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【発明の名称】 パンタグラフの接触力測定方法及び接触力測定装置
【発明者】 【氏名】池田 充

【氏名】臼田 隆之
【要約】 【課題】パンタグラフの舟体の前後方向接触力を測定できるパンタグラフの接触力測定方法及び接触力測定装置を提供する。

【解決手段】トロリ線９から舟体１２に前後方向接触力Ｆfが作用しているものとすると、舟体１２にはねじりモーメントＭfが生じ、舟体１２の断面Ａ、ＢにおいてもそれぞれねじりモーメントＭA、ＭBが生じる。区間ＡＢにおける舟体１２の回転慣性をＩnとすると、ねじりモーメントＭfはＭf＝（−ＭA＋ＭB）＋Ｉnで表される。舟体１２の図心から上面間の距離をｖとすると、前後方向接触力ＦfはＦf＝（１／ｖ）Ｍfで表される。ねじりモーメントＭA、ＭBは、２軸用歪みゲージによりせん断応力を計測することにより得られる。回転慣性Ｉnは、加速度計による計測結果と等価質量から得られる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する前後方向の接触力を測定する方法であって；パンタグラフの舟体（摺り板を含む）のトロリ線を挟む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）におけるねじりモーメントＭA、ＭBを測定するとともに、該縦断面間に作用する回転慣性Ｉnを測定し、Ｍf＝（−ＭA＋ＭB）＋Ｉnにより舟体のねじりモーメントＭfを求め、この舟体のねじりモーメントＭfを、上記舟体の図心と上面間の距離ｖで割ることにより、上記接触力を求めることを特徴とするパンタグラフの接触力測定方法。
【請求項２】 上記断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τA2を測定し、これらせん断応力τA1、τA2の差τA1−τA2から該断面ＡにおけるねじりモーメントＭAを求めるとともに、上記断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定し、これらせん断応力τB1、τB2の差τB1−τB2から該断面ＢにおけるねじりモーメントＭBを求めることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフの接触力測定方法。
【請求項３】 上記断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τA2を測定し、これらせん断応力τA1、τA2の和τA1＋τA2から該断面Ａにおけるせん断力τAを求めるとともに、上記断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定し、これらせん断応力τB1、τB2の和τB1＋τB2から該断面Ｂにおけるせん断力τBを求め、これらせん断力τA、τBと舟体の上下方向慣性力ＦineからＦc＋τA−τB＋Ｆine＝０により舟体の上下方向の接触力Ｆcを求めることを特徴とする請求項１又は２記載のパンタグラフの接触力測定方法。
【請求項４】 トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する接触力を測定する方法であって；パンタグラフの舟体の前面側（表側）における該舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）でのせん断応力τA1、τB1を測定し、これらせん断応力τA1、τB1の差α＝τA1−τB1を求めるとともに、パンタグラフの舟体の後面側（裏側）における該舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）でのせん断応力τA2、τB2を測定し、これらせん断応力τA2、τB2の差β＝τA2−τB2を求め、α−βから上記２ヶ所の縦断面におけるねじりモーメントＭA、ＭBの差ＭA−ＭBを求めるとともに、α＋βから該２ヶ所の縦断面におけるせん断力τA、τBの差τA−τBを求め、さらに上記α−βから求めたＭA−ＭBと、上記縦断面間に作用する回転慣性Ｉnと、上記舟体の図心と上面間の距離ｖから、Ｆf＝｛（−ＭA＋ＭB）＋Ｉn｝／ｖに基づき舟体の前後方向の接触力Ｆfを求めるとともに、上記α＋βから求めたτA−τBと、上記舟体の上下方向慣性力Ｆineから、Ｆc＋τA−τB＋Ｆine＝０に基づき舟体の上下方向の接触力Ｆcを求めることを特徴とするパンタグラフの接触力測定方法。
【請求項５】 トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する前後方向の接触力を測定する装置であって；上記パンタグラフの舟体に設けられた少なくとも１個の加速度計と、該加速度計の検出値から上記舟体の回転慣性を推定する回転慣性推定手段と、上記舟体の上記トロリ線を挟む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）の歪みを検出する歪み検出手段と、該歪み検出手段の検出値から該縦断面のねじりモーメントを算出するねじりモーメント算出手段と、該ねじりモーメント算出手段の算出値に上記回転慣性推定手段の推定値を加え、上記舟体の図心と該舟体の上面間の距離で割ることにより、舟体の前後方向の接触力を算出する接触力算出手段と、を備えることを特徴とするパンタグラフの接触力測定装置。
【請求項６】 上記歪み検出手段が、上記断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τA2と、上記断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定する歪み計を有し、上記ねじりモーメント算出手段が、上記せん断応力τA1、τA2の差τA1−τA2に基づき、上記断面ＡにおけるねじりモーメントＭAを求める第１算出部と、上記せん断応力τB1、τB2の差τB1−τB2に基づき、上記断面ＢにおけるねじりモーメントＭBを求める第２算出部と、を備えることを特徴とする請求項５記載のパンタグラフの接触力測定装置。
【請求項７】 上記加速度計の検出値から上記舟体にかかる上下方向慣性力を推定する慣性力推定手段と、上記歪み検出手段の検出値から上記２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）のせん断力を算出するせん断力算出手段と、をさらに備え、上記接触力算出手段が、上記せん断力算出手段の算出値から上記慣性力推定手段の推定値を引くことにより、舟体の上下方向の接触力をも算出することを特徴とする請求項５又は６記載のパンタグラフの接触力測定装置。
【請求項８】 上記せん断力算出手段が、上記せん断応力τA1、τA2の和τA1＋τA2に基づき、上記断面Ａにおけるせん断力τAを求める第１算出部と、上記せん断応力τB1、τB2の和τB1＋τB2に基づき、上記断面Ｂにおけるせん断力τBを求める第２算出部と、を備えることを特徴とする請求項７記載のパンタグラフの接触力測定装置。
【請求項９】 トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する接触力を測定する装置であって；上記パンタグラフの舟体に設けられた少なくとも１個の加速度計と、該加速度計の検出値から上記舟体の回転慣性を推定する回転慣性推定手段と、該加速度計の検出値から上記舟体にかかる上下方向慣性力を推定する慣性力推定手段と、上記舟体のトロリ線を挟む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）について、該断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τA2と、該断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定する歪み計を有する歪み検出手段と、該歪み検出手段の検出値から該縦断面のねじりモーメントを算出するねじりモーメント算出手段と、該歪み検出手段の検出値から該縦断面のせん断力を算出するせん断力算出手段と、上記せん断力算出手段の算出値に基づき、せん断応力τA1、τB1の差α＝τA1−τB1と、せん断応力τA2、τB2の差β＝τA2−τB2を求め、さらにα−βから上記２ヶ所の縦断面におけるねじりモーメントＭA、ＭBの差ＭA−ＭBを算出するとともに、α＋βから該２ヶ所の縦断面におけるせん断力τA、τBの差τA−τBを算出する断面力算出手段と、該断面力算出手段の算出値ＭA−ＭBと、上記回転慣性推定手段の推定値Ｉnと、上記舟体の図心と上面間の距離ｖから、Ｆf＝｛（−ＭA＋ＭB）＋Ｉn｝／ｖに基づき舟体の前後方向の接触力Ｆfを求めるとともに、該断面力算出手段の算出値τA−τBと、上記慣性力推定手段の推定値Ｆineから、Ｆc＋τA−τB＋Ｆine＝０に基づき舟体の上下方向の接触力Ｆcを求める接触力算出手段と、を備えることを特徴とするパンタグラフの接触力測定装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気鉄道におけるトロリ線とパンタグラフとの間に作用する接触力を測定する方法及び装置に関する。特には、パンタグラフの舟体の前後方向の接触力を測定できるとともに、上下方向の接触力も測定できるパンタグラフの接触力測定方法及び接触力測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】現状の営業用の電気鉄道においては、トロリ線からパンタグラフを介して車体に電力を送る方式が一般的である。トロリ線とパンタグラフの舟体との接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動等によって変動する。この接触力の変動が大きすぎると、パンタグラフの舟体がトロリ線から離れる離線が生じるおそれがある。離線が頻発すると、トロリ線とパンタグラフの舟体の間にスパークが生じて、摺り板の損傷が進み、問題となる。離線に至らない場合でも、パンタグラフの接触力の変動は極力小さい方がよい。
【０００３】そこで、電車の走行中におけるトロリ線とパンタグラフとの接触力を測定し、得られた測定結果を離線の抑制対策の参考としたいとの要請がある。あるいは、将来的には、接触力をアクティブにコントロールすることも考えられている。
【０００４】このようなパンタグラフの接触力測定技術としては、例えば本発明者による特願平１１−１９１６１１号を挙げることができる。このパンタグラフの接触力測定方法は、パンタグラフの舟体の慣性力を舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面間の弾性変形を考慮した上で求め、この慣性力を別途求めた舟体にかかっている力から差し引きすることにより、舟体の上下方向の接触力を求めるものである。なお、本明細書においては、通常、「舟体」は摺り板を含む広い意味で用いる。
【０００５】ところで、最近、舟体の上下方向の接触力だけではなく、舟体の前後方向の接触力を測定できる技術が求められている。本発明は、このような要請に応えるためになされたものであって、パンタグラフの舟体の前後方向接触力を測定できるパンタグラフの接触力測定方法及び接触力測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するため、本発明の第１態様のパンタグラフの接触力測定方法は、トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する前後方向の接触力を測定する方法であって； パンタグラフの舟体（摺り板を含む）のトロリ線を挟む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）におけるねじりモーメントＭA、ＭBを測定するとともに、該縦断面間に作用する回転慣性Ｉnを測定し、 Ｍf＝（−ＭA＋ＭB）＋Ｉnにより舟体のねじりモーメントＭfを求め、 この舟体のねじりモーメントＭfを、上記舟体の図心と上面間の距離ｖで割ることにより、上記接触力を求めることを特徴とする。
【０００７】従来試みられてきた、トロリ線から舟体に作用する前後方向の接触力の測定法では、舟体に作用する空気力（抗力）が測定値に影響を与えていた。ところが、走行中の抗力は非常に大きいため、抗力による誤差が大きいという問題があった。この第１態様の発明によれば、舟体の前面にほぼ均一に作用する空気力は殆ど関与しない舟体のねじり応力を測定するため、トロリ線と舟体との間に働く前後方向の接触力を測定することができる。
【０００８】本発明の第１態様のパンタグラフの接触力測定方法においては、上記断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τA2を測定し、これらせん断応力τA1、τA2の差τA1−τA2から該断面ＡにおけるねじりモーメントＭAを求めるとともに、 上記断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定し、これらせん断応力τB1、τB2の差τB1−τB2から該断面ＢにおけるねじりモーメントＭBを求めることができる。また、上記断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τA2を測定し、これらせん断応力τA1、τA2の和τA1＋τA2から該断面Ａにおけるせん断力τAを求めるとともに、 上記断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1と、後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定し、これらせん断応力τB1、τB2の和τB1＋τB2から該断面Ｂにおけるせん断力τBを求めることができる。
【０００９】舟体前面側（表側）と舟体後面側（裏側）で測定されるせん断応力の和は、測定断面に作用するせん断力に比例し、該せん断応力の差は、測定断面に作用するねじりモーメントに比例する。なお、空気的な抗力のように、ねじりを伴わない前後方向の曲げ荷重に対しては、測定されるねじりモーメントはゼロである。したがって、２ヶ所の縦断面Ａ、Ｂのせん断応力を測定することにより、ねじりモーメントとせん断力を同時に計測することが可能である。これにより、トロリ線から舟体に作用する前後方向の接触力を測定すると同時に、舟体の上下方向の接触力も測定することができる。
【００１０】本発明の第２態様のパンタグラフの接触力測定方法は、トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する接触力を測定する方法であって；パンタグラフの舟体の前面側（表側）における該舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）でのせん断応力τA1、τB1を測定し、これらせん断応力τA1、τB1の差α＝τA1−τB1を求めるとともに、 パンタグラフの舟体の後面側（裏側）における該舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）でのせん断応力τA2、τB2を測定し、これらせん断応力τA2、τB2の差β＝τA2−τB2を求め、 α−βから上記２ヶ所の縦断面におけるねじりモーメントＭA、ＭBの差ＭA−ＭBを求めるとともに、α＋βから該２ヶ所の縦断面におけるせん断力τA、τBの差τA−τBを求め、 さらに上記α−βから求めたＭA−ＭBと、上記縦断面間に作用する回転慣性Ｉnと、上記舟体の図心と上面間の距離ｖから、 Ｆf＝｛（−ＭA＋ＭB）＋Ｉn｝／ｖに基づき舟体の前後方向の接触力Ｆfを求めるとともに、 上記α＋βから求めたτA−τBと、上記舟体の上下方向慣性力Ｆineから、 Ｆc＋τA−τB＋Ｆine＝０に基づき舟体の上下方向の接触力Ｆcを求めることを特徴とする。
【００１１】２ヶ所の縦断面Ａ、Ｂについて、舟体前面側と舟体後面側のせん断応力を出力すると、舟体１本当り計４ヶ所のせん断応力を出力することになり、データ点数が増えて取り扱いが煩雑になる。一方、Ｆf＝｛（−ＭA＋ＭB）＋Ｉn｝／ｖ及びＦc＝（−τA＋τB）−Ｆineにより、接触力を求めるために必要なのは、ねじりモーメントＭA、ＭB、せん断力τA、τBの各々の量ではなく、ＭA−ＭB及びτA−τBである。この第２態様の発明では、２つの量α＋βとα−βから、接触力を求めるために必要なＭA−ＭB及びτA−τBを求めることにより、舟体１本当りのせん断応力のデータ点数を２つに減らすことができる。したがって、データの取り扱いが簡単になる。
【００１２】本発明の第１態様のパンタグラフの接触力測定装置は、トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する前後方向の接触力を測定する装置であって； 上記パンタグラフの舟体に設けられた少なくとも１個の加速度計と、該加速度計の検出値から上記舟体の回転慣性を推定する回転慣性推定手段と、上記舟体の上記トロリ線を挟む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）の歪みを検出する歪み検出手段と、 該歪み検出手段の検出値から該縦断面のねじりモーメントを算出するねじりモーメント算出手段と、 該ねじりモーメント算出手段の算出値に上記回転慣性推定手段の推定値を加え、上記舟体の図心と該舟体の上面間の距離で割ることにより、舟体の前後方向の接触力を算出する接触力算出手段と、 を備えることを特徴とする。
【００１３】この装置においては、接触力を舟体の弾性振動の固有振動数よりも低い周波数範囲でとらえる場合は、加速度計は１つでよい。但し、複数個の加速度計を用いると、舟体の振動モードに対応することができる。例えば、舟体のローリングモード（振動周波数１２Ｈｚ程度）を把握するには、最低２個の加速度計を用いる。舟体の曲げ１次モード（振動周波数８０Ｈｚ程度）を把握するには、最低３個の加速度計を用いる。
【００１４】本発明の第１態様のパンタグラフの接触力測定装置においては、上記歪み検出手段が、上記断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τA2と、上記断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定する歪み計を有し、 上記ねじりモーメント算出手段が、 上記せん断応力τA1、τA2の差τA1−τA2に基づき、上記断面ＡにおけるねじりモーメントＭAを求める第１算出部と、 上記せん断応力τB1、τB2の差τB1−τB2に基づき、上記断面ＢにおけるねじりモーメントＭBを求める第２算出部と、 を備えるものとすることができる。
【００１５】また、上記加速度計の検出値から上記舟体にかかる上下方向慣性力を推定する慣性力推定手段と、 上記歪み検出手段の検出値から上記２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）のせん断力を算出するせん断力算出手段と、 をさらに備え、 上記接触力算出手段が、上記せん断力算出手段の算出値から上記慣性力推定手段の推定値を引くことにより、舟体の上下方向の接触力をも算出するものとすることができる。
【００１６】さらに、上記せん断力算出手段が、 上記せん断応力τA1、τA2の和τA1＋τA2に基づき、上記断面Ａにおけるせん断力τAを求める第１算出部と、 上記せん断応力τB1、τB2の和τB1＋τB2に基づき、上記断面Ｂにおけるせん断力τBを求める第２算出部と、 を備えるものとすることができる。
【００１７】本発明の第２態様のパンタグラフの接触力測定装置は、トロリ線（給電線）とパンタグラフ（集電装置）との間に作用する接触力を測定する装置であって；上記パンタグラフの舟体に設けられた少なくとも１個の加速度計と、 該加速度計の検出値から上記舟体の回転慣性を推定する回転慣性推定手段と、 該加速度計の検出値から上記舟体にかかる上下方向慣性力を推定する慣性力推定手段と、上記舟体のトロリ線を挟む２ヶ所の縦断面（断面Ａ、断面Ｂ）について、該断面Ａの前面側（表側）におけるせん断応力τA1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τA2と、該断面Ｂの前面側（表側）におけるせん断応力τB1及び後面側（裏側）におけるせん断応力τB2を測定する歪み計を有する歪み検出手段と、 該歪み検出手段の検出値から該縦断面のねじりモーメントを算出するねじりモーメント算出手段と、 該歪み検出手段の検出値から該縦断面のせん断力を算出するせん断力算出手段と、 上記せん断力算出手段の算出値に基づき、せん断応力τA1、τB1の差α＝τA1−τB1と、せん断応力τA2、τB2の差β＝τA2−τB2を求め、さらにα−βから上記２ヶ所の縦断面におけるねじりモーメントＭA、ＭBの差ＭA−ＭBを算出するとともに、α＋βから該２ヶ所の縦断面におけるせん断力τA、τBの差τA−τBを算出する断面力算出手段と、 該断面力算出手段の算出値ＭA−ＭBと、上記回転慣性推定手段の推定値Ｉnと、上記舟体の図心と上面間の距離ｖから、 Ｆf＝｛（−ＭA＋ＭB）＋Ｉn｝／ｖに基づき舟体の前後方向の接触力Ｆfを求めるとともに、該断面力算出手段の算出値τA−τBと、上記慣性力推定手段の推定値Ｆineから、 Ｆc＋τA−τB＋Ｆine＝０に基づき舟体の上下方向の接触力Ｆcを求める接触力算出手段と、 を備えることを特徴とする。
【００１８】これらの装置によれば、舟体に作用する前後方向接触力と上下方向接触力を同時に測定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、通常の鉄道車両の技術におけるのと同様に、レールの長手方向（車両の進行方向）を前後方向、軌道面におけるレール長手方向と直角の方向を左右方向、軌道面に垂直な方向を上下方向と呼ぶ。また、具体的な数値例は、現状のＪＲの新幹線の一般的な数値である。
【００２０】図４は、本実施例におけるパンタグラフの舟体の詳細を示す斜視図である。図５は、同舟体の具体的な寸法を説明する説明図である。図６（Ａ）は同舟体の前面側（表側）の２軸用歪みゲージを詳細に示す正面図であり、図６（Ｂ）は同舟体の後面側（裏側）の２軸用歪みゲージを詳細に示す正面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）の前面側ゲージ部のブリッジ構成を示す図であり、図６（Ｄ）は図６（Ｂ）の後面側ゲージ部のブリッジ構成を示す図である。図７は、本実施例におけるパンタグラフの支持構造の詳細を示す模式的側面断面図である。
【００２１】トロリ線９は、直径約１５ｍｍの銅線である。トロリ線には、交流約２５ｋＶの電圧が印加される。トロリ線は、約５ｍおきに吊架線（図示されず）によって吊られている。吊架線は、約５０ｍおきに柱（図示されず）によって支えられている。
【００２２】この例の菱形パンタグラフの舟体１２は、左右方向に沿って延びている。舟体１２は、図４に示すように、前後方向に離れて１組ずつ計２本（１２Ａ、１２Ｂ）設けられているものが多いが、１本の舟体のみで構成されるものもある。この例の舟体１２は、幅４０ｍｍ、長さ１．２ｍ、重さ３．５ｋｇの中空の箱状部材である。舟体１２はアルミニウム合金製である。停車時に舟体１２がトロリ線９に押し当てられる力（静押上力）は５０〜７０Ｎである。
【００２３】舟体１２の上表面には、摺り板１４が取り付けられている。摺り板１４は、鉄系や銅系の焼結合金製、あるいはカーボン系材料からなる。この摺り板１４は、図５に示すように４分割されており、中央の２つが主摺り板で、左右両端の２つが補助板である。主として主摺り板がトロリ線９に直接接触する。摺り板１４は、トロリ線９との接触により経時摩耗するので、定期的に交換する。
【００２４】舟体１２の左右両端部寄りの底面には、図７に示すように、ロッド２２が固定されている。ロッド２２は、舟体１２底面から下方に垂下している。ロッド２２の下端には、ストッパ２２ａが形成されている。舟支え１８には、前後２つのスリーブ１８ａ、１８ｂが一体に形成されている。これらスリーブ１８ａ、１８ｂは、上下方向に開口している。前側のスリーブ１８ａには前側の舟体のロッド２２が嵌合しており、後側のスリーブ１８ｂには後側の舟体のロッド２２が嵌合している。そして、ロッド２２とスリーブ１８ａ、１８ｂ間の隙間には、リニアベアリング２４が介装されている。このリニアベアリング２４により、舟支え１８がロッド２２に沿って上下に摺動する。舟支え１８は、ロッド２２のストッパ２２ａにより抜け止めされている。
【００２５】舟体１２底面と舟支え１８間において、ロッド２２外周には復元ばね１５が配置されている。復元ばね１５は、ゴム製ばねあるいはコイルばねである。舟支え１８は、この復元ばね１５を介して舟体１２を支持する。舟支え１８の下には、パンタグラフ全体を昇降するリンク状の枠組２６が設けられている。同枠組２６は、いわゆる菱形パンタグラフのリンクであって、コイルばねあるいはエアシリンダ（図示されず）等によって上下に昇降する。例えば、パンタグラフを使用しない時は、枠組２６は折り畳まれて下がり、舟体１２はトロリ線９から離れる。
【００２６】舟体１２には、図６に最も良く示すように、２軸用歪みゲージ３１が貼られている。２軸用歪みゲージ３１は、集電電流によるノイズの誘導を防ぐため、無誘導型ゲージを用いる。この２軸用歪みゲージ３１により、舟体１２の断面のせん断歪みを測定する。この例では、２軸用歪みゲージ３１は、舟体１２の前面側（表側；図６（Ａ）参照）と後面側（裏側；図６（Ｂ）参照）とに２個ずつ貼られている。したがって、１本の舟体１２に対して計４個の２軸用歪みゲージ３１が設けられている。左右の歪みゲージ３１は、摺り板１４の主摺り板を含む位置（具体的には、摺り板１４の補助板を舟体１２に固定するためのボルトがねじ込まれる位置）に貼り付けられている。
【００２７】舟体１２前面側の歪みゲージ３１は、４個のゲージ部３１ａ〜３１ｄを有する。これらゲージ部３１ａ〜３１ｄは、図６（Ｃ）に示すようにブリッジ接続されている。舟体１２後面側の歪みゲージ３１も、４個のゲージ部３１ａ′〜３１ｄ′を有する。これらゲージ部３１ａ′〜３１ｄ′も、前面側と同様にして、図６（Ｄ）に示すようにブリッジ接続されている。
【００２８】また、舟体１２には、図５に示すように、１つの舟体当り２個の加速度計３５が、舟体１２の中央部に取り付けられている。２つの加速度計３５のうちの一方は、舟体１２の上下方向の加速度を検出する上下加速度計３５Ａであり、他方は、舟体１２の前後方向の加速度を検出する前後加速度計３５Ｂである。加速度計３５の筐体と舟体１２間には、絶縁用のベーク板３４が介装されている。これにより、加速度計信号ケーブルのシールド線に電流が流れず、出力信号のノイズが低減されている。
【００２９】各２軸用歪みゲージ３１及び加速度計３５は、演算装置（図示されず）に接続されている。この演算装置は、２軸用歪みゲージ３１及び加速度計３５の信号を受けて、以下の原理により舟体１２とトロリ線９との接触力を算出する。以下、図１〜図３を参照して上記の接触力測定原理について説明する。図１は、本発明の接触力測定方法に係る前後方向接触力の測定原理を説明するための図である。図２は、上下方向接触力の測定原理を説明するための図である。図３は、舟体の接触力とせん断応力を説明するための図である。
【００３０】まず、図１を参照しつつ舟体の前後方向接触力に関して説明する。図１に示すように、トロリ線９から舟体１２に前後方向接触力Ｆfが作用しているものとする。但し、前後方向接触力Ｆfは、図１における矢印の向きにしたがい、矢印先側を前方向とし、矢印末側を後方向とする。舟体１２に前後方向接触力Ｆfが作用すると、舟体１２にはねじりモーメントＭfが生じる。一方、舟体１２の摺り板１４を含む区間ＡＢを考えたとき、断面Ａ、Ｂ（区間ＡＢの両端）においてもそれぞれねじりモーメント（断面力）ＭA、ＭBが生じる。さらに、区間ＡＢにおける舟体１２の回転慣性をＩnとする。このとき、ねじりモーメントＭfと断面力ＭAの符号（力の向き）を＋と考え、断面力ＭBと回転慣性をＩnの符号（力の向き）を−と考えると、次式が成り立つ；
Ｍf＋（ＭA−ＭB）−Ｉn＝０【００３１】したがって、前後方向接触力Ｆfの作用により生じるねじりモーメントＭfは、Ｍf＝（−ＭA＋ＭB）＋Ｉnで表される。ここで、舟体１２の図心と摺り板１４上面との距離をｖとすると、前後方向接触力ＦfとねじりモーメントＭfとの関係は次式で表される；
Ｍf＝Ｆf×ｖ【００３２】したがって、前後方向接触力Ｆfは、次式Ｆf＝｛（−ＭA＋ＭB）＋Ｉn｝／ｖのように表される。つまり、前後方向接触力Ｆfを測定するためには、ねじりモーメント（断面力）ＭA、ＭBと区間ＡＢにおける回転慣性Ｉnがわかればよい。ねじりモーメント（断面力）ＭA、ＭBは、２軸用歪みゲージ３１によりせん断応力を計測することにより得られる。回転慣性Ｉnは、加速度計による計測結果と等価質量から求めることができる（回転慣性＝加速度×等価質量）。
【００３３】次に、図２を参照しつつ舟体の上下方向接触力に関して説明する。図２に示すように、舟体１２にトロリ線９との上下方向接触力Ｆcが作用しているものとする。また、舟体１２の摺り板１４を含む区間ＡＢを考えたとき、断面Ａ、Ｂ（区間ＡＢの両端）において生じているせん断力をτA、τBとする。さらに、区間ＡＢに作用する舟体１２の上下方向慣性力の合計をＦineとする。このとき、上下方向接触力Ｆc、せん断力τA、τB及び上下方向慣性力Ｆineの符号を、図２に示す向きを正にとると、次式が成り立つ；
Ｆc＋τA−τB＋Ｆine＝０【００３４】したがって、上下方向接触力Ｆcは、Ｆc＝（−τA＋τB）−Ｆineで表される。つまり、上下方向接触力Ｆcを測定するためには、せん断力τA、τBと区間ＡＢにおける上下方向慣性力Ｆineがわかればよい。せん断力τA、τBは、２軸用歪みゲージ３１によりせん断応力を計測することにより得られる。上下方向慣性力Ｆineは、加速度計による計測結果と等価質量から求めることができる。なお、舟体１２の上下方向慣性力Ｆineの推定やトロリ線９の偏位の推定は、特願平１１−１９１６１１号と同様に行うことができる。また、舟体１２に複数の加速度計３５を取り付けると、舟体１２の振動モードに対応した推定が可能になる。
【００３５】ここで、ねじりモーメントＭA、ＭBとせん断力τA、τBは、２軸用歪みゲージ３１によるせん断応力の測定により、同時に求めることが可能である。このせん断応力とは、図３に模式的に示すように、舟体１２において２軸用歪みゲージ３１を貼り付けた位置（舟体の摺り板を含む２ヶ所の縦断面Ａ、Ｂ）に生じているせん断応力を指す。各断面Ａ、Ｂにおいて、舟体１２上向きに作用するせん断応力の符号を正（＋）とし、舟体１２下向きに作用するせん断応力の符号を負（−）とする。このとき、各断面Ａ、Ｂに作用するモーメントＭA、ＭBと２軸用歪みゲージ３１で計測されるせん断応力には、以下（１）〜（３）に述べるような関係がある。
【００３６】（１）各断面Ａ、Ｂにねじりモーメントのみが作用している場合、舟体の前面側と後面側とでそれぞれ計測されるせん断応力は、符号が互いに逆向きで絶対値が同じである。
（２）各断面Ａ、Ｂに上下方向の曲げモーメントが作用する場合（すなわち各断面Ａ、Ｂにせん断力が作用する場合）、舟体の前面側と後面側でそれぞれ計測されるせん断応力は、符号も絶対値も同じである。
（３）各断面Ａ、Ｂに前後方向の曲げモーメントが作用する場合、計測されるせん断応力はゼロである。
【００３７】つまり、舟体前面側（表側）と舟体後面側（裏側）で測定されるせん断応力の和は、測定断面に作用するせん断力に比例し、該せん断応力の差は、測定断面に作用するねじりモーメントに比例する。さらに、空気的な抗力のように、ねじりを伴わない前後方向の曲げ荷重に対しては、測定されるせん断応力はゼロである。したがって、２ヶ所の縦断面Ａ、Ｂのせん断応力を測定することにより、空力的抗力の影響を受けずにねじりモーメントＭA、ＭBとせん断力τA、τBを同時に計測することが可能である。
【００３８】ところで、２ヶ所の縦断面Ａ、Ｂについて、舟体の前面側と後面側のせん断応力を出力すると、舟体１本当り計４ヶ所のせん断応力を出力することになり、データ点数が増えて取り扱いが煩雑になる。そこで、データ点数を減らして取り扱いを簡単にするため、以下の操作を施す。
【００３９】図３を用いて上述したように、各断面Ａ、Ｂにおいて、舟体１２上向きに作用するせん断応力の符号を正（＋）とし、舟体１２下向きに作用するせん断応力の符号を負（−）とする。すると、各２軸用歪みゲージ３１で計測されるせん断応力τA1、τB1（前面側）、τA2、τB2（後面側）と、ねじりモーメントＭA、ＭB、せん断力τA、τBには、次式の関係が成り立つ；
【数１】

【００４０】上記した２つの式Ｆf＝｛（−ＭA＋ＭB）＋Ｉn｝／ｖＦc＝（−τA＋τB）−Ｆineより、前後方向ならびに上下方向接触力を求めるために必要な量は、ねじりモーメントＭA、ＭB、せん断力τA、τBの各々の量ではなく、ＭA−ＭB及びτA−τBである。これらの量は、次式のように表される；
【数２】

ここで、α＝τA1−τB1、β＝τA2−τB2と定義すると、前後方向接触力Ｆfを求めるために必要なＭA−ＭB、及び、上下方向接触力Ｆcを求めるために必要なτA−τBは、これらα及びβを用いて次式のように表される；
【数３】

【００４１】したがって、舟体１２前面側の２つの２軸用歪みゲージ３１を図６（Ｃ）のようにブリッジ結線してαを出力させ、舟体１２後面側の２つの２軸用歪みゲージ３１を図６（Ｄ）のようにブリッジ結線してβを出力させれば、これらα及びβから２つの量α−βとα＋βが得られ、ＭA−ＭB及びτA−τBを求めることができる。これにより、舟体１本当りのせん断応力のデータ点数を２つに減らすことができる。
【００４２】次に、上記の方法により接触力の測定を行った結果の具体的な事例について、図８〜図１４を参照しつつ述べる。なお、パンタグラフとしては、新幹線用のＰＳ２０３パンタグラフを用いている。
（Ａ）静荷重試験図８は、本発明者らの行った静荷重試験法を説明するための模式図である。この図に示す静荷重試験は、舟体１２Ａあるいは１２Ｂの摺り板１４上面に、テープでワイヤ６５を貼り付ける。ワイヤ６５の端部には、滑車５３を介して重り５５が釣り下げられている。この重り５５により、舟体１２に前後方向の静荷重を加える。なお、上下荷重は、図示されていないが舟体１２の摺り板１４上面に重りを載せることで与えた。荷重を与える位置は、舟体１２中央及び中央から左右にそれぞれ２００ｍｍ偏位させた位置とした。
【００４３】このようにして静荷重を与えたときの２軸用歪みゲージの出力α及びβを計測する。これら出力α、βに基づき、前後荷重推定値（α−βに比例）、上下荷重推定値（α＋βに比例）と、実際に与えた静荷重との間に十分な線型性があるか否かを調べた。なお、一対の舟体１２Ａ、１２Ｂの互いに対向した側面を内方と呼び、内方と逆側の側面を外方と呼んだとき、内方側面の歪みが出力αに相当し、外方側面の歪みが出力βに相当する。
【００４４】図９（Ａ）は、上記の静荷重試験において舟体中央位置に上下方向荷重を与えた場合の接触力測定値を示すグラフであり、図９（Ｂ）は、同静荷重試験において舟体中央から２００ｍｍ偏位させた位置に上下方向荷重を与えた場合の接触力測定値を示すグラフである。図１０（Ａ）は、上記の静荷重試験において舟体中央位置に前後方向荷重を与えた場合の接触力測定値を示すグラフであり、図１０（Ｂ）は、同静荷重試験において舟体中央から２００ｍｍ偏位させた位置に前後方向荷重を与えた場合の接触力測定値を示すグラフである。これらのグラフは、横軸が与えた荷重を示し、縦軸が測定値を示す。また、○によるプロットが上下方向接触力測定結果を表し、△によるプロットが前後方向接触力測定結果を表す。
【００４５】図９及び図１０に示すように、荷重推定結果がほぼ線型であること、荷重位置を変えても推定精度が悪化しないことがわかり、前後荷重推定値がα−βに比例し、上下荷重推定値がα＋βに比例していることが実際に確認できた。また、上下荷重と前後荷重との連成が十分に小さい、すなわち上下荷重のみを加えたときには前後荷重推定結果がほぼゼロとなり、前後荷重のみを加えたときには上下荷重推定結果がほぼゼロになることもおおむね確認できた。また、静荷重を与える位置を変えても、図６（Ｃ）及び（Ｄ）のブリッジ結線出力は殆ど変化しないことも確認できた。
【００４６】（Ｂ）加振試験次に、加振試験による接触力測定精度の結果を述べる。図１１は、本発明者らが行った前後方向加振試験法を説明するための模式図である。図１２は、図１１の前後方向加振試験の試験結果を示す図であり、（Ａ）は出力ゲインの波形を示すグラフ、（Ｂ）は位相の波形を示すグラフである。図１３は、本発明者らが行った上下方向加振試験法を説明するための模式図である。図１４は、図１３の上下方向加振試験の試験結果を示す図であり、（Ａ）は出力ゲインの波形を示すグラフ、（Ｂ）は位相の波形を示すグラフである。
【００４７】図１１及び図１３に示す加振試験法においては、以下の試験器を備えている。
（ａ）加振機６１この加振機６１の仕様は、動電型加振機ＡＳＥ−１２、ｐｐ１５ｍｍ、５〜１０ｋＨｚ、明石製作所製である。なお、この加振機６１の特性により、加振力には５Ｈｚ以下の成分は含まれない。
（ｂ）ロードセル６２このロードセル６２の仕様は、引張圧縮両用小型ロードセルＬＵ−２０ＫＳＢ３４Ｄ、−１９６．１〜＋１９６．１Ｎ、固有振動数５ｋＨｚ、共和電業製である。同ロードセル６２は、加振機６１に付設されている。ロードセル６２は、図１１の前後方向加振の場合は、ワイヤ６５を介して舟体１２Ｂの摺り板１４上面に繋がれている。一方、図１３の上下方向加振の場合は、舟体１２Ａの摺り板１４上面に上側から接する位置に配置されている。
【００４８】（ｃ）動歪みアンプ６３この動歪みアンプ６３の仕様は、ＤＰＭ−６１２Ｂ及びＤＰＭ−３０５Ｂ、共和電業製である。動歪みアンプ６３は、舟体１２Ａ、１２Ｂに貼り付けられた各２軸用歪みセンサ及びロードセル６２に電気的に接続されている。
（ｄ）加振信号源６４この加振信号源６４の仕様は、ＦＦＴアナライザＣＦ５２２０、小野測器製である。加振信号源６４は、加振機６１に電気的に接続されている。この加振信号源６４からは、加振波形が０〜１００Ｈｚの擬似ランダム波が出力される。
【００４９】この加振試験においては、加振は１点加振とし、加振位置を舟体１２の中央及び中央から左右に２００ｍｍ偏位させた位置とした。また、パンタグラフの押し上げ力は６０Ｎとしている。
【００５０】この加振試験におけるデータ解析は、以下の順序で行う。
（ステップ１）歪み（ねじりモーメントの差あるいはせん断力の差に変換）、加速度の加振力に対する周波数伝達関数を求める。
（ステップ２）周波数伝達関数から等価質量を逆算する。すなわち、ねじりモーメントの差に対する周波数伝達関数をＨM（ω）、加速度の加振力に対する周波数伝達関数をＨａ（ω）とし、前後方向接触力に関する場合に、加振側舟体に対しては次式【数４】

が成り立ち、非加振側舟体に対しては次式【数５】

が成り立つような等価質量Ｍeqを求める。等価質量Ｍeqは、位相が０ｄｅｇで、しかもほぼ一定の値であることが望ましいが、実際には周波数に対して変化する。そこで、測定可能周波数範囲内にてほぼ一定（しかも位相０ｄｅｇ）と見做せる値を等価質量として選択することになる。
【００５１】（ステップ３）推定加振力と測定加振力の比を求め、推定精度Ｇ（ω）を確認する。これは次式【数６】

で求められる。推定が正しく行われていれば、加振側の舟体ではＧ（ω）＝１、非加振側の舟体では０となる。
【００５２】上記の加振試験の結果を図１２及び図１４に示す。前後方向加振の場合は、図１２（Ａ）に示すように、約２０Ｈｚより高い周波数では若干出力波形が乱れているが、出力ゲイン波形はおおよそ１付近に安定して現れている。また、図１２（Ｂ）に示すように、位相も約２０Ｈｚ付近まではほぼゼロとなっている。これにより、約２０Ｈｚ以下においては十分な精度で前後方向接触力測定を行うことができる。また、接触力の作用する位置を変えても、測定精度は変化しない。
【００５３】上下方向加振の場合は、図１４（Ａ）に示すように、約４０Ｈｚまでは出力ゲイン波形はほぼ安定しており、また、図１４（Ｂ）に示すように、位相も約４０Ｈｚ付近まではほぼゼロとなっている。これにより、約４０Ｈｚ以下においては十分な精度で上下方向接触力測定を行うことができる。また、接触力の作用する位置を変えても、測定精度は変化しない。
【００５４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、パンタグラフの舟体の前後方向の接触力を測定できるとともに、上下方向の接触力も測定できる。
【出願人】 【識別番号】０００１７３７８４
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
【出願日】 平成１２年４月２４日（２０００．４．２４）
【代理人】 【識別番号】１００１００４１３
【弁理士】
【氏名又は名称】渡部 温
【公開番号】 特開２００１−３０９５０３（Ｐ２００１−３０９５０３Ａ）
【公開日】 平成１３年１１月２日（２００１．１１．２）
【出願番号】 特願２０００−１２２２９９（Ｐ２０００−１２２２９９）