JPH11136804A

JPH11136804A - パンタグラフの接触力の測定方法

Info

Publication number: JPH11136804A
Application number: JP29844797A
Authority: JP
Inventors: Isao Naruse; 功成瀬; Masatoshi Ito; 将利伊藤; Shigeo Suzuki; 繁雄鈴木
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd; Central Japan Railway Co
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd; Central Japan Railway Co
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-05-21
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: JP3888750B2

Abstract

(57)【要約】【課題】既設のパンタグラフを用いて舟体に特別の加
工をすることなく、架線とパンタグラフの間で相互に作
用する接触力を連続的に測定すること。【解決手段】舟体４に補助すり板３とすり板２を隙間
Ｌ３を設けて締結し、舟体４の底面の舟体支持ばね５か
ら距離Ｌ１，距離Ｌ２離れた位置に、それぞれ舟体変形
測定用歪ゲージ７と舟体揚力測定用歪ゲージ８を取り付
け、さらに舟体４の底面の中央部に舟体加速度センサ９
を取り付ける。上記変形測定用歪ゲージ７、舟体揚力測
定用歪ゲージ８により検出される変形歪量と、舟体加速
度センサ９により検出される舟体の加速度を演算器１０
に入力し、演算器１０により架線とパンタグラフの間で
相互に作用する接触力を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気鉄道集電システ
ムである架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触
力を連続的に測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の技術によるパンタグラフ接
触力の測定方法の説明図である。同図において、１はト
ロリ線、２はトロリ線１に接触し集電するためのすり
板、３は補助すり板、４は舟体、６は舟体を支持する舟
体支エ装置、１２は舟体４に取り付けられた板ばね、１
３は板ばねの変形量を測定するための歪ゲージ、１０は
上記歪ゲージの出力に基づきパンタグラフの接触力を演
算する演算器、１１は演算器１１の出力信号である。

【０００３】従来の方法においては、上記のように、舟
体４を実使用時とは大幅に異なる形状に追加工し、パン
タグラフの接触力を測定していた。すなわち、舟体４中
に板ばね１２を設けてすり板２を両端支持し、板ばね１
２に歪ゲージ１３を貼り付け、該歪ゲージ１３の出力を
演算器１０に入力する。そして、車両の走行中、振動す
るトロリ線に押し付けられるすり板１２の変形歪量を上
記歪ゲージ１３で測定し、演算器１０により変形歪量を
接触力に換算して、パンタグラフの接触力を測定する。
また、上記板ばねの代わりに接触力を測定するための小
型荷重計を組み込む方法、あるいは、舟体の支持ばねの
伸縮量を接触力に換算してパンタグラフの接触力を測定
する方法も行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】歪ゲージ、小型荷重計
などの荷重センサを舟体に組み込む従来の方法は、荷重
センサが、測定される架線とパンタグラフの間で相互に
作用する接触力に最も近接して設置されること、かつ、
板ばねに締結されている質量がすり板のみなので周波数
応答特性が良好で、測定される接触力変動は高い周波数
成分まで得られるという長所がある。

【０００５】一方、上記した従来の方法は次のような問
題点を持っている。 (1) 実走行時における大電流の集電、架線とパンタグラ
フとの間で発生するアーク、架線とすり板の摺動による
摩擦熱により、すり板や板ばねあるいは小型荷重計は高
温度となり熱膨張し変形する。このため、測定すべき接
触力以外のこれらの要因で大きく荷重センサの出力が変
動する。 (2) 板ばねとすり板との固有振動数にもとずく共振出力
成分が歪ゲージ出力に混入する。 (3) 板ばねあるいは小型荷重計の舟体への挿入など舟体
に相当な変更を加えて装置を組み込む必要がある。ま
た、舟体形状がかわることなどにより機械特性、揚力特
性が実使用時の舟体特性と異なる。

【０００６】また、舟体支持ばねの伸縮量から接触力を
求める方法では、すり板の熱膨張、熱変形にもとずく伸
縮量に関しての出力変動はないものの、舟体支持ばねと
締結されている舟体、すり板からなる系の周波数応答特
性により得られる接触力変動は非常に低周波数成分域の
測定値になるなどの問題点がある。

【０００７】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたものであって、既設の舟体になんら特別な
加工をすることなく、また、温度上昇による熱膨張、熱
変形に基づく歪ゲージ出力変動もなく、高い周波数成分
を含む架線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力
を連続的に測定することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を本発明におい
ては、次のように解決する。舟体に、所定の隙間を設け
てすり板と補助すり板を締結する。また、上記舟体の底
面であって上記補助すり板の真下の範囲内に、舟体変形
測定用歪ゲージおよび舟体揚力測定用歪ゲージを取り付
けるとともに、上記舟体の中央部の底面に舟体加速度セ
ンサを取り付ける。上記舟体変形測定用歪ゲージの取り
付け位置は、舟体支持ばねの取り付け位置から第１の距
離Ｌ１だけ離れた位置とし、上記舟体揚力測定用歪ゲー
ジの取り付け位置は、舟体支持ばねの取り付け位置から
第２の距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）だけ離れた位置とする。
そして、上記舟体変形測定用歪ゲージの変形歪量と、上
記舟体揚力測定用歪ゲージの変形歪量と、上記舟体加速
度センサにより検出される加速度を演算器に入力し、す
り板を架線のトロリ線に押し付けた際のすり板の接触力
を算出する。

【０００９】本発明のパンタグラフ接触力測定方法は、
上記のように舟体支持ばねから舟体に加わる力と舟体に
加わる揚力により舟体が変形して歪が発生することを利
用して架線とパンタグラフとの接触力を測定するもので
あり、既設の舟体になんら特別な加工することなく、架
線とパンタグラフの間で相互に作用する接触力を測定す
ることができる。また、舟体変形測定用歪ゲージ、舟体
揚力測定用歪ゲージ、舟体加速度センサが舟体の底面に
取り付けられているため、車両が走行するときの走行風
により上記ゲージ、センサ等が冷却され、温度上昇や不
均一な温度分布を生ずることがなく、熱膨張、熱変形の
影響を受けることがない。

【００１０】さらに、通常、舟体と同一の材料で形成さ
れる補助すり板の直下の範囲内に、歪ゲージを取り付け
るとともに、補助すり板とすり板を所定の隙間を設けて
舟体に取り付けたため、これらの温度が上昇しても、す
り板と舟体との間で生じる異種金属の熱膨張係数差に基
づくバイメタル効果による舟体の変形、あるいは不均一
な温度分布に基づく変形歪により、舟体変形測定用歪ゲ
ージと舟体揚力測定用歪ゲージが影響を受けることがな
い。またさらに、演算器を用いて、舟体変形測定用歪ゲ
ージと舟体揚力測定用歪ゲージによる測定出力をそれぞ
れに応じて力換算して合算し、それを舟体中央部底面に
取り付けた舟体加速度センサから換算して求めた舟体慣
性力で補正しているので、架線とパンタグラフの間で相
互に作用する接触力を、高い周波数成分まで高精度にか
つ連続的に測定することができる。

【００１１】

【発明の実施形態】図１は本発明における１実施例を示
す図である。本実施例は、補助すり板とすり板を隙間Ｌ
３（例えばＬ３＝０．６ｍｍ程度）開けて舟体に締結
し、舟体支持ばね取り付け位置より距離Ｌ１（例えばＬ
₁＝４０ｍｍ程度）だけ離れた位置に舟体変形測定用歪
ゲージを取り付け、また、舟体支持ばね取り付け位置よ
り距離Ｌ２（例えばＬ₂＝１９５ｍｍ程度）だけ離れた
位置に舟体揚力測定用歪ゲージを取り付け、さらに、舟
体中央部の底面に舟体加速度センサを取り付けた場合を
示している。同図において、前記図６に示したものと同
一のものには同一の符号が付されており、１はトリロ
線、２はすり板、３は補助すり板であり、すり板２と補
助すり板３は、隙間Ｌ３だけ離して舟体４に締結されて
いる。

【００１２】５は舟体支持ばねであり、舟体４は舟体支
持ばね５を介して舟体支エ装置６に取り付けられてい
る。７は舟体変形測定用歪ゲージ、８は車両走行中に舟
体４に作用する揚力を測定するための舟体揚力測定用歪
ゲージ、９は舟体の底面の中央部に取り付けられた加速
度センサであり、これらの出力は演算器１０に入力され
る。上記舟体変形測定用歪ゲージ７、舟体揚力測定用歪
ゲージ８の取り付け位置は、所望する出力信号の大きさ
により適宜決定することができるが、舟体の曲げモーメ
ントを簡単に求めるためには、歪ゲージ７はトロリ線１
の摺動範囲外に取り付ける必要があり、また、前記した
バイメタル効果による舟体の変形による影響を回避する
ためには、歪ゲージ８は補助すり板３の直下の範囲内に
取り付ける必要がある。

【００１３】歪ゲージ７がトロリ線１の摺動範囲内に取
り付けられていると、図２（ａ）に示すようにトロリ線
１が歪ゲージ７と舟体支持ばね５の間にあるとき、歪ゲ
ージ７の取り付け位置において舟体４にはたらく曲げモ
ーメントＭはＭ＝Ｆ１・Ｌ１−Ｐ・Ｌ２（ここで、Ｆ１
は舟体支持ばね５による力、Ｐは接触力である）とな
り、後述するように、曲げモーモントＭ１から舟体支持
ばね５による力Ｆ１を簡単に求めることができなくな
る。

【００１４】また、通常、すり板２は鉄系の材料で形成
され、舟体４、補助すり板３はアルミニウムで形成され
る。このため、すり板２の取り付け部分は、異種金属の
結合によるバイメタル効果により温度上昇したとき変形
する。歪ゲージ７，８をすり板２の取り付け部分に取り
付けると、上記バイメタル効果による変形に歪ゲージ
７，８が応動し、接触力による曲げモーメントを正しく
検出することができない。一方、補助すり板３の取り付
け部分は、同種金属で形成されているため、上記バイメ
タル効果が生じないので、接触力による曲げモーメント
を精度良く検出することが可能である。

【００１５】したがって、歪ゲージ７は図２（ｂ）に示
すトロリ線１の摺動範囲外であって、補助すり板３の直
下の範囲内に取り付ける必要があり、歪ゲージ８は補助
すり板３の直下の範囲内に取り付ける必要がある。以上
のような理由から、本実施例では、舟体変形測定用歪ゲ
ージ７を、トロリ線１の摺動範囲外で、舟体支持ばね５
から距離Ｌ１離れた位置に取り付け、また、舟体揚力測
定用歪ゲージ８を、補助すり板３の直下の範囲内で、舟
体支持ばね５から距離Ｌ２離れた位置に取り付けてお
り、Ｌ２＞Ｌ１に選定している。

【００１６】次に本実施例における架線とパンタグラフ
の接触力の測定について説明する。振動するトロリ線１
に押し付けられて走行する舟体４には、舟体支エ装置６
以下から舟体支持ばね５を介して加わる実作用力と、走
行風による上向きあるいは下向き実作用力である揚力
と、加速度運動に基づく舟体慣性力が作用している。ま
ず、舟体４に作用する力の内、舟体支エ装置６以下から
舟体支持ばね５を介して加わる実作用力について説明す
る。舟体４には、図３に示すようにトロリ線１からの力
（接触力）Ｐと、舟体支持ばね５からこれに対向する力
Ｆ１，Ｆ２が作用しており、ＰとＦ１，Ｆ２は次の式
（１）関係にある。歪ゲージ７が、図３に示すように舟
体支持ばね５の作用点からＬ１の距離に取り付けられて
いる場合、上記Ｆ１，Ｆ２の内の力Ｆ１について考える
と、歪ゲージ７にはたらく曲げモーメントＭは次の
（２）式で表される。歪ゲージ７における応力σ１は、
Ｚを断面係数とすると次の（３）式で表される。

【００１７】

【数１】Ｐ＝Ｆ１＋Ｆ２（１）Ｍ＝Ｆ１・Ｌ１（２） σ１＝Ｍ／Ｚ＝Ｆ１・Ｌ１／Ｚ（３）

【００１８】ここで、歪ゲージ７の出力をε１、Ｅを縦
弾性係数とすると、応力σ１とε１は次の（４）式の関
係にあり、Ｆ１は次の（５）となる。

【００１９】

【数２】σ１＝ε１・Ｅ（４）Ｆ１＝ε１・Ｅ・Ｚ／Ｌ１＝ε１・Ａ（５）

【００２０】ここで、上記Ａは歪み換算係数であり、Ａ
＝Ｅ・Ｚ／Ｌ１である。すなわち、歪ゲージ７の出力ε
１に歪み換算係数Ａを掛けることにより、前記した舟体
支持ばね５を介して舟体４加わる実作用力Ｆ１を求める
ことができる。また、実作用力Ｆ２についても上記と同
様に求めることができ、Ｆ２は次の（５’）式となる。
以上のように、歪ゲージ７の間に架線がある場合には、
架線の位置にかかわらず、実作用力Ｆ１，Ｆ２を求める
ことができる。

【００２１】

【数３】Ｆ２＝ε２・Ｅ・Ｚ／Ｌ１＝ε２・Ａ
（５’）

【００２２】次に、舟体４に作用する力の内、走行風に
より舟体４にはたらく揚力Ｗについて説明する。走行風
により舟体４にはたらく揚力が等分布荷重であると仮定
すると、車両が走行中、舟体４には図４に示すように、
単位長さ当たりＷ（kgf/m)の揚力がはたらく。歪ゲージ
７，８が、図４に示すように舟体支持ばね５の作用点か
らＬ１，Ｌ２の距離に取り付けられていると、揚力によ
り歪ゲージ７，８にはたらく曲げモーメントＭ７，Ｍ８
はそれぞれ次の（６）（７）式で表される。したがっ
て、歪ゲージ７，８の出力ε７，ε８は次の（８）
（９）式で表され、ε８とε７の差を求めると、次の
（１０）式のようになる。

【００２３】

【数４】Ｍ７＝Ｆ１・Ｌ１＋Ｗ・Ｌ１²／２（６）Ｍ８＝Ｆ１・Ｌ２＋Ｗ・Ｌ２²／２（７） ε７＝Ｍ７／（Ｅ・Ｚ）＝（Ｆ１・Ｌ１＋Ｗ・Ｌ１²／２）／（Ｅ・Ｚ）（８） ε８＝Ｍ８／（Ｅ・Ｚ）＝（Ｆ１・Ｌ２＋Ｗ・Ｌ２²／２）／（Ｅ・Ｚ）（９） ε８−ε７＝〔Ｆ１（Ｌ２−Ｌ１）＋Ｗ（Ｌ２²−Ｌ１）／２〕／（Ｅ・Ｚ）（１０）

【００２４】ここで、ε８’＝ε８・（Ｌ１／Ｌ２）と
おくと、ε８’は次の（１１）式となり、ε８’とε７
の差を求めると次の（１２）式が得られる。ε８’とε
７の差をε’とすると、単位長さ当たりの揚力Ｗは次の
（１３）式で表され、舟体４にはたらく揚力Ｗ・（Ｌｏ
−２Ｌ１）〔Ｌｏは舟体４の全長〕は次の（１４）式と
なる。

【００２５】

【数５】 ε８’＝ε８・（Ｌ１／Ｌ２）＝（Ｌ１／Ｌ２）（Ｆ１・Ｌ２＋Ｗ・Ｌ２²／２）／（Ｅ・Ｚ）＝（Ｆ１・Ｌ１＋Ｗ・Ｌ１・Ｌ２／２）／（Ｅ・Ｚ）（１１） ε８’−ε７＝（Ｗ・Ｌ１・Ｌ２−Ｗ・Ｌ１²）／（２Ｅ・Ｚ）＝Ｗ・Ｌ１（Ｌ２−Ｌ１）／（２Ｅ・Ｚ）（１２）Ｗ＝ε’・２Ｅ・Ｚ／〔Ｌ１（Ｌ２−Ｌ１）〕＝Ｃ・ε’ （１３）ここで、Ｃ＝２Ｅ・Ｚ／〔Ｌ１（Ｌ２−Ｌ１）〕Ｗ・（Ｌｏ−２Ｌ１）＝（Ｌｏ−２Ｌ１）・Ｃ・ε’＝Ｃ’・ε’（１４）

【００２６】すなわち、前記（１０）式における第１項
目が０になるように歪ゲージ８の力換算係数を適当に選
定すれば、歪ゲージ８と歪ゲージ７の差より、単位長さ
当たりの揚力Ｗを求めることができる。例えば、舟体４
を揚力がはたらかない状態にした上で、歪ゲージ７と歪
ゲージ８の差が０になるように歪ゲージ８の力換算係数
を操作すれば、上記（１０）式における第１項目を消去
することができ、歪ゲージ８と歪ゲージ７の差より舟体
４にはたらく揚力Ｗ・（Ｌｏ−２Ｌ１）を求めることが
できる。以上のように、車両速度に応じて変化する舟体
揚力を歪ゲージ８と歪ゲージ７の差より簡単に算出する
ことができる。なお、上記係数Ｃ’は実用上は、風洞実
験等により求めることが可能である。

【００２７】次に、舟体４に作用する力の内、加速度運
動に基づく舟体慣性力ついて説明する。図５は、トロリ
線１と舟体４に作用する力を模式的に示した図でありｍ
は舟体の質量、Ｐはトロリ線１からの力（接触力）、Ｐ
ｏは舟体支持ばね５から舟体４に加わる力、αは舟体５
の加速度を示している。同図において、接触力Ｐは次の
（１５）式で表される。

【００２８】

【数６】ｍα＝Ｐｏ−ＰＰ＝Ｐｏ−ｍα＝Ｐｏ＋（−ｍα）（１５）

【００２９】すなわち、接触力Ｐは、舟体支持ばね５か
ら舟体４に加わる力を慣性力（−ｍα）で補正すること
により求めることができる。以上の原理に基づき、演算
器１０は次のようにしてパンタグラフの接触力を演算す
る。舟体変形測定用歪ゲージ７は、舟体支持ばね５によ
る力Ｆ１と距離Ｌ１の間にはたらく揚力による舟体曲げ
モーメントの大きさに比例した舟体変形歪量を測定す
る。舟体揚力測定用歪ゲージ８は、舟体支持ばね５によ
る力Ｆ１と距離Ｌ２の間に働く揚力による舟体曲げモー
メントの大きさに比例した舟体変形歪量を測定する。さ
らに、加速度センサ９は、舟体４に加わる加速度αを検
出する。

【００３０】これら歪ゲージ７，８、加速度センサ９の
出力を演算器１０に入力する。演算器１０は、舟体揚力
測定用歪ゲージ８により測定された舟体変形歪量から舟
体変形測定用歪ゲージ７により測定された舟体変形歪量
を減算して、舟体４の距離Ｌ１−Ｌ２間に作用する局部
揚力変形歪量を舟体（Ｌｏ−２Ｌ１）に作用する揚力変
形歪量に換算する。そして、舟体変形測定用歪ゲージ７
により測定された変形歪量を上記揚力変形歪量に加算
し、パンタグラフにはたらく実作用力に換算する。

【００３１】さらに、加速度センサ９により検出された
舟体４に作用する加速度と舟体４の質量との相乗積から
舟体慣性力を求め、前記上記舟体４にはたらく実作用力
を舟体慣性力で補正する。これにより、トロリ線１の舟
体４上に位置に係わらず、架線とパンタグラフの間で相
互に作用する接触力に対応した出力信号１１を得ること
ができる。上記のようにして得た架線とパンタグラフの
間で相互に作用する接触力は、光ファイバ、ＦＭテレメ
ータ等により車内に伝送され記録される。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
既設のパンタグラフを用いて、舟体に特別の加工をする
ことなく、高い周波数成分を含む架線とパンタグラフの
間の相互に作用する接触力を高精度に連続的に測定する
ことができる。また、集電電流、架線とパンタグラフの
間で発生するアーク等によるすり板等の熱膨張、熱変形
の影響を受けることがない。このため、走行電流を流す
などの実使用条件のままで、電気鉄道集電システムにお
ける架線とパンタグラフの間で作用する接触力測定を行
うことが可能となり、パンタグラフにおける離線等の追
従特性や揚力特性、架線の内のトロリ線における偏磨耗
の早期発見等などを走行車両から簡易に、しかもリアル
タイムに計測したり保守点検を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における架線とパンタグラフとの間に作
用する接触力の測定方法を説明する図である。

【図２】歪ゲージ７，８の取り付け位置を説明する図で
ある。

【図３】舟体支持ばねを介して舟体に加わる実作用力の
算出を説明する図である。

【図４】舟体にはたらく揚力の算出を説明する図であ
る。

【図５】加速度運動に基づく舟体慣性力補正を説明する
図である。

【図６】従来方法を説明する図である。

【符号の説明】

１トロリ線２すり板３補助すり板４舟体５舟体支持ばね６舟体支エ装置７舟体変形測定用歪ゲージ８舟体揚力測定用歪ゲージ９舟体加速度センサ１０演算器１１出力信号１２板ばね１３歪ゲージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木繁雄神奈川県横浜市金沢区福浦三丁目８番地東洋電機製造株式会社横浜製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気鉄道集電システムである架線とパン
タグラフの間で相互に作用する接触力を測定する方法で
あって、舟体に、所定の隙間を設けてすり板と補助すり板を締結
し、上記舟体の底面であって上記補助すり板の真下の範囲内
に、舟体変形測定用歪ゲージおよび舟体揚力測定用歪ゲ
ージを取り付けるとともに、上記舟体の中央部の底面に
舟体加速度センサを取り付け、上記舟体変形測定用歪ゲージの取り付け位置を、舟体支
持ばねの取り付け位置から第１の距離Ｌ１だけ離れた位
置とし、上記舟体揚力測定用歪ゲージの取り付け位置を
舟体支持ばねの取り付け位置から第２の距離Ｌ２（Ｌ２
＞Ｌ１）だけ離れた位置とし、上記舟体変形測定用歪ゲージの変形歪量と、上記舟体揚
力測定用歪ゲージの変形歪量と、上記舟体加速度センサ
により検出される加速度を演算器に入力し、上記演算器により、すり板を架線のトロリ線に押し付け
た際のすり板の接触力を算出することを特徴とするパン
タグラフ接触力測定方法。