JPH08317504A

JPH08317504A - 集電装置用摺板

Info

Publication number: JPH08317504A
Application number: JP11839995A
Authority: JP
Inventors: Junji Ninomiya; 淳司二宮; Masanori Ozaki; 正則尾崎; Kazuhiro Kimijima; 和浩君島; Shinsaku Matsuyama; 晋作松山
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 1995-05-17
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【構成】集電装置用摺板であって、摺動面を含む部分
がアルミナ系短繊維を高力系Ａｌマトリックスに複合さ
せた複合部２である摺板１。【効果】軽量で衝撃荷重に強い摺板が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集電装置に用いられる
摺板に関する。

【０００２】

【従来の技術】集電装置用摺板は、トロリー線から集電
する装置に取り付けられ、トロリー線と摺動するもので
ある。鉄道車両の運転中、トロリー線と摺板とは摺動し
続けるもので、通電性の他に耐摩耗性、耐アーク性に優
れることが要求される。現在、このような特性に応える
ものとして、銅系または鉄系のメタル系が広く用いられ
ている。その他、特に欧州ではメタライズドカーボンが
注目されている。

【０００３】近年の新幹線に代表される鉄道車両の高速
化に伴い、トロリー線と摺板との摩擦に関して一層厳し
さを増す傾向にあり、特に時速２００ｋｍ以上の高速鉄
道においては、摺板の寿命が著しく短縮する。また鉄道
車両の高速化に伴い、トロリー線との追随性も重視され
るようになってきている。トロリー線との追随性とは、
鉄道運転中におけるトロリーと摺板との接触状態の維持
の具合のことである。摺板のトロリー線に対する追随性
は、トロリー線の張力を高めたり、摺板が保持されるパ
ンタグラフの構造を改良したりすることである程度高め
られている。パンタグラフにはばね機構が備えられてお
り、鉄道車両とトロリー線との位置関係が変動しても、
前記ばね機構により摺板がトロリー線にある程度の力で
押しつけられるようになっている。この追随性が悪くな
ると、離線が激しくなりアークが頻繁に発生して、摺板
やトロリー線の損耗が激しくなるばかりか、電波障害を
引き起こすという問題がある。

【０００４】ところで摺板の質量が大きいと、摺板のト
ロリー線に対する追随性を高めることが難しくなる。簡
単に言えば、摺板の質量が大きいと、追随性を高めるに
は、摺板をトロリー線に押しつける力を強める必要が生
ずるが、そうするとトロリー線や摺板の損耗が大きくな
ってしまう問題がある。

【０００５】そこで本発明者らは、先に軽量な摺板を提
案した（例えば特開平３−８６００２号公報）。この摺
板はＡｌまたはＡｌ合金をマトリックスとし、これにセ
ラミック繊維、セラミック粒子またはセラミックウィス
カーを分散複合させた複合材による摺板で、極めて軽量
で、しかも従来の銅系または鉄系の摺板と比べても、通
電性、耐摩耗性、耐アーク性等の要求特性に遜色のない
ことが確認されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】摺板の軽量化を図る意
味で、例えば従来の摺板である、鉄系、銅系の摺板を薄
肉化する手段も考えられるが、寿命が短縮してしまう問
題の他、車両走行時の衝撃荷重により摺板が破損しやす
くなり、集電トラブルやトロリー線損傷を招きやすくな
る問題がある。近年注目されるメタライズドカーボン製
の摺板はカーボンと金属（銅系或いは鉄系材料等）から
なり、耐アーク性に優れるものの、車両走行時の衝撃荷
重により破損しやすい傾向にある。本発明者らが先に提
案した摺板でも、軽量であると共に通電性、耐摩耗性、
耐アーク性等の要求特性が従来材と同等であるものであ
るが、特にセラミック量が多い場合等には十分な靱性が
得られないという問題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
すべくなされたもので、軽量で、更に通電性、耐摩耗
性、耐アーク性等に優れるとともに、車両走行時におけ
る衝撃強度を向上させることを目的としてなされたもの
である。

【０００８】即ち、少なくとも摺動面を含む一部分が、
高力系Ａｌマトリックス中にアルミナ系短繊維が複合さ
れた複合材であることを特徴とする集電装置用摺板を提
供する。

【０００９】

【作用】本発明の集電装置用摺板は、少なくとも摺動面
を含む一部分が、高力系Ａｌマトリックスと、該マトリ
ックス中に分散されたアルミナ系短繊維とからなる複合
材料により構成されている。Ａｌ材料をマトリックスと
した複合材料を本発明のような摺動部材に適用する場
合、通常、耐摩耗性に優れるＡｌ−Ｓｉ系合金等が選ば
れる。また複合材料の製造方法として加圧鋳造法が非常
によく用いられることを考慮すると、鋳造性に優れるＡ
ｌ−Ｓｉ系合金が選ばれることが多い。しかし本発明者
らは種々の研究実験を鋭意進めた結果、高力系Ａｌ合金
をマトリックスとし、アルミナ系短繊維を複合させた複
合材料が、集電装置用摺板として優れる特性を発現しう
る事実を見いだした。この本発明の集電装置用摺板は軽
量で通電性に優れるとともに、摺板として十分な衝撃強
度が実現している。

【００１０】本発明のマトリックスに用いられる高力系
Ａｌ合金としては、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ規
格のＡ７０７５、Ａ７１７５、Ａ７４７５等）やＡｌ−
Ｃｕ系合金（ＪＩＳ規格のＡ２０１４、Ａ２０２４等）
が適宜使用できる。また該マトリックス中に分散させる
アルミナ系短繊維の体積率については特に限定はない
が、体積率を高くしすぎると、製造困難になったり、ま
た摺板のねじ孔等の穿孔加工等が難しくなり、切削工具
の損傷が激しくなる等により、摺板の加工コストと上昇
を招いてしまうので上限は３０体積％程度が好適であ
る。

【００１１】製造方法としては、加圧鋳造法、粉末法等
が適宜適用できるが、生産性等の観点で加圧鋳造法が望
ましい。加圧鋳造法による製造方法を採用する場合、手
順としてまずアルミナ系短繊維によるプリフォーム（多
孔質成形体）を作成することになる。この際、プリフォ
ームの保形性を高めるためにバインダーを用いるが、こ
のバインダーが加圧鋳造時に溶湯であるマトリックス金
属と反応して有害な生成物が生ずることがある。バイン
ダーとしてしばしば用いられるシリカ系無機バインダー
は、プリフォームの保形性がよく、また溶湯との濡れ性
をも改善して望ましい。しかしマトリックスとして高力
系Ａｌ合金を用いる本発明の摺板を製造する場合は、シ
リカ成分と、高力系Ａｌマトリックスの溶湯中の成分が
反応しやすく、加圧鋳造過程で反応し、有害な化合物が
多く生成してしまうことがある。そこでシリカ系無機バ
インダーを用いる場合、バインダー中のシリカ量が５〜
２０重量％であることが望ましい。下限値の５重量％を
下まわると、プリフォームの保形性が不十分になり、加
圧鋳造時にプリフォームの変形が大きくなってしまうこ
とがある。一方、２０重量％を越えると、加圧鋳造時に
溶湯であるマトリックス金属と反応して、ＭｇＯ、Ｍｇ
Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、等の有害な生成物が多く生成
され、引張強さや耐衝撃性が損なわれてしまう恐れがあ
る。その他、バインダー中のＳｉが反応して溶湯中に溶
けだしたり、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄等が生じ、やはり作製され
た複合材料の機械的特性の劣化を招く恐れがある。

【００１２】またアルミナ系短繊維と通常呼称されるセ
ラミック短繊維は、アルミナ（酸化Ａｌ）成分とシリカ
（酸化Ｓｉ）成分とからなるが、シリカ成分があまり高
くないものを用いることが望ましい。シリカ成分が多い
アルミナ系短繊維を用いると、溶湯との濡れ性が高まり
製造は容易化する利点がある一方、加圧鋳造過程でシリ
カ成分と溶湯とが反応し、有害な化合物が繊維表面等に
生成してしまうからである。そこでアルミナ系短繊維中
のシリカ成分は２０重量％以下であることが望ましい。
なお、本発明摺板において高力系マトリックス中に、本
発明の効果を損なわない程度に、アルミナ系短繊維以外
のもの、例えばアルミナ粒子、カーボン繊維等を適宜含
ませてもよい。

【００１３】

【実施例】以下本発明の実施例を詳細に説明する。実施例１図１に摺板の形状の一例（平面図）を示す。図２は図１
に示す摺板の正面図であり、厚さは通常１０ｍｍ程度で
ある。ここでは図１に示す平面形状で、厚さが１０ｍｍ
の摺板を作製した。作製した摺板１は、摺動面（図２の
上面）から厚さ方向で約７０％の部分が複合部２で、残
りの部分が非複合部３の構造にした。複合部２は、表１
に示すＡｌ合金をマトリックスとし、アルミナ系短繊維
（シリカ成分は表１に示す。サイズは径約３μｍ、長さ
約８００μｍ）が約１０体積％複合された複合材であ
る。非複合部３は複合部２のマトリックスと同じＡｌ合
金からなるものである。複合方法は加圧鋳造法に従っ
た。

【００１４】複合化は以下のようにして行った。まず図
１に示す摺板と平面形状が同じで、厚さが７ｍｍのアル
ミナ系短繊維によるプリフォームを作製した。このプリ
フォームのアルミナ系短繊維の充填率は表１に示す通り
である。またプリフォーム作製に際し、シリカ系無機バ
インダーを併用したが、このバインダー中のシリカ量を
表１に記しておく。こうして作製したプリフォームを図
３に示す分割金型５内にセットした。この分割金型５は
固定型５１と可動型５２よりなり、中子ピン５３とノッ
クアウトピン５４を有し、分割面に溶湯注入口５５を有
するものである。この分割金型５のキャビティ形状は製
造すべき摺板とほぼ同一形状である。

【００１５】さてキャビティ内にセットしたプリフォー
ムは予め８００℃に加熱されており、速やかに中子ピン
５３の突出部を利用して固定型５１に係止固定し、次い
で可動型５２を型締めした。この状態で溶湯注入口５５
から表１に示したＡｌ合金溶湯（温度７５０℃）を加圧
注入し、プリフォームに含浸させ、そして加圧下で凝固
させた。

【００１６】型ばらし後、溶湯注入口５５の凝固部を切
断除去し、摺動面を軽く切削仕上し、孔ぐり加工をし
た。更にＴ６の熱処理を施して、図１に示す形状の摺板
を製造した。こうして作製した摺板１の断面をみると複
合部２の厚さが約７ｍｍであることが判った。つまり加
圧鋳造に際し、プリフォームが殆ど変形していなかった
ことが判る。またこの摺板の比重は、短繊維の充填率等
によって多少異なるが、何れも３を下回る程度で、従来
例である鉄系焼結材、銅系焼結材による摺板に比べる
と、遙に軽量である。なおシリカ量が５重量％を下回る
シリカ系無機バインダーを用いた場合は、複合部が潰れ
たので表には示さなかった。

【００１７】本発明例ではマトリックスにＡ７０７５合
金（Ｓｉ：０．４重量％、Ｆｅ：０．５重量％、Ｃｕ：
１．２重量％、Ｍｇ：２．１重量％、Ｃｒ：０．１８重
量％、Ｚｎ：５．１重量％、残部Ａｌ）、Ａ２０１４合
金（Ｓｉ：０．５重量％、Ｆｅ：０．７重量％、Ｃｕ：
３．９重量％、Ｍｇ：２．０重量％、Ｃｒ：０．１０重
量％、Ｚｎ：０．２５重量％、残部Ａｌ）を用い、比較
例としてはＡ４０３２合金（Ｓｉ：１１．１６重量％、
Ｆｅ：０．１３重量％、Ｃｕ：１．０３重量％、Ｍｇ：
０．８８重量％、Ｃｒ：０．００８重量％、Ｚｎ：０．
０２３重量％、Ｎｉ：０．９２重量％、残部Ａｌ）、Ａ
ＤＣ１２合金（Ｓｉ：１０．５重量％、Ｆｅ：１．３重
量％、Ｃｕ：１．８重量％、Ｍｇ：０．３重量％、Ｍ
ｎ：０．５重量％、Ｚｎ：１．０重量％、Ｎｉ：０．５
重量％、Ｓｎ：０．３重量％、残部Ａｌ）を用いた。ま
た使用したシリカ系無機バインダーのシリカ量は、３〜
３０重量％の各種で、３重量％のものを用いた場合は、
加圧鋳造時にプリフォームが大きく変形（溶湯の含浸方
向に潰れた）してしまい、良好な複合材が製造できなか
った。

【００１８】また別途、図４に示す試験採取位置４か
ら、厚さ１０ｍｍ（摺板１の厚さと同じ）、幅２５ｍ
ｍ、長さ８３ｍｍの通電摩耗試験片を切削採取した。こ
れを用いて周長約３ｍの円形回転リングの外周部に取り
付けられた硬銅（トロリー線と同材質）との摩耗試験を
行った。試験は通電試験と無通電試験の２種類行い、硬
銅と摺動面とを摺動させて行うもので、摺動時間１時
間、摺動速度５０ｋｍ／ｈ、通電試験の場合、通電電流
は８０Ａ／ｃｍ²と設定した。また試験環境は室温、大
気中である。表１に比摩耗量を記しておく。

【００１９】また摺板１の複合部２の抵抗率を測定し
た。更に、複合部２から、上記通電摩耗試験片と同様の
方向で試験片を採取し引張強さとブリネル硬さを測定し
た。また図４に示す試験片採取位置４から、厚さ１０ｍ
ｍ（摺板１の厚さと同じ）、幅１０ｍｍ、長さ５５ｍｍ
のシャルピー衝撃試験片を採取し、摺板１の摺動面（図
２の上面）に直角の方向から、摺動面に衝撃を加えて、
シャルピー衝撃値を測定した。以上の結果を表１に併記
する。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１をみると明らかなように、本発明例は
従来例と比摩耗量が同等であるが、抵抗率が低く集電特
性に優れていることが判る。またシャルピー衝撃値も従
来例と同等以上である。そして本発明の摺板は従来例に
比べ格段に軽量であるから本発明の摺板を用いれば、ト
ロリー線に対する追随性に優れたものになる。一方比較
例はマトリックスがＡ４０３２によるものだが、比摩耗
量や抵抗率は同等なるも、複合部の引張強さや、摺板と
してのシャルピー衝撃値で劣っている。また表１を見れ
ば明らかなように、アルミナ系短繊維中のシリカ成分が
多いと特性的に低下する傾向にある。またバインダー中
のシリカ量についても、それが増加すると特性的に低下
する傾向にある。しかしアルミナ系短繊維中のシリカ成
分やバインダー中のシリカ量が多いと、加圧鋳造工程に
おけるマトリックスとの濡れ性を向上させ生産性を高め
るメリットがある。本発明ではアルミナ系短繊維のシリ
カ成分の量や、シリカ系のバインダーを用いた場合のそ
のバインダー中のシリカ量について特に限定しないが、
これらは摺板としての要求特性やコスト等に鑑みて適宜
選定すればよいことである。

【００２２】実施例２実施例１ではプリフォームの厚さを７ｍｍとしたが、そ
の他、４ｍｍ、１０ｍｍの場合も実施例１と同様にして
摺板を作製した。プリフォームの厚さを変えた以外は、
実施例１と同様に作製した。なお製造された摺板の断面
を観察すると、実施例１の場合と同様、プリフォームの
変形は殆ど認められなかった。つまり、プリフォームの
厚さが４ｍｍ、１０ｍｍの場合はそれぞれ複合部比率が
４０％、１００％となる。そして実施例１と同様にシャ
ルピー衝撃試験を行った。なお衝撃は実施例１と同様、
摺動面（複合部）の側から衝撃を加えた。シャルピー衝
撃値を表２に示す。なお、表２には表１の実施例、比較
例の一部を再記する。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２をみれば明らかなように、複合部比率
が小さい本発明例２１〜２４はシャルピー衝撃値が高
く、衝撃に対し強いものであることが判る。但し、複合
部の厚さが小さいので、トロリー線との摺動においては
複合部が消失するまでの損耗寿命がそれだけ短くなる。
複合部比率は適用する鉄道等の条件等によって適宜、複
合部比率は選定すればよい。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の集電装置
用摺板は、軽量であるため離線防止に寄与し、更に耐衝
撃性に優れ、また集電摩耗に対しても強く優れたもので
ある。このため特に高速鉄道車両に好適に適用できる
等、産業上顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の摺板の平面図。

【図２】図１の摺板の正面図。

【図３】実施例に使用される分割金型の一例を示す断面
図。

【図４】実施例における試験片の採取位置を示す説明
図。

【符号の説明】

１摺板２複合部３非複合部４試験片採取位置５分割金型５１固定型５２可動型５３中子ピン５４ノックアウトピン５５溶湯注入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者君島和浩東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者松山晋作神奈川県大和市上草柳字扇野338番地１東洋電機製造株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも摺動面を含む一部分が、高力系
Ａｌマトリックス中にアルミナ系短繊維が複合された複
合材であることを特徴とする集電装置用摺板。