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Zusammengesetzte metallische Schienenanordnung und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung geht aus von einer zusammengesetzten metallischen Schienenanordnung mit guten elektrischen Leitungseigenschaften über die gesamte Länge, bestehend aus einem metallischen, z. B. aus eisenhaltigem Metall bestehenden Grundelement mit einem Stegteil und einem Flanschteil, wobei einer dieser Teile mit Ausnehmungen versehen ist, und aus einem zweiten Element aus einem metallischen Material mit besseren elektrischen Leitungseigenschaften als das Grundelement, vorzugsweise aus Aluminiumlegierungen.
Bei einer vorbekannten Anordnung dieser Gattung ist an einem vom Stromabnehmer beschliffenen, aus hartem Material bestehenden, mit einer breiten Abnahmefläche versehenen Teil eine der Stromleitung dienende, aus gut leitendem, weichem Material besstehende Schiene als Zuleitung in der Weise angebracht, dass sie im wesentlichen in dem durch Druck beanspruchten Teil des Gesamtquerschnittes liegt und durch Verschraubung, Vernietung oder unter Zuhilfenahme von Befestigungswinkeln mit dem die Leitung verkörpernden Eisenelement verbunden ist. Ein solches Eisenelement als Eisenband kann auch um Flansche des der Stromzuleitung dienenden Teiles herumgebogen und dadurch infolge Verformung an der Schiene festgehalten werden.
Bei solchen zum Stand der Technik gehörenden Schienenanordnungen ergaben sich jedoch erfahrungsgemäss erhebliche Nachteile, u. zw. deshalb, weil eine Korrosion der Metalle an den Kontaktflächen und die Bildung galvanischer Elemente zwischen den Bestandteilen der Schienen unvermeidbar war. Solche Korrosionen bewirkten nicht nur Stromverluste in den Kontaktflächen, sondern zeitigten darüber hinaus auch erhebliche Erosionen in einem der Metalle, wodurch die Lebensdauer solcher Schienen beträchtlich verringert wurde.
Bei der Verwendung mechanischer Verbindungen zur Befestigung der beiden Elemente aneinander bestand häufig die Gefahr, dass sich diese auf Grund der verschiedenen thermischen Ausdehnung der metallischen Teile lösten. Dieses Lösen führt wie auch anderes zum Eindringen von Feuchtigkeit und zu einer beschleunigten Korrosion an den Kontaktflächen. Ausserdem waren viele vorbekannte bimetallische Schienen notwendigerweise in ihrem Aufbau unsymmetrisch. Mit andern Worten hatten die Querschnittsmassen der Metalle nicht einen gemeinsamen Massenmittelpunkt.
In solchen Fällen waren die auf die verschiedenen Teile einer bestimmten Schiene durch Wärmeausdehnung einwirkenden Kräfte nicht vollständig im Gleichgewicht, was zu einer fortwährenden Verformung der Schiene führte, und bei den meisten vorbekannten bimetallischen Schienen mussten die metallischen Elemente nachbearbeitet werden, damit gute Passflächen und ein guter elektrischer Kontakt dazwischen sichergestellt war. Alle diese zuvor genannten Faktoren trugen wesentlich zu den Anfangs-oder Grundkosten solcher Schienen bei und schlossen ihre volle kommerzielle Anwendung aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden. Die zu schaffende Schiene soll wesentlichen den folgenden Kriterien genügen, die für die kommerzielle Anwendung von Schienen bei elektrifizierten Eisenbahnen von Bedeutung sind. Sie soll mit geringsten Verlusten
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elektrischen Strom über grosse Entfernungen leiten können. Die verschiedenen metallischen Teile sollen in solcher Weise miteinander verbunden sein, dass eine Trennung auch bei sich ändernden und heftigen
Spannungen nicht auftreten kann, die als Folge der normalen und erwarteten Unterschiede in der
Wärmeausdehnung und Zusammenziehung der Bauteile und der normalen erwarteten Belastung und auch Extrembeanspruchungen auftreten, denen die Schienen ausgesetzt werden, einschliesslich dem
Kontakt zwischen einem Kollektor und einem sich bewegenden Zug.
Die Schienenanordnung soll ausserdem einen optimalen Widerstand gegen Korrosion auf Grund galvanischer Vorgänge haben.
Die der Erfindung zugrundegelegte Aufgabe wird dem wesentlichsten Erfindungsmerkmal zufolge dadurch gelöst, dass das zweite Element unter innigem elektrischem Flächenkontakt mit dem Stegteil und den Flanschteilen des Grundelementes an das Grundelement angegossen ist, wobei wenigstens über den grösseren Abschnitt von dessen Länge das zweite Element die Ausnehmungen innig ausfüllt, um das
Grundelement und das zweite Element miteinander zu verbinden.
Durch das Angiessen des genannten zweiten, bessere Leitungseigenschaften aufweisenden
Elementes an das Grundelement ergeben sich mehrere Vorteile. Zunächst ist ein inniger Flächenkontakt und ein elektrischer Kontakt zwischen Stahl und Aluminium sichergestellt, da das Schrumpfen des gegossenen Aluminiums beim Kühlen dazu führt, dass das Aluminium fest gegen den Stahl gepresst wird.
Zweitens füllt das Aluminium beim Giessen im wesentlichen vollständig die Ausnehmungen in der
Stahlschiene. Drittens ist keine Bearbeitung sowohl des Aluminiumeinsatzes als auch der Stahlschiene erforderlich, um vollständig anliegende Flächen auf beiden Teilen zu erzielen. Schliesslich macht es das
Eingiessen des Aluminiums verhältnismässig einfach, die Masse des Aluminiums und die Masse des Stahls mit einem gemeinsamen Massenmittelpunkt zu versehen.
Sind die Ausnehmungen in der Stahlschiene gross und liegen sie dicht beieinander, so verbessern sie die Gesamtleitfähigkeit der zusammengesetzten Schiene und stellen ausserdem ein Mittel dar, um in vorteilhafter Weise das Niveau des geschmolzenen Aluminiums in der Giessform zu egalisieren, wenn der Aluminiumeinsatz oder die Einsätze, wie das gerade der Fall sein mag, eingegossen und danach kontrolliert abgekühlt werden, wie das nachfolgend näher erläutert werden soll.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat der Aluminiumteil der zusammengesetzten Schienenanordnung zwei freiliegende Flächen, wie das der Fall ist, wenn er zu beiden Seiten des Steges einer H-oder I-förmigen Schiene eingegossen ist. Ein Schrumpfen bei Verfestigung und Abkühlen des eingegossenen Aluminiums führt normalerweise dazu, dass gewisse Teile des Aluminiumeinsatzes in der Nähe gewisser Teile der Flansche der Stahlschiene etwas weg und ausser Kontakt von diesen Flanschen an den zuvor genannten Stellen gezogen werden.
Gemäss dieser Ausführungsform der Erfindung sind zum Zwecke der Kompensation eines solchen Wegziehens des Aluminiums von den Flanschen der Stahlschiene die freiliegenden Oberflächen des Aluminiumelementes teilweise bearbeitet, beispielsweise durch Rollen, Pressen oder Schmieden, wodurch das Aluminium in dem Bereich des äusseren Stahlflansches in festen Kontakt mit diesen Teilen des Stahlflansches gedrückt wird. In diesem Falle können die Aluminiumflächen heiss oder kalt bearbeitet werden. Vorzugsweise wird wenigstens eine gewisse Kaltbearbeitung angewendet, um einige Restspannungen in dem Aluminium zu erzeugen, die dazu führen, dieses fester in Kontakt mit den Stahlflanschen zu halten und damit die mechanische Verbindung zwischen Stahl und Aluminium zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung ist weiters ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer oben bezeichneten Schienenanordnung, u. zw. ist diesem Verfahren zufolge vorgesehen, dass das perforierte und mit Flanschen versehene Grundelement durch eine Metallgiesszone geführt wird, deren geschmolzenes Metall bessere elektrische Leitungseigenschaften als das Grundelement aufweist, wobei das geschmolzene Metall in die Ausnehmungen des Grundelementes eindringt und diese füllt, worauf eine gesteuerte Abkühlung und Verfestigung des geschmolzenen Metalls erfolgt, so dass das zuletzt genannte Metall in innigem Flächenkontakt mit dem mit Flanschen versehenen Grundelement schrumpft und teilweise und fest eingebettet mit diesem Grundelement mechanisch unlösbar verbunden wird.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren füllt also das eingegossene Metall im wesentlichen vollständig die Ausnehmungen in den Stahlschienen aus, so dass das Metall in den Ausnehmungen im
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Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durchgeführt. Es wird ein mit Ausnehmungen und Flanschen versehenes Stahlelement durch eine Giesszone geführt, die ein geschmolzenes Metall, wie beispielsweise Aluminium, aufweist. Das geschmolzene Metall wird in die Lage versetzt, die Ausnehmungen in der Stahlschiene zu füllen und andere Teile der Stahlschiene zu umfassen. Dann wird das geschmolzene
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Metall kontrolliert abgekühlt, das dann durch Schrumpfung in innigen Kontakt in mechanische
Verbindung mit der Stahlschiene kommt.
Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass der Massenmittelpunkt der Stahlschiene mit dem der Masse des abgekühlten und verfestigten Metalls zusammenfällt.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Eingiessen des
Aluminiumeinsatzes dadurch bewirkt, dass ein H-oder I-förmiges Stahlprofil vertikal abwärts mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch eine Giessform geführt wird, so dass der Stahlschienenteil am
Boden der Giessform heraustritt, wo dann im wesentlichen festes Aluminium auf wenigstens einer Seite des Steges des Stahlschienenteiles gebildet ist. Bei diesem Giessvorgang kann das geschmolzene
Aluminium auf beiden Seiten des Steges oder nur zu einer Seite des Steges eingeleitet werden. Wo in den Stahlschienenteil auf mehreren Seiten geschmolzenes Metall eingegossen wird und die Entfernung zwischen benachbarten Durchbrüchen in einem Abschnitt des Stahlteiles geringer als die Tiefe der flüssigen Phase in der Giessform ist, tritt ein Selbstregulierungseffekt auf.
Zum Beispiel kann der flüssige
Teil des geschmolzenen Aluminiums zu beiden Seiten des perforierten Steges des Stahlteiles dann durch eine fortlaufend flüssige Phase über wenigstens einen der Durchbrüche verbunden sein, wobei das geschmolzene Aluminium sein eigenes Niveau zu finden sucht und wobei die flüssige Phase in der
Giessform zu beiden Seiten des Steges immer im wesentlichen in der gleichen Beziehung zu dem abgeschrägten Teil der Giessform steht, die die Verfestigung besorgt. Das geschmolzene Metall verfestigt sich dann an dem Boden eines Flüssigkeitsbehälters, so dass keine sich treffenden Leitungen von dem geschmolzenen Aluminium gebildet werden, die sich auf bereits verfestigtes Aluminium ergiessen.
Das stellt sicher, dass das Aluminiumelement eine im wesentlichen dichte Gussmasse ist und ein fortlaufendes monolithisches Element bildet, das eine gute elektrische Leitfähigkeit über die gesamte
Länge hat, wenn es bei einer bestimmten Länge der fertigen bimetallischen Schienenanordnung angewendet wird.
Obwohl das nach dem Verfahren hergestellte Formstück nicht herkömmlich ist, indem es sowohl aus Aluminium als auch aus Stahlteilen besteht, sind doch gebräuchliche Giesstechniken zum fortlaufenden Giessen anwendbar. Zum Beispiel kann geschmolzenes Aluminium in die oberste einer
Giessform eingeführt und die Giessform in der gewöhnlichen Weise abgekühlt oder abgeschreckt werden.
Das bimetallische Formstück kann ausserdem aus dem Boden der Giessform mit solcher Geschwindigkeit herausgezogen werden, dass das gegossene Aluminium wenigstens in den äusseren Bereichen der austretenden Teile des Formstückes vollständig verfestigt ist. Danach verfestigen sich sehr schnell die verbleibenden Querschnittsbereiche der unverfestigten Teile dieser austretenden Abschnitte durch Zuführung von Kühlmittel. Mit andern Worten, die Verfestigung von Aluminium in einem bestimmten Schienenabschnitt, die in der gekühlten Giessform durch Bildung eines Mantels aus festem Aluminium begonnen worden ist, das einen geschmolzenen Kern von Aluminium in dem Aluminiumabschnitt umgibt, kann in diesem Schienenabschnitt im wesentlichen unmittelbar nach dem Austritt eines solchen Schienenabschnittes aus der Giessform zu Ende geführt werden.
Wie zuvor bereits bemerkt, kann das Aluminiumsegment des bimetallischen Formstückes, das zu der endgültigen Schienenanordnung wird, im Ergebnis die Form eines fortlaufenden Aluminiumelementes annehmen, das den Raum zu jeder Seite des Steges des Stahlelementes sowie auch die Durchbrüche in dem Steg einnimmt. Wegen der Geschwindigkeit des Giessvorganges und dem höheren Schmelzpunkt des Stahls relativ zu dem Aluminium oder ungefähr 28000F im Verhältnis zu ungefähr 12000F für E. C.-Aluminium, werden weder die mechanischen noch die physikalischen Eigenschaften des Stahlelementes, das verwendet wird, durch den Giessvorgang negativ beeinflusst.
An Hand in den Zeichnungen dargestellter verschiedener Ausführungsformen von bimetallischen Schienenanordnungen, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Fig. 1 ist ein Schnitt 1-1 durch die nachfolgende Fig. 2 und zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schienenanordnung mit einem elektrischen Kontaktschuh, der in gestrichelten Linien dargestellt ist und an der Schienenanordnung anliegt, Fig. 2 zeigt einen Teil der Schienenanordnung gemäss Fig. 1 von der Seite, Fig. 2a ist ein Schnitt durch eine andere bimetallische Schiene gemäss der Erfindung, Fig. 3 zeigt eine allgemeine und etwas schematische Draufsicht auf eine Giessformanordnung, die zum Herstellen der Schiene gemäss den Fig. 1, 2 und 2a geeignet ist, Fig.
4 ist eine weitere schematische Darstellung der Giessformanordnung gemäss Fig. 3, Fig. 5 zeigt teilweise und in Seitenansicht eine Rollenanordnung, durch die die bimetallische Schiene gemäss Fig. 1 nach dem Giessvorgang geführt werden kann und Fig. 5a ist ein Teilschnitt eines Teiles der Schienenanordnung gemäss Fig. 1.
Wenn auch die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Verfahren zur Herstellung einer bimetallischen elektrischen dritten Schienenanordnung beschrieben wird, in der ein l-förmiges
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Stahlelement verwendet wird, und auch in Bezugnahme auf das durch dieses Verfahren hergestellte Produkt, so ist natürlich selbstverständlich, dass das Verfahren in gleicher Weise für die Herstellung von bimetallischen Gegenständen der verschiedensten Formen und für die verschiedensten Anwendungszwecke anwendbar ist. Zum Beispiel kann das Stahlelement H-förmig, 1-förmig, Y-förmig oder kanalförmig sein, und das fertige Produkt kann als Sammelschiene oder als dritte Schiene verwendet werden.
Zunächst sei auf die Zeichnungen und dort insbesondere auf die Fig. 1 Bezug genommen. Eine zusammengesetzte Schienenanordnung --10-- weist ein Stahlelement --10'-- auf, das grob gesehen I-förmig sein mag und so mit gegenüberliegenden symmetrischen Flanschen --11-- und einem gewöhnlichen Steg --12-- versehen ist. Der Steg ist längs mit einer Reihe von Löchern--IS-- versehen, die rund oder elliptisch oder anderweitig geformt sein können.
Der Aluminiumteil der Schienenanordnung --10-- besteht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, die als ein monolithischer Einsatz -15-- gegossen ist oder wenigstens einen U-förmigen Hohlraum auskleidet, der durch den Steg-12--und die Flansche --11-- der
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Verwendung ab, für die die Schienenanordnung gedacht ist. Im Falle einer bimetallischen dritten Schiene kann relativ weicher, niedriggekohlter Stahl von der Spezifikation A-36 der American Society of Testing Materials für das Stahlelement --10'-- verwendet werden, und herkömmliches E.
C. -Aluminium oder Aluminiumlegierungen können für die eingegossenen Einsätze --15-verwendet werden, da solche Legierungen gewöhnlich die üblichen Stromleitungseigenschaften der meisten Schienenverwendungen als dritte Schiene haben. Obwohl die endgültige Länge der zu giessenden
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Fertigung und Handhabung eine Länge von 30 bis 60 Fuss haben.
Die längs im Abstand angeordneten Löcher --13-- in dem Steg --12-- der Schienenanordnung--10--, wie sie bei der bevorzugten Ausführungsform gemäss Fig. 1 dargestellt ist, sind ziemlich grosse runde Löcher, die vorher eingestanzt und eng benachbart sind, so dass die eingreifenden Einsatzteile --16-- des Aluminiumelementes, die diese öffnungen ausfüllen, verhältnismässig grosse Durchmesser haben und verhältnismässig eng benachbart sind.
Der dichte Abstand der Durchbrüche oder öffnungen sorgt dafür, dass aufeinanderfolgende Löcher--13--während des Giessvorganges in flüssiges Aluminium eintauchen, wodurch sehr einfach eine im wesentlichen gleichzeitige Verfestigung des Aluminiums zu beiden Seiten des Steges herbeigeführt werden kann, und ein Herüberfliessen von geschmolzenem Aluminium von einer Seite des Steges zu der andern wird vermieden. Die Löcher-13--können z. B. einen Durchmesser von 11/2 Zoll und einen Abstand von 2 1/2 Zoll in einer Schienenanordnung --10-- haben, die die Form eines Stahlträgers hat und 5 Zoll hoch und an ihren Flanschen 3 Zoll breit ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Einführen in die Giessform das Stahlelement--10'--sandgestrahlt, um Hammerschlag, Rost, öl oder andere Bestandteile zu entfernen, die sich auf den Oberflächen des Stahls befinden mögen und die möglicherweise eine vollständige Anhaftung des eingegossenen Einsatzes --15-- aus Aluminium an dem Stahlelement - 10'--beim Giessen verhindern können. Ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis bei diesem Sandstrahlen ergibt sich dadurch, dass es zu einer Aufrauhung der Oberflächen des stahlelementes --10'-- führt.
Dieser Vorgang sorgt für den gewünschten späteren innigen Flächenkontakt und die mechanische Bindung zwischen den beiden Metallen, die das endgültige Produkt bilden.
Eine gesamte Giessanordnung, die zum fortlaufenden Giessen der bimetallischen Schienenanordnung nach dem Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung dienen kann, ist allgemein in den Fig. 3 und 4 der Zeichnungen dargestellt. Diese Giessformanordnung weist zwei Platten--20 und 21-der gekühlten Giessform auf, die vorzugsweise aus Metall bestehen, das eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer. Die Platten-20 und 21--
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--11-- der- -10'-- gerichtet werden kann. Die Platten--20 und 21--können ausserdem gegebenenfalls mit inneren Kammern für Kühlflüssigkeit versehen werden.
Die Giessformelemente darstellenden Platten --20 und 21--wirken vorteilhafterweise mit den Flanschen der Schienenanordnung--10--
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zusammen und bilden so Giessformhohlräume zu jeder Seite des Steges --12-- der Schienenanordnung-10-. Der passende enge Kontakt zwischen den Platten-20 und 21-und den Flanschen --11-- der Schiene wird durch eine von mehreren Federn --22-- aufgebrachte Spannung aufrechterhalten.
Die Federn --22-- sind an den äusseren Teilen von Befestigungsschrauben - zwischen den Platten-20 und 21-und Scheiben-22'-und Befestigungsmuttern - -23'-- angeordnet. Die Gesamtanordnung der Platten-20, 21-und Schrauben-25-usw. ist in einer passenden Giesslage durch nicht dargestellte Backen gehalten.
Der Querschnitt des
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gekühlten Platten--20 und 21--vorteilhafterweise an dem Flansch--11--des Stahlelementes -10'-- relativ flüssigkeitsdicht anliegen, wenn das Stahlelement--10'--dazwischen hindurchläuft, während sie gleichzeitig in passender Weise einen Abstand von dem Steg--12--haben, so dass insgesamt ein Giesshohlraum gebildet ist, der aus einzelnen kleineren Hohlräumen-60 und 61-zwischen den Flanschen--11 und 62--in dem Steg--12-des Stahlelementes--10'--besteht.
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hohles Inners und viele passende Verteileröffnungen-36-für die fortwährende Verteilung von Schmiermittel-37-, wie beispielsweise Spermazetöl,
auf die inneren Flächen der Platten-20 und 21-in Form eines dünnen Films auf, der einen Teil eines Millimeters in der Dicke beträgt. Aus
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Giessformanordnung durch einen gewöhnlichen Trog--31--mit einer solchen Geschwindigkeit eingeleitet, dass der normale Pegel-L-des geschmolzenen Metalls in der Giessform, der mehrere Zoll unterhalb des oberen Randes der Platten der Giessform liegt, im wesentlichen auf der gleichen Höhe oder in der Nähe der Höhe des Pegels der Kühlmittelzuführung auf der Rückseite der Platten - 20 und 21--und der Flansche des Stahlelementes--10'--liegt, so dass die normale feste Linie - des gegossenen Aluminiums und die flüssige Linie--M--in der in Fig. 4 dargestellten gewöhnlichen Weise ausgebildet werden.
Wenn starke Tränen-oder andere Oberflächendefekte auf der Oberfläche des gegossenen Aluminiums erscheinen, wenn es aus der Giessform austritt, so kann zusätzliches Spermazetöl als Schmiermittel zugeführt werden, indem der Durchsatz in einer Speiseleitung --36'-- erhöht wird, die den Sammelraum--35--speist.
Während das Volumen und die Geschwindigkeit der Zuführung von Kühlmittel von der jeweils hergestellten Schienenanordnung abhängt, kann das Kühlmittel bei der dargestellten Giessanordnung durch passende primäre Sprühköpfe--30--mit einem Druck von ungefähr 30 psi mit einem Durchsatz von 10 bis 15 Gallonen/min zugeführt werden. Die Sprühköpfe haben zweckmässigerweise eine solche Ausbildung, dass sich die Sprühbereiche überlappen und eine ununterbrochene Kühllinie auf den Aussenflächen der Platten-20 und 21-und den Flanschen --11-- der Schiene gebildet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Giessen in der Weise, dass sich die äusseren Umfangsbereiche des Aluminiums vollständig im wesentlichen am Pegel-A-der Fig. 4 oder mehrere Zoll unterhalb des Pegels-L--zu verfestigen beginnen, während sich die gesamte Aluminiummasse sehr schnell unmittelbar unterhalb des Bodens der Giessform und im wesentlichen in dem Bereich-B-verfestigt, der mehrere Zoll unterhalb des Bereiches --A-- liegt, wo weiterhin
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Giessformanordnung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10 Fuss/min läuft, wenn sie durch die gewöhnliche, nicht dargestellte Platte abgesenkt wird.
Ein Abstreifer --39-- für Kühlmittel, in gestrichelten Linien in Fig. 4 dargestellt, kann in einem passenden Abstand unterhalb des Bodens der Platten--20 und 21--angeordnet werden, um das Kühlmittel von der bimetallischen Schienenanordnung--10--abzustreifen und das Kühlmittel in eine passende Sammel-oder Abflusseinrichtung zu leiten (nicht dargestellt). Der Zweck dieser Abstreifeinrichtung soll nachfolgend näher erläutert werden. Wenn auch die verschiedensten Giessanordnungen verwendet werden können, so ist doch eine vertikale Giessanordnung zweckmässig, bei der das Stahlelement--10'--auf der Oberseite der Giessform einläuft, durch die gekühlten Platten - 20 und 21--der Giessform hindurchläuft und dann unterhalb dieser Elemente mit dem eingegossenen Aluminium austritt.
Bei der vertikalen Giessanordnung, wie sie dargestellt ist, ergibt sich
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eine Selbstnivellierung des geschmolzenen Metalls während des Giessvorganges. Das kann während der späteren Verfestigung des Aluminiums deshalb besonders wichtig sein, weil die flüssige Phase des geschmolzenen Metalls dadurch, dass sie immer über wenigstens ein Loch--13--in dem Steg -12-- in Verbindung steht und sich zu beiden Seiten des Steges--12--auf das gleiche Niveau einstellt, das Aluminium in einen solchen Zustand und an eine solche Lage in dem Gesamtgiessraum bringt, wie er oben definiert worden ist, dass ein bestimmter Querschnitt des Aluminiums in der zuvor erläuterten Weise beginnen kann, sich zu verfestigen und sich vollständig zu einer festen Gussmasse entlang der gleichen im wesentlichen planaren Linie--Z-verfestigt.
Der Aufbau der Bereiche-A und B--und des Flüssigkeitspegels-L--in der Giessform kann unter Bezugnahme auf die gewöhnlichen Giessverfahren zum fortlaufenden Giessen als Stranggiessen bezeichnet werden. Wegen der Art des verwendeten Stahlschienenelementes und wegen der Grösse und des relativ schnellen Durchlaufes durch die Giessform, die in der Grössenordnung von 10 Fuss/min erfolgen kann, wie das oben angegeben worden ist, wird die Schienenanordnung --10-- nicht negativ durch den Giessvorgang beeinflusst und behält alle seine gewünschten mechanischen und physikalischen Eigenschaften, und anderseits wird das Aluminium nicht negativ von der Stahlschiene während des Giessens beeinflusst.
Einer der besonderen Vorteile der Erfindung besteht darin, dass die fertige bimetallische Schienenanordnung, wie sie nach diesem Verfahren hergestellt ist, im wesentlichen von symmetrischer oder ausgeglichener Konstruktion ist, wobei der Massenmittelpunkt des einen Metalls, beispielsweise Stahl, im wesentlichen mit dem der Masse des Aluminiums an einem Punkt-X-im Querschnitt der fertigen Schienenanordnung gemäss Fig. 1 zusammenfällt. Diese Tatsache einer im Gleichgewicht befindlichen Konstruktion bedeutet für das fertige Produkt, beispielsweise für das gemäss Fig. 1, dass die Gesamtbiegeachse beider Metalle, beispielsweise Stahl und Aluminium, die gleiche ist.
Das bedeutet, dass bei irgendeiner unterschiedlichen Wärmeausdehnung oder Zusammenziehung der verschiedenen Metalle während der Verwendung der Schienenanordnung -10-- sowohl die Aluminium-als auch die Stahlmetalle sich alle und in gleicher Weise um die gleiche Achse zu biegen versuchen, so dass ein Aussereingriffkommen der beiden verhindert wird. Mit andern Worten bedeutet diese im Gleichgewicht befindliche Konstruktion oder die Symmetrie hinsichtlich der Kräfte, die die Schiene zu verformen suchen, dass sich die Kräfte gegenseitig die Waage halten, so dass eine Verformung der Schiene vermieden wird, da im wesentlichen alle diese Kräfte auf den gleichen Massenmittelpunkt oder in bezug zu diesem für beide Massen von Metall angreifen.
Zum Beispiel entstehen auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen den Metall-und Aluminiumteilen der Schiene keine Kräfte, die zu einer Verbiegung oder Verwindung der Schiene führen, da jede Kraft, die durch solche thermische Ausdehnung erzeugt wird, mit einer symmetrischen kompensierenden oder ausgleichenden Kraft im Gleichgewicht steht. Mit dem Giessverfahren lässt sich einfach und vollkommen gesteuert diese gemeinsame Zentrallage der Metallmassen in der bimetallischen Schienenanordnung--10--gemäss Fig. 1 erzielen.
Das Aluminium neigt nach dem Giessvorgang beim Abkühlen zum Schrumpfen, so dass es sich etwas von den Flanschen --11- des Stahlelementes wegzieht, so dass Poren oder Taschen--40-- gebildet werden, die etwas vereinfacht mit gestrichelten Linien für den oberen aus Aluminium bestehenden Einsatz--15--in Fig. 5 angedeutet sind.
Um das zu vermeiden, kann die Schienenanordnung einem passenden Pressvorgang unterworfen werden, beispielsweise einem Rollvorgang gemäss Fig. 5, bei dem Rollen --41-- mit seitlichen Rippen --42-- vorgesehen sind, die die Einsätze --15-- ausreichend zusammendrücken, so dass die Einsätze --15-- aus Aluminium vollständig wieder zurück und zur Anlage an die Flansche--11--des Stahlelementes gequetscht werden und so das fertige Schienenprodukt gemäss Fig. 1 entsteht, während kleine Rillen --43-- in den fertigen Einsätzen--15--zurückbleiben, wie das in den Fig. 1 und 5a ersichtlich ist.
Das zuvor genannte Schrumpfen auf Grund der Abkühlung und Verfestigung hat, auch wenn es den zuvor beschriebenen kleinen Nachteil der Trennung hat, anderseits doch die vorteilhafte Wirkung, dass es die mechanische Bindung und den Flächenkontakt zwischen dem Aluminium und dem Stahl bei den grösseren Kontaktflächen zwischen Stahl und Aluminium und auch hinsihtlich der kleineren Abschnitte des die Löcher--13--füllenden Aluminiums verbessert, was dann wichtig ist, wenn ein Strom von dem Aluminium zu dem Stahlelement während der Verwendung der Schiene übertragen werden soll
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die mechanische Verbindung des Aluminiums mit dem Stahl verbessern, indem beispielsweise die praktisch Hilfsniete darstellenden Einsätze --16-- in den Löchern--13--zusammengepresst werden.
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Die Bildung der zuvor genannten Taschen--40--auf Grund des Schrumpfens der Einsätze --15-- aus Aluminium beim Kühlen führt dazu, dass Kühlmittel aus den Sprühköpfen-30-diese
Taschen füllt, wenn die Schienenanordnung unterhalb der Befestigungslinie in dem Bereich--Z-- austritt. Durch Verwendung einer zuvor beschriebenen Abstreifvorrichtung, durch die das Kühlmittel von den Oberflächen der zusammengesetzten Schiene abgestreift wird, in einer passenden Höhe unterhalb der Befestigungslinie--Z-, kann in vorteilhafter Weise die Restwärme von ungefähr
9000F in den gegossenen Massen des Aluminiums ausgenutzt werden, um restliches verbleibendes
Kühlmittel aus diesen Taschen auszutreiben, das sich darin angesammelt haben mag.
Die Verwendung von Spermazetöl oder eines entsprechenden Mittels als Schmiermittel für die Giessform, möglicherweise unter Zusatz eines Mittels zur Verhinderung von Korrosion, ergibt den weiteren Vorteil für das fertige
Produkt, dass in den Bereichen, in denen der Flansch der Schiene und der Aluminiumeinsatz aneinander anliegen, wo die Schrumpfung des Einsatzes des Aluminiums am ausgeprägtesten ist, das Spermazetöl als vorteilhafter Überzug auf den aneinander anliegenden Stahl- und Aluminiumflächen wirkt, die die Taschen --40-- umschliessen. Dieser Überzug aus Spermazetöl wird während des Giessvorganges oder während des Rollvorganges nicht zerstört oder unterbrochen, wenn auch eine geringe Menge des Spermazetöls während des Rollens herausgedrückt werden mag,
und das Spermazetöl verhindert nicht nur nicht den Übergang von Strom von dem Aluminium zu dem Stahl während der Benutzung, es begünstigt vielmehr solchen Stromübergang. Das Vorhandensein dieses Überzuges von Spermazetöl in den geschlossenen Taschen --40-- verhindert das Auftreten galvanischer Vorgänge im Bereich der geschlossenen Tasche--40--. Wenn auch dieser Überzug aus Spermazetöl in den meisten Fällen ausreicht, galvanische Wirkungen kleinzuhalten, so mag es doch einige Anwendungsfälle geben, bei denen die Anwendung einer Füllung eines dichtenden Material, wie beispielsweise eines Urethananstriches des Grenzbereiches zwischen Stahlflansch und Aluminium zweckmässig ist. Es mag ausserdem in einigen Fällen zweckmässig sein, vor dem Rollvorgang zusätzliches Spermazetöl in die Taschen --40-- einzuspritzen.
Im allgemeinen können Probleme der galvanischen Elementbildung und Korrosion weitgehend ausser acht gelassen werden, u. zw. auf Grund des allgemeinen guten innigen Flächenkontaktes und der guten mechanischen Bindung, die in dem Kontaktbereich zwischen den ungleichen Metallen, wie beispielsweise Aluminium und Stahl, bei der fertigen Schienenanordnung auftreten.
Die besonderen Giessmassnahmen bei der Erfindung führen zu einem wirksamen und billigen Fertigungsprogramm, in dem sehr einfach eine ausgeglichene Konstruktion gefertigt werden kann, indem Toleranzen bei der als Ausgangsteil dienenden Stahlschiene in einfacher Weise ausgeglichen werden, und bei dem der gewünschte Flächenkontakt und die mechanische bimetallische Bindung erzielt werden.
Der zusätzliche Verfahrensschritt des Rollens kann gegebenenfalls die Bindung und den Flächenkontakt zwischen den unterschiedlichen Metallelementen der Schiene verbessern und gegebenenfalls in einigen Fällen dazu dienen, dem Produkt die Vorzüge eines teilweise bearbeiteten oder deformierten Produktes zu geben. Ein Vorzug besteht dann ebenfalls hinsichtlich des guten Finishs der Flächen des gerollten Elementes oder der gerollten Elemente.
In einigen Fällen mag es nach dem Rollen als letztem Verfahrensschritt zweckmässig sein, die zusammengesetzte Schiene einem Streckvorgang zu unterwerfen. Dieser Vorgang kann dazu dienen, die Schiene abschliessend zu richten und irgendwelche Krümmung zu korrigieren, die während des Giessund/oder Rollvorganges entstanden sein mag. Erfolgt die Streckung durch herkömmliche Streckmaschinen, so sollte die zusammengesetzte Schiene vorzugsweise bis etwas über die Streckgrenze des Stahls, jedoch nicht bis hin zur Streckgrenze des Aluminiums, in solcher Weise gestreckt werden, dass keine Restspannungen weder in dem Stahl noch in dem Aluminium verbleiben, die eine Trennung der bimetallischen Komponenten einleiten oder später begünstigen könnten.
Wenn auch die Erfindung unter Bezugnahme auf elektrische Eisenbahnen beschrieben worden ist, so soll der Ausdruck "elektrische Eisenbahn" im allgemeinen Sinn gemeint sein, es fallen auch darunter über Kopf laufende Kräne oder andere Einrichtungen, die fahrbar sind und Strom von einem stationären Leiter zum Zwecke des Antriebes oder des Betriebes an einer andern Anordnung abnehmen.
Die erfindungsgemässe Schiene ist vorzugsweise für die Verwendung bei elektrischen Eisenbahnanlagen gedacht, da solche Anlagen grosse Schienenlängen benötigen, für die eine konstante fortlaufende hohe Leitfähigkeit erforderlich ist. Wenn auch die Erfindung in bezug auf eine Schienenanordnung beschrieben ist, die ein Stahlelement mit zwei Flanschen aufweist, so kann doch die Schienenanordnung auch nur einen Flansch haben. Beispielsweise für über Kopf laufende Schienenanordnungen mag es zweckmässig sein, die Schiene an dem Steg aufzuhängen. In diesem Fall mag eine Schiene mit nur
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einem Flansch zweckmässig sein, wobei der Steg über das Aluminiumelement vorsteht und so ein Mittel zum Aufhängen der Schiene an einem Aufhänger oder einer andern Halterung darstellt.
Wenn es auch besonders zweckmässig ist, eine Schienenanordnung mit mehreren Metallen herzustellen, die in bezug auf ihr Zentrum symmetrisch ist, so liegt es doch auch im Sinne der Erfindung, unsymmetrische Schienen herzustellen, insbesondere dann, wenn die Schienen innerhalb von Gebäuden verwendet werden, wo Temperaturänderungen, die die Form der Schiene beeinflussen können, bei der Konstruktion der Schienenanordnung kein besonderer Faktor sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schienenanordnung, die gemäss der Erfindung gefertigt werden kann, ist in Fig. 2a dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Stahlelement --50-- im wesentlichen kanalförmig, und ein Einsatz --15'-- aus Aluminium ist in einen Kanal --50'-- des Stahlelementes --50- eingegossen. Ein Steg-51--des Stahlelementes-50-ist mit einer Anzahl passender Löcher-52-versehen, die den gleichen Zweck wie die Löcher in dem I-Träger gemäss Fig. 1 haben und ein Teil des gesamten Giesshohlraumes sind. Die Stahl-und Aluminiummassen können hinsichtlich des Querschnittes ebenfalls den gleichen Mittelpunkt-Y-haben, so dass die Schienenanordnung vollständig symmetrisch ist.
Die fertige Schiene gemäss Fig. 2a kann in gleicher Weise einem Preys- odeur Rollvorgang unterworfen werden, um Spalte oder Taschen--55 oder 56--zu schliessen, die in Fig. 2a in gestrichelten Linien dargestellt sind und zwischen dem Aluminium und dem
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vergrössernde Querschnitt der Löcher-52-in dem Steg--51--der Schienenanordnung trägt zu einer guten Formschlüssigkeit der nietförmigen Vorsprünge--57--bei, die von dem Aluminium gebildet werden, das diese öffnungen während des Giessens und der nachfolgenden Verfestigung ausfüllt.
Schliesslich ist es bei der Erfindung auch möglich, Formelemente zum fortlaufenden Giessen zu verwenden, die unsymmetrische Hohlräume erzeugen, so dass der Aluminiumteil der Schiene sich verjüngt, bogenförmig ist oder andere Formen, je nach dem besonderen Anwendungszweck, hat, und auch um dem Aluminiumteil des Schienenelementes für eine bestimmte mechanische Funktion eine besondere Form zu geben. Beispielsweise mag die Schiene einen Flansch zur Anbringung an eine
Halterung erhalten. Diese vorteilhafte Abwandlung ist immer dann möglich, wenn die Haltekräfte nicht besonders gross sind. Ausserdem braucht die Schiene gemäss der Erfindung nicht unbedingt aus dem
Material Stahl zu bestehen, soweit es den Teil betrifft, der die Last trägt und als Anlage für den
Kontaktschuh dient, oder aus Aluminium, soweit es den die elektrische Leitung bewirkenden Teil betrifft.
An Stelle des Materials Stahl für das Element--10'--kann auch Gusseisen oder Titan verwendet werden, und für den eingegossenen Einsatz --15-- kann auch Kupfer oder Magnesium verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Zusammengesetzte metallische Schienenanordnung mit guten elektrischen Leitungseigenschaften über die gesamte Länge, bestehend aus einem metallischen z. B. aus eisenhaltigem Metall bestehenden Grundelement mit einem Stegteil und einem Flanschteil, wobei einer dieser Teile mit Ausnehmungen versehen ist, und aus einem zweiten Element aus einem metallischen Material mit . besseren elektrischen Leitungseigenschaften als das Grundelement, vorzugsweise aus Aluminium-
EMI8.2
Flächenkontakt mit dem Stegteil und den Flanschteilen des Grundelementes an das Grundelement angegossen ist, wobei wenigstens über den grösseren Abschnitt von dessen Länge das zweite Element die Ausnehmungen innig ausfüllt, um das Grundelement und das zweite Element miteinander zu verbinden.