DD241049A1 - Vorrichtung zur aerodynamischen stabilisierung von umstroemkoerpern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umstroemkoerpern, insbesondere der Schleifleisten-Baugruppe von Stromabnehmern an Schienentriebfahrzeugen. Die erfindungsgemaesse Loesung soll es ermoeglichen, dass die Betriebssicherheit des Stromabnehmers durch bessere Kontaktgabe der Schleifleiste am Fahrdraht erhoeht wird. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die auf die oberen Holme des Stromabnehmers wirkende Abtriebskraft, welche etwa dem Quadrat der Fahrgeschwindigkeit proportional ist, durch eine entsprechende Auftriebskraft zu kompensieren, die vorzugsweise durch eine optimale Ausbildung der Wippe erzeugt wird. Die Realisierung erfolgt dadurch, dass die windzugewandte obere Kante der Schleifleiste und die windzugewandte untere Kante seiner Halterung von einer stromaufwaerts anzuordnenden Stauplatte mit wesentlich kleineren Vertikalabmessungen als die Schattenflaeche der Schleifstueckbaugruppe so uebernommen werden, dass die sich hier bildenden Diskontinuitaetsflaechen genau die ehemaligen Abreisskanten des Umstroemkoerpers tangential treffen.

Description

näherungsweise auch gültig für die mit (') gekennzeichneten Größen bestimmt sind.

2. Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß die

" Stauplatte (6) durch Deckflächen (8) mit oder ohne Radien (9) bis zum Umströmkörper, vorzugsweise bis zur Halterung (2) der Schleifleiste (1), flankiert wird und daß sich ungestört Diskontinuitätsflächen (7) ausbilden können.

3. Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß die Diskontinuitätsfläche (11) durch eine feste gekrümmte Oberfläche gebildet wird.

4. Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern nach Punkt !.bis 3.,gekennzeichnet dadurch, daß bei Umströmkörpern ohne fester Unter- bzw. Deckfläche (8; 11) ein Bodenblech angeordnet wird, das von der Anspringkante (K') bis zum in Strömungsrichtung hinten gesehenen Teil der Halterung (2) reicht.

5. Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern nach Puntk1.bis4., gekennzeichnet dadurch, daß der durch Stauplatte (6), Deckfläche (8), Diskontinuitätsfläche (11) und Bodenblech (10) begrenzte Raum aus einem Elastomer besteht.

6. Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern nach Punkt 1. bis 5., gekennzeichnet dadurch, daß die Wippe eines Stromabnehmers mit Paletten unterschiedlicher Verkleidungen auf der Luv- und Leeseite ausgestattet ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern, insbesondere der Schleifleistenbaugruppe von Stromabnehmern an Schienentriebfahrzeugen.

Ihr Anwendungsgebiet erstreckt sich auf Bereiche, wo einerseits der aerodynamische Widerstandskraftbeiwert zu minimieren sowie der Quertriebskraft- (in der Regel der Antriebskraft-) Beiwert einen ganz bestimmten Wert haben soll und andererseits abschwimmende Wirbel als Erregerkräfte für stromabwärts angeordnete schwingungsfähige Bauteile (wie z. B. die Holme von Stromabnehmern) ausgeschlossen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind verschiedene Bauarten von Stromabnehmern für elektrische Triebfahrzeuge, bei denen bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, insbesondere über 120km/h, infolge aerodynamischer Kräfte am Stromabhehmer ein Abheben der Schleif leisten vom Fahrleitungsdraht eintritt. Um das zu verhindern, sind die Stromabnehmerfedern verstärkt worden. Diese Maßnahme ist durch den zulässigen höchsten Anpreßdruck der Schleifstücke auf die Fahrleitung begrenzt und verschiebt die Grenze für die zulässige Fahrgeschwindigkeit, bei der noch kein Abheben der Schleifleisten vom Fahrdraht eintritt, nur wenig nach oben. Es sind folglich verschiedene Vorschläge für die aerodynamische Stabilisierung bekannt geworden. Durch unprofilierte Windflügel, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Stromabnehmer verbunden sind, wird eine Quertriebskraft so erzeugt, daß bei beliebiger Fahrgeschwindigkeit eine Anpreßkraft des Schleifstückes an den Fahrdraht existiert (DRP 112029 und DE-AS 1074622).

Durch Profilierung solcher Windflügel (DE-AS 1272958) oder durch stromlinienförmig Gestaltung der Flachwippe (CH-PS 1 81685) oder auch durch windschnittige Verkleidung des Stromabnehmerschleifbügels (DRP 752088) läßt sich der Widerstandskraftbeiwert der „Baugruppe Schleifleiste und zugehörige Halterung" festlegen. Das Streben nach einfachen Bauausführungen hat dazu geführt, die beiden Schleifstücke einer Stromabnehmerwippe auf einem Schleifstückträger zu befestigen, die in Flügelbleche derart übergehen, daß diese angestellt und aufeinander zugerichtet sind, so daß sich zwischen ihnen ein auftriebsverursachender Wirbel ausbilden kann (DE-AS 1190022). In anderen Fällen erhalten die Schleifstückhalterungen zum gleichen Zwecke schräge Stauflächen (DE-AS 1272958; DE-AS 1293184), wobei ein Winkel gegenüber der Horizontalen um etwa 30° empfohlen wird.

Die bekannten Lösungen zielen in der Regel auf die Realisierung einer bestimmten Wirkung, meistens auf Kosten anderer Wirkungen, ab. So erzeugen zwar unprofilierte Windflügel eine definierte Quertriebskraft, aber auch neben der Erhöhung des Widerstandskraftbeiwertes periodisch Wirbel, die für stromabwärts befindliche Bauteile, wie z. B. Holme des Stromabnehmers, als Schwingungserreger wirken.

Profilierte Windflügel und sogenannte stromlinienförmige Wippenformen garantieren nur dann bei minimalem Widerstandskraftbeiwert definierte Querkraftbeiwerte, wenn sich solche Teile durch eine relativ hohe Maßhaltigkeit auszeichnen; andernfalls entstehen schwer kontrollierbare Ablösungsgebiete mit ihren nachteiligen Folgen, insbesondere im Hinblick auf Schwingungserregung. Die windschnittige Verkleidung des Stromabnehmer-Schleif bügels bedarf mit wachsendem Verschleiß des Schleifstückes einer Nachstellung der Distanzschrauben zwischen Ober- und Unterseite dieser Verkleidung, andernfalls entsteht eine Berührung der Verkleidung mit dem Fahrdraht.

Die angestellten Windflügel zwischen zwei Schleifstücken befinden sich im Windschatten der vorderen Baugruppe „Schleifstück mit zugehöriger Halterung", an dessen Rändern Wirbel abschwimmen, die nachfolgende Bauteile treffen und zur Schwingung anregen können.

Dasselbe trifft für die schrägen Stauflächen zu, an deren Abreißkanten periodisch Wirbel induziert werden.

Wenngleich ein bestimmter Anstellwinkel (etwa 30°) für solche Stauflächen empfohlen wird, so können durchaus hinter der Anströmkantesolcherwindschattigen Flächen begrenzte Ablösegebiete, sogenannte Ablöseblasen, entstehen, deren Anlegeort sich mit wachsender Fahrgeschwindigkeit stromabwärts auf der winschattigen Fläche verlagert, so daß schließlich ein Wiederanlegen der Hauptströmung ganz ausbleiben kann.

Ziel der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung soll es ermöglichen, daß die Betriebssicherheit des Stromabnehmers durch bessere Kontaktgabe der Schleifleiste am Fahrdraht erhöht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern zu schaffen, die es gestattet, die auf die oberen Holme des Stromabnehmers wirkende Abtriebskraft, welche etwa dem Quadrat der Fahrgeschwindigkeit proportional ist, durch eine entsprechende Auftriebskraft zu kompensieren, die vorzugsweise durch eine optimale Ausbildung der Wippe erzeugt wird.

Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß zur Erzielung der aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern deren Abreißkanten, d.h. beim Stromabnehmer die windzugewandte obere Kante der Schleifleiste und die windzugewandte untere Kante seiner Halterung, von einer stromaufwärts anzuordnenden Stauplatte mit wesentlich kleineren Vertikalabmessungen als die Schattenfläche der Schleifstückbaugruppe so übernommen werden, daß die sich hier bildenden Diskontinuitätsflächen genau die ehemaligen Abreißkanten des Umströmkörpers tangential treffen.

Dadurch wird das Totwasser hinter dem Umströmkörper nur so groß wie dessen in Strömungsrichtung gesehene Schattenfläche, d. h. der Widerstandskraftbeiwert wird dadurch etwa auf die Hälfte seines Wertes reduziert. Die genannte kleine Stauplatte überragt nicht die Oberkante der Schleifstückhalterung, so daß die horizontale Schicht, in der sich die Schleifkohle befindet, durch diese Maßnahme nicht bebaut wird.

' Die Stauplattenoberkante ist mittels einer horizontalen Platte mit der Schleifstückhalterung verbunden, so daß diese beiden Elemente ein abgewinkeltes Blech bilden. Das gleiche kann an der Stauplattenunterkante zur Schleifstückhalterung hin geschehen.

Entscheidend für die Funktion der Anordnung haben sich folgende Abmessungen erwiesen:

Die vertikale Erstreckung von Stauplatte yi_ und vorderer Schleifstückoberkante y*. von der horizontalen Mittelebene der Schleifstückbaugruppenschattenfläche sowie der horizontale Abstand Xk der beiden Vertikalebenen, in denen sich die Stauplatte und die vordere Schleifstückoberkante befinden. Für die vorderste untere Kante der Stauplatte yi_ und der Schleifstückhalterung y'_K gilt das Entsprechende.

Für diese Abmessungen bildet sich folgende Beziehung:

Y₁ "" γ,?,. ν

ig τ~ = - 0,2 (lg -^)² + 1,4 Ig^- 0,24

Eine Auftriebswirkung entsteht, wenn die Mittelebene, von der aus die Vertikalabmessungen y_L, y'_L, yK und yV gemessen werden, verschoben wird. Hierbei wandert die Kante K'entsprechend der vorgenannten Beziehung nach vorn: χ'_κ<Χκ· Vorzugsweise ist das von der unteren Kante der Stauplatte ausgehene Totwasser mit seiner Diskontinuitätsfläche bis zur unteren Anspringkante und von dort weiterführend zur Halterung als geschlossene Seitenwand auszubilden. Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Vertikalquerschnitt durch den Frontbereich einer Schleifleistenbaugruppe mit auftriebsfreier Verkleidung Fig. 2: eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Lösung mit Auftriebswirkung

Der Umströmkörper wurde z. B. durch die in der Zeichnung schematisch dargestellte Schleifleiste 1 und ihrer hier nicht näher dargestellten Halterung 2 vertreten. Diese Baugruppe hat in Strömungsrichtung 3 gesehen eine Schattenfläche mit der Vertikalabmessung y_K + yV Die Normale dieser Schattenfläche liegt in der Mittelebene 4, die bei quertriebloser Bauweise zugleich die Bezugsebene 5 für die Vertikalabmessungen γκ + ν'κ und y_L + y'_L darstellt.

Vor dem Umströmkörper 1,2 wird stromaufwärts im Abstand x_K eine Stauplatte 6 mit den Vertikalabmessungen y_L und y'_L angeordnet. Diese Stauplatte 6 kann auch zur Strömungsrichtung 3 geneigt sein. Die von den Abreißkanten L und L' dieser Stauplatte 6 ausgehenden Diskontinuitätsflächen 7 münden in die Anspringkante K und K' des Umströmkörpers 1,2 dann, wenn deren Koordinaten nach Gleichung

y y _v

Ig -=· = - 0,2 (I₀ -^)² + 1,4 In — - 0,24 (1)

i-. .K ύ

besti m mt we rd e η.

Die Stauplatte 6 wird durch Deckflächen 8, die im Bereich des Umströmkörpers 1, 2 in einem Radius 9 auslaufen, mit dem Umströmkörper 1, 2, insbesondere beim Stromabnehmer mit der Halterung 2 der Schleifleiste 1 verbunden. Durch die Anordnung der Radien 9 werden Staub- und Schneeablagerungen und die Bildung von Wassersäcken verhindert. Da der Fahrdraht im ungünstigsten Falle bei maximalem Verschleiß der Schleifleiste 1 die Oberkante H der Halterung 2 erreichen kann, sollte der Abstand y_L der Abreißkante L der Stauplatte 6 die Oberkante H von der im vorliegenden Falle als Bezugsebene dienenden Mittelebene 4 keinesfalls überschreiten.

Gemäß Fig. 2, im Falle einer gewünschten Auftriebswirkung der Schleifleiste 1, liegt die Bezugsebene 5 um den Vertikalabstand Ay unter der Mittelebene 4, die Summe aus y_K + y'_K bleibt hierbei unverändert, während die einzelnen Größen y_K und y'_K aber variiert werden.

Bei einer Auftriebswirkung verlagert sich diese Mittelebene 4 nach unten, wodurch die Kante K' entsprechend der Gleichung (1) nach vorn wandert: x'k<Xk-

Der Abstand x'_K zwischen unterer Abreißkante L' der Stauplatte 6 und Anspringkante K' ist damit kleiner als der Abstand x_K auf der Oberseite der Vorrichtung. Um diese Anspringkante K' materiell zu sichern und die Strömungsverzögerung nach dieser Kante K'auf der Unterseite des Umströmkörpers 1,2 stattfinden zu lassen, ist ein Bodenblech 10 erforderlich, das bis zur Unterkante K' und noch darüber hinaus reicht.

In diesem Zusammenhang bietet sich eine Materialisierung der Diskontinuitätsfläche 11 zwischen der Kante L' der Stauplatte 6 und der vorderen Kante des Bodenbleches 10 an.

Um die Masse der durch die Stauplatte 6 und der nachfolgenden Seitenwände 8; 10; 11 begrenzten Verkleidung so gering wie möglich zu halten, bietet sich die Materialisierung des durch sie umschließenden Raumes durch einen Polyurethanhartschaumkörper an.

Wird er längs der Schleifleiste 1 in mehreren Teilen gefertigt, so müssen diese Teile dicht aneinandergefügt am Umströmkörper 1,2 montiert werden. Andernfalls entsteht eine Verminderung des angestrebten Wertes vom Auftriebsbeiwert.

Da die an der oberen und unteren Stauplattenkante L und L' ausgehenden Diskontinuitätsflächen in den Kanten K der Schleifleiste 1 und K' der Halterung 2 bzw. seines vorgezogenen horizontalen Bodenbleches 10 wieder einmünden, erzeugen die dort ankommenden Wirbel eine hinreichend hoheTurbulenz, die nachfolgende Verzögerungen des Fluids auf der Oberfläche der Schleifleiste 1 und auf dem Bodenblech lOderSchleifstückhaltemng ohne Ablösung zu überwinden hilft. Schädigende Wirbelschleppen können sich von hier aus nicht ausbilden. Abreißkanten bilden aber die hintere obere Kante der Schleifleiste 1 und die hintere untere Kante der Halterung 2 bzw. ihr Bodenblech 10.

Während sich die von der oberen hinteren Schleifleistenkante ausbildende Wirbelschleppe in den freien Raum ergießt, also nichts vom Stromabnehmer treffen kann, wandert die von der unteren hinteren Kante der Schleifleistenhalterung ausgehende Wirbelschleppe bei Auftriebsfreiheit horizontal ab und bei Vorhandensein einer Auftriebskraft nach oben, d. h. durch den Wippenbereich hindurch. Sie trifft also nicht den tragenden Holm; und die hintere Schleifleiste erfährt ebenfalls eine Auftriebswirkung.

Um die Masse der erfindungsgemäßen Anordnung so klein wie möglich zu halten, genügt es u.U., sie auf den Anströmbereich des tragenden Homlszu beschränken.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Vorrichtung zur aerodynamischen Stabilisierung von Umströmkörpern, insbesondere der Schleifenleisten-Baugruppe von Stromabnehmern an Schienentriebfahrzeugen, durch Ausnutzung des Auftriebes durch den Fahrwind, gekennzeichnet dadurch, daß sich zu einer Bezugsebene (5), die deckungsgleich oder äquidistant zur Mittelebene (4) der durch die Vertikalabmessungen (y_K; γ'κ) begrenzten Schattenfläche normal zur Strömungsrichtung (3) angeordnet ist, in einem Abstand (xk; x'k) stromaufwärts eine vorzugsweise vertikale Stauplatte (6) befindet, deren Vertikalabmessungen (y_L; y'J durch die Beziehung

   y y y

   Ig — = - 0,2 (Ig -^)² + 1,4 Ig Ji - 0,24,

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