(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の材料を焼結して複合化された複合材料によって形成されており、被接触部と摺動することによって集電する集電部材であって、
米ぬかを原料とする炭素材料であるRBセラミックス粉体及び銅を含有し、
前記RBセラミックス粉体の配合量が1〜10mass%であること、
を特徴とする集電部材。
【請求項２】
複数種類の材料を焼結して複合化された複合材料によって形成されており、被接触部と摺動することによって集電する集電部材であって、
米ぬかを原料とする炭素材料であるRBセラミックス粉体、銅及びカーボンを含有し、
前記RBセラミックス粉体の配合量が1〜10mass%であること、
を特徴とする集電部材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の集電部材において、
前記RBセラミックス粉体の平均粒径が50〜150μmであること、
を特徴とする集電部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数種類の材料を焼結して複合化された複合材料によって形成されており、被接触部と摺動することによって集電する集電部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の鉄道では、設備メンテナンスのコスト削減が望まれており、すり板、架線などの集電材においても摩耗の低減によるメンテナンスコストの削減が望まれている。従来の集電部材は、炭素粉、銅粉、銅合金粉及び窒化ほう素を混合して加圧し焼結した焼結体である（例えば、特許文献１参照）。このような従来の集電部材では、トロリ線に対する追従性が良好になって自己潤滑性、耐アーク性及び耐摩耗性が向上するとともに、集電容量が大きくなりトロリ線との摺動音を低くすることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平5-287318号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来の集電部材では、主に銅／カーボン複合材料が用いられているが、在来線のすり板として使用した場合にはメンテナンス費用が車両の保守費用の中でも大きな部分を占めているのが現状である。このような背景から、従来用いられている銅／カーボン複合材料よりも耐摩耗性に優れ、架線の摩耗も低減することができる新たなすり板材料などの集電部材の開発が望まれている。
【０００５】
この発明の課題は、摺動性及び耐摩耗性に優れメンテナンス費用を低減することができる集電部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、複数種類の材料を焼結して複合化された複合材料によって形成されており、被接触部（１ａ）と摺動することによって集電する集電部材であって、米ぬかを原料とする炭素材料であるRBセラミックス粉体及び銅を含有し、前記RBセラミックス粉体の配合量が1〜10mass%であることを特徴とする集電部材（１０）である。
【０００７】
請求項２の発明は、複数種類の材料を焼結して複合化された複合材料によって形成されており、被接触部（１ａ）と摺動することによって集電する集電部材であって、米ぬかを原料とする炭素材料であるRBセラミックス粉体、銅及びカーボンを含有し、前記RBセラミックス粉体の配合量が1〜10mass%であることを特徴とする集電部材（１０）である。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の集電部材において、前記RBセラミックス粉体の平均粒径が50〜150μmであることを特徴とする集電部材である。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によると、摺動性及び耐摩耗性に優れメンテナンス費用を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る集電部材が使用される集電装置を模式的に示す外観図であり、図１（Ａ）は正面図であり、図１（Ｂ）は側面図であり、図１（Ｃ）は平面図である。
図１に示す架線１は、線路上空に架設される電車線であり、所定の間隔をあけて支持点で支持されている。トロリ線１ａは、集電装置（パンタグラフ）４のすり板１０が接触する電線であり、すり板１０が接触移動することによって車両２に負荷電流を供給する。車両２は、電車又は電気機関車などの電気車であり、車体３は乗客を積載し輸送するための構造物である。
【００１８】
集電装置４は、トロリ線１ａから電力を車両２に導くための装置である。図１に示す集電装置４は、車両２の進行方向に対して非対称であり、一方向又は両方向に使用可能なシングルアーム式パンタグラフである。集電装置４は、図１に示すように、台枠５と、碍子６と、枠組７と、舟支え部８と、集電舟（舟体）９と、すり板１０などを備えている。台枠５は、枠組７を支持する部分であり、車体３の屋根上に碍子６を介して取り付けられており、碍子６は車体３と台枠５との間を電気的に絶縁する部材であり、枠組７は集電舟９を支持した状態で上下方向に動作可能なリンク機構である。舟支え部８は、集電舟９を架線１に対して水平に押上げるとともに、図示しないばねによる緩衝作用を与える機構部であり、台枠５が備える図示しない押上げ用ばねによって上方に押上げられる。集電舟９は、すり板１０を取り付けて支持する部材であり、トロリ線１ａと直交する方向に伸びた細長い金属製の部材である。
【００１９】
すり板１０は、トロリ線１ａと接触する部材であり、トロリ線１ａと摺動することによって集電する集電部材である。すり板１０は、図１（Ａ）（Ｃ）に示すように、車両２の進行方向と直交する方向に複数並べて配置されており、図１（Ｃ）に示すように外観が平行四辺形状に形成されている。すり板１０は、複数種類の材料を焼結して複合化された複合材料によって形成されており、硬質多孔性炭素材料及び銅を含有する。すり板１０は、軽量化を図りトロリ線の摩耗の低減効果を向上させるために、さらにカーボンを含有することが好ましい。
【００２０】
硬質多孔性炭素材料は、米ぬかを原料とする炭素材料であり、低密度、高強度、高硬度及び低摩擦性を示し、優れた耐摩耗性を有するRBセラミックス（Rice Bran Ceramics)）粉体である。このようなRBセラミックス粉体は、例えば、米ぬかから米油及びワックスなどの油分を抽出した脱脂ぬかとフェノール樹脂とを攪拌及び混合し、これらの混合物を窒素ガス雰囲気中で400〜1100℃の温度でロータリキルンなどによって連続して炭化焼成した後に粉砕及び選別して製造される。RBセラミックス粉体は、一つの粒子の中に米ぬかのセル構造とガラス状炭素の微細構造に由来する多数の気孔とが存在する多孔質構造を有し、内側が脱脂ぬかの炭化物である軟質無定形炭素によって構成されており、外側がフェノール樹脂の炭化物である硬質ガラス状炭素によって構成されている。RBセラミックス粉体は、炭素以外に酸素、ナトリウム、マグネシウム、りん及びカリウムを成分元素として含む。RBセラミックス粉体の配合量は、1mass%を下回ると摺動性及び耐摩耗性などが低下するおそれがあり、10mass%を超えると強度が低下するおそれがあるため、1〜10mass%であることが好ましい。RBセラミックス粉体の平均粒径は、50μmを下回ると摺動性及び耐摩耗性などが低下するおそれがあり、150μmを超えると固化成形し難くなるおそれがあるため、50〜150μmであることが好ましい。
【００２１】
次に、この発明の実施形態に係る集電部材の製造方法を説明する。
図２は、この発明の実施形態に係る集電部材の製造方法の工程図である。
図２に示す製造方法＃１００は、複数種類の材料を焼結して複合化した集電部材を製造する方法であり、混合工程＃１１０と、加圧成形工程＃１２０と、焼結工程＃１３０とを含む。混合工程＃１１０は、RBセラミックス粉末、銅粉末及びカーボン粉末を混合する工程である。この加圧成形工程＃１２０では、平均粒径が50〜150μmのRBセラミックス粉末、従来の集電装置のすり板に使用されるカーボン粉末及び銅粉末が混練機などによって混合される。加圧成形工程＃１２０は、混合工程＃１１０後の混合物を加圧して所定の形状に成形する工程である。この加圧成形工程＃１２０では、すり板状に形成された金型内に混合物が詰め込まれて、所定の加圧力を加えてすり板状の成形体が形成される。焼結工程＃１３０は、加圧工程＃１２０後の成形体を焼結する工程であり、この焼結工程＃１３０では成形体を高温で加熱して焼結しすり板状の焼結体が形成される。
【００２２】
この発明の実施形態に係る集電部材には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、集電装置４のすり板１０が硬質多孔性炭素材料及び銅を含有する。このため、すり板１０の摺動性及び耐摩耗性が向上しメンテナンス費用を低減することができる。
【００２３】
(2) この実施形態では、集電装置４のすり板１０が硬質多孔性炭素材料、銅及びカーボンを含有する。このため、すり板１０の摺動性及び耐摩耗性が向上しメンテナンス費用を低減することができるとともに、すり板１０の軽量化を図ることができ、トロリ線の摩耗を低減することができる。
【００２４】
(3) この実施形態では、硬質多孔性炭素材料が米ぬかを原料とするRBセラミックスである。このため、集電装置４のすり板１０に使用した場合には、従来のすり板に比べて耐摩耗性を向上させることができるとともに、架線１のトロリ線１ａの摩耗も低減することができる。
【実施例】
【００２５】
次に、この発明の実施例について説明する。
この発明の実施例に係る銅／RBセラミックス複合材料と、従来の集電装置のすり板に使用されている銅／カーボン複合材料について、大気中無潤滑下における摩擦特性及び摩耗特性を評価するための実験を行った。
【００２６】
（摩擦試験装置）
図３は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片の摩擦特性及び摩耗特性を評価するために使用した摩擦試験装置を概略的に示す構成図である。
図３に示す摩擦試験装置２０は、ディスク試験片２１とピン試験片２２とを摩擦接触させて摩擦特性及び摩耗特性を評価するための試験装置である。摩擦試験装置２０は、回転軸を中心として回転する回転板（ステージ）２０ａと、回転板２０ａに取り付けられてディスク試験片２１を固定する固定部（治具）２０ｂと、回転板２０ａの回転軸に作用するトルクを測定するトルク測定部（トルクメータ）２０ｃと、トルク測定部２０ｃの出力信号を増幅する増幅部（アンプ）２０ｄと、増幅部２０ｄの出力信号を記録する記録部（レコーダ）２０ｅなどを備えている。図３に示す摩擦試験装置２０は、ディスク試験片２１にピン試験片２２を接触させて試験するピンオンディスク型のすべり摩擦試験装置である。摩擦試験装置２０は、固定部２０ｂに取り付けられた固定ねじ２０ｆの先端部をディスク試験片２１の外周部に押し付けることによって、回転板２０ａ上にディスク試験片２１を固定し、回転板２０ａとディスク試験片２１とを一体に回転する。
【００２７】
（試験片）
図３に示すディスク試験片２１は、実物の集電装置のすり板を模擬したディスク材であり、ピン試験片２２は実物の集電装置のすり板と接触するトロリ線を模擬したピン材である。ディスク試験片２１には、表１に示す４種類のディスク材を使用した。
【００２８】
【表１】
0005246569.tif 000002
【００２９】
表１は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片の諸特性を示したものである。表１に示す比較例は、従来の銅／カーボン複合材料からなるディスク材であり、銅粉末を60mass%、カーボン粉末を40mass%含有する。実施例１〜３は、銅粉末の配合量は同じであるが、RBセラミックス粉末及びカーボン粉末の配合量が異なる三種類の銅／RBセラミックス複合材料からなるディスク材である。実施例１〜３については、いずれも平均粒径が150μm以下のRBセラミックス粉、銅粉末及びカーボン粉末を混合し焼結して作製した。実施例１〜３は、いずれも銅粉末を60mass%含有するが、実施例１はRBセラミックス粉末を5mass%、カーボン粉末を35mass%含有し、実施例２はRBセラミックス粉末を10mass%、カーボン粉末を30mass%含有し、実施例３はRBセラミックス粉末を20mass%、カーボン粉末を20mass%含有する。特に、実施例１については比重、電気抵抗率及び曲げ強度などの諸特性が比較例と略同等であり、集電装置４のすり板１０として要求される諸特性を満たしており、すり板１０として利用する際に最適であることが確認された。ピン試験片２２には、直径2mmの銅合金を使用した。なお、ディスク試験片２１及びピン試験片２２は、ヘキサン中で15分間超音波洗浄を施され、乾燥後に実験に供された。
【００３０】
（実験条件）
実験条件は、図３に示すディスク試験片２１とピン試験片２２との間のすべり速度0.5〜3m/s、ディスク試験片２１とピン試験片２２との間の垂直荷重0.98〜9.8N（みかけの接触圧力0.31〜3.12MPa）、摩擦繰り返し数5×104回であり、大気中無潤滑下において摩擦試験を行った。
【００３１】
（摩擦特性の実験結果）
図４は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片の摩擦係数と摩擦繰り返し数との関係を示すグラフである。
図４に示す縦軸は摩擦係数μであり、横軸は摩擦繰り返し数Ｎ(×104cycles)である。図４に示すグラフは、実験条件が垂直荷重9.8N、すべり速度0.5m/s、大気中無潤滑下のときの各試験片の摩擦係数と摩擦繰り返し数との関係を示す。図４に示すように、比較例は摩擦繰返し数に対して摩擦係数が緩やかに減少しているが、実施例１〜３は摩擦係数が摩擦初期に速やかに減少し、その後0.2付近の低い値を維持することが確認された。
【００３２】
図５は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片の摩擦係数分布図を示すグラフであり、図５(Ａ)は比較例に係るディスク試験片の摩擦係数分布図を示すグラフであり、図５(Ｂ)は実施例１に係るディスク試験片の摩擦係数分布図を示すグラフである。
図５に示す縦軸はみかけの接触圧力Ｐ(MPa)であり、横軸はすべり速度ｖ(m/s)である。図５に示すように、実施例１は低すべり速度、低接触圧力であり摩擦係数は0.2以下の低い値を示すことが確認された。以上の実験結果より、銅／RBセラミックス複合材料の摩擦係数は、従来の銅／カーボン複合材料の摩擦係数と同等であり、集電装置４のすり板１０として利用可能であることが確認された。
【００３３】
（摩耗特性の実験結果）
図６は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量分布図を示すグラフであり、図６（Ａ）は比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量分布図を示すグラフであり、図６（Ｂ）は実施例３に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量分布図を示すグラフである。図７は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片に対するピン試験片のピン比摩耗量分布図を示すグラフであり、図７（Ａ）は比較例に係るディスク試験片に対するピン試験片のピン比摩耗量分布図を示すグラフであり、図７（Ｂ）は実施例３に係るディスク試験片に対するピン試験片のピン比摩耗量分布図を示すグラフである。
【００３４】
図６及び図７に示す縦軸はみかけの接触圧力Ｐ(MPa)であり、横軸はすべり速度ｖ(m/s)である。図６に示すように、実施例３は比較例に比べて、幅広いすべり速度及び荷重条件下において比摩耗量が1×10-8mm2/N以下の低い値を示すことが確認された。また、図７に示すように、ディスク比摩耗量と同様に、実施例３はピン比摩耗量が比較例に比べて、幅広いすべり速度及び荷重条件下において1×10-8mm2/N以下の低い値を示すことが確認された。なお、実施例３以外の実施例１，２についても同様の傾向を示すことが確認された。
【００３５】
図８は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量とPV値との関係を示すグラフである。
図８に示す縦軸はディスク比摩耗量WS_disk(mm2/N)であり、横軸はPV値(MPa・m/s)である。ここで、PV値とは、図３に示すディスク試験片２１とピン試験片２２との間の面圧Ｐ(MPa))と、ディスク試験片２１とピン試験片２２とが接触する部分におけるすべり速度に対応する周速ｖ(m/s）との積である。図８に示すように、ディスク比摩耗量が1×10-8mm2/N以上の値を示す時のPV値を限界PV値とすると、実施例１〜３では限界PV値が比較例と同等あるいはそれより大きい値を示すことが確認された。また、従来のすり板材料の使用条件におけるPV値9MPa・m/sでは、実施例１〜３は比較例に比べて最大で約42倍耐摩耗性が向上することが確認された。
【００３６】
図９は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片に対するピン比摩耗量とPV値との関係を示すグラフである。
図９に示す縦軸はピン比摩耗量WS_pin(mm2/N)であり、横軸はPV値(MPa・m/s)である。図９に示すように、ディスク比摩耗量と同様にピン比摩耗量が1×10-8mm2/N 以上の値を示す時のPV値を限界PV値とすると、実施例１〜３における限界PV値は比較例よりも大きい値を示すことが確認された。また、従来のすり板材料の使用条件におけるPV値9MPa・m/sでは、実施例１〜３は比較例に比べて最小で約52分の1となり、架線材料に相当するピン材料の摩耗を著しく低減できることが確認された。
【００３７】
図１０は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量と摩擦係数との関係を示すグラフである。
図１０に示す縦軸はディスク比摩耗量WS_disk(mm2/N)であり、横軸は摩擦係数μである。図１０に示すグラフは、実用条件に近いPV値9.4MPa・m/s におけるディスク比摩耗量と摩擦係数の値を示したものである。図１０に示すように、実施例１〜３のディスク比摩耗量及び摩擦係数は、比較例のディスク比摩耗量及び摩擦係数よりも低い値を示すことが確認された。
【００３８】
図１１は、この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片に対するピン比摩耗量とディスク比摩耗量との関係を示すグラフである。
図１１に示す縦軸はピン比摩耗量WS_pin(mm2/N)であり、横軸はディスク比摩耗量WS_disk(mm2/N)である。図１１に示すグラフは、図１０に示すグラフと同様に、実用条件に近いPV値9.4MPa・m/s におけるピン比摩耗量とディスク比摩耗量の値を示したものである。図１１に示すように、PV値9.4MPa・m/s における実施例１〜３のディスク比摩耗量及びピン比摩耗量は、いずれも比較例のディスク比摩耗量及びピン比摩耗量よりも低い値を示すことが確認された。
【００３９】
図１２は、この発明の実施例に係るディスク試験片のRBセラミックス粒子の配合率と限界PV値との関係を示すグラフである。
図１２に示す縦軸は限界PV値であり、横軸はRBセラミックス粒子の配合率である。図１２に示すグラフは、図１０及び図１１に示す実施例１〜３のディスク比摩耗量及びピン比摩耗量についての限界PV値とRBセラミックス粒子の配合率との関係を示したものである。図１２に示すように、RBセラミックス粒子の配合率が増加するにつれて限界PV値が増加することが確認された。以上の実験結果より、銅／RBセラミックス複合材料を集電装置４のすり板１０として利用した場合には、従来の銅／カーボン複合材料のすり板に比べて、すり板１０の耐摩耗性を向上させることができるとともに、すり板１０と接触するトロリ線１ａの摩耗量も低減可能であると考えられる。
【００４０】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
この実施形態では、集電部材として鉄道車両の集電装置４のすり板１０を例に挙げて説明したが、鉄道以外の電気機器の集電子などの集電部材についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、集電部材としてシングルアーム式パンタグラフのすり板１０を例に挙げて説明したが、翼型パンタグラフ、菱型パンタグラフなどの他の形式のパンタグラフのすり板、第三軌条方式の集電装置の集電靴などについてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、硬質多孔性炭素材料として米ぬかを原料とするRBセラミックス粉末を例に挙げて説明したが、米ぬかの代わりに麦の副産物であるふすま又は麩糠（ふこう）類を原料とするRBセラミックス粉末についてもこの発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の実施形態に係る集電部材が使用される集電装置を模式的に示す外観図であり、(Ａ）は正面図であり、(Ｂ）は側面図であり、(Ｃ）は平面図である。
【図２】この発明の実施形態に係る集電部材の製造方法の工程図である。
【図３】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片の摩擦特性及び摩耗特性を評価するために使用した摩擦試験装置を概略的に示す構成図である。
【図４】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片の摩擦係数と摩擦繰り返し数との関係を示すグラフである。
【図５】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片の摩擦係数分布図を示すグラフであり、（Ａ）は比較例に係るディスク試験片の摩擦係数分布図を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例１に係るディスク試験片の摩擦係数分布図を示すグラフである。
【図６】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量分布図を示すグラフであり、（Ａ）は比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量分布図を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例３に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量分布図を示すグラフである。
【図７】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片に対するピン試験片のピン比摩耗量分布図を示すグラフであり、（Ａ）は比較例に係るディスク試験片に対するピン試験片のピン比摩耗量分布図を示すグラフであり、（Ｂ）は実施例３に係るディスク試験片に対するピン試験片のピン比摩耗量分布図を示すグラフである。
【図８】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量とPV値との関係を示すグラフである。
【図９】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片に対するピン比摩耗量とPV値との関係を示すグラフである。
【図１０】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片のピン試験片に対するディスク比摩耗量と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図１１】この発明の実施例及び比較例に係るディスク試験片に対するピン比摩耗量とディスク比摩耗量との関係を示すグラフである。
【図１２】この発明の実施例に係るディスク試験片のRBセラミックス粒子の配合率と限界PV値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１  架線
１ａ  トロリ線
４  集電装置
１０  すり板（複合材料(集電部材))
【図１】
0005246569.tif 000003
【図２】
0005246569.tif 000004
【図３】
0005246569.tif 000005
【図４】
0005246569.tif 000006
【図５】
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【図６】
0005246569.tif 000008
【図７】
0005246569.tif 000009
【図８】
0005246569.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0005246569.tif 000012
【図１１】
0005246569.tif 000013
【図１２】
0005246569.tif 000014