CH718835A1 - Kufe für einen Streckentrenner. - Google Patents

Abstract

Verschleissarme Kufe (2a, 2b) für einen Streckentrenner zur Reduktion des Wartungsaufwandes. Die Kufe (2a, 2b) soll als Austauschteil mit bereits bestehenden Streckentrennern (1) kompatibel sein. Zur Erhöhung der Verschleissfestigkeit besteht die erfindungsgemässe Kufe (2a, 2b) aus einer ausscheidungshärtbaren Nichteisenmetalllegierung, die im Gegensatz zu den bisher bekannten Kupferlegierungen auch bei erhöhter Betriebstemperatur nicht erweicht.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Mit der aufkommenden Elektrifizierung der Eisenbahnlinien Ende des 19. Jahrhunderts wurde der Grundstein für ein energieeffizientes und umweltfreundliches Massentransportmittel gelegt. Für viele Staaten ohne eigene Kohlen- und Erdölvorkommen war dies eine zentrale Errungenschaft und der technologische Wandel wurde entsprechend beschleunigt.

[0002] Mit der Einführung der elektrifizierten Bahnlinien stellten sich aber neue Probleme. So muss das Fahrleitungsnetz die Schleifleiste des Pantographen und dadurch den Antriebsstrang der Lokomotive einerseits unterbrechungsfrei mit Elektrizität versorgen. Andererseits ist zur Wartung und dem Auffangen von Spannungsdifferenzen ein in Abschnitte unterteiltes Fahrleitungssystem notwendig.

[0003] Auf freier Strecke werden zur Lösung der Unterteilung sogenannte Lufttrennungen eingebaut. Wie sie beispielsweise in [Kiessling, F.; Puschmann, R.; Schmieder, A.: Fahrleitungen elektrischer Bahnen. Erlangen, Verlag Publicis Publishing, 2014] beschrieben sind. Bei der Lufttrennung wird der Abschnittwechsel zudem mit der Fahrdrahtabspannung kombiniert, womit sich auch das Problem der endlichen Fahrdrahtlänge löst.

[0004] Nebst den hohen Initialkosten einer Lufttrennung stellt sich auch das Platzproblem. Insbesondere im Bereich von Weichen zu Beginn oder am Ende von Bahnhöfen steht kaum der notwendige Platz für eine Lufttrennung zur Verfügung. Aber gerade dort ist eine Unterteilung der Fahrleitung in Abschnitte von grosser Bedeutung um bei Bedarf die Fahrleitung eines Gleises, beispielsweise für den Güterverlad, spannungsfrei schalten zu können.

[0005] In Anwendungsfällen mit beschränktem Platzangebot gelangen oft sogenannte Streckentrenner, wie sie beispielsweise in [Kiessling, F.; Puschmann, R.; Schmieder, A.: Fahrleitungen elektrischer Bahnen. Erlangen, Verlag Publicis Publishing, 2014] beschrieben sind, zum Einsatz. Diese führen in der Fahrleitung jedoch zu einer Massenkonzentration, einem sogenannten harten Punkt. Dieser behindert das freie Schwingen der Fahrleitung unter der Krafteinwirkung des Pantographen. Obschon man den Trenner in der Regel etwas höher als die Fahrleitung installiert, resultieren daraus erhöhte Kontaktkräfte zwischen dem Trenner und dem Pantographen.

[0006] Der Trenner weist sogenannte Kufen auf. Diese stellen die elektrische Verbindung zwischen dem Trenner und der Schleifleiste des Pantographen dar. Auf Grund der bereits erwähnten, erhöhten Kontaktkräfte, der kaum vermeidbaren Trennerdurchbiegung und der oft nicht optimalen geometrischen Einstellungen, verschleissen die Kufen schneller als der Fahrdraht und stellen somit einen erhöhten Wartungsaufwand dar. Deshalb offenbart die vorliegende Erfindung eine Kufe mit einer besonders hohen Abriebfestigkeit.

Stand der Technik

[0007] An das Kufenmaterial werden gegensätzliche Anforderungen gestellt: Nebst einer guten elektrischen Leitfähigkeit muss das Material auch hohen mechanischen Anforderungen, wie Abriebfestigkeit und Schwingungsfestigkeit genügen.

[0008] Das heute gängige Kufenmaterial ist Kupfer-ETP. Dieses weist eine gute elektrische Leitfähigkeit und für viele Anwendungsfälle eine ausreichende mechanische Festigkeit auf. Durch den Anpressdruck des Pantographen zerschleissen die Kufen unter gewissen Bedingungen jedoch schnell, was zu einem erhöhten Wartungsaufwand führt.

[0009] So wäre es theoretisch denkbar, eine Kufe mit einer abriebfesten Beschichtung zu versehen. Stellite<®>-Auftragungen, wie man sie aus dem Kraftwerkbau kennt, würden sich dazu aus mechanischer Sicht gut eignen. Nur weist Stellite<®>wegen dem hohen Kobaltgehalt eine sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit von unter 2% IACS auf.

[0010] Vereinzelt werden auch Kufen aus rostfreiem Stahl eingesetzt. Da auch rostfreier Stahl in Abhängigkeit der Legierungsbestandteile eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweist, erwärmen sich die Kufen stark und neigen beim Abbrand zur Schweissperlenbildung. Somit stellen auch Stahlkufen keine dauerhafte Lösung dar.

[0011] Seit dem Durchbruch der induktiven Wärmeerzeugung in Kochherden werden verstärkt Verbundmaterialien aus rostfreiem, magnetischem Stahl und Kupfer zur Pfannenherstellung bereitgestellt. Da der rostfreie Stahl die entsprechenden mechanischen Eigenschaften und das Kupfer die benötigte elektrische Leitfähigkeit sicherstellen würde, wären diese Verbundmaterialien grundsätzlich zur Kufenherstellung geeignet. Da bei der Wahl eines standardmässig verfügbaren Verbundmaterials vom bewährten tropfenförmigen Kufenprofil auf ein rechteckiges Profil gewechselt werden müsste, konnte sich diese Lösung bisher nicht durchsetzen.

[0012] Auch im Bereich der Fahrdrähte wurden in den vergangenen Jahren die mechanischen Eigenschaften verbessert. Durch die Legierung des Fahrdrahtkupfers mit Zinn, Silber und Magnesium sowie dem zur Herstellung des Fahrdrahtprofils hohen Umformungsgrades konnte die Abriebfestigkeit des Fahrdrahtes auch ohne Ausscheidungshärtung stark verbessert werden [EB 112 (2014) Heft 4 / p 207 ff]. Laborversuche haben jedoch gezeigt, dass sich durch den, bei der Herstellung des tropfenförmigen Kufenprofils geringeren Umformungsgrad, die Eigenschaften des Fahrdrahtes nicht auf das Kufenprofil übertragen lassen. Zudem erweichen die bekannten Fahrdrahtlegierungen bei erhöhten Betriebstemperaturen durch Rekristallisation, wie beispielsweise in der [EB 112 (2014) Heft 4 / p 207 ff] beschrieben ist. Durch den zeitweise nicht vermeidbaren hohen Stromfluss im Trenner können die Kufen schnell Betriebstemperaturen von weit über 100°C erreichen.

[0013] Für gewisse Anwendungen werden ausscheidungshärtbare Nichteisenmetalllegierungen eingesetzt. So ist seit Anfang des 20. Jahrhunderts die ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierung Duraluminium bekannt. Diese wird auch heute in weiterentwickelter Form in der Fahr- und Flugzeugindustrie eingesetzt. Durch die Möglichkeit des Ausscheidungshärtens ist die erreichbare Härte weitgehend unabhängig vom Umformungsgrad und durch den hohen Aluminiumanteil weist sie gute elektrische Eigenschaften auf.

[0014] Zur Herstellung von elektrotechnischem Verbindungsmaterial sind zudem aushärtbare Nichteisenmetalllegierungen auf Kupferbasis bekannt, die die gegensätzlichen Ansprüche der hohen mechanischen Anforderungen und der guten elektrischen Leitfähigkeit miteinander verbinden. Vertreter solcher, auf Kupfer basierenden Legierungen sind beispielsweise in der WO 2014/029798 oder in der DD 288 180 beschrieben. Nebst der Schwierigkeit, dass solche Legierungen bei ungeeigneten Herstellprozessen zu starker Sprödbruchanfälligkeit neigen, bilden sie bei erhöhten Temperaturen festigkeitssteigernde Ausscheidungen. Dadurch ist - im Gegensatz zu vielen Kupferwerkstoffen - durch Sonneneinstrahlung oder durch den elektrischen Innenwiderstand hervorgerufener Erwärmung keine Erweichung feststellbar. Im Gegenteil, durch die Ausscheidungen gewinnen sie an Festigkeit und Härte.

Darstellung der Erfindung

[0015] Wartungen an den Fahrleitungen sind sehr kostenintensiv. Die Strecke muss gesperrt, die Fahrleitung spannungsfrei geschaltet und geerdet werden. Zudem lassen die oft nur kurzen Intervalle keine rationelle Wartung zu.

[0016] Dies führt zum lang ersehnten Wunsch der Bahnbetreiber, die Intervalle der Kufenwartung substantiell verlängern zu können.

[0017] Durch die Massenkonzentration im Trenner übt der Pantograph auf die Kufen eine stärkere Anpresskraft als auf den freien Fahrdraht aus. Auch das übliche erhöhte Aufhängen des Trenners gegenüber der Fahrleitung, das sogenannte Überhöhen, kann dies nicht gänzlich verhindern. Der erhöhte Anpressdruck und die unvermeidbaren Abweichungen der Kufenlage zur idealen Einstellung führen zu einem teilweise starken Kufenverschleiss.

[0018] Durch den Einsatz von Kufen aus verschleissfesterem Material, wie beispielsweise aus ausscheidungshärtbaren Nichteisenmetallen soll eine substantielle Verlängerung der Wartungsintervalle erreicht werden.

Aufzählung der Zeichnungen

[0019] Figur 1 zeigt einen Trenner mit der erfindungsgemässen Kufe. Figur 2 zeigt den Trenner in Verbindung mit dem Pantographen und der Lokomotive. Figuren 3a und 3b zeigen die erfindungsgemässe Kufe.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[0020] Da weltweit unzählige Trenner (1) mit einem bestehenden Kufendesign im Einsatz sind, sollen die Kufen (2a, 2b) als Austauschteil in Verbindung mit den bereits bestehenden Trennern (1) verwendet werden können.

[0021] Bedingt durch die elektrotechnisch notwendige Überlappung (3) der Kufen (2a, 2b) sind am Trenner (1) wechselseitig eine kurze Kufe (2a) und eine lange Kufe (2b) notwendig. Diese weisen - je nach Fahrtrichtung der Lokomotive (10) - einen Einlauf (4) sowie ein Funkenhorn (5) auf. Die Funkenhörner (5) dienen dazu, einen allfälligen Lichtbogen steigen zu lassen und über den zunehmenden Luftabstand (6) zu löschen. Mit Hilfe von Langlöchern (7), wie sie beispielsweise in den Figuren 3a und 3b dargestellt sind, lassen sich die Kufen (2a, 2b) in der Höhe justieren. Anstelle der Langlöcher (7) und der Befestigungsschrauben (8) wäre auch eine Einstellung über einen nicht dargestellten Exzenter denkbar. Die Zugspannung des Fahrdrahtes (9), die aussermittig auf den Trenner (1) eingeleitet wird, führt zu einer Trennerdurchbiegung. Deshalb müssen die Kufen (2a, 2b) nicht nur in der Höhe, sondern auch in der Neigung einstellbar sein.

[0022] Eine ideal eingestellte Kufe (2a, 2b) nutzt sich im Bereich des Einlaufes (4) und der nicht dargestellten Gleitfläche des Pantographen gleichmässig ab. Trotzdem sind die Wartungsintervalle, verglichen mit dem Fahrdraht (9) kürzer, was zu einem zusätzlichen Wartungsaufwand führt. Die folgende, nicht abschliessende Aufzählung nennt mögliche Situationen, die die Wartungsintervalle zusätzlich verkürzen: • Die Kufen (2a, 2b) sind schlecht eingestellt. • Die Lokomotive (10) mit dem Pantographen (11) und der Schleifleiste (12) befindet sich wegen der Überfahrt von Weichen in einer Wankbewegung. • Der Trenner (1) ist nicht parallel zu den Geleisen (13) ausgerichtet, was dazu führt, dass nur eine Kufe (2a, 2b) von der Schleifleiste (12) des Pantographen (11) beschliffen wird. • Der Trenner (1) ist zu wenig überhöht, was zu einer verstärkten Anpresskraft des Pantographen (11) und der Schleifleiste (12) führt. • Die Schleifleise (12) des Pantographen (11) ist in schlechtem Zustand.

[0023] Da sich diese Situationen auch bei bester Wartung nicht immer vermeiden lassen, kommt dem erfindungsgemässen Kufenmaterial eine besondere Bedeutung zu.

[0024] Bei der erfindungsgemässen Ausführung wird als Kufenmaterial eine ausscheidungshärtbare Nichteisenmetalllegierung eingesetzt. Der Hauptbestandteil der Nichteisenmetalllegierung ist in einer bevorzugten Ausführung ein Schwermetell und gehört zur Gruppe der Buntmetalle. In einer besonders bevorzugten Ausführung könnte die ausscheidungshärtbare Nichteisenmetalllegierung beispielsweise aus den wesentlichen Bestandteilen Kupfer, Nickel und Silizium bestehen. Wobei neben dem Hauptbestandteil Kupfer und den üblichen Verunreinigungen 1-4 Massen-% Nickel und 0.3-3 Massen-% Silizium enthalten sind. Bekannt sind solche Legierungen auch für die Herstellung von elektrischem Verbindungsmaterial. Da es sich hier in der Regel um Komponenten mit verhältnismässig kleinen Abmessungen handelt, können diese problemlos in einem handelsüblichen Ofen unter Schutzgasatmosphäre ausscheidungsgehärtet werden. Das Ausscheidungshärten der erfindungsgemässen Kufe bedingt jedoch einen Ofen mit Spezialabmessungen und stellt einen entsprechend anspruchsvoll zu führenden Prozess dar. Ausscheidungshärtbare Kupferlegierungen neigen bei falscher Prozessführung zu Sprödbrüchigkeit, was im vorliegenden Fall zu einem Versagen der Kufe führen würde.

[0025] Lösungsgeglüht, kaltverformt und ausscheidungsgehärtet, wie dies beispielsweise die DIN EN 1173 im Zustand D vorsieht, können folgende minimalen Materialkennwerte erreicht werden, die auch die technologischen Eigenschaften der erfindungsgemässen Kufe charakterisieren: • Elektrische Leitfähigkeit > 17 MS/m • Härte >160 HB • Streckgrenze Rp0.2> 450MPa

Legende

[0026] 1 Trenner 2a Kurze Kufe 2b Lange Kufe 3 Überlappung 4 Einlauf 5 Funkenhorn 6 Luftabstand 7 Langlöcher 8 Befestigungsschraube 9 Fahrdraht 10 Lokomotive 11 Pantograph 12 Schleifleiste 13 Geleise

Claims (10)

1. Kufe (1) für einen Streckentrenner (2) in einer elektrischen Fahrleitung (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial aus einer ausscheidungshärtbaren Nichteisenmetalllegierung besteht.

2. Kufe (1) gemäss dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial als Hauptbestandteil ein Schwermetall enthält.

3. Kufe (1) gemäss mindestens einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial als Hauptbestandteil ein Buntmetall enthält.

4. Kufe (1) gemäss mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial als Hauptbestandteil Kupfer enthält.

5. Kufe (1) gemäss mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial bei erhöhten Betriebstemperaturen nicht erweicht.

6. Kufe (1) gemäss mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass des Kufenmaterials bei erhöhten Betriebstemperaturen nicht durch Rekristallisation erweicht.

7. Kufe (1) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kufenmaterial im Zustand D gemäss DIN EN 1173 befindet.

8. Kufe (1) gemäss mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial im Zustand D gemäss DIN EN 1173 eine Mindesthärte von 160 HB aufweist.

9. Kufe (1) gemäss mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial im Zustand D gemäss DIN EN 1173 eine elektrische Leitfähigkeit von über 17 MS/m aufweist.

10. Kufe (1) gemäss mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kufenmaterial im Zustand D gemäss EN 1173 eine Mindeststreckgrenze von 450MPa aufweist.