(57)【要約】  【課題】  パンタグラフの振動特性に着目して、目視に頼らずにパンタグラフの異常を検知する方法を提供する。【課題を解決するための手段】  対象となるパンタグラフが正常な状態において、加振試験により、該パンタグラフの機械的インピーダンス（基準インピーダンス）を測定しておく。さらに、電車がパンタグラフを上げ操作させる箇所（検査地という）において、パンタグラフとトロリ線間の接触力と、パンタグラフとトロリ線との接触点直近のトロリ線の加速度を測定する。そして、検査地でのパンタグラフ上昇後の、パンタグラフと電車線とが一体となって自由振動する周波数におけるパンタグラフの機械的インピーダンス（検査インピーダンス）を、前記接触力と加速度を用いて求める。この基準インピーダンスと検査インピーダンスとを比較することにより、パンタグラフに異常がないかどうか判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロリ線から電車に給電するパンタグラフの異常を検査する方法であって、
Ａ）対象となるパンタグラフが正常な状態において、加振試験により、該パンタグラフの機械的インピーダンス（基準インピーダンスという）を測定しておき、
Ｂ）電車がパンタグラフの上げ操作をする（以下、「パンタグラフ上昇」という）箇所（検査地という）の電車線に以下のセンサを設けておき、
Ｂ１）トロリ線の慣性力測定用加速度計
Ｂ２）トロリ線の傾斜測定用加速度計
Ｃ）Ｂ１）、Ｂ２）を用いて、検査地において検査対象の電車がパンタグラフを上昇する際に以下を測定し、
Ｃ１）パンタグラフのトロリ線に対する接触力
Ｃ２）パンタグラフとトロリ線の接触点直近のトロリ線の加速度
Ｄ）Ｃ１）、Ｃ２）の測定結果から、検査地でパンタグラフが上昇してトロリ線と接触し、両者が一体となって運動しているときの機械インピーダンス（検査インピーダンスという）を測定し、
Ｅ）パンタグラフの基準インピーダンスと検査インピーダンスとを比較することにより、パンタグラフに異常がないかどうか判定することを特徴とするパンタグラフ異常検査方法。
【請求項２】
前記Ｅ）において、ある周波数における基準インピーダンスと検査インピーダンスとの差が閾値内かどうか判定することによって、パンタグラフの異常を検知することを特徴とする請求項１に記載のパンタグラフの異常検知方法。
【請求項３】
前記Ａ）において、摩耗していないすり板を備えたパンタグラフと、許容範囲内の限界まで摩耗したすり板を備えたパンタグラフの双方のパンタグラフの基準インピーダンスを測定して、前記閾値の正常範囲を把握しておくことを特徴とする請求項１又は２に記載のパンタグラフ異常検知方法。
【請求項４】
前記Ｂ）において、トロリ線を吊るハンガの軸力を測定するセンサを設けておき、該ハンガの軸力の測定も行うことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のパンタグラフの異常検知方法。
【請求項５】
前記Ｄ）において、パンタグラフが上昇して電車線に接触し、両者が一体となって自由振動する際の振動数を、
前記パンタグラフのトロリ線に対する接触力と、前記パンタグラフとトロリ線との接触点直近のトロリ線加速度とのコヒーレンスを算出し、算出されたコヒーレンスの大きい周波数とし、
該周波数における、前記パンタグラフのトロリ線に対する接触力と前記パンタグラフとトロリ線との接触点直近のトロリ線加速度とから、パンタグラフの検査インピーダンスを求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパンタグラフの異常検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パンタグラフの異常を検査する方法に関し、特には、高頻度で比較的正確に検知できる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状の電気鉄道においては、電車線（トロリ線）から車体屋根に搭載したパンタグラフを介して車両に電力を送る方式が一般的である。このようなパンタグラフは、トロリ線に押し当てる舟体（すり板を含む）や、舟体を昇降可能に支持するとともに、トロリ線に押し当てる押上力を与える支持機構（枠組）、支持機構と舟体との間に介装された支持バネ（復元バネ）、ダンパ等を備えている。このバネやダンパ等が破損又は劣化すると、パンタグラフに異常が生じ、電車線へ被害を及ぼす恐れがある。さらに、このようなパンタグラフが走行し続けると、電車線へのダメージが広範囲に渡ってしまう事態ともなりうる。
【０００３】
一般に、パンタグラフの異常は、定期検査等における目視点検の際に発見できる。しかし、定期検査よりも高頻度に、かつ、目視によらない検査は現在行われていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パンタグラフのバネやダンパ等が破損又は劣化した場合やこれらの部品が設計通り設置されていない場合、パンタグラフの振動特性が変化する。そこで、本発明は、このパンタグラフの振動特性に着目して、目視に頼らずにパンタグラフの異常を検知する方法を提供することを目的とする。さらに、電車の基地や留置線など、電車が日常的に留置される場所で検査を行うことにより、高頻度で比較的正確に検査できる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のパンタグラフの異常検知方法は、  トロリ線から電車に給電するパンタグラフの異常を検査する方法であって、
Ａ）対象となるパンタグラフが正常な状態において、加振試験により、該パンタグラフの機械的インピーダンス（基準インピーダンスという）を測定しておき、
Ｂ）電車がパンタグラフの上げ操作をする（以下、「パンタグラフ上昇」という）箇所（検査地という）の電車線に以下のセンサを設けておき、
Ｂ１）トロリ線の慣性力測定用加速度計
Ｂ２）トロリ線の傾斜測定用加速度計
Ｃ）Ｂ１）、Ｂ２）を用いて、検査地において検査対象の電車がパンタグラフを上昇する際に以下を測定し、
Ｃ１）パンタグラフのトロリ線に対する接触力
Ｃ２）パンタグラフとトロリ線の接触点直近のトロリ線の加速度
Ｄ）Ｃ１）、Ｃ２）の測定結果から、検査地でパンタグラフが上昇してトロリ線と接触し、両者が一体となって運動しているときの機械インピーダンス（検査インピーダンスという）を測定し、
Ｅ）パンタグラフの基準インピーダンスと検査インピーダンスとを比較することにより、パンタグラフに異常がないかどうか判定することを特徴とする。
【０００６】
電車の基地や駅の留置線など、電車が日常的に留置される場所に「検査地」をセットしておく。そして、検査地において、電車が営業開始時などに走行を開始する際に、下げておいたパンタグラフを上昇する。そのときのトロリ線の加速度などを測定して機械インピーダンスを求め、正常なパンタグラフの機械インピーダンスと比較することにより、異常を検知できる。したがって、異常を目視によらず数値化して表わすことができるので、より正確に、かつ、高頻度でパンタグラフの異常を検知できる。そして、早期に異常検出できるので、重大なパンタグラフやトロリ線の故障を事前に防止できる。
【０００７】
本発明においては、  前記Ｅ）において、基準インピーダンスと検査インピーダンスの各々を比較することによって、パンタグラフの異常を検知することができる。
【０００８】
本発明においては、  前記Ａ）において、摩耗していないすり板を備えたパンタグラフと、許容範囲内の限界まで摩耗したすり板を備えたパンタグラフの双方のパンタグラフの基準インピーダンスを測定して、前記閾値の正常範囲を把握しておくことが好ましい。
【０００９】
本発明においては、  前記Ｂ）において、トロリ線を吊るハンガの軸力を測定するセンサを設けておき、該ハンガの軸力の測定を行ってもよい。
【００１０】
検査地の測定区間内の架線にハンガが存在する場合は、ハンガの軸力を測定してパンタグラフのトロリ線との接触力を求める。
【００１１】
本発明においては、  前記Ｄ）において、パンタグラフが上昇して電車線に接触し、両者が一体となって自由振動する際の振動数を、  前記パンタグラフのトロリ線に対する接触力と、前記パンタグラフとトロリ線との接触点直近のトロリ線加速度とのコヒーレンスを算出し、算出されたコヒーレンスの大きい周波数とし、  該周波数における、前記パンタグラフのトロリ線に対する接触力と前記パンタグラフとトロリ線との接触点直近のトロリ線加速度とから、パンタグラフの検査インピーダンスを求める。
【発明の効果】
【００１２】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電車の基地や駅の留置線など電車が日常的に留置される場所に検査地を設け、その検査地において、パンタグラフの機械インピーダンスを求める。そして、検査対象のパンタグラフと正常なパンタグラフの各々の機械インピーダンスと比較することにより、異常を検知する。したがって、異常を目視によらず数値化して表わすことができるので、より正確に、かつ、高頻度でパンタグラフの異常を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るパンタグラフの異常検知方法を説明するブロック図である。
【図２】パンタグラフ（単体）の加振試験を行う設備の一例を説明する図である。
【図３】パンタグラフ（車両上）の加振試験を行う設備の一例を説明する図である。
【図４】検査地の架線設備を説明する図である。
【図５】基準インピーダンスと検査インピーダンスを示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１を参照して、本発明の実施の形態に係るパンタグラフの異常検知方法の主なステップを説明する。
まず、（ｉ）正常パンタグラフの機械インピーダンス（Ｚｐ）を測定しておく。
一方で、（ｉｉ）検査対象パンタグラフの機械インピーダンス（Ｚｐ´）を求める。
（ｉｉｉ）正常パンタグラフの機械インピーダンス（Ｚｐ）と、検査対象パンタグラフの機械インピーダンス（Ｚｐ´）とを比較する。
【００１５】
以下、各ステップを説明する。
（ｉ）正常パンタグラフの機械インピーダンス（基準インピーダンス）（Ｚｐ）測定
図２を参照して、実験場に設置された加振試験によるパンタグラフの機械インピーダンス測定方法の一例を説明する。
まず、パンタグラフ１の構造を説明する。パンタグラフ１は、トロリ線と摺動するすり板体３を保持する舟体４と、舟体４を支持し、電気鉄道車両の屋根に起立倒伏可能に設置された枠組５と、枠組５を車両の屋根に碍子を介して固定するフレーム６と、を主に備える。
【００１６】
舟体４は、車体の幅方向（左右方向）に沿って延びる箱状体のものであり、この例では、２個の舟体４が、走行方向（前後方向）に平行に並んでいる。各舟体４の上面には、すり板３が取り付けられている。
【００１７】
２個の舟体４は、両端付近で復元バネ７によって舟支え８に弾性支持されている。舟支え８は、左右方向に延びる天井管９に連結されている。この天井管９には、枠組５の上端が連結されている。
【００１８】
この単体のパンタグラフ１は設置台Ｂに設置される。加振器２０は、設置台Ｂの上方に設けられた架台Ｍに取り付けられている。同加振器２０の下部の振動部２１には、前後方向に延びる治具２２が取り付けられている。この治具２２の下面の、パンタグラフ１の各舟体４に対向する位置には、ロードセル２５が備えられている。各ロードセル２５は、すり板３の上面に接している。一方、各舟体４には上下方向加速度計１１が取り付けられている。
【００１９】
このような設備において、加振器２０から加えられる加振力ｆｅをロードセル２５で測定し、この際の舟体４の加速度Ａを加速度計１１で測定する。パンタグラフの機械インピーダンスＺｐは、加振力ｆｅと舟体の上下方向速度ｖのフーリエ変換Ｆｅ、Ｖから、
Ｚｐ＝Ｆｅ／Ｖ        （１）
として定義される。速度のフーリエ変換Ｖは、加速度のフーリエ変換Ａと角周波数ωにより、
Ｖ＝Ａ／ｊω        （２）
として求められる。ｊは虚数単位を示す。式（２）を式（１）に代入すれば、
Ｚｐ＝Ｆｅ／Ｖ＝ｊωＦｅ／Ａ        （３）
となり、加振力Ｆｅと加速度Ａにより機械インピーダンスＺｐが求められることがわかる。
【００２０】
なお、すり板３を加振する位置によってパンタグラフの機械インピーダンスが異なるので、予めすり板３上のいろいろな位置で加振試験を行って、各位置での機械インピーダンスを求めておく。
【００２１】
また、パンタグラフ１を車両Ｔの屋根に搭載した状態のままで加振試験を行う場合は、図３に示すような、加振試験装置を備えた実験設備で行うこともできる。加振器２０等は、パンタグラフ１の上方に架け渡された架台Ｍに取り付けられる。
【００２２】
パンタグラフとトロリ線間の接触力の測定は、特許第４８２５１１０号公報によるトロリ線−パンタグラフの接触力測定方法により行うことができる。図４を参照して、同公報によるトロリ線−パンタグラフ接触力測定方法を簡単に説明する。
電車の基地や駅の留置線に予め検査地（電車がパンタグラフを上昇する箇所）を設けておく。そして検査地の架線設備に測定区間Ｌを設けておく。この例では、架線設備は、所定の間隔で立設された支持柱に支持される吊架線３１と、吊架線３１からハンガ３２で吊り下げられているトロリ線３３とを有する。この例では、測定区間Ｌは、トロリ線が３本のハンガ３２ａ、３２ｂ、３２ｃで吊り下げられている区間とする。
【００２３】
トロリ線３３の、測定区間Ｌの両端をそれぞれ測定点Ｐ１ならびに測定点Ｐ１´とする。測定点Ｐ１、Ｐ１´には、所定の間隔を開けて、２個の上下方向加速度計４１が取り付けられている。測定点Ｐ１の２個の加速度計４１間の中央が測定区間Ｌの端部に一致する。同様に、測定点Ｐ１´の２個の加速度計４１間の中央が測定区間Ｌのもう一方の端部に一致する。これらの加速度計は、トロリ線３３の傾斜を測定するためのものである。さらに、中央のハンガ３２ｂとトロリ線３３の連結点の両側の所定の位置を第２の測定点Ｐ２とする。第２の測定点Ｐ２の各々には、所定の間隔を開けて、２個の上下方向加速度計４２が取り付けられている。これらの加速度計は、トロリ線３３の慣性力を測定するためのものである。
また、中央のハンガ３２ｂには、ハンガの軸力を測定する軸力測定用歪ゲージ４３が取り付けられている。
【００２４】
前述の公報によれば、接触力（加振力）Ｆは、数１で表わされる。
【数１】
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で表わされる。第２項は、トロリ線の張力による鉛直成分であり、第１の測定点Ｐ１に取り付けられた加速度計４１の測定により得ることができる。第３項は、ハンガ３２ｂに取り付けられた歪ゲージ４３の測定により得ることができる。
第１項は、トロリ線の慣性力であり、第２の測定点Ｐ２に取り付けられた加速度計４２の測定により得ることができる。ここで、ｗｉは、ｉ点目の位置の加速度に対する慣性力補正係数であり、簡易的には次式で与えることができる。
ｗｉ＝ρＬ／ｐ
ここで、ｐ：測定点の個数、Ｌ：測定区間の長さ、ρ：トロリ線の線密度、
とすることができる（均一等価質量条件）。ｗｉの詳細な算出方法については省略する（特許第４８２５１１０号公報を参照）。
なお、測定区間Ｌ内にハンガが存在しない場合は、ハンガ軸力の測定は不要である。
【００２５】
（ｉｉ）検査対象パンタグラフの機械インピーダンス（検査インピーダンス）（Ｚｐ´）算出
ここでは、車両が夜間等に留置される留置線における検査インピーダンス（Ｚｐ´）測定について説明する。
留置線では、ほぼ決められた位置でパンタグラフの上昇・下降が行われている。パンタグラフが上昇した後、パンタグラフと電車線は一体となって（以下、「一体系」と記す）振動する。このとき、一体系は自由振動する。その一体系の振動数ｆｃは複数存在する。そこで、振動数ｆｃにおける接触力のフーリエ変換Ｆａ（ｆｃ）と、パンタグラフとトロリ線の接触点直近の加速度のフーリエ変換Ａａ（ｆｃ）を測定できれば、一体系の振動数ｆｃにおけるパンタグラフ単体の検査インピーダンスＺｐ´（ｆｃ）を把握することができる。そこで、図３の検査地の、パンタグラフの上昇が行われる箇所において、前述の公報に従って接触力を測定する。つまり、検査地の所定の箇所（パンタグラフの上昇が行われる位置）に、検査対象車両を位置させて、パンタグラフを上昇する。計測される力のフーリエ変換をＦａとし、パンタグラフの上昇時に舟体がパンタグラフに当たった位置に最も近い位置の加速度計で計測された加速度のフーリエ変換をＡａｉとする。これらから、パンタグラフの検査インピーダンス（Ｚｐ´（ｆｃ））は、
Ｚｐ´（ｆｃ）＝ｊωＦａ（ｆｃ）／Ａａｉ（ｆｃ）          （５）
で表わされる。
なお、一体系の振動数ｆｃについては、接触力Ｆａと加速度Ａａｉとのコヒーレンスを算出し、コヒーレンスが大きい（例えば、０．９以上）周波数として求められる。
【００２６】
（ｉｉｉ）正常パンタグラフの機械インピーダンス（Ｚｐ）と検査対象パンタグラフの機械インピーダンス（Ｚｐ´）の比較
上述の段落番号００１９に記載の方法により求めた基準インピーダンスＺｐと、上述の段落番号００２５に記載の方法により求めた検査インピーダンスＺｐ´とを比較することにより、異常の有無を検知する。具体的には、周波数領域で連続なＺｐと、周波数領域で離散的なＺｐ´（ｆｃ）の周波数ｆｃにおける機械インピーダンスの絶対値を比較し、その差が閾値を越えた場合に異常であると判定する。
ここで、（ｉ）により求めた正常パンタグラフの機械インピーダンス（Ｚｐ）は、図４の検査地でパンタグラフを上昇して接触力を測定する際に、トロリ線にパンタグラフのすり板が接触する位置における値を使用する。
【００２７】
なお、閾値には幅があるので、正常な範囲を予め把握しておく必要がある。例えば、すり板の摩耗によってパンタグラフの機械インピーダンスは異なる。そこで、新品のすり板と、許容範囲内の限界まで摩耗したすり板の双方のパンタグラフの機械インピーダンスを測定しておき、正常な範囲を求めておく。
【００２８】
次に、（ｉ）により測定した正常パンタグラフの機械インピーダンス（基準インピーダンス）を測定した場合と、（ｉｉ）により測定した異常パンタグラフの機械インピーダンス（検査インピーダンス）を測定した場合の模式図を図５に示す。また、参考として、異常パンタグラフの機械インピーダンスを（ｉ）により測定した場合の機械インピーダンスを示す。縦軸は機械インピーダンス、横軸は周波数を示す。グラフ中の太実線は正常パンタグラフ、○のプロットは異常パンタグラフ、破線は参考として示した（ｉ）により測定した異常パンタグラフを示す。
一体系の自由振動の周波数（ｆｃ１〜ｆｃ６）における機械インピーダンスを比較する。例えば、ｆｃ４付近の機械インピーダンスを比較すると、正常パンタグラフと異常パンタグラフでは機械インピーダンスが明らかに異なり、これらの値を比較し、閾値を越えている場合を異常パンタグラフとする。
【符号の説明】
【００２９】
１  パンタグラフ                    ３  すり板
４  舟体                            ５  枠組
６  フレーム                        ８  舟支え
９  天井管                        １１  加速度計
２０  加振器                        ２１  振動部
２２  治具                          ２５  ロードセル
３１  吊架線                        ３３  トロリ線
３２  ハンガ                        ４１  加速度計
４２  加速度計                      ４３  歪ゲージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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