(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である架線上の或る１つの測定点における上下振動の加速度αと架線表面の曲げ歪みεを計測し、更に架線の断面２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比の平方根で与えられる係数をＫとする下式により演算して架線の波動伝播速度ｃを測定する方法。
0003969558.tif 000012
【請求項２】
測定対象である架線上の或る１つの測定点における上下振動の加速度αを計測する加速度計、前記測定点における架線表面の曲げ歪みεを計測する歪み計、及び架線の断面２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比の平方根で与えられる係数をＫとする下式により波動伝播速度ｃを算出する演算装置とから構成された架線の波動伝播速度を測定する装置。
0003969558.tif 000013
【請求項３】
測定対象である架線上の或る１つの測定点における上下振動の加速度を計測する加速度計、前記測定点における架線表面の曲げ歪みを計測する歪み計、及び前記加速度計が出力した加速度信号と前記歪み計が出力した歪み信号とを入力し波動伝播速度を算出する演算装置とから構成され、且つ前記演算装置は架線に特有の係数を設定する係数設定手段、前記加速度信号と前記歪み信号及び前記係数から波動伝播速度を算出する演算手段及び演算結果を表示する表示手段とから構成されたものであることを特徴とする架線の波動伝播速度を測定する装置。
【請求項４】
前記架線に特有の係数は、架線の断面係数と断面２次モーメントによって与えられるものであることを特徴とする請求項３の架線の波動伝播速度を測定する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、架線の波動伝播速度の測定方法及び測定装置に関し、特に電気鉄道のトロリ線等の架線を長手方向に伝播する波動の伝播速度を測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道のトロリ線等の架線の波動伝播速度は、架線の性能を左右する重要な指標である。例えば、架線の波動伝播速度ｃ（ｍ／ｓ）の二乗は、張力Ｔ（Ｎ）に比例し、線密度ρ（ｋｇ／ｍ）に反比例する。線密度ρは既知の値であるから、波動伝播速度ｃを測れば張力も測定できる。このような波動伝播速度の性質を利用して、架線の張力を測定する方法及び装置が開発されている。例えば、特開平７−２０９１１０号公報に開示されている電車線の張力測定器や、特開平１０−１７６９６８号公報に開示されている電線の張力測定方法及び測定装置である。
【０００３】
また、電気鉄道のトロリ線等の架線の波動伝播速度は、トロリ線がどの程度の高速走行まで可能かを計るための重要なファクターである。波動伝播速度を超える速度で車両を走行させると、架線とパンタグラフとの間には異常な接触摩擦が生じ、これが架線に深刻なダメージを与えるからである。例えば、時速５５０（ｋｍ／ｈ）の超高速電車には、これを超える波動伝播速度のトロリ線が必要である。そのような超高速電車用のトロリ線が実現できたか否かは、波動伝播速度を測定すれば確実に判断できる。このように、波動伝播速度の測定は、トロリ線の特性測定にも利用されている。
【０００４】
従来、電気鉄道のトロリ線等の架線の波動伝播速度の測定には２つの方法が用いられている。第１の方法は、架線を人為的に或る１点で加振し、その際に生じた振動が一定距離だけ離れた位置まで伝わる時間を計測し架線の波動伝播速度を求めるものである。この方法は簡便ではあるが、測定精度が低いという問題があった。波動伝播速度は振動の周波数が高くなるほど速くなる性質があるが、この方法ではこの性質に対応できないからである。
【０００５】
第２の方法は、特開平１０−１７６９６８号公報に開示されている如く、一定距離だけ離して設定した架線上の測定点の上下振動の加速度を加速度計で測定し、これら上下振動の加速度の相関により架線の波動伝播速度を求めるものである。この方法では、多数の周波数成分を含む振動中の特定の周波数の振動の波動伝播速度を算出し、その平均の波動伝播速度を求めることができるから、上記第１の方法に比べると高い測定精度を確保できる。しかしながら、この第２の方法は２つの測定点、従って２個の加速度計が必要であること、及びこれらの加速度計の出力信号から所定の相関を求める演算処理が複雑なことから、システムが高価且つ複雑になり、簡便さに欠けるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、電気鉄道のトロリ線等の架線上に或る１つの測定点を設定し、この測定点で計測された計測値を用いて波動伝播速度を簡便に且つ精度よく測定できる方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する架線の波動伝播速度ｃを測定する方法を、測定対象である架線上の或る１つの測定点における上下振動の加速度αと架線表面の曲げ歪みεを計測し、更に架線の断面２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比の平方根で与えられる係数をＫとする下式により演算して測定するようにした。
0003969558.tif 000002
【０００８】
また、上記課題を解決する架線の波動伝播速度ｃを測定する装置を、測定対象である架線上の或る１つの測定点における上下振動の加速度αを計測する加速度計、前記測定点における架線表面の曲げ歪みεを計測する歪み計、及び架線の断面２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比の平方根で与えられる係数をＫとする下式により波動伝播速度ｃを算出する演算装置とで構成した。
0003969558.tif 000003
【０００９】
更に、上記課題を解決する架線の波動伝播速度を測定する装置を、測定対象である架線上の或る１つの測定点における上下振動の加速度を計測する加速度計、前記測定点における架線表面の曲げ歪みを計測する歪み計、及び前記加速度計が出力した加速度信号と前記歪み計が出力した歪み信号とを入力し波動伝播速度を算出する演算装置とで構成し、且つ前記演算装置を架線に特有の係数を設定する係数設定手段、前記加速度信号と前記歪み信号及び前記係数から波動伝播速度を算出する演算手段及び演算結果を表示する表示手段とで構成した。そして、前記架線に特有の係数は、断面２次モーメントと架線の断面係数との比の平方根で与えられるものとした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る架線の波動伝播速度を測定する装置の一実施例は、図１に示す如く、架線Ｗの上下振動の加速度αを測定する加速度計１０、架線の上下振動による架線表面の曲げ歪みεを測定する歪み計２０、及び所定の演算式に従って加速度αと曲げ歪みεから波動伝播速度ｃを演算して出力する演算装置３０とで構成されている。本発明においては、加速度計１０と歪み計２０は測定対象である架線Ｗの任意の１ケ所の測定点にのみ配置される。
【００１１】
演算装置３０は、プログラムに従って関連する機器や装置の制御と演算処理を行うＣＰＵ３１、前記プログラムが格納されたＲＯＭ３２、各種のデータやパラメータ等が格納されるＲＡＭ３３、各種パラメータ等を演算装置に設定する設定器３４、演算結果を表示する表示器３５、及び加速度計１０の加速度信号と歪み計２０の歪み信号を演算装置３０に入力する入力装置３６とから構成されている。入力装置３６には、ＣＰＵ３１によって制御され、加速度計１０のアナログ加速度信号を対応するデジタル加速度信号に変換するアナログ・デジタル変換回路と、歪み計２０のアナログ歪み信号を対応するデジタル歪み信号に変換するアナログ・デジタル変換回路が含まれている。
【００１２】
本発明は対象となる架線上の任意の１ケ所の測定点における架線の上下振動を解析した結果、波動伝播速度ｃは加速度αの平方根に比例し、且つ曲げ歪みεの平方根に反比例すること、及び比例定数は当該架線に特有の係数、即ち架線の断面２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比の平方根で与えられる係数であるという理論を数式から導き出し、この理論による理論値と実際の測定値が実用的範囲で一致したという事実に基づいてなされたものである。以下に、架線の或る１ケ所の測定点における加速度と歪みを計測することにより架線の波動伝播速度ｃを測定する方法の原理を述べる。
【００１３】
ヤング率Ｅと断面２次モーメントＩとの積ＥＩで与えられる線条の曲げ剛性を考慮した場合、この線条の波動方程式は数式１で表される。
【００１４】
【数１】
0003969558.tif 000004
但し、tは時間、xは線条方向の距離、yは線条の上下変位、ρは線密度、Ｔは張力である。この方程式の解は未定定数Ａ、Ｂを用いて一般に数式２の通りとなる。
【００１５】
【数２】
0003969558.tif 000005
但し、ｋは線条を伝わる波動の波数で、波長λに対して２π／λで与えられるものである。
【００１６】
この数式２より以下の数式３及び数式４がそれぞれ成立する。
【数３】
0003969558.tif 000006
【００１７】
【数４】
0003969558.tif 000007
数式４から線条の任意の１点における上下振動の加速度と曲率の比から、波動伝播速度cを求められることが分かる。
【００１８】
数式３と数式４を数式１に代入すると、数式５の通りとなる。
【数５】
0003969558.tif 000008
【００１９】
【数６】
ところで曲率は数式６に示す如く、曲げ歪みと関連づけられる。
0003969558.tif 000009
但しεは線条の表面で計測した曲げ歪み、Zは断面係数である。
【００２０】
数式５と数式６から数式７が得られる。
【数７】
0003969558.tif 000010
【００２１】
ここで加速度をα、線条の２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比Ｉ／Ｚの平方根をＫとすれば、数式７から数式８が得られる。
【数８】
0003969558.tif 000011
【００２２】
線条の２次モーメントＩと断面係数Ｚは線条の断面形状から計算により求められるものであるから、線条の２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比Ｉ／Ｚの平方根で与えられるＫも計算により予め求められる。要するに、数式８における係数Ｋは線条に固有の値であって、線条の直径を計測して予め求めることができるものである。従って、線条の任意の１ケ所の測定点における加速度αと線条表面の曲げ歪みεを計測し、数式８による演算を行えば、線条の波動伝播速度ｃを求めることができる。
【００２３】
以上が、線条の波動伝播速度の測定原理である。そこで、この測定原理に基づいて算出した理論値とトロリ線について実際に測定した測定値とをグラフにしてみると、図２に示す如く、実用的な範囲で両者が一致することが分かった。なお、図２において、横軸はトロリ線の波動の周波数（Ｈｚ）、縦軸はトロリ線の波動伝播速度（ｍ／ｓ）である。本発明はこの事実を発見したことに基づいてなされたものであって、測定対象である架線上の或る１つの測定点における上下振動の加速度αを加速度計で計測し、且つ架線表面の曲げ歪みεを歪み計で計測し、更に架線の断面２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比の平方根で与えられる係数をＫとする数式７又は数式８により演算して架線の波動伝播速度を測定する方法及び装置である。
【００２４】
ところで、図２からも理解できる通り、波動伝播速度は周波数（波数）によって異なる。従って、実際には加速度計が出力する加速度信号と曲げ歪み計が出力する歪み信号の周波数伝達関数、即ち曲げ歪みを入力、加速度を出力とみなしたときの両者の周波数伝達関数を求め、各周波数毎に数式７の演算を行うことになる。このため、演算装置３０が行う波動伝播速度の演算には、高速フーリエ変換が必ず必要である。高速フーリエ変換は、市販の高速フーリエ変換装置（ＦＦＴアナライザ）を用いて簡便に行うことができる。また、各周波数毎に数式７の演算を行うので、平均化処理も行われる。
【００２５】
なお、図１に示す如き架線の波動伝播速度測定装置において、設定器３４により設定され演算式の係数は２次モーメントＩ並びに断面係数Ｚ、２次モーメントＩと断面係数Ｚとの比Ｉ／Ｚ、又はこの平方根であるＫのいずれでもよいことは言うまでもない。また、演算結果を表示する表示器３５はプリンタを含んでもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明により、電気鉄道のトロリ線等の架線上の１ケ所の測定点で計測された２つの計測値、即ち加速度と曲げ歪みを用いて波動伝播速度を測定できるようになった。従って、従来の方法および装置に比べると、架線の波動伝播速度を簡便に且つ精度よく測定できる方法及び装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】架線の波動伝播速度を測定する装置の一実施例のブロック図である。
【図２】架線の波動伝播速度の周波数特性を理論値と測定値で示した図である。
【符号の説明】
１０  加速度計
２０  歪み計
３０  演算装置
３１  ＣＰＵ
３２  ＲＯＭ
３３  ＲＡＭ
３４  設定器
３５  表示器
３６  入力装置
Ｗ  架線
【図１】
0003969558.tif 000014
【図２】
0003969558.tif 000015