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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrischen Traktionsantrieb und mit einem Stromabnehmer zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer fahrstreckenseitig angeordneten Oberleitungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Derartige Fahrzeuge sind als elektrisch getriebene Schienenfahrzeuge in weit verbreitetem Einsatz, sie sind aber auch als nicht schienengebundene Straßenfahrzeuge bekannt. Die Lage des Kontaktpunktes zwischen einem Fahrdraht der Oberleitungsanlage und der Schleifleiste ändert sich im Fahrtverlauf kontinuierlich. Bei schienengebundenen Fahrzeugen liegt dies daran, dass über Gleisbögen der Bogenverlauf durch gerade Fahrdrahtsegmente angenähert wird und über Gleisgeraden der Fahrdrahtverlauf einem Zickzack zur gleichmäßigen Abnutzung der Schleifleisten folgt. Bei nicht schienengebundenen Fahrzeugen kommen seitliche Fahrungenauigkeiten durch Lenkbewegungen innerhalb der Fahrspur sowie gegebenenfalls seitliche Stellbewegungen eines Stromabnehmers mit seitlich nachführbaren Schleifleisten hinzu. Während bei Schienenfahrzeugen in der Regel einpolige Oberleitungen mit einem als Hinleiter ausgebildeten Fahrdraht und den Gleisschienen als Rückleiter üblich sind, sind für Straßenfahrzeuge zweipolige Oberleitungen mit einem ersten, als Hinleiter ausgebildeten Fahrdraht und einem zu diesem parallel verlaufenden zweiten, als Rückleiter ausgebildeten Fahrdraht im Einsatz. In jedem Fall ist eine kontinuierliche Erfassung der aktuellen Lage des Schleifkontaktpunktes auf der Schleifleiste von Interesse.
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So ist aus der Patentschrift
DE 196 16 896 C1 eine Einrichtung zum kontinuierlichen Erfassen der Fahrdrahtseitenlage elektrischer Bahnen mit Oberleitungsbetrieb bekannt. Die Einrichtung befindet sich derart im Bereich der Schleifstücke, dass immer ein vertikaler Abstand zwischen dem Fahrdraht und der Oberkante einer mit induktiven Näherungsinitiatoren bestückten Trageinrichtung besteht. Aus der Gesamtheit der induktiven Näherungsinitiatoren ist eine Informationsübertragungsleitung herausgeführt, die der Übertragung der erkannten Position an eine geeignete Auswerteeinrichtung dient. Die Anordnung der induktiven Näherungsinitiatoren erfolgt derart nebeneinander, dass es zu einer lückenlosen Aneinanderreihung der aktiven Flächen der Schleifstücke kommt. Das führt dazu, dass immer mindestens ein induktiver Näherungsinitiator den in einem geringen Abstand darüber befindlichen Fahrdraht erkennt. Die maximale Erfassungsbreite der induktiven Näherungsinitiatoren muss mindestens dem seitlichen Bewegungsbereich des Fahrdrahtes entsprechen, damit die Position des Fahrdrahtes auf dem Schleifstück immer erkennbar ist.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 076 615 A1 offenbart ein nicht schienengebundenes Fahrzeug, dessen Stromabnehmer je Oberleitungspol eine Schleifleiste mit einem Arbeitsbereich zur Kontaktierung des jeweiligen Fahrdrahtes aufweist. Das Fahrzeug umfasst mit dem Stromabnehmer gekoppelte Aktormittel zum Verstellen der Schleifleisten quer zu einer Fahrzeuglängsachse. Das Fahrzeug umfasst ferner Sensormittel zur Erfassung der Lage des Fahrzeuges relativ zu den Fahrdrähten. Dabei weisen die Sensormittel zwei Messgeräte zur Bestimmung einer Feldstärke der von den Fahrdrähten erzeugten magnetischen Felder auf, die durch die Energieeinspeisung in der Oberleitungsanlage zur Traktionsversorgung des Fahrzeugs erzeugt werden. Der Querabstand, in dem die beiden Messgeräte zur Feldstärkebestimmung voneinander angeordnet sind, ist verschieden vom Abstand zwischen den beiden Fahrdrähten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Lageerfassung des Kontaktpunktes zwischen Fahrdraht und Schleifleiste gattungsgemäßer Fahrzeuge bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Demnach sind an definierten Abfragepositionen längs der Schleifleiste Sensorelemente zur jeweils lokalen Erfassung eines sich in der Schleifleiste zwischen einem Kontaktpunkt und einem Anschlusspunkt ausbildenden Stromflusses angeordnet. Dabei soll unter einer Schleifleiste eine Trägerschiene mit einem darin befestigten länglichen Kontaktstück verstanden werden, welches nach Verschleiß ausgewechselt werden kann. Je Oberleitungspol können zwei in Fahrtrichtung hintereinander und auf einer gemeinsamen Wippe angeordnete Schleifleisten vorgesehen sein. Am Kontaktpunkt der Schleifleiste besteht Schleifkontakt zum Fahrdraht. Am Anschlusspunkt der Schleifleiste ist ein elektrischer Verbindungsleiter zum Traktionsantrieb angeschlossen. Die Sensorelemente sind beispielsweise als magnetoresistive Sensoren ausgebildet und mit einer Auswertungseinheit verbunden, die dazu ausgebildet ist, aus den Erfassungsergebnissen der Sensorelemente auf die aktuelle Lage des Kontaktpunktes zu schließen. Die Erfindung geht dabei davon aus, dass sich ein erfassbarer Stromfluss in der Schleifleiste nur in einem Abschnitt zwischen Kontaktpunkt und Anschlusspunkt ausbildet. Aus der Anordnung der Sensorelemente und dem Abfrageergebnis, welche der Sensorelemente einen Stromfluss erfasst haben und welche nicht, kann auf die Lage des Kontaktpunktes in Bezug auf die Abfragepositionen der Sensorelemente geschlossen werden. Dieser liegt nämlich im Bereich zwischen dem äußersten Sensorelement, welches Stromfluss erfasst, und dem nächsten weiter außen gelegenen Sensorelement. Durch die Anordnungsdichte von Sensorelementen längs der Schleifleiste kann demnach die Genauigkeit der Lageerfassung des Kontaktpunktes vorgegeben werden. Da Sensorelemente zur Stromflusserfassung bekannt und kostengünstig verfügbar sind, wird durch die Erfindung eine einfache aber verlässliche Lageerfassung für den Schleifkontaktpunkt bereitgestellt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist ein Sensorelement zur lokalen Erfassung eines um die Schleifleiste durch den Stromfluss induzierten Magnetfeldes ausgebildet. Neben den bekannten direkten Stromflusssensorelementen wird hier eine indirekte Messung des Stromflusses durch eine lokale Erfassung eines sich aufgrund des Stromflusses durch die Schleifleiste in etwa rotationssymmetrisch um den stromdurchflossenen Schleifleistenabschnitt ausbildenden Magnetfeldes angewandt. Die Sensorelemente müssen dabei nicht direkt im Strompfad – also innerhalb des Kontaktstückes oder dessen Trägerschiene – integriert sein, sondern können seitlich der Schleifleiste, beispielsweise unterhalb einer Trägerschiene für das Kontaktstück, angeordnet sein.
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Vorzugsweise weist die Schleifleiste des erfindungsgemäßen Fahrzeugs je Sensorelement zwei einander zugeordnete Polschuhe zur Bündelung des Magnetfeldes auf, wobei das Sensorelement jeweils im Bereich zwischen den zugeordneten Polschuhen angeordnet ist. Hierdurch wird eine Sensibilisierung der Messanordnung erreicht, was den Einsatz von weniger empfindlichen und damit kostengünstigeren Sensorelementen erlaubt. Die Polschuhe können aus Blechen mit hoher magnetischer Permeabilität und ebenfalls hoher magnetischer Sättigungsinduktion bestehen. Die Polschuhe können beispielsweise im Winkel um die unteren Kanten der Schleifleisten geführt sein und Aussparungen seitlich der einzelnen Sensorelemente aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind die Sensorelemente zur Erfassung einer Stromstärke des sich in der Schleifleiste ausbildenden Stromflusses ausgebildet, wobei die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, erfassten Stromstärken ein Maß für die Kontaktgüte des bestehenden Schleifkontaktes zuzuordnen. Die Kontaktgüte, also der Übergangswiderstand des Traktionsstromes vom Fahrdraht der Oberleitung in das Kontaktstück der Schleifleiste, stellt einen wichtigen Parameter für eine funktionssichere Traktionsversorgung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs dar. So kann auf eine zu geringe Kontaktgüte mittels einer gesteuerten Hubeinrichtung durch eine Erhöhung des Anpressdruckes der Schleifleiste an den Fahrdraht reagiert werden. Ebenso kann aus der Kontaktgüte ein Maß für den Verschleißzustand von Fahrdraht und/oder Kontaktstück der Schleifleiste abgeleitet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein erfindungsgemäßes nicht schienengebundenes Fahrzeug eine durch die Auswertungseinheit ansteuerbare Stelleinrichtung des Stromabnehmers zur Ausführung einer quer zur Fahrzeuglängsachse gerichteten Stellbewegung der Schleifleiste auf. Dabei ist die Stelleinrichtung derart ansteuerbar, dass die Stellbewegung den Kontaktpunkt innerhalb eines vordefinierten Arbeitsbereiches der Schleifleiste hält. Hierbei bilden die erfindungsgemäßen Sensorelemente ein Glied in einem Regelkreis, der beispielsweise Lenkungenauigkeiten eines Straßenfahrzeugs derart ausregelt, dass der Kontaktpunkt im Arbeitsbereich der Schleifleiste gehalten wird. Denkbar sind auch Steuerungen, die einen – beispielsweise bei schienengebundenen Fahrzeugen zur gleichmäßigen Abnutzung von Schleifstücken üblichen – Zick-Zack-Verlauf des Fahrdrahtes durch eine seitliche Pendelbewegung der Schleifleiste ersetzen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße nicht schienengebundene Fahrzeug eine durch die Auswertungseinheit ansteuerbare Absenkeinrichtung des Stromabnehmers zur Ausführung einer den Schleifkontakt lösenden Absenkbewegung der Schleifleiste auf. Dabei ist die Absenkeinrichtung derart ansteuerbar, dass sie die Schleifleiste absenkt, wenn der Kontaktpunkt den Arbeitsbereich der Schleifleiste verlässt oder zu verlassen droht. In dieser Ausführung dienen die Sensorelemente als seitliche Endabschalter, die ein geregeltes Abdrahten des Stromabnehmers von der Oberleitung bewirken, wenn der Kontaktpunkt aufgrund eines Ausweich- oder Überholmanövers des Fahrzeugs den Arbeitsbereich der Schleifleiste zu verlassen droht. Hierdurch können Beschädigungen an Oberleitung und Stromabnehmer vermieden werden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen schienengebundenen Fahrzeugs, wobei die Oberleitungsanlage einen baulich vorgegebenen Sollverlauf einer Fahrdrahtseitenlage relativ zur Gleismitte eines befahrenen Gleisabschnittes aufweist, ist die Auswertungseinheit dazu ausgebildet, aus der Kontaktpunkterfassung beim Befahren des Gleisabschnittes einen Istverlauf der Fahrdrahtseitenlage aufzunehmen. Die kontinuierliche Überwachung der tatsächlichen Fahrdrahtseitenlage mittels erfindungsgemäßer schienengebundener Fahrzeuge dient Inspektions- und Wartungszwecken.
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Vorzugsweise ist die Auswertungseinheit eines erfindungsgemäßen schienengebundenen Fahrzeuges mit einem Winkelmesssystem zur Bestimmung der aktuellen Fahrdrahthöhenlage über Gleisebene verbunden, wobei die Oberleitungsanlage einen baulich vorgegebenen Sollverlauf der Fahrdrahthöhenlage relativ zur Gleisebene eines befahrenen Gleisabschnittes aufweist, wobei die Auswertungseinheit dazu ausgebildet ist, beim Befahren des Gleisabschnittes einen Istverlauf der Fahrdrahthöhenlage aufzunehmen. Auch dies dient Inspektions- und Wartungszwecken für die Oberleitungsanlage.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen, in deren
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1 ein in Schleifkontakt mit einem Fahrdraht befindlicher Stromabnehmer eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs in perspektivischer Darstellung,
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2 ein in Schleifkontakt mit einem Fahrdraht befindlicher Stromabnehmer eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs in Seitenansicht,
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3 der Stromabnehmer aus 2 in Vorderansicht,
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4 ein Querschnitt IV-IV durch einen stromdurchflossenen Abschnitt der Schleifleiste des Stromabnehmers aus 3,
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5 der Querschnitt gemäß 4 eines Ausführungsbeispiels der Schleifleiste mit Polschuhen,
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6 eine perspektivische Ansicht von Polschuhen der Schleifleiste aus 5,
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7 eine Draufsicht auf Sensorelemente und Polschuhe der Schleifleiste aus 5,
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8 eine perspektivische Darstellung einer Polschuhleiste für einen Stromabnehmer eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs und
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9 eine Draufsicht auf Sensorelemente und Polschuhleisten für einen Stromabnehmer eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs
schematisch veranschaulicht sind.
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Gemäß 1 weist ein nicht dargestelltes schienengebundenes oder nicht schienengebundenes Fahrzeug mit einem elektrischen Traktionsantrieb einen Stromabnehmer 3 zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer fahrstreckenseitig angeordneten Oberleitungsanlage auf. Der Stromabnehmer 3 umfasst ein fahrzeugseitig angelenktes Traggestell 4, welches eine horizontal und quer zu einer Fahrzeuglängsachse ausgerichtete Schleifleiste 5 trägt. Das Traggestell 4 kann gelenkig ausgebildet sein und sich über einen Grundrahmen, beispielsweise auf dem Fahrzeugdach, abstützen. Das Traggestell 4 ist mit einer nicht dargestellten Hub- und Senkeinrichtung gekoppelt, mittels der die Schleifleiste 5 zwischen einer abgesenkten Ruheposition und einer angehobenen Betriebsposition verstellbar ist. In der Betriebsposition ist die Schleifleiste 5 mit einem Fahrdraht 1 der Oberleitungsanlage in Schleifkontakt gebracht. Wenngleich nur eine Schleifleiste 5 dargestellt ist, kann der Stromabnehmer 3 auch zwei in Fahrzeuglängsachse hintereinander angeordnete Schleifleisten 5 aufweisen, die von einer gemeinsamen Wippe des Traggestells 4 getragen werden. Weist die Oberleitungsanlage zwei parallel verlaufende Fahrdrähte 1 auf, so kann der Stromabnehmer 3 auch je Fahrdraht 1 eine oder zwei hintereinander angeordnete Schleifleisten 5 aufweisen. Unter einer Schleifleiste 5 wird hier eine Kombination aus einem länglichen Kontaktstück 6, beispielsweise aus Grafit oder Kupfer, und einer Trägerschiene 7, in der das Kontaktstück 6 auswechselbar befestigt ist, verstanden. Erfindungsgemäß sind an definierten Abfragepositionen längs der Schleifleiste 5 – im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt acht – Sensorelemente 8 zur jeweils lokalen Erfassung eines sich in der Schleifleiste 5 zwischen einem Kontaktpunkt und einem Anschlusspunkt ausbildenden Stromflusses angeordnet.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 sind längs der Schleifleiste 5 nur insgesamt sechs Sensorelemente 8 angeordnet, die von einem aus Unter- und Oberarm gebildeten gelenkigen Traggestell 4 getragen werden, welches wiederum gelenkig mit dem Fahrzeug 2 verbunden ist. Die Sensorelemente 8 sind zur jeweils lokalen Erfassung eines sich in der Schleifleiste 5 zwischen einem Kontaktpunkt K und einem Anschlusspunkt A ausbildenden Stromflusses ausgebildet. Der Stromfluss folgt einem Strompfad I – in 3 als Strichlinie dargestellt –, der am Kontaktpunkt K aus dem Fahrdraht 1 in die Schleifleiste 5 mündet. Am Kontaktpunkt K der Schleifleiste 5 besteht Schleifkontakt zum Fahrdraht 1. Der Strompfad I erstreckt sich weiter entlang der Schleifleiste 5 bis zum Anschlusspunkt A der Schleifleiste 5, an dem ein elektrischer Verbindungsleiter zum Traktionsantrieb angeschlossen ist. Sensorelemente 8, die als magnetoresistive Sensoren oder auch als Hall-Sensoren ausgebildet sein können, erfassen einen Stromfluss, wenn sie auf dem Abschnitt der Schleifleiste 5 zwischen Kontaktpunkt K und Anschlusspunkt A angeordnet sind. Außerhalb dieses Abschnittes erfassen sie keinen Stromfluss. Die Sensorelemente 8 sind mit einer nicht dargestellten Auswertungseinheit verbunden, welche dazu ausgebildet ist, aus den Erfassungsergebnissen der Sensorelemente 8 auf die aktuelle Lage des Kontaktpunktes K zu schließen.
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Gemäß 4 bildet sich im stromdurchflossenen Abschnitt der Schleifleiste 5 ein um eine Längsachse der Schleifleiste 5 rotationssymmetrisch ausgebildetes Magnetfeld B0. Die Sensorelemente 8 sind unterhalb der Trägerschiene 7 der Schleifleiste 5 befestigt und werden von einem Teil des Magnetfeldes B0 durchdrungen. Der Stromfluss wird von einem Sensorelement 8 durch lokale Erfassung des sich um die Schleifleiste 5 durch diesen Stromfluss induzierten Magnetfeldes B0 gemessen.
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Zur Erhöhung der Messempfindlichkeit weist die Schleifleiste 5 gemäß 5 je Sensorelement 8 zwei einander zugeordnete Polschuhe 9 zur Bündelung des Magnetfeldes B auf. Das Sensorelement 8 ist jeweils im Bereich zwischen den zugeordneten Polschuhen 9 angeordnet. Die Polschuhe 9 bündeln das induzierte Magnetfeld B0 derart, dass ein möglichst großer Anteil direkt durch die Sensorelemente 8 geleitet wird. Die Polschuhe 9 können aus Blechen mit hoher magnetischer Permeabilität und ebenfalls hoher magnetischer Sättigungsinduktion bestehen. Sie sind gemäß 5 L-förmig um die unteren Kanten der Trägerschiene 7 der Schleifleiste 5 geführt. Benachbarte Paare einander zugeordnete Polschuhe 9 sind entsprechend der geforderten Dichte an Abfragepositionen gemäß 6 und 7 voneinander beabstandet.
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Gemäß 8 und 9 können die Polschuhe 9 auf jeweils einer Seite der Sensorelemente 8 als einstückige Polschuhleiste 10 ausgeführt sein. Dies hat Vorteile bei der Montage der aus Polschuhen 9 und Sensorelementen 8 bestehenden Messanordnung an die Schleifleiste 5.
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Insgesamt wird bei erfindungsgemäßen Fahrzeugen die Störanfälligkeit der Lageerfassung des Kontaktpunktes K durch Witterung drastisch reduziert. Die Erfindung lässt sich gleichzeitig als seitlicher Endabschalter verwenden, über den beispielsweise ein automatisches Abdrahten des Stromabnehmers 3 von der Oberleitung eingeleitet werden kann. Hierdurch kann auf ein zusätzliches Sensorsystem für den Endabschalter verzichtet werden. Die von den Sensorelementen 8 erfassten Stromstärken stellen ein Maß für die Kontaktgüte zwischen Schleifleiste 5 und Fahrdraht 1 dar. Bei nicht schienengebundenen Fahrzeugen, beispielsweise bei Lastkraftwagen, kann die Erfassung der aktuellen Kontaktpunktlage zur Ansteuerung eines quer verstellbaren Stromabnehmers 3 dienen, um den Kontaktpunkt K innerhalb eines vordefinierten Arbeitsbereiches der Schleifleiste 5 zu halten. Bei schienengebundenen Fahrzeugen dient die Erfindung zur Erfassung der aktuellen Fahrdrahtseitenlage sowie – bei Ergänzung um ein Winkelmesssystem – zur Bestimmung der aktuellen Fahrdrahthöhenlage. Fahrdrahtseiten- und -höhenlage sind wichtige Parameter für Inspektions- und Wartungsarbeiten an der Oberleitungsanlage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19616896 C1 [0003]
- DE 102011076615 A1 [0004]
