DE1438758A1 - Schleifleiste fuer Stromabnehmer elektrischer Triebfahrzeuge - Google Patents

Description

Schleifleiste für Stromabnehmer elektrischer Triebfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf Schleifleisten aus metallummantelter Kunstkohle für Stromabnehmer von Schienenfahrzeugen, denen die elektrische Energie über eine Fahrleitung zugeführt wird und bei denen die Schleifleisten hohen mechanischen und elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt -sind.' .

Bei elektrisch beförderten Zügen geht man zu immer höheren Anfahrbeschleunigungen und Fahrgeschwindigkeiten über, womit auch die Ströme steigen, die den Triebfahrzeugen zugeführt werden müssen. Hierzu benötigt man Schleifstücke, die trotz der größeren mechanischen und elektrischen Beanspruchung keine verminderte Betriebssicherheit haben und keinen Kontaktverschleiß solcher Höhe i verursachen, daß die Lebensdauer der Schleifleisten und Fahrdrähte untragbar verkürzt würde.

Als Baustoff für derartige Schleifleisten wäre ein Material erwünscht, das ein möglichst niedriges spezifisches Gewicht bei hoher mechanischer Festigkeit, einen sehr kleinen. Kontaktwiderstand, eine gute Wärmeleitfähigkeit, einen hohen Schmelzpunkt und einen niedrigen Reibungskoeffizienten hat. Weder Metalle, noch die Kunstkohle vereinigen jedoch alle diese Eigenschaften in sich. Um jeweils unerwünschte Materialeigenschaften zu kompensieren, sind daher aus Kohle" und. Metall zusammengesetzte Schleif leisten entwickelt worden, bei denen die Kunstkohle in einen bis zur Schleiffläche reichenden Metallmantel eingebettet ist. Diese Maßnahme * allein genügt aber nicht, wenn die obengenannten Anforderungen bei erhöhten Geschwindigkeiten und Strombelastungen erfüllt werden sollen.

Es sind z.B. Schleifstücke bekannt, deren Kontaktmaterial zwar aus Metall und Kunstkohle zusammengesetzt ist, die jedoch nur aus einer einzigen großflächigen Schleifleiste entsprechend hohen Gewichtes bestehen und daher ein geringes Beschleunigungsvermögen besitzen. Hierunter-versteht man das Verhältnis von Schie-ifstückdruck zur Masse. Je kleiner dieses ist, desto schlechter kann das Schleifstück den Unebenheiten des Fahrdrahtes folgen und desto häufiger kommt es an den sogenannten harten Punkten der Fahrleitung zu Kontakttrennungen. Da ferner der Absprungweg des Schleif-. "_:j

809813/0319 '

stücks mit dem,Quadrat der Fahrgeschwindigkeit wächst, 'reiJ3t ' der Fahrstrom entweder ab, oder er ..-verursacht Lichtbögen so gro- ^: ßer Zahl und Stärke, daß der Kontaktverschleiß auf untragbare -. Werte ansteigt. Aus diesem Grunde sind-"derartige Schleifstücke für große Strombelastungen insbesondere.bei hoher Fahrgeschwin-digkeit nicht geeignet. "■""■· ■ ■ . ' · ·.

Um die schädliche Masse herabzusetzen, hat man Schleifstückpaletten entwickelt, die mehrere beweglich und gegen die Stromabnehmerschere abgefedert angeordnete Schleifleisten verminderten Profils besitzen. Trotzdem gestatten die für 'Paletten dieser Art bisher bekannt gewordenen Schleifleisten aus Kohle mit einem bis zur Kontaktfläche reichenden Metallmantel noch nicht, ..die elektrischen Kontaktverluste so weit zu senken* wie dies erwünscht wäre. Damit die Schleifleisten'die für hohe.'Geschwindigkeiten notwendige Festigkeit in. horizontaler und vertikaler Richtung haben, müssen, sie entweder' mit einem besonderen -Leistenträger verbunden werden, was zusätzliches Gewicht erfordert, oder sie dürfen bei fehlendem Leistenträger nicht voll abgenutzt werden und müssen ein entsprechend größeres- Querschnittsprofil erhalten, wenn ihre Lebensdauer genügend lang sein soll. In beiden Fällen verhindert der- verhältnismäßig hohe Anteil des töten, für die Stromübertragung unge- = nutzten Gewichtes, daß sich ein optimales Beschleunigungsvermögen erreichen, läßt. \ ._; -^ . - . ,"_ -,"-_.- ,'_.'.,' ". .-.

Bei den 'bekannten metallummänterten Kohleschleifleisten mit und ohne zusätzliche Leistenträger sind ferner die aerodynamischen Eigenschaften ünbef rie'digend.' "Sie' verschle.ch-tern- die' Brückcharäkteri'stik' der Palette mxt' steigender" ^:Fährges^:ehwindIgkrelt,· so daß ■ die. Sohle if le is ten Infolge' ungenügender Drüoke ein -zu geringes ' .-Beschie'unigüngsvermögen haben", wodur^;eh die.Kontaktwiderstande und damit' die elektrothermischen Vferschl.elßwerte^; ■ünerwuhsch-t'"anwach- '-- sen.'' ' '. '-" ' * - -■■""""- '--'-■·' : ;■'" -"" _: *■·' ·■;-'"

Der. ,Erfindung- liegt; die -Aufgabe zugrunde,, die genannten Mängel zu_: .beheben und, die Schleif Stückpaletten für wesentlich "gestei- - gerte ,Str-ombelastungen auch be_;i-.HochstgeschWindigkeit ohne . Ver- ''[ kürzung der Lebensdauer der Schleifleisten und Fahrdrähte brauchbar zu machen. Hierzu werden erfindungs,gemäß folgende Maßnahmen" durchgeführt; · " . "'■■■■-■

<"*t V

• '- ; Ä P Λ >■;

Die Schleifleisten erhalten durch geeignete Gestaltung des Metallmant-els eine vom Abnutzungsgrad praktisch unabhängige und bis zu höchsten Geschwindigkeiten ausreichende Festigkeit, die es gestattet, das Querschnittsprofil und das verbleibende tote Gewicht erheblich zu verkleinern. Eine weitere GewichtsSenkung wird dadurch erreicht, daß der abnutzbare Querschnitt im Keuzustand der Schleifleisten nicht über die ganze Leistenlänge konstant, sondern nach den Enden zu stetig abnehmend gewählt wird. Der volle Querschnitt ist also nur in der Leistenmitte vorhanden, wo der Verschleiß infolge der Zickzackführung der Fahrdrähte am stärksten ist. Hierdurch läßt sich erreichen, daß auch an den Leistenenden kein totes Gewicht übrigbleibt, wenn das Profil in der Mitte abgenutat ist.

Zur Vergrößerung des Beschleunigungsvermögens der Schleiflei- ™ sten wird nicht nur die schädliche Masse vermindert, sondern auch der Palettendruck vergrößert. Zu diesem Zweck werden die Metallmäntel auf ihrer Unterseite so ausgebildet, daß der Druck durch Ausnutzung von Windauftriebskräften mit der Fahrgeschwindigkeit bis auf den für die jeweilige Fahrleitungsbauart maximal zulässigen Wert steigt. Auf diese Weise laßt sich der Kontaktwiderstand, der sonst bei konstantem Wert des aerodynamischen Druckes mit der Fahrgeschwindigkeit zunimmt, weiter senken.

Eeicht auch diese Maßnahme insbesondere für einen Betrieb mit extrem hohen Strombelastungen noch nicht aus, so wird die Blechstärke des Metallmantels vergrößert. Das geschieht jedoch nur Im verschleißbaren Bereich des Schleifstücks, damit dessen Gewicht i nicht unzulässig zunimmt. Ferner wird dafür gesorgt, daß der höhere Metallanteil die Heibung zwischen.Schleifleiste und Fahrdraht nicht vergrößert und Reibschwingungen verursacht, die zu einer Verschlechterung der elektrischen Kontaktverhältnisse führen, TJm derartige Einflüsse zu verhindern, wird dem aus Hartkohle bestehenden Leistenkörper ein temperaturunabhängiges Schmiermittel, z.B. Graphit, in geeigneter Art vor oder nach der Sinterung des Kohlekörpers mit einem um so größeren Anteil beigegeben, je dicker der Metallmantel im verschleißbaren Bereich der Schleifleiste ist.

8 0 9 8 13/0319

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.,

TJm den Unterschied gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu machen, wird zunächst in Fig. 1 der Querschnitt einer "metallummantelten Kohleschleifleiste bekannter Art gezeigt_r die für eine Schleifstückpalette mit wenigstens zwei starr oder elastisch verbundenen Kontaktleisten bestimmt ist. '

Sofern die Palette zwecks Gewichtsersparnis keine zusätzlichen Längsträger zur mechanischen Verstärkung der Schleifleisten erhalten soll, sinkt das zulässige Abnutzungsmaß letzterer mit steigender Fahrgeschwindigkeit. .Kann die trägerlose Leiste z.B. nur bis zu der in Fig. 1 strichpunktiert angegebenen Grenze abgenutzt werden,, damit sie bis* zum.Ende der Laufzeit den mechanischen Beanspruchungen standhält, so muß ihr Gesamtquerschnitt im Neuzustand verhältnismäßig ,groß gewählt werden. Andernfalls reicht das verschleißbare Volumen nicht aus, um die betrieblich notwendige Lebensdauer zu erzielen. Da also der Querschnitt erheblich überdimensioniert werden muß, ergeben sich auch ohne zusätzliche Längsträger unerwünscht hohe Leisten- und Palettengewichte.

Querschnitte von Schleifleisten nach der Erfindung sind in Fig. 2_ bis 7 dargestellt. Der den zweckmäßigerweise aus einem einzigen Stück bestehenden und im Strangpreßverfahren hergestellten Kohlekörper 1 umgebende Metallmantel 2 bzw. 5 und 6 gemäßFig. 4 oder 2 in Kombination mit 3 in Fig. 3, 5 und 7 ist hier so geformt, daß die Schleifleiste unabhängig vom jeweiligen Abnutzungsgrad stets ausreichende Festigkeitswerte hat. Daher braucht die-zulässige Leistenausnutzung mit steigender Fahrgeschwindigkeit nicht vermindert zu werden. ■

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Leistenprofil ist die Abnutzungsgrenze strichpunktiert gekennzeichnet. Die über der Grenzlinie liegende Verschleißfläche hat den gleichen Inhalt wie bei der Schleifleiste,nach Fig..t. In beiden Fällen haben ferner die unter der Grenzlinie verbleibenden Leistenteile annähernd die gleichen Festigkeitswerte. Die in Fig. 2 angegebene Ausführung benötigt jedoch ein wesentlich kleineres Gesamtprofil und hat daher wegen ihres geringeren Gewichtes ein besseres Beschleunigungsver-

809813/0319

mögen bei gleichem Kontaktdruck, wodurch der Kontaktwiderstand und die elektr. Kontaktverluste die angestrebte Verminderung-erfahren. Das trifft in ähnlicher Weise für die in den weiteren Abbildungen gezeigten Ausführungen zu.

Bei der Schleifleiste nach Pig. 2 besteht der gesamte Metallmantel 2 aus dem gleichen Material, z.B. aus Kupfer, das für Kontaktzwecke besonders geeignet ist. Bei der Ausführung nach Pig. 3 wird der als Leistenträger dienende Teil des Kupfermantels 2 durch Stahlbleche 4 verstärkt. Eine noch höhere Festigkeit bei vermindertem G-ewichtsaufwand läßt sich erreichen, wenn gemäß Pig.. 4 der gesamte Trägerteil 6 aus Stahlblech gefertigt wird. Die Verwendung von Kupferblech beschränkt sich hier auf die verschleißbaren Teile 5 des Metallmantels. · ' ä

Bei der Schleifleiste nach Pig. 5 reicht der aus Stahl bestehende Mantel 2 bis zur Schleiffläche und wird im verschleißbaren Bereich durch Seitenbleche 3 aus Kupfer ergänzt. Eine derartige Kombination kann für einen Betrieb auf Strecken in Meeresnähe oder in Industriebezirken zweckmäßig sein, wo der Fahrdraht infolge korrosionsfordernder Bestandteile der Luft eine unerwünscht dicke kontakthemmende Fremdschicht hat. Auch bei einem Winterbetrieb in Gebieten mit starker Vereisungsneigung der Fahrdrähte bietet die Ausführung Vorteile. Empfiehlt sich in besonderen Fällen, z.B. bei stark wechselndem Oberflächenzustand der Fahrdrähte, eine verminderte Angriffswirkung des Stahls, so können gemäß Fig. 3 die Stahlbleche 3 innen und das Kupfer 2 außen angeordnet werden.

Die Fig. 7 zeigt schließlich eine Schleifleiste mit einem

Mantel aus drei Metallsorten mit unterschiedlichen, aber sich vorteilhaft ergänzenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Hierbei bestehen der Trägerteil 6 aus Stahl, die Wanne 2 aus Kupfer und. die inneren Seitenbleche 3 aus einem vom Fahrdrahtmaterial abweichenden und nicht zum Verschweißen neigenden Stoff,- z.B. aus Messing. . --.....

Urn das Leistengewicht möglichst stark zu senken, wird der verschleißbare Querschnitt nach den Leistenenden hin' vermindert. Dao Länpnprofil erhält hierbei eine solche Form, daß der Quer-

80 98 13/0319

schnitt über dem Trägerteii" jeweils nur eine Höhe hat,'die dem tatsächlichen Verschleiß an der betreffenden Stelle entspricht. Bei"_ richtig gewählter Form bleibt also am Ende der Betriebszeit praktisch kein unausgenutztes Material übrig. Hat z.B. eine Schleifleiste In der Ausführung nach Fig. 5 In der Leistenmitte den in FIg_. 5 angegebenen maximalen Querschnitt, so wird dieser am Leistenende, wo das vom Fahrdraht normalerweise nicht mehr beschliffene Ablaufhorh anschließt:, auf eine Höhe entsprechend Fig. 6 vermindert. . ":." - ■ - - ■

Zur Senkung der Kontaktverluste wird nicht nur das Leistengewicht .herabgesetzt,: sondern"erfindungsgemäß auch die Materialzusammensetzung derart verändert/, daß die Schleifleiste einen größeren Metallanteil im verschleißbaren Bereich-erhält. Er betrug bisher bei Leisten mit einem Prof 11 nach-Fig. 1 maximal 13 Volumen-fo. In Fig. 3 bis 7 sind Leistenausführungen mit vergrößertem Metall- und entsprechend verkleinertem Kohleanteil dargestellt. V/ie bereits erwähnt, können hierbei die verschleißbaren Seitenteile der Fassungen aus einheitlichem'Material oder- je nach der Beschaffenheit der Fahrdrahtschleifflächen aus verschiedenen Metallen bestehen. Mit steigendem Metallanteil sinken die Kontaktwiderstände, die elektr; Kontaktverluste und damit die Verschleißwerte.Das verschleißbare Profil kann daher vermindert werden, wodurch sich der bei höherem-Metallanteil eintretende G-ewichtsZuwachs bis zu einem gewissen Grade voll kompensieren läßt, zumal der Metallanteil stets' so bemessen wird,- daß der Kohleanteil überwiegt. - ; ^:i - -

Bei einer derartigen Ausführung der Schleifleisten muß jedoch dafür gesorgt werden, daß es durch¹den-erhöhten Metallänteil nicht zu Reibschwingungen kömmt, bei denen der .Kontaktwiderstand'wieder · ansteigt. Aus' diesem Grunde ist -den Kohlekörpern ΐ¹ bei Lelstenäus-'¹ führungen nach FIg; 3 bis 7 ein größerer-Anteil ■vön'vhitzb'e'ständi- ' gen S chmier s toff en "beigemengt "als -bei -e ineif Ausführung ml t · normä^^" ler-Mantelstärke'-nach Fig. '2. Am zweckmäßigsten·hat- sic'h"*die'~Anordnung von genügend großen'und 'gleichmäßig verteilten' GräphitnÖsterri" im Hartkohl eg e füge erwiesen.'^: ' - " · ■ - '■■" ^: ^f ■-■■■-·■· '^;i);;;:t-'.-r

Eine weitere Maßnahme, den,Kontaktwiderstand und damit den_ " Verschleiß zu senken, besteht erfindungsgemäß darin, daß der aerodynamische Schleif leistendruck durch geeignete Formgebung des

80 98 1 3/0 3 i ί ^ '¹^

Metallmantels erhöht und der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit angepaßt wird.· Der statische Druck "bleibt hierbei unverändert, um schädliche Auswirkungen "beim Heben des Stromabnehmers im Stillstand zu verhindern.

Bei einem Mantelprofil nach Fig. 1 gleichen sich die durch Iiuftwirbel verursachten Windauftriebs- und Abtriebskräfte im günstigsten Falle aus, im allgemeinen überwiegen jedoch die Abtriebskräfte. Der Kontaktdruck nimmt dann mit steigender Fahrgeschwindigkeit ab, und der durch die Kontaktverluste verursachte Verschleiß wächst stark an.

Die Metallmantel der aus Fig. 2 bis 7 ersichtlichen Art sind sämtlich so geformt, daß die durch Luftwirbel auf der Unterseite der Schleifleisten erzeugten Auftriebskräfte überwiegen. Hierbei i werden die senkrechten Flächen im Trägerteil der Metallmäntel zur Umlenkung des Fahrwindes in eine aufwärts gerichtete Luftströmung benutzt. Letztere erzeugt beim Auftreffen auf die waagerechten Flächen die gewünschte Auftriebskraft, wenn die waagerechten Flächen zu den senkrechten in einem richtigen G-rößenverhältnis stehen. Beim Metallmantel 2 der Schleifleiste nach Fig. 3 ist das nicht der Fall. Hier würde die Auftriebskraft größer als erwünscht werden und den Kontaktdruck bei der Höchstgeschwindigkeit auf einen unzulässig hohen Y/ert ansteigen lassen. Um das zu verhindern, laufen die Verstärkungsbleche 4 an ihrem unteren Ende in waagerechte Windleitbleche aus. Auf deren Innenfläche wird durch Luftwirbel eine Abtriebskraf.t erzeugt, die ausreicht, um die überschüssige Auftriebskraft zu kompensieren. ' (

Bei Schleifstüeken der bisher üblichen Art ist im allgemeinen der elektrothermische Verschleiß wesentlich größer als der mechanische Verschleiß, vor allem bei hoher Fahrgeschwindigkeit und hoher Strombelastung. Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung zur Herabsetzung des Kontaktwiderstandes bei Anwendung von metallummantelten Schleifleisten läßt sich der elektrothermische und damit auch der Gesamtverschleiß der Schleifstücke und Fahrdrähte bei gegebener Strombelastung beträchtlich vermindern oder bei erhöhter Belastung konstant halten. Hieraus ergeben sich nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche Vorteile, da die durch den Ver-

8098 13/0315

Claims (7)

- - ■■ . ■ ■■■■■■ ■"'-■■ 8 - - - .. · . ■■-.---."■ · ·■■ .''-.-I schleiß verursachten Kosten in großen Zugförderungsnetzen bishervielfach schon recht beachtlich waren, obwohl man erst'vereinzelt dazu übergegangen ist, die fahrgeschwindigkeit zu erhöhen. Als Beispiel sei angeführt, daß die jährlichen Ausgaben, ..soweit sie ausschließlich durch den Verschleiß der Schleifstücke und Fahrdrähte verursacht sind, bei zahlreichen Eisenbahnverwaltungen die 2 Mio DM-Grenze z.T. erheblich überschreiten. ' · . ... " . ■ ■ ■ - Patentansprüche

1. \A.us einem bis zur Schleiffläche reichenden Metallmantel'und ^^einem in diesen eingebetteten Kunstkohlekörper bestehende- '

. Schleifleiste für Stromabnehmerpaletten von elektrischen Schienenfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmantel- auf seiner Unterseite als Leistenträger mit einer Form ausgebildet ist, die das Schleifstück voll abnutzbar und massearm.macht·-; die ferner eine Zunahme des aerodynamischen Kontaktdruckes lh· Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit und somit eine Vergrößerung des Beschleunigungsvermögens der Schleifleiste in einem Ausmaß bewirkt, bei dem der Kontaktwiderstand wesentlich ab-.. ■ nimmt und die elektrische Belastbarkeit der Schleifleiste bei gleichble'ibendem Kontaktverschleiß entsprechend -erhöht wird.

2. Schleifleiste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,:daß der abnutzbare Leistenquerschnitt = von der Leistenmitte nach .den ^: Enden hin im ITeuzustand nach einer Funktion abnimmt, die eine möglichst vollständige Ausnutzung des verschreißbären Materials und damit eine Verminderung der schädlichen Eas.se gewährleistet.

3. Schleifleiste nach den Ansprüchen T und 2, dadurch^;gekennzeichnet, daß die Blechdicke₌ des Metällmahtels im ve.rschleißbaren Bereich der Schleifleiste dem maximal»zu übertragenden Strom ,angepaßt, aber stets kleiner als die halbe Breite des Kohlekörpers ist. ; " -■ - ""■ * ■"■"; ■-■'.-..

8D9 813/0319

4. Schleifleiste nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartkohlekörper einen um so größeren Graphitanteil enthält, je dicker die Wandstärke des Metallmantels im verschleißbaren Bereich der Schleifleiste ist.

5. Schleifstück nach.den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlekörper aus einem einzigen, im Strangpreßverfahren hergestellten Stück besteht.

6. Schleifleiste nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmantel im verschleißbaren Bereich der Schleifleiste aus Kupfer und in seinem als Leistenträger dienenden Unterteil aus Stahlblech besteht.

7. Schleifleiste nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus drei verschiedenen, in ihren mechanischen und elektrischen Eigenschaften sich vorteilhaft ergänzenden Metallen besteht, von denen zwei im verschleißbaren Bereich der Schleifleiste angeordnet sind.

München, den 4.11.1965

809813/0319