(2013)池田充、土屋広志:「高速鉄道用パンタグラフのトライボロジーに関わる最近の動向」、トライボロジスト、Vol.58 、No.7 pp.447-454 (2013)M. Ikeda, H. Tsuchiya: Recent Trends on Pantograph for High-Speed Railways in Terms of Tribology, Journal of Japanese Society of Tribolosists, Vol. 58, No. 7, pp.447-454 (2013) Mitsuru Ikeda, Hiroshi Tsuchiya: “Recent Trends in Pantograph Tribology for High-Speed Railways”, Tribologist, Vol.58, No.7 pp.447-454 (2013) 長沢広樹:「Cr-Zr 系銅合金トロリ線の通電下の摩耗特性の研究」、東北大学学位論文、(1996)Hiroki Nagasawa: "Study on wear characteristics of Cr-Zr copper alloy trolley wire under current flow", Tohoku University Doctoral Dissertation, (1996) 久保俊一:「銅または銅鉛錫合金を溶浸した炭素製パンタグラフすり板のアーク放電下の摩耗機構の研究」、東北大学学位論文、(1996)Shunichi Kubo: “Study on wear mechanism of carbon pantograph strip infiltrated with copper or copper-lead-tin alloy under arc discharge”, Tohoku University dissertation, (1996) C. Yamashita、 K. Adachi: Influence of Current on Wear Modes and Transition Condition of Current Collecting Materials、 Journal of Japanese Society of Tribolosists、 Vol. 58、 No. 7、 pp.496-503(2013)山下主税、足立幸志:「集電系材料の摩耗形態及び遷移条件に及ぼす通電電流の影響」、トライボロジスト、Vol.58、No.7 pp.496-503 (2013)C. Yamashita, K. Adachi: Influence of Current on Wear Modes and Transition Condition of Current Collecting Materials, Journal of Japanese Society of Tribolosists, Vol. 58, No. 7, pp.496-503 (2013) Yamashita Main Tax, Adachi Koji : "Effects of current flow on wear patterns and transition conditions of current collecting materials", Tribologist, Vol.58, No.7 pp.496-503 (2013) C. Yamashita、 K. Adachi: Wear Mechanism of Current Collecting Materials due to Temperature Distribution Analysis Considering Degenerated Layer、 Journal of Japanese Society of Tribolosists、 Vol. 59、 No. 5、 pp.302-309 (2014)山下主税、足立幸志:「介在物を考慮した温度分布解析による集電系材料の通電摩耗機構の解明」、トライボロジスト、Vol.59、No.5 pp. 302-309 (2014)C. Yamashita, K. Adachi: Wear Mechanism of Current Collecting Materials due to Temperature Distribution Analysis Considering Degenerated Layer, Journal of Japanese Society of Tribolosists, Vol. 59, No. 5, pp. 302-309 (2014) Yamashita Main Tax, Adachi Yuki: "Elucidation of the current wear mechanism of current collecting materials by temperature distribution analysis considering inclusions", Tribologist, Vol.59, No.5 pp. 302-309 (2014)

しかしながら、上述の非特許文献においては、通電下における摩耗機構の提案や定量化がなされているものの、明確な摩耗低減指針、即ち、トロリ線及びすり板に用いる材料の選択の指針を与えるには至っていない。したがって、新たな電力供給装置の開発には、候補とする材料について網羅的に実験やシミュレーションを実施する必要があり、手間やコストがかかっていた。   However, in the above non-patent literature, although a wear mechanism under energization is proposed and quantified, a clear wear reduction guideline, that is, a guideline for selecting a material used for a trolley wire and a sliding plate is given. Not reached. Therefore, the development of a new power supply apparatus requires exhaustive experiments and simulations on candidate materials, which takes time and effort.

本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであって、電気鉄道に用いられる電力供給装置をなすトロリ線及びすり板の材料選択に要する手間やコストを軽減可能な温度解析方法及び電力供給装置の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention has been made in view of the above-described problems, and is a temperature analysis method and power that can reduce labor and cost required for selecting materials for a trolley wire and a sliding plate constituting a power supply device used in an electric railway. It is providing the manufacturing method of a supply apparatus.

本発明の一態様は、トロリ線とすり板とが接触してなる電力供給装置に生じる温度を解析する温度解析方法であって、前記トロリ線と、前記すり板と、当該トロリ線及びすり板の接触点と、を含む所定領域において、前記接触点を介して前記トロリ線から前記すり板にかけて印加される接触電圧と、前記所定領域内に生じる最高温度である全体最高温度と、の相関関係を示す理論式に基づいて当該全体最高温度を特定するステップと、前記接触電圧と、特定された前記全体最高温度と、に基づいて、前記所定領域内に生じる電位分布に対する温度分布の関係を示す曲線を特定するステップと、前記接触点における電位と、前記曲線と、に基づいて、前記トロリ線及び前記すり板の各々の最高温度である部材別最高温度を特定するステップと、を有する温度解析方法である。   One aspect of the present invention is a temperature analysis method for analyzing a temperature generated in a power supply device formed by contact between a trolley wire and a sliding plate, the trolley wire, the sliding plate, the trolley wire and the sliding plate Between the contact voltage applied from the trolley wire to the sliding plate via the contact point and the overall maximum temperature, which is the maximum temperature generated in the predetermined region, in a predetermined region including the contact point The relationship between the temperature distribution with respect to the potential distribution generated in the predetermined region is shown based on the step of specifying the overall maximum temperature based on the theoretical formula indicating the above, the contact voltage, and the specified overall maximum temperature. Identifying a curve, identifying a maximum temperature for each member, which is a maximum temperature of each of the trolley wire and the sliding plate, based on the potential at the contact point and the curve; It is the temperature analysis method with.

また、本発明の一態様は、上述の温度解析方法の前記曲線を特定するステップにおいて、当該曲線を、前記接触電圧の中間値において前記全体最高温度を頂点とする放物線となるように特定し、前記部材別最高温度を特定するステップにおいて、前記トロリ線及び前記すり板のうち、前記接触電圧の中間値となる位置を含む一方の前記部材別最高温度を前記全体最高温度として特定し、前記接触電圧の中間値となる位置を含まない他方の前記部材別最高温度を前記接触点における温度として特定することを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the step of specifying the curve of the temperature analysis method described above, the curve is specified so as to be a parabola having the overall maximum temperature as a vertex at an intermediate value of the contact voltage, In the step of specifying the highest temperature for each member, the highest temperature for each member including the position that is an intermediate value of the contact voltage among the trolley wire and the sliding plate is specified as the overall highest temperature, and the contact The other maximum temperature for each member that does not include a position that is an intermediate voltage value is specified as the temperature at the contact point.

また、本発明の一態様は、上述の温度解析方法において、前記理論式と、前記トロリ線を構成する金属材料の融点と、前記すり板を構成する金属材料の融点と、に基づいて、前記接触電圧、及び、当該接触電圧に対する前記接触点における電位の比率を示す接触境界係数の、当該トロリ線及びすり板のうち少なくとも何れか一方が融解する範囲をマッピングするステップを更に有する。   Further, according to one aspect of the present invention, in the temperature analysis method described above, based on the theoretical formula, the melting point of the metal material constituting the trolley wire, and the melting point of the metal material constituting the sliding plate, The method further includes a step of mapping a contact voltage and a range in which at least one of the trolley wire and the sliding plate melts, of a contact boundary coefficient indicating a contact voltage and a ratio of a potential at the contact point to the contact voltage.

また、本発明の一態様は、上述の温度解析方法に基づいて、前記トロリ線及び前記すり板の各々の部材別最高温度を特定する第1ステップと、特定の前記接触電圧において、前記接触点における電位が、少なくとも前記トロリ線の部材別最高温度が当該トロリ線を構成する金属材料の融点を超えない電位となるように、前記トロリ線を構成する金属材料と、前記すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する第2ステップと、を有する電力供給装置の製造方法である。   Further, according to one aspect of the present invention, in the first step of specifying the maximum temperature for each member of the trolley wire and the sliding plate based on the above-described temperature analysis method, and in the specific contact voltage, the contact point The metal material constituting the trolley wire and the metal constituting the sliding plate so that at least the maximum temperature of each member of the trolley wire does not exceed the melting point of the metal material constituting the trolley wire And a second step of determining a combination of materials.

また、本発明の一態様は、上述の温度解析方法の前記第2ステップにおいて、前記トロリ線を構成する金属材料の電気抵抗率であるトロリ線側抵抗率と、前記すり板を構成する金属材料の電気抵抗率であるすり板側抵抗率と、の組み合わせに基づいて、前記トロリ線を構成する金属材料と、前記すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定することを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the second step of the temperature analysis method described above, a trolley wire side resistivity that is an electrical resistivity of a metal material that constitutes the trolley wire, and a metal material that constitutes the sliding plate The combination of the metal material that constitutes the trolley wire and the metal material that constitutes the sliding plate is determined based on the combination of the resistivity and the sliding plate side resistivity.

また、本発明の一態様は、前記トロリ線、前記すり板のいずれも融解しない領域、前記トロリ線及び前記すり板の何れか一方のみが融解する領域、及び、前記トロリ線、前記すり板の両方が融解する領域の境界を規定する係数と、前記トロリ線を構成する金属材料の融点と前記すり板を構成する金属材料の融点との大小関係と、によって規定される区分に基づいて当該トロリ線を構成する金属材料と、当該すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定することを特徴とする。   Further, according to one embodiment of the present invention, an area where neither the trolley wire nor the sliding plate is melted, an area where only one of the trolley wire or the sliding plate is melted, and the trolley wire or the sliding plate The trolley based on the division defined by the coefficient that defines the boundary of the region where both melt, and the magnitude relationship between the melting point of the metallic material constituting the trolley wire and the melting point of the metallic material constituting the sliding plate. A combination of a metal material constituting the line and a metal material constituting the sliding plate is determined.

上述の温度解析方法及び電力供給装置の製造方法によれば、電気鉄道に用いられる電力供給装置の材料選択に要する手間やコストを軽減できる。   According to the temperature analysis method and the power supply device manufacturing method described above, it is possible to reduce labor and cost required for selecting a material for the power supply device used in the electric railway.

第1の実施形態に係る温度解析方法の温度解析モデルを示す図である。It is a figure which shows the temperature analysis model of the temperature analysis method which concerns on 1st Embodiment. 図1に示す温度解析モデルにおける回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure in the temperature analysis model shown in FIG. 第1の実施形態に係る温度解析方法の解析結果例を示す図である。It is a figure which shows the example of an analysis result of the temperature analysis method which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第1の図である。It is the 1st figure explaining the temperature analysis method concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第2の図である。It is a 2nd figure explaining the temperature analysis method concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第3の図である。It is a 3rd figure explaining the temperature analysis method which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第4の図である。It is a 4th figure explaining the temperature analysis method which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第5の図である。It is a 5th figure explaining the temperature analysis method concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第6の図である。It is a 6th figure explaining the temperature analysis method concerning a 1st embodiment. 第2の実施形態に係る温度解析方法を説明する第1の図である。It is the 1st figure explaining the temperature analysis method concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係る温度解析方法を説明する第2の図である。It is a 2nd figure explaining the temperature analysis method which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る温度解析方法を説明する第3の図である。It is a 3rd figure explaining the temperature analysis method which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る温度解析方法を説明する第4の図である。It is a 4th figure explaining the temperature analysis method which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第1の図である。It is a 1st figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第2の図である。It is a 2nd figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第3の図である。It is a 3rd figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第4の図である。It is a 4th figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第5の図である。It is a 5th figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第6の図である。It is a 6th figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第7の図である。It is a 7th figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第8の図である。It is an 8th figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第9の図である。It is a 9th figure explaining the manufacturing method of the electric power supply apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 図3に示す解析結果例に用いた物性値の例をまとめた図である。It is the figure which put together the example of the physical-property value used for the example of an analysis result shown in FIG.

<第1の実施形態>
以下、第1の実施形態に係る温度解析方法について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る温度解析方法は、主に電気鉄道に用いられ、トロリ線とすり板とが接触してなる電力供給装置において生じる温度を解析する温度解析方法である。
<First Embodiment>
Hereinafter, the temperature analysis method according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
The temperature analysis method according to the present embodiment is a temperature analysis method for analyzing a temperature generated in a power supply device mainly used in an electric railway and in which a trolley wire and a sliding plate are in contact with each other.

[電位分布および温度分布の解析方法]
(温度解析モデルの態様)
図1は、第1の実施形態に係る温度解析方法の温度解析モデルを示す図である。
また、図2は、図1に示す温度解析モデルにおける電気回路の構成を示す図である。
まず、本実施形態に係る温度解析方法を説明するにあたり、電気鉄道の電力供給装置を構成するトロリ線100と、同じく、電気鉄道の電力供給装置を構成するすり板110と、当該トロリ線100及びすり板110の接触点と、を含む所定領域を模したモデルについて説明する。
[Analysis method of potential distribution and temperature distribution]
(Mode of temperature analysis model)
FIG. 1 is a diagram illustrating a temperature analysis model of the temperature analysis method according to the first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an electric circuit in the temperature analysis model shown in FIG.
First, in describing the temperature analysis method according to the present embodiment, the trolley wire 100 constituting the electric railway power supply device, the sliding plate 110 constituting the electric railway power supply device, the trolley wire 100, and A model simulating a predetermined area including the contact point of the sliding plate 110 will be described.

具体的には、図1に示すように、トロリ線100及びすり板110を、互いの円形面で接触する円柱の電極とし、トロリ線100、すり板110各々の接触表面に存在する酸化膜を被膜抵抗としたモデルを構築する。ここで、トロリ線100及びすり板110の母材の半径をD、トロリ線100とすり板110とが物理的に接触する接触表面(以下、接触点Aとも記載する)の半径をaとし、トロリ線100の接触表面に存在する酸化膜であるトロリ線表面被膜101の厚さをd、すり板110の接触表面に存在する酸化膜であるすり板表面被膜111の厚さをdとする。
なお、図1に示す温度解析モデルの態様は、本実施形態に係る温度解析方法において十分な解析精度を有するモデルのうち最も簡素な態様の一つであって、他の実施形態においても当該モデルに限定されるものではない。
Specifically, as shown in FIG. 1, a trolley wire 100 and a sliding plate 110 are used as cylindrical electrodes that are in contact with each other on a circular surface, and an oxide film existing on the contact surface of each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is used. Build a model with film resistance. Here, the radius of the base material of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is D, and the radius of the contact surface (hereinafter also referred to as the contact point A) where the trolley wire 100 and the sliding plate 110 physically contact is a. The thickness of the trolley wire surface coating 101 which is an oxide film existing on the contact surface of the trolley wire 100 is d 1 , and the thickness of the sliding plate surface coating 111 which is an oxide film existing on the contact surface of the sliding plate 110 is d 2 . To do.
Note that the mode of the temperature analysis model shown in FIG. 1 is one of the simplest modes among models having sufficient analysis accuracy in the temperature analysis method according to the present embodiment, and the model is also used in other embodiments. It is not limited to.

ここで、図1左に示す円柱状のトロリ線100及びすり板110の所定領域を模したモデルを円周方向に分割し、図1右に示すような1ピース分のモデルを考える。図2は、図1右に示す1ピース分のモデルをr方向及びz方向に、メッシュ状に分割した場合における、各一要素についての電気回路の構成を示している。図2に示す電気回路のうち、電気抵抗R〜Rに接続される中央部分における電位φは、その上下左右の各要素における電位φ〜φ及び電気抵抗R〜Rにより、下式(1)により求めることができる。 Here, a model simulating a predetermined region of the cylindrical trolley wire 100 and the sliding plate 110 shown in the left of FIG. 1 is divided in the circumferential direction, and a model for one piece as shown in the right of FIG. 1 is considered. FIG. 2 shows a configuration of an electric circuit for each element when the one-piece model shown in the right of FIG. 1 is divided into a mesh shape in the r direction and the z direction. Of the electrical circuit shown in FIG. 2, the potential phi 0 in the central portion connected to the electric resistance R 1 to R 4 is the potential phi 1 to [phi] 4 and the electrical resistance R 1 to R 4 in each element of the vertical and horizontal The following equation (1) can be used.

図2において、電気抵抗R〜Rに接続される中央部分の温度θは、下式(2)により求めることができる(後述に記載の文献(7)を参照)。なお、実際のトロリ線100とすり板110との接触点Aは、しゅう動接点であるため、接触点Aの移動を考慮した非定常熱伝導解析をするべきである。しかし、接触点Aの移動時間に対して、トロリ線100及びすり板110の接触点A近傍に生じる温度上昇は十分に短い時間で発生するため、トロリ線100とすり板110との接触点Aを静接点と見なしても、温度解析結果には、大きな誤差は生じないと考えられる。したがって、本実施形態においては、より簡素な定常熱伝導解析を用いて、接触点A近傍に置ける温度解析を行うものとする。ただし、他の実施形態においては、しゅう動接点を考慮した非定常熱伝導解析を用いて温度解析を行ってもよい。 In FIG. 2, the temperature θ 0 of the central portion connected to the electric resistances R 1 to R 4 can be obtained by the following expression (2) (see the reference (7) described later). In addition, since the actual contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is a sliding contact, unsteady heat conduction analysis should be performed in consideration of the movement of the contact point A. However, since the temperature rise near the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 occurs in a sufficiently short time with respect to the movement time of the contact point A, the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110. Even if is regarded as a static contact, it is considered that no large error occurs in the temperature analysis result. Therefore, in the present embodiment, temperature analysis that can be placed in the vicinity of the contact point A is performed using simpler steady state heat conduction analysis. However, in other embodiments, the temperature analysis may be performed using an unsteady heat conduction analysis in consideration of the sliding contact.

ここで、“L”は、ローレンツ数(=2.4×10−8[K/V])、“Φ”は、メッシュ状に分割された各要素間の電位差[V]である。 Here, “L” is the Lorentz number (= 2.4 × 10 −8 [K / V] 2 ), and “Φ” is a potential difference [V] between each element divided in a mesh shape.

トロリ線表面被膜101及びすり板表面被膜111各々の電気抵抗率ρd1、ρd2と熱伝導率λd1、λd2とは、Wiedemann-Franzの法則(金属の熱伝導率Kと、電気伝導率σとの比が温度に比例することを示したもの。後述する文献(8)参照)に則り、トロリ線100及びすり板110の各々の電気抵抗率ρ、ρと熱伝導率λ、λに対して式(3)、(4)で表すことができる。 Electrical resistivity ρ d1 , ρ d2 and thermal conductivity λ d1 , λ d2 of trolley wire surface coating 101 and sliding plate surface coating 111 are Wiedemann-Franz's law (metal thermal conductivity K and electrical conductivity, respectively). This shows that the ratio of σ is proportional to the temperature (see reference (8) described later), and the electrical resistivity ρ 1 , ρ 2 and thermal conductivity λ 1 of each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110. , Λ 2 can be expressed by equations (3) and (4).

ここで、変質係数f、fは、トロリ線表面被膜101及びすり板表面被膜111の、トロリ線100及びすり板110に対する電気抵抗率の増分を示す係数である。 Here, the alteration coefficients f 1 and f 2 are coefficients indicating an increase in electrical resistivity of the trolley wire surface coating 101 and the sliding plate surface coating 111 with respect to the trolley wire 100 and the sliding plate 110.

(温度解析結果例)
図3は、第1の実施形態に係る温度解析方法の解析結果例を示す図である。
また、図23は、図3に示す解析結果例に用いた物性値の例をまとめた図である。
図3に示す温度解析結果は、一例として、図23に示すように、解析対象であるトロリ線100の材料が硬銅であって、すり板110の材料が鉄系焼結合金であるものとして温度解析を行った結果である。ここで、各金属材料の物性値は、図23に示す通りである。なお、図3に示す温度解析結果は、例えば、以下のような条件を用いて算出している。具体的には、図1に示すモデルにおいて、トロリ線100及びすり板110のサイズにつき、格子メッシュ数を30×30、メッシュの大きさをΔr=Δz=10μm(電極半径D=300μm)、実際に接触する要素数を10(接触点Aの半径a=100μm)としている。また、全ての要素について式(1)及び式(2)が成立するよう収束計算を行い、各要素の温度変化が1×10−6K未満となった時に計算を終了としている。
(Example of temperature analysis results)
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an analysis result of the temperature analysis method according to the first embodiment.
FIG. 23 is a table summarizing examples of physical property values used in the analysis result example shown in FIG.
As an example, the temperature analysis result shown in FIG. 3 assumes that the material of the trolley wire 100 to be analyzed is hard copper and the material of the sliding plate 110 is an iron-based sintered alloy, as shown in FIG. It is the result of having performed temperature analysis. Here, the physical properties of each metal material are as shown in FIG. In addition, the temperature analysis result shown in FIG. 3 is calculated using the following conditions, for example. Specifically, in the model shown in FIG. 1, the number of grid meshes is 30 × 30 and the mesh size is Δr = Δz = 10 μm (electrode radius D = 300 μm) for the size of the trolley wire 100 and the sliding plate 110. The number of elements in contact with is 10 (radius a of contact point A = 100 μm). Further, the convergence calculation is performed so that the expressions (1) and (2) are satisfied for all elements, and the calculation is terminated when the temperature change of each element becomes less than 1 × 10 −6 K.

また、図3に示す解析結果例は、トロリ線表面被膜101及びすり板表面被膜111が存在しない清浄な接触において、接触電圧Vを0.4Vとした場合における温度解析結果である。ここで、接触電圧とは、トロリ線及びすり板を通じて電気車両に所定の電力(電流)が供給される際に、当該トロリ線とすり板との接触点近傍に生じる電圧(電位差)である。本実施形態においては、図1に示すトロリ線100及びすり板110のモデルにおいて、接触点Aを介して上下方向(トロリ線100の+Z方向端面からすり板110の−Z方向端面)にかけて生じる電位差である。なお、トロリ線100からすり板110に向けて電流が流れる場合に生じる電圧値を正の値とする。 Further, the analysis result example shown in FIG. 3, in a clean contact the trolley wire surface coating 101 and sliding plate surface coating 111 is not present, the temperature analysis result in the case where a contact voltage V c and 0.4V. Here, the contact voltage is a voltage (potential difference) generated in the vicinity of a contact point between the trolley wire and the sliding plate when predetermined electric power (current) is supplied to the electric vehicle through the trolley wire and the sliding plate. In the present embodiment, in the model of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 shown in FIG. 1, the potential difference generated from the contact point A in the vertical direction (the + Z direction end surface of the trolley wire 100 to the −Z direction end surface of the sliding plate 110). It is. Note that a voltage value generated when a current flows from the trolley wire 100 toward the sliding plate 110 is a positive value.

[解析結果]
(接触電圧の影響)
図4は、第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第1の図である。
図1、図2に示すモデルに対するシミュレーション結果によれば、当該モデルにおける電位分布と温度分布との関係は、図4に示すグラフのようになる。ここで、図4は、縦軸に温度(K)を、横軸に電位(V)をとり、図1に示すモデルのz軸上の要素ごとに各パラメータの関係をプロットした図である。なお、境界条件として、トロリ線100及びすり板110のz軸方向における末端の温度は、300Kとしている。
[Analysis result]
(Influence of contact voltage)
FIG. 4 is a first diagram for explaining the temperature analysis method according to the first embodiment.
According to the simulation results for the models shown in FIGS. 1 and 2, the relationship between the potential distribution and the temperature distribution in the model is as shown in the graph of FIG. Here, FIG. 4 is a diagram in which the relationship between each parameter is plotted for each element on the z-axis of the model shown in FIG. 1, with temperature (K) on the vertical axis and potential (V) on the horizontal axis. As a boundary condition, the temperature at the ends of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 in the z-axis direction is set to 300K.

図4に示す通り、トロリ線100及びすり板110内の接触点A近傍の温度は、その内部に生じる電位に対して放物線状に分布し、その接触点A近傍の所定領域内(図1に示す電極内)全体の最高温度(全体最高温度θmax)は、接触電圧Vの中間値となる位置、例えば、接触電圧Vが0.4Vの場合は0.2Vとなる位置で発生することがわかる。また、放物線状の関係は、接触電圧Vの大きさによらず、また、異種金属(即ち、トロリ線100からすり板110)に渡って連続的に、継ぎ目なく生じていることが読み取れる。したがって、図4に示すような電位分布と温度分布との関係が放物線状となる現象は、異種金属間に渡って電圧(接触電圧V)が印加された場合にも適用でき、金属材料固有の特性値に依存しないといえる。 As shown in FIG. 4, the temperature in the vicinity of the contact point A in the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is distributed in a parabolic shape with respect to the electric potential generated in the trolley wire 100 and in the sliding plate 110. electrode in) total maximum temperature indicated (overall maximum temperature theta max), the intermediate value and a position of the contact voltage V c, for example, the contact voltage V c is in the case of 0.4V is generated at the position where the 0.2V I understand that. Further, parabolic relationship, regardless of the size of the contact voltage V c, also different metals (i.e., contact wire 100 Karasuri plate 110) continuously over, it can be read that occurs seamlessly. Therefore, the phenomenon in which the relationship between the potential distribution and the temperature distribution shown in FIG. 4 is a parabolic shape can be applied even when a voltage (contact voltage V c ) is applied across different metals, and is inherent to the metal material. It can be said that it does not depend on the characteristic value.

図4において、電位分布及び温度分布解析の結果より得られたトロリ線100とすり板110との接触点Aにおける電位及び温度(接触境界)を破線で示す。図23に示す表のように、すり板110の電気抵抗率はトロリ線100より大きいため、全体の電圧降下に占める、すり板110内における電圧降下の割合が大きくなる。したがって、図4に示すように、トロリ線100とすり板110との接触境界は、放物線の右側に位置する。   In FIG. 4, the potential and temperature (contact boundary) at the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 obtained from the results of the potential distribution and temperature distribution analysis are indicated by broken lines. As shown in the table in FIG. 23, the electrical resistivity of the sliding plate 110 is larger than that of the trolley wire 100, and therefore the ratio of the voltage drop in the sliding plate 110 to the entire voltage drop is large. Therefore, as shown in FIG. 4, the contact boundary between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is located on the right side of the parabola.

図5は、第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第2の図である。
図5は、トロリ線100及びすり板110の各々における部材別最高温度(θmax_t、θmax_s)と接触電圧Vとの関係を示している。また、図5には、更に下式(5)で算出されるφ-θ理論値(文献(8)参照)を併記してある。
FIG. 5 is a second diagram illustrating the temperature analysis method according to the first embodiment.
FIG. 5 shows the relationship between the member-specific maximum temperature (θ max — t , θ max — s ) and the contact voltage V c in each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110. FIG. 5 also shows the φ-θ theoretical value calculated by the following equation (5) (see Document (8)).

図5に示すように、接触電圧Vの中間値(1/2・V)となる位置を含むすり板110の最高温度(部材別最高温度θmax_t)は、φ-θ理論値とほぼ一致し、異種金属間においても、全体最高温度θmaxと接触電圧Vとの関係は、φ-θ理論に従うことがわかる。一方で、トロリ線100の最高温度(部材別最高温度θmax_s)は、φ-θ理論値より小さくなる。トロリ線100とすり板110との各々の最高温度の差は、図4に示す放物線において、接触境界が放物線の頂点からずれることにより生じたものである。即ち、トロリ線100の最高温度(部材別最高温度θmax_s)は、トロリ線100及びすり板110の接触点Aにおける温度(接触境界)に一致する。 As shown in FIG. 5, the maximum temperature (maximum member-specific maximum temperature θ maxt ) of the sliding plate 110 including the position at which the intermediate value (1/2 · V c ) of the contact voltage V c is approximately equal to the φ-θ theoretical value. It can be seen that even between different metals, the relationship between the overall maximum temperature θ max and the contact voltage V c follows the φ-θ theory. On the other hand, the maximum temperature of the trolley wire 100 (the member-specific maximum temperature θ max — s ) is smaller than the φ-θ theoretical value. The difference between the maximum temperatures of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is caused by the contact boundary deviating from the apex of the parabola in the parabola shown in FIG. That is, the maximum temperature of the trolley wire 100 (the member-specific maximum temperature θ max — s ) matches the temperature (contact boundary) at the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110.

(被膜抵抗の影響)
図6は、第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第3の図である。
図6は、本実施形態に係る温度解析方法における温度解析条件として、トロリ線100表面に厚さd=10μmのトロリ線表面被膜101を想定し、接触電圧VをV=0.4Vとし、トロリ線表面被膜101の変質係数fを1〜100の間で変化させた場合における、当該条件ごとの電位分布及び温度分布の解析結果を示している。なお、境界条件は上記と同様、トロリ線100及びすり板110のz軸方向における末端温度を300Kとしている。また、すり板110の表面には被膜(すり板表面被膜111)が存在しないものとし、d=0と設定している。
(Effect of film resistance)
FIG. 6 is a third diagram for explaining the temperature analysis method according to the first embodiment.
FIG. 6 assumes a trolley wire surface coating 101 having a thickness d 1 = 10 μm on the surface of the trolley wire 100 as a temperature analysis condition in the temperature analysis method according to the present embodiment, and the contact voltage V c is V c = 0.4 V. The analysis results of the potential distribution and temperature distribution for each condition when the alteration coefficient f1 of the trolley wire surface coating 101 is varied between 1 and 100 are shown. In the boundary condition, the end temperature in the z-axis direction of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is set to 300K as described above. Further, it is assumed that no coating (strip plate surface coating 111) exists on the surface of the sliding plate 110, and d 2 = 0 is set.

図6に示すように、電位分布と温度分布の関係を示す放物線は、変質係数f、即ち、被膜抵抗の大きさに依存せず、全て同じ軌跡をたどる。即ち、当該放物線は、接触電圧Vにのみ依存することがわかる(図4参照)。ただし、変質係数fの増加に伴い、トロリ線100とすり板110との接触境界が放物線の頂点に近づいていることがわかる。これは、トロリ線表面被膜101の抵抗の増加に伴い、全体の電圧降下に占めるトロリ線100内の電圧降下の割合が増加したためである。 As shown in FIG. 6, the parabola indicating the relationship between the potential distribution and the temperature distribution does not depend on the alteration coefficient f 1 , that is, the magnitude of the film resistance, and all follows the same locus. That is, the parabola is found to be dependent only on the contact voltage V c (see FIG. 4). However, with the increase of the deterioration factor f 1, it can be seen that the contact interface between the contact wire 100 and the sliding plate 110 is approaching the apex of the parabola. This is because the ratio of the voltage drop in the trolley wire 100 to the entire voltage drop increases with the increase in the resistance of the trolley wire surface coating 101.

図7は、第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第4の図である。
図7は、温度分布解析の結果より得られたトロリ線100、すり板110それぞれの最高温度とφ-θ理論値の比較を示している。図7に示すように、接触電圧Vは0.4Vと一定であるため、変質係数fに関わらずφ-θ理論値は一定の値を示し、電極内全体の最高温度(全体最高温度θmax)であるすり板110の最高温度(部材別最高温度θmax_s)もほぼ同等の値となっている。一方で、変質係数fの増加に伴い、トロリ線100の最高温度(部材別最高温度θmax_t)が増加することがわかる。これはトロリ線100の表面の被膜抵抗が増加することでトロリ線100内に生じる電圧降下の配分が増加し、図6に示すように、接触境界が放物線の頂点に近づいたためである。
FIG. 7 is a fourth diagram illustrating the temperature analysis method according to the first embodiment.
FIG. 7 shows a comparison between the maximum temperature of each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 obtained from the result of the temperature distribution analysis and the theoretical value of φ-θ. As shown in FIG. 7, since the contact voltage V c is constant at 0.4 V, the φ-θ theoretical value shows a constant value regardless of the alteration coefficient f 1, and the maximum temperature in the entire electrode (total maximum temperature). theta max) at which the maximum temperature of the sliding plate 110 (member by the maximum temperature θ max_s) also has a substantially equal value. On the other hand, it can be seen that the maximum temperature of the trolley wire 100 (the member-specific maximum temperature θ max — t ) increases as the alteration coefficient f 1 increases. This is because the distribution of the voltage drop generated in the trolley wire 100 increases as the film resistance on the surface of the trolley wire 100 increases, and the contact boundary approaches the apex of the parabola as shown in FIG.

(バルク温度の影響)
図8は、第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第5の図である。
上述の温度分布解析結果及び式(5)は、トロリ線100及びすり板110の末端温度、即ち、バルク温度が300Kであることを境界条件として解析したものである。しかしながら、実際の電力供給装置において、トロリ線100とすり板110とが接触するときの両バルク温度には差がある。これは、トロリ線100とすり板110とが摩擦を受ける時間間隔が異なるためである。なお、後述の文献(9)によれば、実際に走行中のすり板温度を測定し、すり板110の接触表面から2mmの距離では160℃、5mmでは80℃になると報告している。そこで、図8を用いて、すり板110のバルク温度が電極内電位分布と温度分布に及ぼす影響を明らかにする。
(Influence of bulk temperature)
FIG. 8 is a fifth diagram illustrating the temperature analysis method according to the first embodiment.
The above-mentioned temperature distribution analysis result and equation (5) are analyzed with the boundary condition that the end temperature of the trolley wire 100 and the sliding plate 110, that is, the bulk temperature is 300K. However, in an actual power supply apparatus, there is a difference between both bulk temperatures when the trolley wire 100 and the sliding plate 110 are in contact with each other. This is because the time intervals at which the trolley wire 100 and the sliding plate 110 are subjected to friction are different. According to the reference (9), which will be described later, the temperature of the running plate is actually measured, and is reported to be 160 ° C. at a distance of 2 mm from the contact surface of the sliding plate 110 and 80 ° C. at 5 mm. Therefore, the influence of the bulk temperature of the sliding plate 110 on the in-electrode potential distribution and the temperature distribution will be clarified using FIG.

解析条件として接触電圧V=0.4Vとし、すり板110の末端温度を300〜500Kの間で変化させて電位分布及び温度分布解析を実施した。なお、トロリ線表面被膜101及びすり板表面被膜111は、共に存在しないものとする。すり板110のバルク温度を5段階変化させた場合の、z軸上の電位分布と温度分布との関係を図8に示す。すり板110のz軸上の末端(下方端)である電位0V近傍における温度は、すり板110のバルク温度に影響を受けるものの、接触点Aにおける電位及び温度(接触境界)や全体最高温度θmaxは、ほぼ変化しないことがわかる。 As an analysis condition, the contact voltage V c = 0.4 V, the terminal temperature of the sliding plate 110 was changed between 300 to 500 K, and the potential distribution and the temperature distribution analysis were performed. Note that neither the trolley wire surface coating 101 nor the sliding plate surface coating 111 exists. FIG. 8 shows the relationship between the potential distribution on the z-axis and the temperature distribution when the bulk temperature of the sliding plate 110 is changed in five steps. Although the temperature in the vicinity of the potential 0 V, which is the terminal (lower end) on the z-axis of the sliding plate 110, is affected by the bulk temperature of the sliding plate 110, the potential and temperature (contact boundary) at the contact point A and the overall maximum temperature θ. It can be seen that max does not change substantially.

図9は、第1の実施形態に係る温度解析方法を説明する第6の図である。
図9は、温度分布解析の結果より得られた、トロリ線100及びすり板110各々の部材別最高温度θmax_t、θmax_sとφ-θ理論値を比較している。図9に示す通り、トロリ線100及びすり板110各々の部材別最高温度θmax_t、θmax_sに対するすり板110のバルク温度の影響は、無視できることがわかる。
FIG. 9 is a sixth diagram illustrating the temperature analysis method according to the first embodiment.
FIG. 9 compares the maximum temperatures θ maxt and θ max — s for each member of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 obtained from the results of the temperature distribution analysis and the theoretical values of φ-θ. As shown in FIG. 9, it can be seen that the influence of the bulk temperature of the sliding plate 110 on the maximum temperatures θ max_t and θ max_s of each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 can be ignored.

以上より得られた電位分布及び温度分布の解析結果を整理する。
(1) トロリ線100及びすり板110の接触点Aを含む電極(図1に示すモデル参照)内の最高温度は、式(5)に示すφ-θ理論に従う。
(2) 同電極内に生じる電位分布に対する温度分布は放物線の関係を持ち、その曲線は接触電圧にのみ依存する。
(3) (1)及び(2)は、トロリ線100及びすり板110の材料の組合せや酸化膜などの被膜抵抗、及び、バルク温度に依存しない。
(4) トロリ線100とすり板110との接触点Aにおける電位及び温度(接触境界)は、表面の被膜抵抗によって変化する。
The analysis results of the potential distribution and temperature distribution obtained from the above are organized.
(1) The maximum temperature in the electrode (see the model shown in FIG. 1) including the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 follows the φ-θ theory shown in equation (5).
(2) The temperature distribution with respect to the potential distribution generated in the electrode has a parabolic relationship, and the curve depends only on the contact voltage.
(3) (1) and (2) do not depend on the combination of the material of the trolley wire 100 and the sliding plate 110, the film resistance such as an oxide film, and the bulk temperature.
(4) The potential and temperature (contact boundary) at the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 vary depending on the film resistance of the surface.

以上の事実に従い、第1の実施形態に係る温度解析方法は、まず、トロリ線100と、すり板110と、トロリ線100及びすり板110の接触点Aと、を含む所定領域(図1に示すモデル)において、当該接触点Aを介してトロリ線100からすり板110にかけて印加される接触電圧Vと、上記所定領域(上記モデル)内に生じる全体最高温度θmaxと、の相関関係を示す理論式(式(5))に基づいて、当該全体最高温度θmaxを特定する。
続いて、接触電圧Vと、特定された全体最高温度θmaxと、に基づいて、上記所定領域内に生じる電位分布に対する温度分布の関係を示す曲線を特定する。
そして、接触点Aにおける電位(接触境界)と、上記曲線と、に基づいて、トロリ線100及びすり板110の各々の最高温度である部材別最高温度θmax_t、θmax_sを特定する。
In accordance with the above facts, the temperature analysis method according to the first embodiment firstly includes a predetermined region including the trolley wire 100, the sliding plate 110, and the contact point A of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 (see FIG. 1). In the model shown), the correlation between the contact voltage V c applied from the trolley wire 100 to the sliding plate 110 via the contact point A and the overall maximum temperature θ max generated in the predetermined region (the model) is The overall maximum temperature θ max is specified based on the theoretical formula shown (formula (5)).
Subsequently, based on the contact voltage V c and the specified overall maximum temperature θ max , a curve indicating the relationship of the temperature distribution to the potential distribution generated in the predetermined region is specified.
Then, based on the potential (contact boundary) at the contact point A and the above curve, the member-specific maximum temperatures θ max_t and θ max_s that are the maximum temperatures of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 are specified.

このような温度解析方法によれば、接触点(接触点A)を有する異種金属(トロリ線100及びすり板110)間に所定の電圧(接触電圧V)を印加した場合に生じる、当該異種金属の接触点に生じる温度(全体最大温度θmax)を、極めて簡素に、かつ、精度よく把握することができる。これにより、トロリ線100及びすり板110の各々を構成する金属材料を、融点が全体最大温度θmaxを超えないように選択する、という指針を得ることができ、トロリ線100及びすり板110の材料選択に要する負担を軽減することができる。
また、接触点近傍の所定領域における温度分布を把握することで、当該接触点を有する異種金属別の最高温度(部材別最高温度θmax_t、θmax−s)を特定することができ、これにより、金属材料の選択の幅を広げることができる。
According to such a temperature analysis method, the dissimilarity that occurs when a predetermined voltage (contact voltage V c ) is applied between dissimilar metals (the trolley wire 100 and the sliding plate 110) having a contact point (contact point A). The temperature (overall maximum temperature θ max ) generated at the metal contact point can be grasped very simply and with high accuracy. Accordingly, the metallic material constituting each of the contact wire 100 and the contact strip 110, melting point be selected so as not to exceed the maximum temperature theta max whole, it is possible to obtain guidelines that, the trolley line 100 and contact strip 110 The burden required for material selection can be reduced.
In addition, by grasping the temperature distribution in a predetermined region near the contact point, it is possible to specify the highest temperature for each different metal having the contact point (the member-specific maximum temperature θ max — t , θ max−s ), thereby The choice of metal materials can be expanded.

また、第1の実施形態に係る温度解析方法によれば、上記曲線を特定するステップにおいて、当該曲線を、接触電圧の中間値(1/2・V)において全体最高温度θmaxを頂点とする放物線となるように特定する。
そして、部材別最高温度θmax_t、θmax_sを特定するステップにおいて、トロリ線100及びすり板110のうち、接触電圧の中間値(1/2・V)となる位置を含む一方の部材別最高温度(θmax_t、θmax_sの一方)を全体最高温度θmaxと特定し、接触電圧の中間値(1/2・V)となる位置を含まない他方の部材別最高温度(θmax_t、θmax_sの他方)を接触点(接触点A)における温度と特定する。
Further, according to the temperature analysis method according to the first embodiment, in the step of specifying the curve, the curve is defined by using the overall maximum temperature θ max as the apex at the intermediate value (1/2 · V c ) of the contact voltage. To be a parabola.
In the step of specifying the member-specific maximum temperatures θ max — t , θ max — s , one member-specific maximum including the position of the intermediate value (1/2 · V c ) of the contact voltage among the trolley wire 100 and the sliding plate 110. temperature whole max_t, θ one Max_s) was identified as the highest temperature theta max, does not include the intermediate value becomes (1/2 · V c) position of the contact voltage other member by the maximum temperature max_t, θ The other of max_s ) is specified as the temperature at the contact point (contact point A).

このようにすることで、トロリ線100及びすり板110の接触点Aにおける電位(接触境界)に基づいて、トロリ線100及びすり板110の各々の最大温度がどのように変化するかを把握することができる。したがって、トロリ線100及びすり板110の抵抗被膜の特性による電圧降下の配分をコントロールすることで、トロリ線100及びすり板110に用いる金属材料を選択する際の選択肢を一層広げることができる。   By doing in this way, based on the electric potential (contact boundary) in the contact point A of the trolley wire 100 and the sliding plate 110, it grasps | ascertains how each maximum temperature of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 changes. be able to. Therefore, by controlling the distribution of the voltage drop depending on the characteristics of the resistance film of the trolley wire 100 and the sliding plate 110, the options for selecting the metal material used for the trolley wire 100 and the sliding plate 110 can be further expanded.

<第2の実施形態>
[摩耗形態マップの作成]
以下、第2の実施形態に係る温度解析方法について、図面を参照しながら説明する。
第2の実施形態では、第1の実施形態に係る温度解析方法の基礎とした上記(1)〜(4)の事実に基づいて、トロリ線100及びすり板110の通電下における摩耗形態(通電摩耗形態)を一般化した摩耗形態マップを作成する。そして、当該摩耗形態マップに基づいて、トロリ線100とすり板110とを有する電力供給装置の製造方法を提供する。
<Second Embodiment>
[Creation of wear form map]
Hereinafter, the temperature analysis method according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
In the second embodiment, based on the facts (1) to (4) described above, which are the basis of the temperature analysis method according to the first embodiment, the wear mode (energization under energization of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is performed. A wear form map that generalizes the wear form) is created. And based on the said wear form map, the manufacturing method of the electric power supply apparatus which has the trolley wire 100 and the sliding board 110 is provided.

ここでまず、トロリ線100及びすり板110を模したモデル(図1)のz軸上の電位分布と温度分布との関係を示す放物線を特定する方程式を作成するため、2次元円柱座標系のモデルで作成した式(2)を1次元直交座標系の下式(6)に変換する。   First, in order to create an equation for specifying a parabola indicating the relationship between the potential distribution on the z axis and the temperature distribution of the model (FIG. 1) simulating the trolley wire 100 and the sliding plate 110, a two-dimensional cylindrical coordinate system Expression (2) created by the model is converted into the following expression (6) of the one-dimensional orthogonal coordinate system.

境界条件であるトロリ線100及びすり板110のバルク温度を300Kとし、電位が1/2・Vとなる位置において全体最高温度θmaxとなることから、下式(7)が得られる。 The bulk temperature of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 as the boundary condition is 300 K, and the overall maximum temperature θ max is obtained at a position where the potential is ½ · V c , so the following equation (7) is obtained.

次に、放物線内の任意の電位φにおける温度θは下式(8)で表すことができる。   Next, the temperature θ at an arbitrary potential φ in the parabola can be expressed by the following equation (8).

式(7)を式(8)に代入して、下式(9)を導く。   Substituting equation (7) into equation (8), the following equation (9) is derived.

図10は、第2の実施形態に係る温度解析方法を説明する第1の図である。
図10は、図4に示したグラフの横軸を、電位(V)から無次元の値φ/V(以下、無次元化電位と呼称する。)に置き換えたグラフを示している。式(9)におけるφ/Vを横軸にとり直すことで、図10に示すように、様々な接触電圧Vに対する温度分布をひとつのグラフに整理することができる。なお、図10には、トロリ線100の融点(以下、トロリ線融点と称呼)1334K、及び、すり板110の融点(以下、すり板融点と称呼)1646Kを併記し、無次元化電位φ/V≧0.5かつ放物線がトロリ線融点と交わる点を丸印の記号で、無次元化電位φ/V≦0.5かつすり板融点と交わる点を三角印の記号で示す。トロリ線100とすり板110の接触境界がこれらの点と一致したとき、トロリ線100、すり板110がそれぞれ溶融し始めることになる。
FIG. 10 is a first diagram illustrating a temperature analysis method according to the second embodiment.
FIG. 10 shows a graph in which the horizontal axis of the graph shown in FIG. 4 is replaced with a dimensionless value φ / V c (hereinafter referred to as dimensionless potential) from the potential (V). By taking φ / V c in equation (9) again on the horizontal axis, as shown in FIG. 10, the temperature distribution for various contact voltages V c can be organized into one graph. In FIG. 10, the melting point of the trolley wire 100 (hereinafter referred to as the trolley wire melting point) 1334K and the melting point of the sliding plate 110 (hereinafter referred to as the melting point of the sliding plate) 1646K are shown together, and the dimensionless potential φ / The point where V c ≧ 0.5 and the parabola intersects with the trolley melting point is indicated by a circle symbol, and the point where the dimensionless potential φ / V c ≦ 0.5 and the sliding plate melting point is indicated by a triangle symbol. When the contact boundary between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 coincides with these points, the trolley wire 100 and the sliding plate 110 start to melt.

ここで、すり板110のz軸方向の末端(下方端)の電位を0Vとしているため、接触境界における電位φは、すり板110内に生じる電圧降下分に等しい。この接触境界における電位φと接触電圧Vとの比、即ち、トロリ線100とすり板110との接触境界における無次元化電位φ/Vをαとし、これを「接触境界係数」と呼称する。接触境界係数αは集中抵抗式及び被膜抵抗式より式(10)で表される。 Here, since the potential at the end (lower end) in the z-axis direction of the sliding plate 110 is set to 0 V, the potential φ c at the contact boundary is equal to the voltage drop generated in the sliding plate 110. The ratio between the potential φ c at the contact boundary and the contact voltage V c , that is, the dimensionless potential φ c / V c at the contact boundary between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is defined as α, and this is referred to as the “contact boundary coefficient”. It is called. The contact boundary coefficient α is expressed by equation (10) from the concentrated resistance equation and the film resistance equation.

式(10)からわかるように、すり板110に生じる接触抵抗の増加(即ち、変質係数fの増加)に伴って接触境界係数αは増加する。そうすると、接触境界が図10に示す放物線の右側に移動するため、トロリ線100の最高温度(部材別最高温度θmax_t)は減少する。また、トロリ線100に生じる接触抵抗の増加(即ち、変質係数fの増加)に伴って接触境界係数αは減少し、接触境界が図10に示す放物線の左に移動するため、トロリ線100の最高温度(部材別最高温度θmax_t)は増加する。 As can be seen from equation (10), the increase in resistance created sliding plate 110 (i.e., an increase of alteration factor f 2) contacting the boundary coefficient α with the increases. Then, since the contact boundary moves to the right side of the parabola shown in FIG. 10, the maximum temperature of the trolley wire 100 (the member-specific maximum temperature θ max — t ) decreases. Further, the contact boundary coefficient α decreases with an increase in the contact resistance generated in the trolley line 100 (that is, the alteration coefficient f 1 increases), and the contact boundary moves to the left of the parabola shown in FIG. The maximum temperature (the maximum temperature for each member θ max — t ) increases.

図11は、第2の実施形態に係る温度解析方法を説明する第2の図である。
図11は、縦軸に接触電圧Vをとり、横軸に接触境界係数αをとって表したグラフであって、式(9)、(10)に基づいて、トロリ線100、すり板110の各々が溶融し始める条件の組み合わせ(領域)を特定する摩耗形態マップである。更に、図10は、全体最高温度θmaxがトロリ線100及びすり板110の融点に達する接触電圧Vの条件を式(5)に基づいて算出し、水平の破線で示している。
FIG. 11 is a second diagram illustrating the temperature analysis method according to the second embodiment.
11, takes the contact voltage V c on the vertical axis, a graph showing taking contact boundary coefficient α on the horizontal axis, the formula (9), on the basis of (10), contact wire 100, sliding plate 110 It is a wear form map which specifies the combination (area | region) of the conditions where each of these begins to melt | dissolve. Further, FIG. 10 shows the condition of the contact voltage V c at which the overall maximum temperature θ max reaches the melting point of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 based on the equation (5), and is indicated by a horizontal broken line.

発明者は、これまでにトロリ線100、すり板110の各々が溶融する条件で、摩耗形態が遷移する機構を提案しており(文献(6)(7)参照)、図11に示すトロリ線100、すり板110各々の溶融条件から通電下の摩耗形態を以下の4種類に分類するとともに、文献(6)を引用して各摩耗形態の特徴を説明する。   The inventor has so far proposed a mechanism in which the wear form changes under the condition that each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is melted (refer to the references (6) and (7)), and the trolley wire shown in FIG. The wear forms under energization are classified into the following four types based on the melting conditions of 100 and the sliding plate 110, and the characteristics of each wear form will be described with reference to the literature (6).

(a)接触電圧Vが小さく、どちらも溶融しない領域を機械的摩耗形態と呼称する。図11に示す通り、接触電圧Vが0.4V以下となる条件では、全体最大温度θmaxがトロリ線100の融点相当に達しないため、接触境界係数αに関わらず融解しない。ただし、接触境界係数αが大きい条件、即ち、すり板110の接触抵抗が大きい条件においては、接触電圧Vがトロリ線100の融点相当を上回った場合であっても、トロリ線100の部材別最大温度θmax_tが低く抑えられ、機械的摩耗形態となる場合がある。
機械的摩耗形態の特徴として、摩耗率や摩擦係数等の摩耗特性は荷重に依存せず、ほぼ一定の値となる(文献(6)参照)。
(A) A region where the contact voltage V c is small and neither of them melts is called a mechanical wear mode. As shown in FIG. 11, under the condition that the contact voltage V c is 0.4 V or less, the entire maximum temperature θ max does not reach the melting point of the trolley wire 100, so that it does not melt regardless of the contact boundary coefficient α. However, under the condition where the contact boundary coefficient α is large, that is, the condition where the contact resistance of the sliding plate 110 is large, even if the contact voltage V c exceeds the melting point equivalent of the trolley wire 100, In some cases, the maximum temperature θ max — t is kept low, resulting in a mechanical wear form.
As a feature of the mechanical wear mode, wear characteristics such as wear rate and friction coefficient do not depend on the load and are almost constant values (see Document (6)).

(b)接触電圧Vが0.4〜0.5Vかつ接触境界係数αが比較的小さい領域、即ち被膜抵抗(トロリ線表面被膜101)等に起因してトロリ線100の接触抵抗が大きい領域では、硬銅からなるトロリ線100の融点と、鉄系焼結合金からなるすり板110の融点と、には差があるためトロリ線100のみが溶融する。この領域を電気的摩耗形態Iと呼称する。
電気的摩耗形態Iの特徴として、トロリ線100の摩耗率及び摩擦係数が極大となる(文献(6)参照)。
(B) A region where the contact voltage V c is 0.4 to 0.5 V and the contact boundary coefficient α is relatively small, that is, a region where the contact resistance of the trolley wire 100 is large due to the film resistance (trolley wire surface coating 101) or the like. Then, since there is a difference between the melting point of the trolley wire 100 made of hard copper and the melting point of the sliding plate 110 made of an iron-based sintered alloy, only the trolley wire 100 is melted. This region is referred to as electrical wear form I.
As a feature of the electrical wear form I, the wear rate and the friction coefficient of the trolley wire 100 are maximized (see Document (6)).

(c)接触電圧Vが0.5V以上かつ接触境界係数αが大きい領域では、すり板110のみが溶融する。この領域を電気的摩耗形態IIと呼称する。
電気的摩耗形態IIの特徴として、すり板110の比摩耗量は荷重の減少に伴い著しく増加するが、トロリ線100の摩耗率及び摩擦係数は減少する(文献(6)参照)。
(C) In the region where the contact voltage V c is 0.5 V or more and the contact boundary coefficient α is large, only the sliding plate 110 is melted. This region is referred to as electrical wear form II.
As a feature of the electrical wear form II, the specific wear amount of the sliding plate 110 significantly increases as the load decreases, but the wear rate and the friction coefficient of the trolley wire 100 decrease (see Document (6)).

(d)接触電圧Vが0.5V以上かつ接触境界係数αが比較的小さい領域では、どちらも溶融する領域が存在する。この領域を混合溶融摩耗形態と呼称する。
なお、文献(6)ではこの摩耗形態について言及していない。
(D) contacting voltage V c is in a relatively small area and contact boundary coefficient α above 0.5V, both of which there is a region of melting. This region is referred to as a mixed melt wear mode.
Reference (6) does not mention this form of wear.

トロリ線100及びすり板110の金属材料の組合せ(硬銅及び鉄系焼結合金)について、被膜抵抗のない清浄な接触における接触境界係数αは、式(10)より、下式(11)により導出される。 For the combination of the metal materials of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 (hard copper and iron-based sintered alloy), the contact boundary coefficient α 0 in clean contact without film resistance is expressed by the following equation (11) from Equation (10): Is derived by

ここで清浄な接触における接触境界係数α=0.96の場合、図11に示す摩耗形態マップによれば、接触電圧Vが増加してもトロリ線100が溶融せず、機械的摩耗形態と電気的摩耗形態IIのみが現れることが読み取れる。即ち、図11に示す摩耗形態マップを参照することで、トロリ線100表面に酸化膜など被膜抵抗が存在しなければ、トロリ線100が溶融しないことを把握することができる。 Here, when the contact boundary coefficient α 0 in a clean contact is 0.96, according to the wear form map shown in FIG. 11, the trolley wire 100 does not melt even if the contact voltage V c increases, and the mechanical wear form. It can be seen that only the electrical wear form II appears. That is, by referring to the wear form map shown in FIG. 11, it is possible to grasp that the trolley wire 100 does not melt unless there is a film resistance such as an oxide film on the surface of the trolley wire 100.

図12、図13は、それぞれ、第2の実施形態に係る温度解析方法を説明する第3の図、第4の図である。ここで、図12は、トロリ線摩耗率と荷重の関係を示しており、図13は、荷重10N近傍におけるトロリ線摩耗面の様子を示している。
発明者は、文献(10)において、硬銅からなるトロリ線100と鉄系焼結合金からなるすり板110の組合せにおいて、すり板110の見かけ接触面積を変更した摩耗試験を実施し、図12に示すような、荷重に対するトロリ線摩耗率の変化を得ている。図12に示すように、摩耗試験の結果、見かけ接触面積の影響は荷重10N近傍のみで顕著であった。見かけ接触面積70mm以上では図13(a)のようにトロリ線100表面が溶融し、見かけ接触面積50mm以下では図13(b)のようにトロリ線100表面は溶融しない。この現象の機構は、見かけ接触面積の減少に伴い摩耗深さが増加し、見かけ接触面積50mm以下ではトロリ線100表面の被膜(トロリ線表面被膜101)が除去された結果、接触境界係数αが0.96に近くなりトロリ線100が溶融しなかったものと考えられる。
つまり、トロリ線100とすり板110の接触点Aにおける面積を、トロリ線100とすり板110の各々に生じ得る表面酸化膜が除去されるように適切に制御することで、接触境界係数αを高い値に維持し、トロリ線100の融解を防止することができる。
FIGS. 12 and 13 are a third diagram and a fourth diagram, respectively, for explaining the temperature analysis method according to the second embodiment. Here, FIG. 12 shows the relationship between the trolley wire wear rate and the load, and FIG. 13 shows the state of the trolley wire wear surface in the vicinity of the load 10N.
In the literature (10), the inventor conducted a wear test in which the apparent contact area of the sliding plate 110 was changed in the combination of the trolley wire 100 made of hard copper and the sliding plate 110 made of an iron-based sintered alloy. The change of the trolley wire wear rate with respect to the load as shown in FIG. As shown in FIG. 12, as a result of the wear test, the influence of the apparent contact area was significant only in the vicinity of the load of 10N. When the apparent contact area is 70 mm 2 or more, the surface of the trolley wire 100 melts as shown in FIG. 13A, and when the apparent contact area is 50 mm 2 or less, the surface of the trolley wire 100 does not melt as shown in FIG. 13B. The mechanism of this phenomenon is that the wear depth increases with a decrease in the apparent contact area, and when the apparent contact area is 50 mm 2 or less, the coating on the surface of the trolley wire 100 (the trolley wire surface coating 101) is removed. Is close to 0.96, and it is considered that the trolley wire 100 did not melt.
That is, by appropriately controlling the area at the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 so that the surface oxide film that can be generated on each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is removed, the contact boundary coefficient α is set. A high value can be maintained and melting of the trolley wire 100 can be prevented.

以上、図11及び式(9)、(10)により、通電下の摩耗形態を支配する因子を、金属材料の融点、接触境界係数α、接触電圧Vに絞ることができる。このうち、金属材料の融点及び接触境界係数αに関しては、材料特性が主であるから、任意の金属材料の組合せについて予め摩耗形態マップ(図11)を作成しておくことで、様々な金属材料の組み合わせについて摩耗形態の推測が可能となる。更に、接触境界係数αや金属材料の融点の設定によっては、接触電圧Vによらずトロリ線100の溶融を極力低減できる材料組合せを提案することができる。 11 and equations (9) and (10), the factors governing the wear mode under energization can be narrowed down to the melting point of metal material, the contact boundary coefficient α, and the contact voltage V c . Among these, since the melting point and contact boundary coefficient α of the metal material are mainly material properties, various metal materials can be obtained by creating a wear form map (FIG. 11) in advance for any combination of metal materials. The wear form can be estimated for the combination of the above. Furthermore, depending on the setting of the contact boundary coefficient α and the melting point of the metal material, it is possible to propose a material combination that can reduce the melting of the trolley wire 100 as much as possible regardless of the contact voltage V c .

以上のように、トロリ線100及びすり板110の接触点A近傍における電位分布及び温度分布の解析を実施し、通電摩耗形態の支配因子についてマップ化(図11参照)による整理を試みた結果、摩耗形態の支配因子が、金属材料の融点、接触境界係数α及び接触電圧Vに特定されることが分かった。したがって、トロリ線100及びすり板110の金属材料の組合せに応じた摩耗形態の推測が可能となる。さらに接触境界係数αや金属材料の融点の設定によっては、接触電圧Vによらずトロリ線100の溶融を極力低減できる金属材料の組合せを提案することができる。 As described above, as a result of conducting the analysis of the potential distribution and the temperature distribution in the vicinity of the contact point A of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 and trying to organize the mapping factors (see FIG. 11) of the governing factors of the current wear form, It has been found that the controlling factors of the wear form are specified by the melting point, the contact boundary coefficient α and the contact voltage V c of the metal material. Accordingly, it is possible to estimate the wear form according to the combination of the metal material of the trolley wire 100 and the sliding plate 110. Further, depending on the setting of the contact boundary coefficient α and the melting point of the metal material, it is possible to propose a combination of metal materials that can reduce the melting of the trolley wire 100 as much as possible regardless of the contact voltage V c .

以上、第2の実施形態に係る温度解析方法は、上記理論式(式(5))と、トロリ線100を構成する金属材料の融点と、すり板110を構成する金属材料の融点と、に基づいて、接触電圧V、及び、当該接触電圧Vに対する接触点Aにおける電位(接触境界)の比率を示す接触境界係数αの、当該トロリ線100及びすり板110のうち少なくとも何れか一方が融解する範囲をマッピングするステップを更に有する。 As described above, the temperature analysis method according to the second embodiment includes the above theoretical formula (formula (5)), the melting point of the metal material constituting the trolley wire 100, and the melting point of the metal material constituting the sliding plate 110. Based on the contact voltage V c and at least one of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 having the contact boundary coefficient α indicating the ratio of the potential (contact boundary) at the contact point A to the contact voltage V c . The method further includes the step of mapping the melting range.

このようにして作成された摩耗形態マップ(図11)を参照することで、接触電圧V及び接触境界係数αに基づいて、対象とする金属材料が融解するか否か、を容易に把握することができる。したがって、電気鉄道における電力供給装置の製造者は、その運用条件等に基づく接触電圧V及び接触境界係数αに応じて、当該金属材料が使用可能か否かを迅速かつ正確に把握することができる。 By referring to this manner creates a wear type map (FIG. 11), based on the contact voltage V c and the contact boundary coefficient alpha, whether metallic material of interest is melted, easily grasp be able to. Therefore, the manufacturer of the power supply apparatus in the electric railway can quickly and accurately grasp whether or not the metal material can be used according to the contact voltage V c and the contact boundary coefficient α based on the operation conditions. it can.

また、製造者は、対象とする金属材料が融解しないためには、どのような運用条件下(接触電圧V、接触境界係数α)で運用する必要があるか、を把握することもできる。例えば、製造者は、電力供給装置の運用条件に基づき、接触電圧Vが0.4V以上となることが想定される場合は、接触境界係数α≧0.96を維持可能な使用条件(即ち、トロリ線表面被膜101が除去されるような荷重条件)を採用することで、トロリ線100の材料が既存のままであっても融解を防止できる、という知見を得ることができる。 In addition, the manufacturer can also understand under what operating conditions (contact voltage V c , contact boundary coefficient α) it is necessary to operate the target metal material so as not to melt. For example, if the manufacturer assumes that the contact voltage V c is 0.4 V or higher based on the operating conditions of the power supply device, the manufacturer can use the operating conditions that can maintain the contact boundary coefficient α ≧ 0.96 (that is, By adopting a load condition such that the trolley wire surface coating 101 is removed, it is possible to obtain knowledge that melting can be prevented even if the material of the trolley wire 100 remains existing.

また、トロリ線100及びすり板110の接触点Aにおいて各々の表面被膜(トロリ線表面被膜101、すり板表面被膜111)が存在しないと仮定した場合、接触境界係数αは、トロリ線100及びすり板110の各々の電気抵抗率ρ、ρにより、α=ρ/(ρ+ρ)と表すことができる。即ち、接触境界係数αは、トロリ線100及びすり板110の各々に生じる電圧降下の比率を示すものであるから、接触境界係数αは、トロリ線100及びすり板110の各々を構成する金属材料の電気抵抗率ρ、ρの比率に依存する値となる。
したがって、金属材料単独の固有値にのみ着目するのではなく、二つの金属材料の組み合わせによって定まる接触境界係数αに着目することで、トロリ線100及びすり板110の各々の溶融を極力低減できる金属材料の選択の幅を一層広げることができる。
Further, when it is assumed that the respective surface coatings (the trolley wire surface coating 101 and the sliding plate surface coating 111) do not exist at the contact point A between the trolley wire 100 and the sliding plate 110, the contact boundary coefficient α is calculated as follows. The electric resistivity ρ 1 and ρ 2 of the plate 110 can be expressed as α = ρ 1 / (ρ 1 + ρ 2 ). That is, since the contact boundary coefficient α indicates the ratio of the voltage drop generated in each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110, the contact boundary coefficient α is a metal material constituting each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110. It becomes a value depending on the ratio of the electrical resistivity ρ 1 , ρ 2 .
Therefore, the metal material that can reduce the melting of each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 as much as possible by focusing on the contact boundary coefficient α determined by the combination of the two metal materials, not focusing only on the eigenvalue of the metal material alone. The selection range can be further expanded.

また、各実施形態に係る電力供給装置の製造方法は、上述した温度解析方法に基づいて、トロリ線100及びすり板110の各々の部材別最高温度θmax_t、θmax_sを特定する第1ステップと、特定の接触電圧Vにおいて、接触点Aにおける電位(接触境界)が、少なくともトロリ線100の部材別最高温度θmax_tが当該トロリ線100を構成する金属材料の融点を超えない電位となるように、トロリ線100を構成する金属材料と、すり板110を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する第2ステップと、を有している。
このようにすることで、トロリ線100を構成する金属材料と、すり板110を構成する金属材料と、の組み合わせに基づいて、接触点Aにおける電位を所望にコントロールしながら、トロリ線100の部材別最高温度θmax_tを調整することができるので、金属材料の選択の幅を広げることができる。
Moreover, the manufacturing method of the power supply device according to each embodiment includes the first step of specifying the maximum temperatures θ max_t and θ max_s for each member of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 based on the temperature analysis method described above. At a specific contact voltage V c , the potential (contact boundary) at the contact point A is such that at least the maximum temperature θ max_t for each member of the trolley wire 100 does not exceed the melting point of the metal material constituting the trolley wire 100. In addition, a second step of determining a combination of a metal material constituting the trolley wire 100 and a metal material constituting the sliding plate 110 is included.
By doing in this way, the member of the trolley wire 100 is controlled while controlling the potential at the contact point A as desired based on the combination of the metal material constituting the trolley wire 100 and the metal material constituting the sliding plate 110. Since the other maximum temperature θ max — t can be adjusted, the range of selection of the metal material can be expanded.

また、上述の電力供給装置の製造方法は、第2ステップにおいて、トロリ線100を構成する金属材料の電気抵抗率であるトロリ線側抵抗率ρと、すり板110を構成する金属材料の電気抵抗率であるすり板側抵抗率ρと、の組み合わせに基づいて、トロリ線100を構成する金属材料と、すり板110を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する。 Further, in the above-described method for manufacturing the power supply apparatus, in the second step, the trolley wire side resistivity ρ 1 , which is the electrical resistivity of the metal material constituting the trolley wire 100, and the electric power of the metal material constituting the sliding plate 110. Based on the combination of the sliding plate side resistivity ρ 2 that is the resistivity, the combination of the metal material constituting the trolley wire 100 and the metal material constituting the sliding plate 110 is determined.

<第3の実施形態>
上述の第1、第2の実施形態では、トロリ線100及びすり板110の材料の例として「硬銅トロリ線」及び「鉄系焼結合金すり板」の接点近傍における電位分布および温度分布解析を実施し、摩耗形態マップ(図11)を作成することで通電摩耗機構を明らかにした。
第3の実施形態では、作成した摩耗形態マップ(図11)に基づき、より詳細な分析を行った上で電力供給装置に供する材料の組合せを選定する。
<Third Embodiment>
In the first and second embodiments described above, potential distribution and temperature distribution analysis in the vicinity of the contacts of “hard copper trolley wire” and “iron-based sintered alloy sliding plate” as examples of the material of trolley wire 100 and sliding plate 110. The wear mechanism was clarified by creating a wear form map (FIG. 11).
In the third embodiment, based on the created wear form map (FIG. 11), a more detailed analysis is performed, and then a combination of materials used for the power supply apparatus is selected.

図14は、第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第1の図である。
図14は、図11に示した摩耗形態マップの例と同一のものを示している。
図14に示すトロリ線およびすり板の溶融境界の曲線区間は、以下のとおりに算出できる。
FIG. 14 is a first diagram illustrating a method for manufacturing the power supply apparatus according to the third embodiment.
FIG. 14 shows the same thing as the example of the wear form map shown in FIG.
The trolley wire shown in FIG. 14 and the curve section of the melting boundary of the sliding plate can be calculated as follows.

また、図14に示すトロリ線およびすり板の溶融境界の水平区間は、以下のとおりに算出できる。   Moreover, the horizontal section of the trolley wire and the melting boundary of the sliding plate shown in FIG. 14 can be calculated as follows.

ここで、“Tm”は、材料の融点[K]、“Vc”は接触電圧[V]、“L”は、ローレンツ数(=2.4×10−8[V/K])である。
また、上述の式(10)より、すり板110の被膜抵抗(変質係数f)の増加に伴い接触境界係数αは増加し、トロリ線100の被膜抵抗(変質係数f)の増加に伴い接触境界係数αは減少することがわかる。なお、被膜抵抗の存在しない清浄な接触における接触境界係数αは式(11)に示した通りである。
Here, “Tm” is the melting point [K] of the material, “Vc” is the contact voltage [V], and “L” is the Lorentz number (= 2.4 × 10 −8 [V / K] 2 ). .
Further, from the above equation (10), the contact boundary coefficient α increases as the film resistance (modification coefficient f 2 ) of the sliding plate 110 increases, and as the film resistance (modification coefficient f 1 ) of the trolley wire 100 increases. It can be seen that the contact boundary coefficient α decreases. In addition, the contact boundary coefficient α 0 in the clean contact where there is no film resistance is as shown in the equation (11).

電気鉄道に用いる電力供給装置の通常の運用において被膜抵抗を能動的に設定することは困難であるが、融点Tmと清浄時接触境界係数αとは、材料の組合せによって設定することができる。また、接触電圧Vは、電流と接触力を与えることで設定することができる。ここでは、材料の組合せを選定するため、各摩耗形態が発生する境界を求め、融点Tmと清浄時接触境界係数αの定量的な目安を設定する。
以下、トロリ線100の融点Tmを「トロリ線融点Tmt」と表記し、すり板110の融点Tmを「すり板融点Tms」と表記する。
Although it is difficult to actively set the film resistance in the normal operation of the power supply apparatus used for the electric railway, the melting point Tm and the clean contact boundary coefficient α 0 can be set by a combination of materials. The contact voltage V c can be set by applying the contact force and current. Here, in order to select a combination of materials, a boundary where each wear form occurs is obtained, and a quantitative guideline for the melting point Tm and the clean contact boundary coefficient α 0 is set.
Hereinafter, the melting point Tm of the trolley wire 100 is referred to as “trolley wire melting point Tmt”, and the melting point Tm of the sliding plate 110 is referred to as “slip plate melting point Tms”.

ここで、摩耗形態マップ(図14)においてトロリ線溶融境界とすり板溶融境界が一致する接触境界係数αを式(12)及び式(13)より、以下の式(14)、式(15)を算出する。 Here, the contact boundary coefficient α 1 at which the trolley wire melting boundary and the sliding plate melting boundary coincide with each other in the wear form map (FIG. 14) is expressed by the following expressions (14) and (15) from Expression (12) and Expression (13). ) Is calculated.

ここで、式(14)は、トロリ線融点Tmtがすり板融点Tms以上の場合に適用される。また、式(15)は、トロリ線融点Tmtがすり板融点Tms未満の場合に適用される。   Here, the equation (14) is applied when the trolley wire melting point Tmt is equal to or higher than the sliding plate melting point Tms. Equation (15) is applied when the trolley wire melting point Tmt is less than the sliding plate melting point Tms.

この接触境界係数αを境界とし、材料表面の被膜抵抗によってトロリ線著大摩耗が発生するトロリ線溶融摩耗形態(図11に示す電気的摩耗形態I)、又は、すり板著大摩耗が発生するすり板溶融摩耗形態(図11に示す電気的摩耗形態II)に遷移する。 With this contact boundary coefficient α 1 as a boundary, a trolley wire melt wear form (electric wear form I shown in FIG. 11) in which a large trolley wire wear occurs due to the coating resistance of the material surface, or a large wear on a sliding plate occurs. The sliding plate melts and wears form (electric wear form II shown in FIG. 11).

次に、混合溶融摩耗形態が発生する境界を求める。比較的電気抵抗率が大きい材料が十分に溶融する条件を混合溶融摩耗形態(図14)の境界とみなし、ここでは、比較的電気抵抗の高い材料の融点より800Kだけ高い温度(接触電圧差として0.25V)を設定し、式(14)および式(15)を用いて混合溶融摩耗形態が発生する接触境界係数α、αを求める。 Next, the boundary where the mixed melt wear form occurs is determined. The condition under which a material having a relatively high electrical resistivity is sufficiently melted is regarded as the boundary of the mixed melt wear mode (FIG. 14). Here, a temperature higher than the melting point of a material having a relatively high electrical resistance by 800K (as a contact voltage difference). 0.25V) is set, and the contact boundary coefficients α 2 and α 3 at which the mixed melt wear form occurs are obtained using the equations (14) and (15).

ここで、式(16)は、トロリ線融点Tmtがすり板融点Tms以上の場合に適用される。また、式(17)は、トロリ線融点Tmtがすり板融点Tms未満の場合に適用される。   Here, Expression (16) is applied when the trolley wire melting point Tmt is equal to or higher than the sliding plate melting point Tms. Expression (17) is applied when the trolley wire melting point Tmt is less than the sliding plate melting point Tms.

図15〜図18は、第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第2〜第5の図である。
式(14)〜式(17)より、接触境界係数α、α、αは、トロリ線100およびすり板110の融点(トロリ線融点Tmt、すり板融点Tms)によって決定されることが分かる。そこで、横軸をトロリ線融点Tmtとすり板融点Tmsの差(Tmt−Tms)とし、接触境界係数α、α、αを算出した結果を図15に示す。なお、図15の縦軸は清浄時接触境界係数αとしている。
図15に示すように、材料組合せによって摩耗形態の発生条件は8つの領域に分かれることがわかる。図16、図17では、トロリ線100とすり板110の融点が異なる2種類の摩耗形態マップに対して接触境界係数α、α、αを破線で示すことで、図15に示した8つの領域を模式的に表現しており、各領域について摩耗形態の発生条件を表示している。
以下、図15(図16及び図17)に示した8つの区分r1〜r8について、図18に示す一覧を参照しながら説明する。
15 to 18 are second to fifth diagrams for explaining a method of manufacturing the power supply apparatus according to the third embodiment.
From Expressions (14) to (17), the contact boundary coefficients α 1 , α 2 , and α 3 are determined by the melting points of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 (the trolley wire melting point Tmt and the sliding plate melting point Tms). I understand. Therefore, FIG. 15 shows the results of calculating the contact boundary coefficients α 1 , α 2 , and α 3 with the horizontal axis being the difference between the trolley melting point Tmt and the sliding plate melting point Tms (Tmt−Tms). In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 15 is made into the contact boundary coefficient (alpha) 0 at the time of a clean.
As shown in FIG. 15, it can be seen that the generation condition of the wear form is divided into eight regions depending on the material combination. 16 and 17, the contact boundary coefficients α 1 , α 2 , and α 3 are indicated by broken lines with respect to two types of wear form maps having different melting points of the trolley wire 100 and the sliding plate 110, and are shown in FIG. Eight areas are schematically represented, and the generation condition of the wear form is displayed for each area.
Hereinafter, the eight sections r1 to r8 shown in FIG. 15 (FIGS. 16 and 17) will be described with reference to the list shown in FIG.

区分r1(Tmt>Tms、かつ、α>α):
この領域では、トロリ線100の表面に厚い被膜抵抗が存在しなければ、トロリ線溶融摩耗形態および混合溶融摩耗形態が発生することはない。しかも、すり板110が溶融することですり板110の表面に被膜抵抗が発生し、接触境界係数αが増加する傾向にあるため、トロリ線100の溶融は小さくなる。このことより、最もトロリ線100が溶融しにくい材料組合せとなる。
Section r1 (Tmt> Tms and α 0 > α 3 ):
In this region, if there is no thick film resistance on the surface of the trolley wire 100, the trolley wire melt wear form and the mixed melt wear form do not occur. In addition, the melting of the trolley wire 100 becomes small because the coating resistance is generated on the surface of the sliding plate 110 due to the melting of the sliding plate 110 and the contact boundary coefficient α tends to increase. Thus, the trolley wire 100 is a material combination that is most difficult to melt.

区分r2(Tmt<Tms、かつ、α>α):
この領域では、トロリ線100の融点(トロリ線融点Tmt)がすり板110の融点(すり板融点Tms)よりも低いため、トロリ線100の表面に被膜抵抗が存在することでトロリ線溶融摩耗形態が発生する。ただし、すり板110が溶融することですり板110の表面に被膜抵抗が発生し、接触境界係数αが増加するため、混合溶融摩耗形態は発生しにくく、すり板溶融摩耗形態となる。なお、「硬銅トロリ線」および「鉄系焼結合金すり板」の組合せは、区分r2に該当しており、すり板組合せの明確な指針がなかった時代に開発した鉄系焼結合金すり板であるが、比較的トロリ線100が電気的に溶融しにくい組合せとなっていることがわかる。
Section r2 (Tmt <Tms and α 0 > α 3 ):
In this region, since the melting point of the trolley wire 100 (the trolley wire melting point Tmt) is lower than the melting point of the sliding plate 110 (the sliding plate melting point Tms), the presence of the film resistance on the surface of the trolley wire 100 causes Will occur. However, when the sliding plate 110 is melted, film resistance is generated on the surface of the sliding plate 110, and the contact boundary coefficient α is increased. Therefore, the mixed melt wear mode is hardly generated and the ground plate melt wear mode is obtained. Note that the combination of “hard copper trolley wire” and “iron-based sintered alloy sliding plate” falls under category r2, and the iron-based sintered alloy sliding developed in an era when there was no clear guide for combining the sliding plates. Although it is a board, it turns out that the trolley wire 100 is a combination that is relatively difficult to melt electrically.

区分r3(Tmt>Tms、かつ、α<α<α):
この領域では、トロリ線100の表面に厚い被膜抵抗が存在しなければ、トロリ線溶融摩耗形態が発生することはないが、混合溶融摩耗形態は必ず発生するため、接触電圧Vが増加する離線時にはトロリ線100が溶融する。また、すり板110の融点(すり板融点Tms)がトロリ線100よりも低いため、すり板溶融摩耗形態は必ず発生する。
Section r3 (Tmt> Tms and α 103 ):
In this region, if there is no thick film resistance on the surface of the trolley wire 100, the trolley wire melt wear form does not occur, but the mixed melt wear form always occurs, so that the contact voltage V c increases. Sometimes the trolley wire 100 melts. In addition, since the melting point of the sliding plate 110 (sliding plate melting point Tms) is lower than that of the trolley wire 100, a sliding plate melting and wearing form always occurs.

区分r4(Tmt<Tms、かつ、α<α<α):
この領域では、トロリ線100の融点(トロリ線融点Tmt)がすり板110の融点(すり板融点Tms)よりも低いため、トロリ線100の表面に被膜抵抗が存在することでトロリ線溶融摩耗形態が発生する。なお、すり板溶融摩耗形態および混合溶融摩耗形態は、必ず発生する。
Section r4 (Tmt <Tms and α 103 ):
In this region, since the melting point of the trolley wire 100 (the trolley wire melting point Tmt) is lower than the melting point of the sliding plate 110 (the sliding plate melting point Tms), the presence of the film resistance on the surface of the trolley wire 100 causes Will occur. In addition, the sliding plate melt wear mode and the mixed melt wear mode always occur.

区分r5(Tmt>Tms、かつ、α<α<α):
この領域では、すり板110の融点(すり板融点Tms)がトロリ線100の融点(トロリ線融点Tmt)よりも低いため、すり板110の表面に被膜抵抗が存在することですり板溶融摩耗形態が発生する。なお、トロリ線溶融摩耗形態および混合溶融摩耗形態は、必ず発生する。
Section r5 (Tmt> Tms and α 201 ):
In this region, the melting point of the sliding plate 110 (the melting point of the sliding plate Tms) is lower than the melting point of the trolley wire 100 (the melting point of the trolley wire Tmt). Will occur. Note that the trolley wire melt wear mode and the mixed melt wear mode always occur.

区分r6(Tmt<Tms、かつ、α<α<α):
この領域では、すり板110の表面に厚い被膜抵抗が存在しなければ、すり板溶融摩耗形態が発生することはないが、混合溶融摩耗形態は必ず発生するため、接触電圧Vが増加する離線時にはすり板110が溶融する。また、トロリ線100の融点(トロリ線融点Tmt)がすり板110の融点(すり板融点Tms)よりも低いため、トロリ線溶融摩耗形態は必ず発生する。
Section r6 (Tmt <Tms and α 201 ):
In this area, if there is a thick film resistor on the surface of the sliding plate 110, but never sliding plate melt wear type occurs, the mixed melt wear form always occurs, contact voltage V c increases contact break Sometimes the sliding plate 110 melts. In addition, since the melting point of the trolley wire 100 (the trolley wire melting point Tmt) is lower than the melting point of the sliding plate 110 (the slab plate melting point Tms), the trolley wire melting and wearing form is inevitably generated.

区分r7(Tmt>Tms、かつ、α<α):
この領域では、すり板110の融点(すり板融点Tms)がトロリ線100の融点(トロリ線融点Tmt)よりも低いため、すり板110の表面に被膜抵抗が存在することですり板溶融摩耗形態が発生する。ただし、トロリ線100が溶融することでトロリ線100の表面に被膜抵抗が発生し、接触境界係数αが減少するため、混合溶融摩耗形態は発生しにくく、トロリ線溶融摩耗形態となる。
Section r7 (Tmt> Tms and α 02 ):
In this region, the melting point of the sliding plate 110 (the melting point of the sliding plate Tms) is lower than the melting point of the trolley wire 100 (the melting point of the trolley wire Tmt). Will occur. However, when the trolley wire 100 is melted, a film resistance is generated on the surface of the trolley wire 100, and the contact boundary coefficient α is reduced. Therefore, the mixed melt wear form hardly occurs and the trolley wire melt wear form is obtained.

区分r8(Tmt<Tms、かつ、α<α):
この領域では、すり板110の表面に厚い被膜抵抗が存在しなければ、すり板溶融摩耗形態および混合溶融摩耗形態が発生することはない。しかも、トロリ線100が溶融することでトロリ線100の表面に被膜抵抗が発生し、接触境界係数αは減少する傾向にあるため、すり板110の溶融は小さくなる。このことより、最もすり板110が溶融しにくい材料組合せとなる。
Section r8 (Tmt <Tms and α 02 ):
In this region, if there is no thick film resistance on the surface of the sliding plate 110, the sliding plate melting wear form and the mixed melting wear form do not occur. Moreover, since the film resistance is generated on the surface of the trolley wire 100 by melting the trolley wire 100 and the contact boundary coefficient α tends to decrease, the melting of the sliding plate 110 becomes small. From this, it becomes the material combination that the sliding plate 110 is most difficult to melt.

次に、図15〜図18を参照しながら、電力供給装置に供する材料組合せを選定する。
一般に、トロリ線100は導電率を高くする必要があり、すり板110はトロリ線100を摩耗させないことが求められている。このことより、トロリ線100の電気抵抗率(トロリ線側抵抗率ρ)は、すり板110の電気抵抗率(すり板側抵抗率ρ)よりも小さく、図15〜図18においてα>0.5となる領域で使用されている。すなわち、図15〜図18の区分r1、r2、r3、r4、r6となる組合せである。
Next, a material combination to be used for the power supply apparatus is selected with reference to FIGS.
In general, the trolley wire 100 needs to have high conductivity, and the sliding plate 110 is required not to wear the trolley wire 100. From this, the electrical resistivity (trolley wire side resistivity ρ 1 ) of the trolley wire 100 is smaller than the electrical resistivity (slide plate side resistivity ρ 2 ) of the sliding plate 110, and α 0 in FIGS. 15 to 18. Used in areas where> 0.5. That is, the combinations are the sections r1, r2, r3, r4, and r6 of FIGS.

図19〜図22は、第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法を説明する第6〜第9の図である。
電気鉄道に用いる電力供給装置に供する材料として、必要な検討事項を以下に示す。
(1)異種金属とし,摩耗試験後の移着物や溶融物の成分分析が容易であること。
(2)容易に入手できること。
(3)トロリ線もしくはすり板形状に加工できること。
(4)取り扱いが簡易であること。
19 to 22 are sixth to ninth diagrams illustrating a method for manufacturing the power supply apparatus according to the third embodiment.
Necessary considerations are shown below as materials to be used for power supply equipment used in electric railways.
(1) The dissimilar metal should be used, and the component analysis of the transferred material and melt after the wear test should be easy.
(2) It can be easily obtained.
(3) It can be processed into a trolley wire or a strip shape.
(4) Easy handling.

以上の事項を考慮した結果、選定した材料組合せを図19に示す。
「硬銅トロリ線」と「ニッケルすり板」との組合せは、図15〜図18中の区分r6に該当し、α>0.5となる範囲では最もトロリ線100が溶融しやすい組合せとなる。この材料組合せに対する摩耗形態マップを図20に示す。
As a result of considering the above items, the selected material combinations are shown in FIG.
The combination of the “hard copper trolley wire” and the “nickel ground plate” corresponds to the section r6 in FIGS. 15 to 18, and the combination in which the trolley wire 100 is most easily melted in the range where α 0 > 0.5. Become. The wear form map for this material combination is shown in FIG.

「硬銅トロリ線」と「アルミニウムすり板」の組合せは、図15〜図18中の区分r3に該当する。なお、「アルミニウム」はパンタグラフの補助すり板に使用されており、「アルミニウムすり板」と「硬銅トロリ線」が接触する箇所ではトロリ線摩耗が著しくなるという報告がなされている。この材料組合せに対する摩耗形態マップを図21に示す。   The combination of “hard copper trolley wire” and “aluminum slip plate” corresponds to the section r3 in FIGS. Note that “aluminum” is used as an auxiliary sliding plate for pantographs, and it has been reported that trolley wire wear becomes significant at locations where the “aluminum sliding plate” and the “hard copper trolley wire” contact. The wear form map for this material combination is shown in FIG.

「ニッケルトロリ線」と「鉄系焼結合金すり板」の組合せは、図15〜図18中の区分r1に該当し、最もトロリ線100が溶融しにくい組合せとなる。この材料組合せに対する摩耗形態マップを図22に示す。なお、トロリ線材料に硬銅を選定しなかった理由は、「硬銅トロリ線」に対して区分r1となり、かつ、上述の(1)〜(4)の事項を満たす適切な材料がなかったためである。   The combination of the “nickel trolley wire” and the “iron-based sintered alloy slip plate” corresponds to the section r1 in FIGS. 15 to 18 and is the combination in which the trolley wire 100 is most difficult to melt. The wear form map for this material combination is shown in FIG. The reason why hard copper was not selected as the trolley wire material was that it was classified as r1 with respect to the “hard copper trolley wire” and there was no appropriate material satisfying the items (1) to (4) described above. It is.

以上のように、第3の実施形態に係る電力供給装置の製造方法においては、摩耗形態マップ(図11、図14)に示される4つの領域の境界を規定する接触境界係数α、α、αと、トロリ線融点Tmtとすり板融点Tmsとの大小関係と、によって規定される8つの区分(区分r1〜r8)の何れに属するかを特定することで、より最適な材料の組み合わせを選定する。
ここで、上記4つの領域とは、具体的には、トロリ線100、すり板110のいずれも融解しない領域(機械的摩耗領域)、トロリ線100及びすり板110の何れか一方のみが融解する領域(トロリ線融解摩耗領域、すり板摩耗融解領域)、及び、トロリ線100、すり板110の両方が融解する領域(混合融解摩耗領域)を指す。
As described above, in the method for manufacturing the power supply apparatus according to the third embodiment, the contact boundary coefficients α 1 and α 2 that define the boundaries of the four regions shown in the wear form map (FIGS. 11 and 14). , Α 3 , and the magnitude relationship between the trolley wire melting point Tmt and the sliding plate melting point Tms, which of the eight sections (sections r1 to r8) defined by the combination is specified, so that a more optimal combination of materials Is selected.
Here, specifically, the above four regions are a region where neither the trolley wire 100 nor the sliding plate 110 melts (mechanical wear region), and only one of the trolley wire 100 or the sliding plate 110 melts. It refers to a region (a trolley wire melting wear region, a sliding plate wear melting region) and a region where both the trolley wire 100 and the sliding plate 110 are melted (mixed melting wear region).

上記において参照した文献を以下に記す。
文献(1) 菅原淳:「新しいトロリ線の開発と適用」、鉄道車両と技術、No.96 pp.46-50 (2004)
文献(2) 宮平裕生、土屋広志:「パンタグラフすり板の摩耗を低減する」、RRR、Vol. 71、No.2 pp.8-11 (2014)
文献(3) M. Ikeda、 H. Tsuchiya: Recent Trends on Pantograph for High-Speed Railways in Terms of Tribology、 Journal of Japanese Society of Tribolosists、 Vol. 58、 No. 7、 pp.447-454 (2013)
池田充、土屋広志:「高速鉄道用パンタグラフのトライボロジーに関わる最近の動向」、 トライボロジスト、Vol.58 、No.7 pp.447-454 (2013)
文献(4) 長沢広樹:「Cr-Zr 系銅合金トロリ線の通電下の摩耗特性の研究」、東北大学学位論文、(1996)
文献(5) 久保俊一:「銅または銅鉛錫合金を溶浸した炭素製パンタグラフすり板のアーク放電下の摩耗機構の研究」、東北大学学位論文、(1999)
文献(6) C. Yamashita、 K. Adachi: Influence of Current on Wear Modes and Transition Condition of Current Collecting Materials、 Journal of Japanese Society of Tribolosists、 Vol. 58、 No. 7、 pp.496-503 (2013)
山下主税、足立幸志:「集電系材料の摩耗形態及び遷移条件に及ぼす通電電流の影響」、トライボロジスト、Vol.58、No.7 pp.496-503 (2013)
文献(7) C. Yamashita、 K. Adachi: Wear Mechanism of Current Collecting Materials due to Temperature Distribution Analysis Considering Degenerated Layer、 Journal of Japanese Society of Tribolosists、 Vol. 59、 No. 5、 pp.302-309 (2014)
山下主税、足立幸志:「介在物を考慮した温度分布解析による集電系材料の通電摩耗機構の解明」、トライボロジスト、Vol.59、No.5 pp. 302-309 (2014)
文献(8) R、 Holm: Electric Contacts Theory and Applications、 4th ed. (1967)
文献(9) M. Iwase、 K. Yokoi、 K. Kokubu、 K. Kumagai、 T. Sato、 M. Maeda: Pantograph Contact Strip (2) Development of new contact strip for the new tram line、 Railway Technical Research Report、 No. 574、 pp.20-21 (1967)
岩瀬勝、横井一雄、国分欣治、熊谷正博、斉藤稔男、前田正巳:「パンタグラフすり板(2)−新幹線すり板の開発とその改良―、鉄道技術研究報告、No.574、pp.20-21 (1967)
文献(10) C. Yamashita: Influence of Apparent Contact Area on Wear Mode of Current Collecting Materials、 2014 Annual Meeting Record IEEJ、 5-135、 pp.232-233 (2014)
山下主税:「通電摩耗形態に及ぼす見かけ接触面積の影響」、2014電気学会全国大会予稿集、5-135、pp.232-233 (2014)
The documents referred to above are described below.
Reference (1) Sakaki Sugawara: “Development and application of new trolley wire”, Railway vehicles and technology, No.96 pp.46-50 (2004)
Reference (2) Hiroo Miyahira, Hiroshi Tsuchiya: “Reduce wear of pantograph sliding plates”, RRR, Vol. 71, No.2 pp.8-11 (2014)
Reference (3) M. Ikeda, H. Tsuchiya: Recent Trends on Pantograph for High-Speed Railways in Terms of Tribology, Journal of Japanese Society of Tribolosists, Vol. 58, No. 7, pp.447-454 (2013)
Mitsuru Ikeda, Hiroshi Tsuchiya: “Recent Trends on Tribology of Pantographs for High-Speed Railways”, Tribologist, Vol.58, No.7 pp.447-454 (2013)
Reference (4) Hiroki Nagasawa: “Study on wear characteristics of Cr-Zr copper alloy trolley wire under current flow”, Tohoku University dissertation, (1996)
Reference (5) Kubo Shunichi: “A study of wear mechanism of carbon pantograph strips infiltrated with copper or copper-lead-tin alloy under arc discharge”, Tohoku University dissertation, (1999)
Reference (6) C. Yamashita, K. Adachi: Influence of Current on Wear Modes and Transition Condition of Current Collecting Materials, Journal of Japanese Society of Tribolosists, Vol. 58, No. 7, pp.496-503 (2013)
Yamashita Main Tax, Koshi Adachi: "Effects of current flow on wear forms and transition conditions of current collecting materials", Tribologist, Vol.58, No.7 pp.496-503 (2013)
Reference (7) C. Yamashita, K. Adachi: Wear Mechanism of Current Collecting Materials due to Temperature Distribution Analysis Considering Degenerated Layer, Journal of Japanese Society of Tribolosists, Vol. 59, No. 5, pp. 302-309 (2014)
Yamashita Main Tax, Koshi Adachi: “Elucidation of Current Wear Mechanism of Current Collection Materials by Temperature Distribution Analysis Considering Inclusions”, Tribologist, Vol.59, No.5 pp. 302-309 (2014)
Reference (8) R, Holm: Electric Contacts Theory and Applications, 4th ed. (1967)
Literature (9) M. Iwase, K. Yokoi, K. Kokubu, K. Kumagai, T. Sato, M. Maeda: Pantograph Contact Strip (2) Development of new contact strip for the new tram line, Railway Technical Research Report, No. 574, pp.20-21 (1967)
Masaru Iwase, Kazuo Yokoi, Koji Kokubun, Masahiro Kumagai, Ikuo Saito, Masami Maeda: "Pantograph Sliding Plate (2)-Development and Improvement of Shinkansen Sliding Plate-, Railway Technology Research Report, No.574, pp.20-21 (1967)
Reference (10) C. Yamashita: Influence of Apparent Contact Area on Wear Mode of Current Collecting Materials, 2014 Annual Meeting Record IEEJ, 5-135, pp.232-233 (2014)
Yamashita Main Tax: “Effect of apparent contact area on the current wear pattern”, Proceedings of the 2014 Annual Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, 5-135, pp.232-233 (2014)

[電位分布および温度分布解析方法]
文献(7)と同様、トロリ線100やすり板110を円柱の電極とし、接触表面に存在する酸化膜などを被膜抵抗としたモデルを図1のように仮定した。母材の半径をD、接点半径をaとし、トロリ線表面被膜101の厚さをd、すり板表面被膜111の厚さをdとした。
[Potential distribution and temperature distribution analysis method]
As in the literature (7), a model in which the trolley wire 100 file plate 110 is a cylindrical electrode and an oxide film or the like existing on the contact surface is assumed to be a film resistance is assumed as shown in FIG. The base material radius was D, the contact radius was a, the thickness of the trolley wire surface coating 101 was d 1 , and the thickness of the sliding plate surface coating 111 was d 2 .

図1左の円柱を円周方向に分割し、図1右のような1ピースについて、r方向およびz方向に分割した電気回路を図2に示す。この上下左右の要素の電位φ〜φおよび電気抵抗R〜Rより、中央の電位φは式(1)より求まる。 FIG. 2 shows an electric circuit in which the left cylinder in FIG. 1 is divided in the circumferential direction and one piece as in the right in FIG. 1 is divided in the r direction and the z direction. From the potentials φ 1 to φ 4 and the electric resistances R 1 to R 4 of the upper, lower, left and right elements, the central potential φ 0 is obtained from the equation (1).

図2中央の温度θは式(2)より求まる。実際のトロリ線100とすり板110はしゅう動接点であるため、接点の移動を考慮した非定常熱伝導解析をするべきである。ただし、接点の移動時間に対して温度上昇は十分に短い時間で発生するため、静接点と見なすことができ、ここでは定常熱伝導解析とした。式(2)の導出については、文献(7)を参照されたい。 The temperature θ 0 in the center of FIG. 2 is obtained from the equation (2). Since the actual trolley wire 100 and the sliding plate 110 are sliding contacts, unsteady heat conduction analysis should be performed in consideration of the movement of the contacts. However, since the temperature rise occurs in a sufficiently short time with respect to the contact moving time, it can be regarded as a static contact, and here, a steady heat conduction analysis was performed. Refer to Document (7) for the derivation of Equation (2).

ここで、Lはローレンツ数(=2.4×10−8[K/V])、Φは要素間の電位差[V]である。 Here, L is the Lorentz number (= 2.4 × 10 −8 [K / V] 2 ), and Φ is the potential difference [V] between the elements.

トロリ線100およびすり板110の被膜抵抗の電気抵抗率ρd1、ρd2と熱伝導率λd1、λd2は、Wiedemann-Franzの法則(文献(8))に則り、トロリ線100およびすり板110の電気抵抗率ρ、ρと熱伝導率λ、λに対して式(3)、(4)で表す。 The electrical resistivity ρ d1 , ρ d2 and the thermal conductivity λ d1 , λ d2 of the film resistance of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 are determined according to Wiedemann-Franz's law (reference (8)). The electrical resistivity ρ 1 , ρ 2 of 110 and the thermal conductivity λ 1 , λ 2 are expressed by equations (3) and (4).

ここで、f、fは各被膜の電気抵抗率の増分を示す係数であり、本明細書では「変質係数」と呼称する。 Here, f 1 and f 2 are coefficients indicating increments of the electrical resistivity of each film, and are referred to as “degeneration coefficients” in this specification.

解析対象であるトロリ線材とすり板材の物性値を表1(図23)に示す。電極モデルのサイズは文献(7)と同様とし、格子メッシュ数を30×30、メッシュの大きさをΔr=Δz=10μm(電極半径D=300μm)、実際に接触する要素数を10(接点半径a=100μm)とした。全ての要素について式(1)および式(2)が成立するよう収束計算を行い、各要素の温度変化が1×10−6K未満となった時に計算を終了とした。 Table 1 (FIG. 23) shows physical property values of the trolley wire and the sliding plate material to be analyzed. The size of the electrode model is the same as in the literature (7), the number of grid meshes is 30 × 30, the size of the mesh is Δr = Δz = 10 μm (electrode radius D = 300 μm), and the number of elements actually in contact is 10 (contact radius) a = 100 μm). Convergence calculation was performed so that Formula (1) and Formula (2) were materialized about all the elements, and the calculation was terminated when the temperature change of each element became less than 1 × 10 −6 K.

解析例として、表面被膜がない清浄な接触において、接触電圧を0.4Vとした場合の電位分布および温度分布解析結果を図3に示す。図3(b)より、電極内最高温度はすり板内部に存在することがわかる。以降では、電極内の電位分布および温度分布に対する種々因子の影響を明らかにする。   As an analysis example, FIG. 3 shows the potential distribution and temperature distribution analysis results when the contact voltage is 0.4 V in clean contact without a surface coating. From FIG. 3 (b), it can be seen that the maximum temperature in the electrode exists inside the slide plate. In the following, the influence of various factors on the potential distribution and temperature distribution in the electrode will be clarified.

[解析結果]
(接触電圧の影響)
本節では、表面被膜が存在せず接触電圧が異なるときの、電極内電位分布と温度分布の関係を明らかにする。解析条件としてトロリ線100を陽極、すり板110を陰極とし、接触電圧Vを0.1〜0.7Vの間で変化させ電位分布および温度分布解析を実施した。境界条件として、トロリ線100およびすり板110の末端温度はHolm(文献(8))に倣い300Kとした。
[Analysis result]
(Influence of contact voltage)
This section clarifies the relationship between the potential distribution in the electrode and the temperature distribution when there is no surface coating and the contact voltage is different. The anode of the trolley wire 100 as the analysis condition, the contact strip 110 as a cathode, was carried potential distribution and temperature distribution analysis by changing the contact voltage V c between the 0.1~0.7V. As a boundary condition, the end temperatures of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 were set to 300K in accordance with Holm (Reference (8)).

接触電圧を7段階変化させた場合の、解析結果におけるz軸上の電位と温度の関係を図4に示す。この図より、電極内の温度は電位に対して放物線状になり、全体の最高温度θmaxは接触電圧の中間値となる位置、例えば接触電圧が0.4Vの場合は0.2Vとなる位置で発生することがわかる。Holm(文献(8))によれば、同種金属接点の電位と温度の関係は放物線になり、接触電圧の中間箇所で全体の最高温度が発生すると報告している。以上より、図4のような電位分布と温度分布の関係は、異種金属にも適用でき、電極材料の組合せに依存しないといえる。 FIG. 4 shows the relationship between the potential on the z-axis and the temperature in the analysis result when the contact voltage is changed in seven steps. From this figure, the temperature in the electrode is parabolic with respect to the potential, and the overall maximum temperature θ max is a position where the contact voltage is an intermediate value, for example, a position where the contact voltage is 0.2 V when the contact voltage is 0.4 V. It can be seen that According to Holm (Reference (8)), the relationship between the potential and temperature of the same kind of metal contact is a parabola, and the overall maximum temperature is generated at an intermediate point of the contact voltage. From the above, it can be said that the relationship between the potential distribution and the temperature distribution as shown in FIG. 4 can be applied to different metals and does not depend on the combination of electrode materials.

図4に電位分布および温度分布解析の結果より得られたトロリ線100とすり板110の接触境界を破線で示す。表1(図23)に示すようにすり板110の電気抵抗率はトロリ線100より大きく、全体の電圧降下に占めるすり板電極内の電圧降下の割合が大きくなるため、図4の接触境界は放物線の右側になる。各電極の最高温度と接触電圧の関係を図5に示す。同図には式(5)で算出されるφ-θ理論値(文献(8))を併記してある。   In FIG. 4, the contact boundary between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 obtained from the results of the potential distribution and temperature distribution analysis is indicated by a broken line. As shown in Table 1 (FIG. 23), the electrical resistivity of the sliding plate 110 is larger than that of the trolley wire 100, and the ratio of the voltage drop in the sliding plate electrode to the entire voltage drop is large. On the right side of the parabola. FIG. 5 shows the relationship between the maximum temperature of each electrode and the contact voltage. The figure also shows the φ-θ theoretical value (reference (8)) calculated by equation (5).

この図より、すり板110の最高温度はφ-θ理論値とほぼ一致し、異種金属接点においても全体の最高温度と接触電圧の関係はφ-θ理論に従うことがわかる。一方で、トロリ線100の最高温度はφ-θ理論値より小さくなる。この最高温度の差は、図4の放物線において、接触境界が放物線の頂点からずれることで生じる。   From this figure, it can be seen that the maximum temperature of the sliding plate 110 substantially coincides with the φ-θ theoretical value, and that the relationship between the overall maximum temperature and the contact voltage also follows the φ-θ theory even for dissimilar metal contacts. On the other hand, the maximum temperature of the trolley wire 100 is smaller than the φ-θ theoretical value. This difference in maximum temperature is caused by the contact boundary deviating from the apex of the parabola in the parabola of FIG.

(被膜抵抗の影響)
次に、電極表面に酸化膜などの被膜が存在する場合について、電位分布と温度分布の関係を明らかにする。解析条件としてトロリ線100表面に厚さd=10μmの被膜を想定し、接触電圧をV=0.4Vとし、トロリ線表面被膜101の変質係数fを1〜100の間で変化させて電位分布および温度分布解析を実施した。境界条件は上記と同様、トロリ線100およびすり板110の末端温度を300Kとした。なお、すり板110の表面には被膜が存在しないものとし、d=0と設定した。
(Effect of film resistance)
Next, the relationship between the potential distribution and the temperature distribution is clarified when a film such as an oxide film is present on the electrode surface. As an analysis condition, a coating film having a thickness d 1 = 10 μm is assumed on the surface of the trolley wire 100, a contact voltage is set to V c = 0.4 V, and the alteration coefficient f 1 of the trolley wire surface coating 101 is changed between 1 and 100. The potential distribution and temperature distribution analysis were performed. As for the boundary conditions, the end temperatures of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 were set to 300K as described above. It is assumed that no coating is present on the surface of the sliding plate 110, and d 2 = 0 was set.

変質係数fを3段階変化させた場合の、z軸上の電位と温度の関係および接触境界を図6に示す。この図より、電位と温度の放物線は変質係数f、即ち被膜抵抗に依存せず、接触電圧のみに依存することがわかる。ただし、変質係数fの増加に伴いトロリ線100とすり板110の接触境界が放物線の頂点に近づくことがわかる。これはトロリ線被膜抵抗の増加に伴い、全体の電圧降下に占めるトロリ線100内の電圧降下の割合が増加したためである。 FIG. 6 shows the relationship between the potential on the z-axis and the temperature, and the contact boundary when the alteration coefficient f 1 is changed in three steps. From this figure, it can be seen that the parabola of potential and temperature does not depend on the alteration coefficient f 1 , that is, the film resistance, but only on the contact voltage. However, the contact boundary of the contact wire 100 and the sliding plate 110 with the increase of the deterioration factor f 1 it can be seen that the closer to the vertex of the parabola. This is because the ratio of the voltage drop in the trolley wire 100 to the total voltage drop increases with an increase in the trolley wire film resistance.

温度分布解析の結果より得られたトロリ線100とすり板110それぞれの最高温度とφ-θ理論値の比較を図7に示す。接触電圧は0.4Vと一定であるため、変質係数fに関わらずφ-θ理論値は一定の値を示し、電極内最高温度であるすり板最高温度もほぼ同等の値となった。一方で、変質係数fの増加に伴い、トロリ線100の最高温度が増加することがわかる。これはトロリ線100の表面の被膜抵抗が増加することでトロリ線100内の電圧降下が増加し、図6に示すように接触境界が放物線の頂点に近づいたためである。 FIG. 7 shows a comparison between the maximum temperature of each of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 and the theoretical value of φ-θ obtained from the result of the temperature distribution analysis. Since the contact voltage is constant at 0.4 V, the theoretical value of φ-θ shows a constant value regardless of the alteration coefficient f 1, and the maximum temperature of the sliding plate, which is the maximum temperature in the electrode, is almost the same value. On the other hand, it can be seen that the maximum temperature of the trolley wire 100 increases as the alteration coefficient f 1 increases. This is because the voltage drop in the trolley wire 100 increases as the film resistance on the surface of the trolley wire 100 increases, and the contact boundary approaches the apex of the parabola as shown in FIG.

(バルク温度の影響)
前節までの温度分布解析結果や式(5)は、トロリ線100およびすり板110の末端温度、即ちバルク温度が300Kであることを境界条件とした。しかしながら、実際にトロリ線100とすり板110が接触するときの両バルク温度には差がある。これは、トロリ線100とすり板110が摩擦を受ける時間間隔が異なるためである。岩瀬ら(文献(9))は実際に走行中のすり板温度を測定し、すり板110の接触表面から2mmの距離では160℃、5mmでは80℃になると報告している。そこで本節では、すり板110のバルク温度が電極内電位分布と温度分布に及ぼす影響を明らかにする。
(Influence of bulk temperature)
The temperature distribution analysis results and equation (5) up to the previous section are based on the boundary condition that the end temperature of the trolley wire 100 and the sliding plate 110, that is, the bulk temperature is 300K. However, there is a difference between both bulk temperatures when the trolley wire 100 and the sliding plate 110 actually contact each other. This is because the time intervals at which the trolley wire 100 and the sliding plate 110 are subjected to friction are different. Iwase et al. (Reference (9)) measured the temperature of the sliding plate during traveling and reported that it was 160 ° C. at a distance of 2 mm from the contact surface of the sliding plate 110 and 80 ° C. at 5 mm. Therefore, in this section, the influence of the bulk temperature of the sliding plate 110 on the potential distribution in the electrode and the temperature distribution will be clarified.

解析条件として接触電圧V=0.4Vとし、すり板110の末端温度を300〜500Kの間で変化させて電位分布および温度分布解析を実施した。なお、表面被膜は存在しないものとする。すり板110のバルク温度を5段階変化させた場合の、z軸上の電位と温度の関係を図8に示す。すり板110の末端である電位0V近傍における温度は、すり板110のバルク温度に影響を受けるものの、接触境界における温度や、電極内最高温度はほぼ変化しないことがわかる。 The contact voltage V c = 0.4 V was set as an analysis condition, and the terminal temperature of the sliding plate 110 was changed between 300 to 500 K, and the potential distribution and temperature distribution analysis was performed. It is assumed that there is no surface coating. FIG. 8 shows the relationship between the potential on the z-axis and the temperature when the bulk temperature of the sliding plate 110 is changed in five steps. It can be seen that the temperature in the vicinity of the potential 0 V, which is the end of the sliding plate 110, is affected by the bulk temperature of the sliding plate 110, but the temperature at the contact boundary and the maximum temperature in the electrode do not substantially change.

温度分布解析の結果より得られた、トロリ線100とすり板110それぞれの最高温度とφ-θ理論値の比較を図9に示す。この図からも、トロリ線100およびすり板110の最高温度に対するすり板110のバルク温度の影響は無視できることがわかる。   FIG. 9 shows a comparison between the maximum temperature of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 and the theoretical value of φ-θ obtained from the result of the temperature distribution analysis. Also from this figure, it can be seen that the influence of the bulk temperature of the sliding plate 110 on the maximum temperature of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is negligible.

以上より得られた電位分布および温度分布解析結果を整理する。
(1) 電極内の最高温度はφ-θ理論に従う。
(2) 電極内の電位に対する温度の分布は放物線の関係を持ち、その曲線は接触電圧にのみ依存する。
(3) (1)および(2)は接点材料の組合せや酸化膜などの被膜抵抗、およびバルク温度に依存しない。
(4) トロリ線とすり板の接触境界における電位は表面の被膜抵抗によって変化する。
The potential distribution and temperature distribution analysis results obtained above are organized.
(1) The maximum temperature in the electrode follows the φ-θ theory.
(2) The temperature distribution with respect to the potential in the electrode has a parabolic relationship, and the curve depends only on the contact voltage.
(3) (1) and (2) do not depend on the combination of contact materials, film resistance such as oxide film, and bulk temperature.
(4) The potential at the contact boundary between the trolley wire and the sliding plate changes depending on the film resistance of the surface.

[摩耗形態マップの作成]
上記の結果を一般化した摩耗形態マップを作成する。まず、電極モデルz軸上の電位と温度の放物線を表す方程式を作成するため、2次元円柱座標系のモデルで作成した式(2)を1次元直交座標系の式に変換する。
[Creation of wear form map]
A wear form map that generalizes the above results is created. First, in order to create an equation representing the parabola of potential and temperature on the electrode model z-axis, the equation (2) created by the model of the two-dimensional cylindrical coordinate system is converted into the equation of the one-dimensional orthogonal coordinate system.

境界条件であるトロリ線100およびすり板110のバルク温度を300Kとし、電位がV/2となる点において電極内最高温度θmaxとなることから、式(7)が得られる。 Since the bulk temperature of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 which are boundary conditions is 300 K, and the potential becomes V c / 2, the maximum temperature θ max in the electrode is obtained, so that the equation (7) is obtained.

次に、放物線内の任意の電位φにおける温度θは式(8)で表すことができる。   Next, the temperature θ at an arbitrary potential φ in the parabola can be expressed by Expression (8).

式(7)を式(8)に代入して、式(9)を導く。   By substituting equation (7) into equation (8), equation (9) is derived.

式中のφ/Vを用いることで、図10に示すように様々な接触電圧Vに対する電極内温度分布をひとつのグラフに整理することができる。ここではφ/Vを無次元化電位と呼称する。図10中にトロリ線融点1334Kおよびすり板融点1646Kを併記し、 φ/V≧0.5かつ放物線がトロリ線融点と交わる点を丸印の記号で、φ/V≦0.5かつすり板融点と交わる点を三角印の記号で示す。トロリ線100とすり板110の接触境界がこれらの点と一致したとき、トロリ線100およびすり板110が溶融し始めることになる。 By using φ / V c in the equation, the temperature distribution in the electrode with respect to various contact voltages V c can be arranged in one graph as shown in FIG. Here, φ / V c is referred to as a dimensionless potential. In FIG. 10, the trolley wire melting point 1334K and the sliding plate melting point 1646K are written together, φ / V c ≧ 0.5, and the point where the parabola intersects with the trolley wire melting point is indicated by a circle symbol, φ / V c ≦ 0.5 and The point where the melting point of the slab is intersected is indicated by a symbol with a triangle mark. When the contact boundary between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 coincides with these points, the trolley wire 100 and the sliding plate 110 start to melt.

すり板110末端の電位を0Vとしているため、接触境界における電位φはすり板110内の電圧降下に等しい。このφと接触電圧Vの比、即ちトロリ線100とすり板110の接触境界における無次元化電位φ/Vをαとし、これを「接触境界係数」と呼称する。αは集中抵抗式と被膜抵抗式より式(10)で表される。 Since the potential at the end of the sliding plate 110 is 0V, the potential φ c at the contact boundary is equal to the voltage drop in the sliding plate 110. The ratio of φ c to the contact voltage V c , that is, the dimensionless potential φ / V c at the contact boundary between the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is defined as α, which is referred to as “contact boundary coefficient”. α is expressed by equation (10) from the concentrated resistance equation and the film resistance equation.

式(10)および図10より、すり板110の接触抵抗の増加に伴いαは増加し、接触境界が放物線の右に移動するため、トロリ線100の最高温度は減少する。また、トロリ線100の接触抵抗の増加に伴いαは減少し、接触境界が放物線の左に移動するため、トロリ線100の最高温度は増加する。   From equation (10) and FIG. 10, α increases as the contact resistance of the sliding plate 110 increases, and the contact boundary moves to the right of the parabola, so the maximum temperature of the trolley wire 100 decreases. Further, as the contact resistance of the trolley wire 100 increases, α decreases and the contact boundary moves to the left of the parabola, so that the maximum temperature of the trolley wire 100 increases.

式(9)、(10)を用いて、トロリ線100およびすり板110が溶融し始める条件を、縦軸Vおよび横軸αで表したものが図11である。同図には電極内最高温度がトロリ線100およびすり板110の融点に達する接触電圧条件を式(5)より算出し、水平の破線で示してある。 Equation (9), using (10), a condition in which the contact wire 100 and sliding plate 110 begins to melt, as expressed in the vertical axis V c and the horizontal axis α is 11. In the same figure, the contact voltage condition at which the maximum temperature in the electrode reaches the melting point of the trolley wire 100 and the sliding plate 110 is calculated from the equation (5) and is shown by a horizontal broken line.

筆者はこれまでに電極が溶融する条件で摩耗形態が遷移する機構を提案しており(文献(6)(7))、図11に示すトロリ線100またはすり板110の溶融条件から通電下の摩耗形態を以下の4種類に分類し、文献(6)を引用して各摩耗形態の特徴を説明する。   The author has so far proposed a mechanism in which the wear form transitions under conditions where the electrode melts (references (6) and (7)), and the energized condition is determined from the melting conditions of the trolley wire 100 or the sliding plate 110 shown in FIG. The wear forms are classified into the following four types, and the characteristics of each wear form will be described with reference to the literature (6).

(a)接触電圧が小さく、どちらも溶融しない領域を機械的摩耗形態と呼称する。図11で注目する点はαが大きい条件、即ちすり板110の接触抵抗が大きい条件では、接触電圧がトロリ線100の融点相当に達しても、機械的摩耗形態となることである。
機械的摩耗形態の特徴として、摩耗率や摩擦係数等の摩耗特性は荷重に依存せず、ほぼ一定の値となる(文献(6))。
(A) A region where the contact voltage is small and neither melts is called a mechanical wear mode. The point to be noted in FIG. 11 is that under the condition that α is large, that is, the condition that the contact resistance of the sliding plate 110 is large, even if the contact voltage reaches the melting point of the trolley wire 100, the mechanical wear form is obtained.
As a feature of the mechanical wear mode, wear characteristics such as wear rate and friction coefficient do not depend on the load and are almost constant values (reference (6)).

(b)接触電圧が0.4〜0.5Vかつαが比較的小さい領域、即ち被膜抵抗などでトロリ線100の接触抵抗が大きい領域では、硬銅トロリ線と鉄系焼結合金すり板の融点には差があるためトロリ線100のみが溶融する。この領域を電気的摩耗形態Iと呼称する。
電気的摩耗形態Iの特徴として、トロリ線100の摩耗率および摩擦係数が極大となる(文献(6))。
(B) In a region where the contact voltage is 0.4 to 0.5 V and α is relatively small, that is, a region where the contact resistance of the trolley wire 100 is large due to film resistance or the like, the hard copper trolley wire and the iron-based sintered alloy sliding plate Since there is a difference in melting point, only the trolley wire 100 melts. This region is referred to as electrical wear form I.
As a feature of the electrical wear form I, the wear rate and the friction coefficient of the trolley wire 100 are maximized (Reference (6)).

(c)接触電圧が0.5V以上かつαが大きい領域では、すり板110のみが溶融する。この領域を電気的摩耗形態IIと呼称する。
電気的摩耗形態IIの特徴として、すり板110の比摩耗量は荷重の減少に伴い著しく増加するが、トロリ線100の摩耗率および摩擦係数は減少する(文献(6))。
(C) In the region where the contact voltage is 0.5 V or more and α is large, only the sliding plate 110 is melted. This region is referred to as electrical wear form II.
As a feature of the electrical wear form II, the specific wear amount of the sliding plate 110 significantly increases as the load decreases, but the wear rate and the friction coefficient of the trolley wire 100 decrease (Reference (6)).

(d)接触電圧が0.5V以上かつαが比較的小さい領域では、どちらも溶融する領域が存在する。この領域を混合溶融摩耗形態と呼称する。
文献(6)ではこの摩耗形態について言及していない。
(D) In the region where the contact voltage is 0.5 V or more and α is relatively small, there is a region where both melt. This region is referred to as a mixed melt wear mode.
Reference (6) does not mention this form of wear.

硬銅トロリ線と鉄系焼結合金すり板の組合せについて、被膜抵抗のない清浄な接触における接触境界係数αは、式(10)より、 For the combination of the hard copper trolley wire and the iron-based sintered alloy sliding plate, the contact boundary coefficient α 0 in the clean contact without film resistance is obtained from the equation (10):

となる。α=0.96の場合、図11より接触電圧が増加してもトロリ線100が溶融せず、機械的摩耗形態と電気的摩耗形態IIのみが現れる。即ちトロリ線100表面に酸化膜など被膜抵抗が存在しなければ、トロリ線100は溶融しないことになる。 It becomes. In the case of α 0 = 0.96, the trolley wire 100 does not melt even when the contact voltage increases as shown in FIG. 11, and only the mechanical wear form and the electrical wear form II appear. That is, if there is no film resistance such as an oxide film on the surface of the trolley wire 100, the trolley wire 100 does not melt.

筆者は文献(10)において、硬銅トロリ線と鉄系焼結合金すり板の組合せにおいて、すり板110の見かけ接触面積を変更した摩耗試験を実施し、図12のトロリ線摩耗率を得ている。摩耗試験の結果、見かけ接触面積の影響は荷重10N近傍のみで顕著であった。見かけ接触面積70mm以上では図13(a)のようにトロリ線100表面が溶融し、見かけ接触面積50mm以下では図13(b)のようにトロリ線100表面は溶融しない。この現象の機構は、見かけ接触面積の減少に伴い摩耗深さが増加し、見かけ接触面積50mm以下ではトロリ線100表面の被膜が除去された結果、αが0.96に近くなりトロリ線100が溶融しなかったものと考える。 In the literature (10), the author conducted a wear test in which the apparent contact area of the sliding plate 110 was changed in the combination of the hard copper trolley wire and the iron-based sintered alloy sliding plate, and obtained the trolley wire wear rate of FIG. Yes. As a result of the abrasion test, the influence of the apparent contact area was significant only in the vicinity of a load of 10N. When the apparent contact area is 70 mm 2 or more, the surface of the trolley wire 100 melts as shown in FIG. 13A, and when the apparent contact area is 50 mm 2 or less, the surface of the trolley wire 100 does not melt as shown in FIG. 13B. The mechanism of this phenomenon is that the wear depth increases as the apparent contact area decreases, and when the apparent contact area is 50 mm 2 or less, the coating on the surface of the trolley wire 100 is removed, so that α becomes close to 0.96 and the trolley wire 100 Is considered to have not melted.

以上、図11および式(9)、(10)より、通電下の摩耗形態を支配する因子を、1:融点、2:接触境界係数α、3:接触電圧に絞ることができる。このうち、1と2に関しては材料特性が主であり、任意の材料組合せについても摩耗形態マップを作成することができ、あらかじめ摩耗形態の推測が可能と考える。さらにαや融点の設定によっては、接触電圧によらずトロリ線100の溶融を極力低減できる材料組合せを提案することができると考える。   As described above, from FIG. 11 and formulas (9) and (10), the factors governing the wear mode under energization can be narrowed down to 1: melting point, 2: contact boundary coefficient α, 3: contact voltage. Among these, material characteristics are mainly for 1 and 2, and a wear form map can be created for any material combination, and it is considered that the wear form can be estimated in advance. Further, depending on the setting of α and melting point, it is considered that a material combination that can reduce the melting of the trolley wire 100 as much as possible can be proposed regardless of the contact voltage.

[おわりに]
トロリ線およびすり板の接点近傍における電位分布および温度分布解析を実施し、通電摩耗形態の支配因子についてマップ化による整理を試みた。その結果、以下の結論を得た。
(1) 電極内の最高温度はφ-θ理論に従う。
(2) 電極内の電位と温度は放物線の関係となる。
(3) (1)、(2)で述べた内容は、接点材料の組合せや酸化膜などの被膜抵抗の有無、およびバルク温度に依存しない。
(4) 電極が溶融する境界条件より摩耗形態マップを作成し、摩耗形態の支配因子を融点や接触境界係数αおよび接触電圧に特定した。
[in conclusion]
We analyzed the potential distribution and temperature distribution in the vicinity of the contact between the trolley wire and the sliding plate, and tried to organize the controlling factors of the current wear form by mapping. As a result, the following conclusions were obtained.
(1) The maximum temperature in the electrode follows the φ-θ theory.
(2) The potential and temperature in the electrode have a parabolic relationship.
(3) The contents described in (1) and (2) do not depend on the combination of contact materials, the presence or absence of film resistance such as an oxide film, and the bulk temperature.
(4) A wear form map was created from the boundary conditions at which the electrode melts, and the governing factors of the wear form were specified as the melting point, the contact boundary coefficient α, and the contact voltage.

本願発明は、トロリ線とすり板との接触点を含む所定領域において前記トロリ線から前記すり板にかけて印加される接触電圧と、前記所定領域の各箇所における電位と、当該所定領域の各箇所における温度と、の相関関係を示す理論式を参照するステップと、前記接触電圧及び前記接触点における電位に応じた前記所定領域における前記トロリ線及び前記すり板の各々の最高温度を特定するステップと、を有する温度解析方法である。   The present invention relates to a contact voltage applied from the trolley wire to the sliding plate in a predetermined region including a contact point between the trolley wire and the sliding plate, a potential at each position of the predetermined region, and a position at each position of the predetermined region. A step of referring to a theoretical formula showing a correlation with temperature, and a step of specifying a maximum temperature of each of the trolley wire and the sliding plate in the predetermined region according to the contact voltage and a potential at the contact point; Is a temperature analysis method.

また、本願発明は、前記理論式と、前記トロリ線を構成する金属材料の融点と、前記すり板を構成する金属材料の融点と、に基づいて、前記接触電圧、及び、当該接触電圧に対する前記接触点における電位の比率を示す接触境界係数の、前記トロリ線及び前記すり板のうち少なくとも何れか一方が融解する範囲をマッピングするステップと、を更に有する。   Further, the present invention is based on the theoretical formula, the melting point of the metal material constituting the trolley wire, and the melting point of the metal material constituting the sliding plate, and the contact voltage and the contact voltage with respect to the contact voltage. Mapping a range in which at least one of the trolley wire and the sliding plate melts, of a contact boundary coefficient indicating a potential ratio at a contact point.

また、本願発明は、トロリ線とすり板とを有する電力供給装置の製造方法であって、トロリ線とすり板との接触点を含む所定領域において前記トロリ線から前記すり板にかけて印加される接触電圧と、前記所定領域の各箇所における電位と、当該所定領域の各箇所における温度と、の相関関係を示す理論式に基づいて、前記接触電圧及び前記接触点における電位に応じた前記所定領域における前記トロリ線及び前記すり板の各々の最高温度を特定する第1ステップと、特定の接触電圧において、前記接触点における電位が、少なくとも前記トロリ線の最高温度が当該トロリ線を構成する金属材料の融点を超えない電位となるように、前記トロリ線を構成する金属材料と、前記すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する第2ステップと、を有する電力供給装置の製造方法である。   The invention of the present application is a method for manufacturing a power supply device having a trolley wire and a sliding plate, and a contact applied from the trolley wire to the sliding plate in a predetermined region including a contact point between the trolley wire and the sliding plate. Based on a theoretical formula showing a correlation between a voltage, a potential at each location in the predetermined region, and a temperature at each location in the predetermined region, the voltage in the predetermined region according to the contact voltage and the potential at the contact point A first step of specifying a maximum temperature of each of the trolley wire and the sliding plate; and at a specific contact voltage, the potential at the contact point is at least a maximum temperature of the trolley wire of the metal material constituting the trolley wire. A second step for determining a combination of the metal material constituting the trolley wire and the metal material constituting the sliding plate so that the potential does not exceed the melting point. When a method of manufacturing a power supply device having a.

また、本願発明は、前記第2ステップにおいて、前記トロリ線を構成する金属材料の電気抵抗率であるトロリ線側抵抗率と、前記すり板を構成する金属材料の電気抵抗率であるすり板側抵抗率と、の組み合わせに基づいて、前記トロリ線を構成する金属材料と、前記すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する電力供給装置の製造方法である。   In the second step of the present invention, in the second step, a trolley wire side resistivity that is an electrical resistivity of a metal material that constitutes the trolley wire, and a slip plate side that is an electrical resistivity of a metal material that constitutes the slide plate It is a manufacturing method of the electric power supply apparatus which determines the combination of the metallic material which comprises the said trolley wire, and the metallic material which comprises the said sliding board based on the combination with resistivity.

100 トロリ線
101 トロリ線表面被膜
110 すり板
111 すり板表面被膜
A 接触点
100 Trolley wire 101 Trolley wire surface coating 110 Slip plate 111 Slip plate surface coating A Contact point

Claims (6)

トロリ線とすり板とが接触してなる電力供給装置に生じる温度を解析する温度解析方法であって、
前記トロリ線と、前記すり板と、当該トロリ線及びすり板の接触点と、を含む所定領域において、前記接触点を介して前記トロリ線から前記すり板にかけて印加される接触電圧と、前記所定領域内に生じる最高温度である全体最高温度と、の相関関係を示す理論式に基づいて当該全体最高温度を特定するステップと、
前記接触電圧と、特定された前記全体最高温度と、に基づいて、前記所定領域内に生じる電位分布に対する温度分布の関係を示す曲線を特定するステップと、
前記接触点における電位と、前記曲線と、に基づいて、前記トロリ線及び前記すり板の各々の最高温度である部材別最高温度を特定するステップと、
を有する温度解析方法。
A temperature analysis method for analyzing a temperature generated in a power supply device formed by contact between a trolley wire and a sliding plate,
In a predetermined region including the trolley wire, the sliding plate, and a contact point of the trolley wire and the sliding plate, a contact voltage applied from the trolley wire to the sliding plate via the contact point, and the predetermined Determining the overall maximum temperature based on a theoretical formula showing a correlation with the overall maximum temperature, which is the maximum temperature occurring in the region,
Identifying a curve indicating a relationship of a temperature distribution to a potential distribution generated in the predetermined region based on the contact voltage and the specified overall maximum temperature;
Identifying the highest temperature for each member, which is the highest temperature of each of the trolley wire and the sliding plate, based on the potential at the contact point and the curve;
A temperature analysis method comprising:
前記曲線を特定するステップにおいて、当該曲線を、前記接触電圧の中間値において前記全体最高温度を頂点とする放物線となるように特定し、
前記部材別最高温度を特定するステップにおいて、前記トロリ線及び前記すり板のうち、前記接触電圧の中間値となる位置を含む一方の前記部材別最高温度を前記全体最高温度として特定し、前記接触電圧の中間値となる位置を含まない他方の前記部材別最高温度を前記接触点における温度として特定する
ことを特徴とする請求項1に記載の温度解析方法。
In the step of specifying the curve, the curve is specified so as to be a parabola having the overall maximum temperature as a vertex at an intermediate value of the contact voltage,
In the step of specifying the highest temperature for each member, the highest temperature for each member including the position that is an intermediate value of the contact voltage among the trolley wire and the sliding plate is specified as the overall highest temperature, and the contact The temperature analysis method according to claim 1, wherein the other maximum temperature for each member that does not include a position that is an intermediate voltage value is specified as the temperature at the contact point.
前記理論式と、前記トロリ線を構成する金属材料の融点と、前記すり板を構成する金属材料の融点と、に基づいて、前記接触電圧、及び、当該接触電圧に対する前記接触点における電位の比率を示す接触境界係数の、当該トロリ線及びすり板のうち少なくとも何れか一方が融解する範囲をマッピングするステップ
を更に有する請求項1又は請求項2に記載の温度解析方法。
Based on the theoretical formula, the melting point of the metal material constituting the trolley wire, and the melting point of the metal material constituting the sliding plate, the contact voltage and the ratio of the potential at the contact point to the contact voltage The temperature analysis method according to claim 1, further comprising a step of mapping a contact boundary coefficient indicating a range in which at least one of the trolley wire and the sliding plate melts.
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の温度解析方法に基づいて、前記トロリ線及び前記すり板の各々の部材別最高温度を特定する第1ステップと、
特定の前記接触電圧において、前記接触点における電位が、少なくとも前記トロリ線の部材別最高温度が当該トロリ線を構成する金属材料の融点を超えない電位となるように、前記トロリ線を構成する金属材料と、前記すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する第2ステップと、
を有する電力供給装置の製造方法。
Based on the temperature analysis method according to any one of claims 1 to 3, a first step of specifying a maximum temperature for each member of the trolley wire and the sliding plate;
The metal constituting the trolley wire so that, at the specific contact voltage, the potential at the contact point is such that at least the maximum temperature of each member of the trolley wire does not exceed the melting point of the metal material constituting the trolley wire. A second step of determining a combination of a material and a metal material constituting the sliding plate;
A method of manufacturing a power supply apparatus having
前記第2ステップにおいて、前記トロリ線を構成する金属材料の電気抵抗率であるトロリ線側抵抗率と、前記すり板を構成する金属材料の電気抵抗率であるすり板側抵抗率と、の組み合わせに基づいて、前記トロリ線を構成する金属材料と、前記すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する
ことを特徴とする請求項4に記載の電力供給装置の製造方法。
In the second step, a combination of a trolley wire side resistivity, which is an electrical resistivity of a metal material constituting the trolley wire, and a slip plate side resistivity, which is an electrical resistivity of a metal material constituting the sliding plate The method of manufacturing a power supply device according to claim 4, wherein a combination of a metal material that constitutes the trolley wire and a metal material that constitutes the sliding plate is determined based on the above.
前記トロリ線、前記すり板のいずれも融解しない領域、前記トロリ線及び前記すり板の何れか一方のみが融解する領域、及び、前記トロリ線、前記すり板の両方が融解する領域の境界を規定する係数と、前記トロリ線を構成する金属材料の融点と前記すり板を構成する金属材料の融点との大小関係と、によって規定される区分に基づいて当該トロリ線を構成する金属材料と、当該すり板を構成する金属材料と、の組み合わせを決定する
ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の電力供給装置の製造方法。
Defines the boundary between the trolley wire and the region where neither the sliding plate melts, the region where only one of the trolley wire or the sliding plate melts, and the region where both the trolley wire and the sliding plate melt. And a metal material constituting the trolley wire based on a category defined by a coefficient defined by the relationship between the melting point of the metal material constituting the trolley wire and the melting point of the metal material constituting the sliding plate, and The method for manufacturing a power supply device according to claim 4 or 5, wherein a combination with a metal material that constitutes the sliding plate is determined.
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