DE19517806A1

DE19517806A1 - Verringerung der Schwingungsamplituden und der Kontaktkraft an Schnellbahnoberleitungen

Info

Publication number: DE19517806A1
Application number: DE1995117806
Authority: DE
Inventors: Armin Mylaeus; Ulrich Dipl Ing Mylaeus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-15
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1996-11-21

Description

Stand der Technik

Der Fahrdraht der Oberleitung hängt in Form der Ketten linie y = cos x; zwischen je zwei Aufhängepunkten. Der Durchhang ist abhängig vom Abstand der Aufhängepunkte, von der Temperatur sowie von der Wirksamkeit vorhandener Gewicht-Nachspannvorrichtungen. Bei der heute üblichen Fahrdrahtspannung kann der Durchhang bei -20°C und einem Abstand der Aufhängepunkte von 40 Metern 250 mm betragen und bei +30°C 500 mm.

Die zulässige Fahrdrahtspannung hängt von der Zugfestig keit des verwendeten Materials ab, die bei hartgezogenem Kupferdraht 40 bis 45 kg/mm² und bei Siliciumbronzedraht 40 bis 60 kg/mm² beträgt. Die Versprödung bei Kälte muß berücksichtigt werden. Damit sind der Spannung Grenzen gesetzt.

Der Fahrdrahtdurchmesser ist bei Schnellbahnen mit 12 mm verhältnismäßig groß. Sein Gewicht beträgt ca. 1,27 kg je Meter, was bei der Beurteilung seiner Massenträgheit, die auf die vom Stromabnehmer erregten Schwingungen dämp fend wirkt, von einiger Bedeutung ist. Der Stromabnehmer drückt mit Kontaktkräften zwischen 5-10 kp gegen den Fahrdraht und hebt ihn bis ca. 100 mm an um ein Abheben infolge der Schwingungen und den gefürchteten Lichtbogen zu vermeiden. Damit erzeugt der Stromabnehmer eine er zwungene Schwingung des Fahrdrahtes. Vereinfacht gesehen handelt es sich um eine Sinusschwingung, die so flach ist, daß sie einer Parabel (y²=2px) gleichkommt.

In Wirklichkeit ist das Schwingungsbild aber viel kompli zierter und rechnerisch oder zeichnerisch schon wegen der wechselnden Bahngeschwindigkeiten und der positiven oder negativen Beschleunigungen der Bahn nicht erfaßbar. Es kommt zu nachfolgend zu beschreibenden Überlagerungs schwingungen. Man kann versuchen, sich durch Simulations programme einen Überblick zu verschaffen und hoffen, daß das Programm der Wirklichkeit entspricht.

Am Fahrdraht sind vier verschiedene Schwingungsarten zu beobachten.

a) Die "Saitenschwingung" ist in ihrer unbeeinflußten Form eine stehende Welle, deren Wellenlänge der Entfernung zwischen zwei Aufhängepunkten entspricht, welche aber auf der Strecke variiert und die Eigenfrequenz des Fahrdrahtes verändert, je nach dem, ob es sich um eine freie Strecke, um Kurven, Tunnels oder Stationsdurch fahrten mit Ausweichegeleisen oder Streckentrenner und dergleichen handelt.
Die Saitenschwingung wird hauptsächlich von Wind-Rich tung und Stärke angeregt und hat daher zweidimensiona len Charakter. Sie ist vorhanden auch wenn keine Bahn fährt. Sie wird, wie alle anderen Schwingungsarten, von Energie, Amplituden und Frequenz der anderen drei Schwingungsarten beeinflußt und schwingt in den Mast feldern noch hinter der Schnellbahn nach.
b) Die "Erregerschwingung", die vom Stromabnehmer durch seinen Druck gegen den Fahrdraht und von der Bahnge schwindigkeit erzeugt wird und wie ein Kraftstoß wirkt, der als Stoßwelle mit etwa doppelter Bahngeschwindig keit, bei 60m/sec also mit ca. 120m/sec dem Stromabneh mer vorauseilt.
Die Erregerschwingung ist der eigentliche Energiespen der für die folgenden beiden Schwingungsarten.
c) Die Reflexionsschwingung, im folgenden immer "Echoschwingung" genannt, die den größeren Teil ihrer kinetischen Energie am Aufhängepunkt reflektiert, während der kleinere Energieanteil seine Richtung bei behält und den Reflexionspunkt überspringt.
Diese Schwingung ist gefährlich, weil das zufällige Auftreffen ihres Maximums auf den nachfolgenden Strom abnehmer diesen vom Fahrdraht abheben und einen Licht bogen erzeugen kann. Bei der Überlagerung der Erreger schwingung durch die Echoschwingung werden die Fahr drahtamplituden im Sinne einer Vergrößerung oder Ver minderung beeinflußt zwischen den Werten von fast 2U und 0.
d) Die "Deformationsschwingung", die beim Verbiegen des Fahrdrahtes durch den Stromabnehmer entsteht und von den Materialeigenschaften und dem Grad der Verbiegung des Fahrdrahtes abhängt und mit der Schallgeschwindig keit des Fahrdrahtmaterials von ca. 13 000 Km/h, ent sprechend ca. 3600 m/sec in beiden Richtungen, nach vorn und zurück, schwingt. Es handelt sich um eine ab klingende Schwingung mit abnehmender Amplitude weil die Eigenmasse des Fahrdrahtes und seine innere Reibung dämpfend wirken, wobei ein Teil der kinetischen Energie in Wärme umgewandelt wird, die durch Abstrahlung unwie derbringlich verloren geht.

Allen 4 Schwingungsarten ist gemeinsam, daß ihre Wellen längen groß und die Amplituden klein sind. Die Abweichung der Seillinie von der geraden Verbindungslinie ihrer bei den Endpunkte ist gering und mit bloßem Auge beim Vorüber fahren der Schnellbahn nicht wahrnehmbar. Aber alle vier Schwingungsarten überlagern einander. Es entsteht ein kom pliziertes Schwingungsbild mit unregelmäßigen Vorkommen von positiven und negativen Amplitudenspitzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verminderung von Durchhang und Amplituden des Fahrdrahtes sowie der Gleitreibung zwischen Stromab nehmer und Draht als Voraussetzungen für die angestrebte kleinere Kontaktkraft.

Der ideale, technisch nicht erreichbare Zustand ist die gerade, schwingungsfreie Linie. Die Aufgabe darf als ge löst betrachtet werden, wenn man diesem Idealbild mög lichst nahe kommt, das heißt, daß die Fahrdrahtschwingun gen so beeinflußt werden, daß nur noch eine Vibration oder Oszillation resultiert mit kleinster Amplitude und großer Frequenz.

Aus dieser erfindungsgemäßen Aufgabe folgt, daß durch eine Verkürzung der Wellenlänge die Schwingungsdauer T zu ver ringern ist, wobei nach

die Frequenz größer wird.

Einer Erhöhung der Fahrdrahtspannung, die naheliegend wäre, sind - wie oben erwähnt - Grenzen gesetzt. Das bringt auch nichts, weil die Eigenschaften der Schwingungen kaum spür bar oder nutzbringend beeinflußt würden.

Auch mittels der "destruktiven Interferenz" ist das Pro blem der Amplitudenverringerung nicht zu lösen, weil die Phasenverschiebung um 90°, die an sich schon schwierig zu erreichen ist, wegen der wechselnden Fahrgeschwindigkeiten unmöglich wird.

Nach Hertz ist die Stoßdauer im Aufhängepunkt mit 3,1 bis 5,5 Millisec wesentlich größer als die Zeit, die die elas tische Stoßwelle, hier Deformationsschwingung genannt, zwischen zwei Aufhängestellen benötigt, um im Fahrdraht zurückzukehren. Damit bedeutet jede Rückkehr der Stoßwelle eine Störung des eigentlichen Kraftstoßes und ist im Sinne der vorliegenden Erfindung erwünscht, zumal dabei kineti sche Energie in Wärme umgewandelt wird.

Das reicht aber nicht aus, um die Aufgabe zu erfüllen. Aber bei einer Vermehrung der Aufhängepunkte wird ihre Wirkung verstärkt. Dabei überspringt ein Teil der Stoß welle die Reflexionspunkte und kollidiert mit der schwä cheren vorherigen Stoßwelle.

Erfindungsgemäß werden dafür die Aufhängepunkte besonders wirksam gemacht, indem sie mit Dämpfungsmassen versehen werden, die nach dem Trägheitsgesetz ihren Beitrag zur Vernichtung von kinetischer Energie beisteuern. Erfindungsgemäß werden alle Aufhängepunkte der Strecke gleich gemacht, auch die an den Masten befindlichen. Damit wird erreicht, daß die vom Stromabnehmer erzeugten Erregerschwingungen an allen Punkten ungefähr gleich sind.

Diese Ordnung der wichtigsten der vier Schwingungsarten ist von Bedeutung weil sie alle anderen Schwingungen beein flußt. Je kleiner durch vorstehende Maßnahmen die Amplitu den der Erregerschwingung werden, desto näher kommt man der Lösung der Erfindungsaufgabe.

Unter Beibehaltung der heutigen Abstände der Masten werden deshalb erfindungsgemäß folgende Änderungen vorgeschlagen:

1. Erhöhung der Ereignismenge, wobei unter "Ereignis" im folgenden immer die gegenseitige Beeinflussung durch Überlagerung von Schwingungen zu verstehen ist. Durch die Erhöhung der Ereignismenge und ihre dichtere Folge soll durch Anhäufung der Zufälle ein Resultat im Sinne der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
2. Verringerung des Fahrdrahtdurchhanges durch Vermehrung der Aufhängepunkte, beispielsweise um 2 von 7 auf 9 im Mastfeld.
3. Gezielte Phasenverschiebung zwischen Erregerschwingung und Echoschwingung indem der starre Reflexions-"Punkt" durch eine, das Echo verwischende und schwächende Reflexions-"Strecke" ersetzt wird, die ähnlich wirkt als würde man einer starren Echowand einen flexiblen Mantel vorhängen.
4. Dämpfung der Amplituden durch Nutzung der Massenträg heit.
5. Verringerung der Kontaktkraft des Stromabnehmers gegen den Fahrdraht als mittelbar indirekte Folge einer Ver ringerung des spezifischen Flächendrucks durch Vergrö ßerung der Kontaktflächen.
6. Verminderung der Gleitreibung und des Ohmschen Wider standes zwischen Fahrdraht und Schleiferoberfläche als weitere Folge von Punkt 5 um mehr als die Hälfte der bisherigen Werte.
7. Anordnung von zwei parallelen Fahrdrähten.

Zu Punkt 1

Das nicht ohne weiteres beherrschbare Chaos der vier Schwingungsarten mit ihren gegenseitigen Überlagerungen wird erfindungsgemäß absichtlich vergrößert, um die Massen trägheit des Fahrdrahtes und seiner Aufhängungen durch Vermehrung der Ereignismenge und eine Verdichtung der Schwingungsknoten am Draht sowie die Verkürzung der Wel lenlängen zu größerer Wirkung zu bringen. Die resultie renden Amplituden werden dadurch in Richtung der Oszilla tion nivelliert und abgeflacht weil die Energiezufuhr dabei nicht erhöht wird. Die sich häufenden Überlagerun gen der Schwingungslinien, die beidseitig der maximalen Amplituden auftreten, werden homogenisiert. Die Spitzen werden gebremst. Die erhöhte Ereignismenge schluckt die Resonanzen und tilgt sie weitgehend.

Der seltene Extremfall der exakten Koinzidenz zweier Ampli tudenmaxima, z. B. der Erreger- und der Echoschwingung, verliert in der größeren Ereignismenge an Bedeutung und wird noch durch die Saiten- oder Eigenfrequenzschwingung und die auch nach rückwärts strahlende Deformationsschwin gung gestört. Auch die an sich schon abklingende Deforma tionsschwingung wird durch die dichter beieinander liegen den Schwingungsknoten gedämpft. Alle Schwingungsarten ver lieren schneller an Energie durch Umwandlung in, vom Draht abgestrahlte, verlorene Wärme.

Zu Punkt 2

Die Verringerung des Fahrdrahtdurchhangs ohne Erhöhung der Spannung, aber durch eine mäßige Vermehrung der Aufhängun gen im sonst unveränderten Mastfeld ist eine nicht sehr aufwendige Maßnahme. Dabei handelt es sich um die Verwirk lichung der sogenannten "Waschbrett-Theorie", bei der der Stromabnehmer über die enger liegenden Aufhängungen wie bei einem Waschbrett unter dem Fahrdraht hingleitet und nicht viel mehr als den Durchhang zwischen den Aufhängun gen anheben muß.

Das heute nicht mehr benutzte Waschbrett hat bei einer Wellenlänge von ca. 0,04 m eine Schwingungsdauer T von ungefähr 0,5 sec je nach dem Temperament der Waschfrau, und damit eine Frequenz f von 2/sec.

Der Fahrdraht hat bei der Fahrgeschwindigkeit von 61 m/sec und nach der erfindungsgemäßen Verkürzung der Spannweite zwischen zwei Aufhängungen auf, z. B. 7,50 m eine erzwunge ne Schwingungsdauer T von 0,123 sec und damit eine Fre quenz f von 8/sec. Natürlich ist die Schwingung, sofern sie nicht gestört wird,flacher mit kleinerer Amplitude. Trotz der Überlagerungseinflüsse sei das Bild der Anschau lichkeit halber erlaubt.

Mit der Verringerung des Durchhangs kann allein schon die Kontaktkraft auf 4 bis 6 kp gesenkt werden, wodurch der Impuls der Erregerschwingung kleiner wird mit allen güns tigen Folgen für die anderen Schwingungsarten, deren Energie dadurch ebenfalls geringer wird.

Zu Punkt 3

Die erwünschte Phasenverschiebung zwischen Erreger- und Echoschwingung wird erzielt, indem jede Aufhängung zwei, dicht beieinander liegende Aufhängepunkte erhält. Besser spricht man in diesem Fall von "Aufhängestrecken", die dadurch noch zusätzlich verlängert werden, daß beidseitig der Aufhängungen federnde Arme angeordnet sind, die auf dem Fahrdraht lose aufliegen.

Jede Aufhängung besitzt also erfindungsgemäß zwei "Aufhän gestrecken"anstelle des bisherigen einen Aufhängepunktes. Dadurch wird das Echo in zwei Phasen aufgeteilt und un deutlicher. Bei Eintreffen der Erregerschwingung in der ersten Phase an der Aufhängungsstrecke wird nur ein Teil der Energie als Echoschwingung reflektiert und in der zweiten Phase an der zweiten, benachbarten Aufhängestrec ke ein weiterer, geringerer Teil der Energie mit einer Phasenverschiebung zur Echoschwingung der ersten Phase. Nur ein kleiner verbleibender Energierest überspringt das doppelte Hindernis, das gemäß der folgenden Beschreibung zu Punkt 4 außerdem noch Dämpfungselemente besitzt. Die Größe der Phasenverschiebung zwischen erster und zwei ter Echophase kann durch Veränderung des Abstandes der zwei Aufhängestrecken reguliert werden. Durch Versuchsfahr ten wird der optimale Abstand gefunden und fixiert. Dabei muß die Versuchsbahn mit verschiedenen Geschwindigkeiten zwischen 120 und 220 km/h oder mehr die Aufhängung passie ren.

Zu Punkt 4

Für die Dämpfung der Fahrdrahtamplituden und des vom Stromabnehmer erzeugten Kraftstoßes wird erfindungsgemäß die Massenträgheit genutzt.

Bei Stoßkräften ist die Massenträgheit gegen die erzeugen de Kraft gerichtet und zu beschreiben mit

P ist die resultierende Massenträgheit.
k bedeutet die schwingungserzeugende Kraft des Stromab nehmers.
m ist die Masse der Aufhängung mit der Masse der Dämpfungs elemente und des anteiligen Fahrdrahtes.

Die Beschleunigung

ist, weil sie sich von der Ruhe lage mit 0 aufbaut, beim Stoß durch den Stromabnehmer groß. Wenn dazu m erfindungsgemäß vergrößert wird, wird die resultierende Massenträgheit P als Reaktionskraft kleiner. Man kann, wie unten noch genauer ausgeführt wird, eine verhältnismäßig kleine Trägheitsmasse verwenden, um die Amplitude wirksam zu dämpfen.

In der Aufhängung wird die Amplitude des Fahrdrahtes durch erfindungsgemäße Dämpfungselemente, die unten genauer be schrieben werden, verringert. Dadurch wird auch die Ener gie der Deformationsschwingung geschwächt. Die Bewegung des Stromabnehmers wird beruhigt.

Um die Lage im Raum noch zusätzlich zu fixieren, werden, wie schon unter Punkt 3 erwähnt, an beiden Enden der Auf hängung federnde Stabilisierungsarme erfindungsgemäß ange bracht, die lose auf dem Fahrdraht aufliegen und diesem eine erhöhte Biegesteifigkeit geben. Beim Stoß muß die Masse dieser Arme mit angehoben werden.

Die Dämpfungselemente werden wie folgt beschrieben:
Jede Aufhängung, die gemäß Punkt 3 aus je zwei Aufhänge strecken besteht, wird mit Dämpfungselementen versehen. Jede Aufhängestrecke besitzt zwei Fahrdrahtverschraubun gen, jede Aufhängung also deren vier.

Über jeder der beiden Aufhängestrecken wird ein Hohlzylin der angeordnet, in welchem sich die Dämpfungsmasse in Form eines Vollzylinders zwischen zwei, nur mäßig vorgespannten Druckfedern, sonst aber vertikal frei beweglich, befindet. Die untere der beiden Druckfedern, die den Kraftstoß abfe dern und an die Dämpfungsmasse abgeben muß, hat eine hohe Federkonstante. Die obere Druckfeder hat eine niedrige Federkonstante, weil sie nach beendetem Kraftstoß die Dämpfungsmasse nur in ihre Ausgangslage zurückschieben soll.

Der Vollzylinder als Dämpfungsmasse gleitet mit geringem Spiel an der Innenwand des Hohlzylinders, trocken, ohne Schmierung. Das Luftpolster über dem Vollzylinder wird beim kurzzeitigen Kraftstoß zusammengepreßt. Da der Kraft stoß nur ca. 5 Millisekunden dauert, kann die zusammenge preßte Luft nur stark gebremst durch den dünnen Spalt zwi schen Vollzylinder und Hohlzylinderinnenwand ausweichen. Das Luftkissen wandelt dabei Stoßenergie in Wärmeenergie um, die durch Abstrahlung verloren geht.

Die von Hertz beschriebene Abplattung zweier, nicht abso lut starrer Körper beim Stoß, übernimmt erfindungsgemäß die untere, stärkere Druckfeder im Moment der ersten Stoß periode, in der die Stoßkraft während der sehr kurzen Stoßzeit einen beträchtlichen Wert annimmt.

Am Ende der ersten Stoßperiode hat die Dämpfungsmasse ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht. In der zweiten Stoßperiode nimmt die Stoßkraft bis auf 0 ab und die untere Druckfeder wird entspannt. Da die Stoßkraft sehr groß ist, dürfen die Wirkungen der übrigen Kräfte, z. B. die Erdbeschleunigung, vernachlässigt werden, so daß man beim Stoß freie Körper voraussetzen kann.

Nach Hertz beträgt die größte Zusammendrückung der unteren Feder beim Stoß

Wenn diese Formel für die Beschreibung des Standes der Technik benutzt wird, sind folgende Werte einzusetzen:
c₁ wird mit 124(kg/cm) hoch angesetzt um den heute übli chen harten Kraftstoß zu simulieren.

v = 61 m/sec; m₁ = 30 kg für den Stromabnehmer; m₂ = 16 kg für den heute üblichen Aufhängepunkt - ohne die erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfungsmasse - aber mit der anteiligen Gewichtseinwirkung von Kettenwerk, Ausleger aus Alu und dem Gewicht von 1 m Fahrdraht.

Damit ergibt die Rechnung eine maximale Zusammendrückung max x = 10,89 cm und zeigt eine auffallende Übereinstim mung mit dem Stand der Technik, da der heute verwendete Stromabnehmer den Fahrdraht um etwa 10 cm anheben muß, um den Kontakt nicht zu verlieren.

Die Kraftstoßdauer beträgt nach Hertz

was bei der oben verwendeten Geschwindigkeit von 61 m/sec ein Ergebnis von ca. 0,005 sec bringt. Diese Stoßdauer ist groß, wenn man in Betracht zieht, welchen Weg der Stromabnehmer schon in einer Millisekunde zurücklegt.

Bei 44,4 m/sec ist die zurückgelegte Strecke des Stromab nehmers in einer Millisec schon 4,44 cm lang und bei 61 m/sec 6,1 cm. Deshalb kann sich der Kraftstoß in dem viel längeren Zeitraum von 5 Millisec nicht in voller Hö he auf die Aufhängung mit seinen Trägheitsmassen auswir ken.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Trägheitsmassen werden diese folglich nicht auf max x angehoben, weil über die untere Druckfeder der Vollzylinder mit Verzögerung nach oben ausweicht, während der Stromabnehmer schon eine größere Strecke vorausgelaufen ist. Der heutige Federweg von bis zu 10 cm wird sich auf einen geringen Bruchteil vermindern. Die Fahrdrahtamplitude wird entsprechend klei ner.

Sobald der Stromabnehmer an der Aufhängung vorüber gefah ren ist, wird der Fahrdraht mit seiner Verschraubung und den Stabilisierungsarmen mit kleiner Amplitude zurück schwingen während die Trägheitsmassen der frei schwingen den Vollzylinder, dem erhaltenen Impuls folgend, noch nach oben in Bewegung sind. Weil aber inzwischen die Stoßkraft schon auf 0 gesunken ist, haben die Vollzylinder schon ihre Höchstgeschwindigkeit überschritten. Ihre restliche kinetische Energie wird vom oberen Luftkissen verbraucht. Die schwächere obere Feder schiebt dann die Vollzylinder wieder nach unten in ihre Ausgangslage.

Der Hohlzylinder des Dämpfungselementes mit seiner Befesti gung am Hänger der Fahrdrahtkonstruktion wird infolge sei nes Beharrungsvermögens dem Vorgang nur mit mäßiger Vibra tion folgen, denn er unterliegt nur der kleinen Federkon stante der oberen Feder und hat wegen des schmierungsfrei en Spalts zum Vollzylinder fast keine Reibung an seiner Innenwand. Auch dem zusammengepreßten Luftpolster wird sein Beharrungsvermögen im Millisekundenbereich widerste hen.

Die beiden in der Aufhängung benachbarten Dämpfungselemen te, die die beschriebene Vertikalbewegung mit sehr kurzem Zeitabstand hintereinander ausführen, dienen dazu, die ge fürchtete Echoschwingung zu stören und ihre Energie zu schwächen, wie schon unter Punkt 3 erwähnt.

Wenn gemäß Punkt 3 (letzter Satz) bei Versuchsfahrten der optimale gegenseitige Abstand der beiden Aufhängestrecken in der Aufhängung gesucht wird, sollte gleichzeitig auch das Gewicht der Trägheitsmassen variiert werden in Größen ordnungen von beispielsweise 2×4 = 8kg bis 2×5 = 10 kg. Ebenso sollten dabei die Federkonstanten der unteren und der oberen Feder im Dämpfungselement verändert werden, um ein optimales Dämpfungsergebnis mit möglichst kleiner Am plitude des Fahrdrahtes bei einer Halbierung der Kontakt kraft des Stromabnehmers auf ca. 50 N zu erzielen. Weil eine Vorausberechnung nicht möglich ist, kann auf Versuche im praktischen Fahrbetrieb nicht verzichtet wer den. Die Versuchsstrecke muß über 2, besser 3 Mastfelder zwischen 3, besser 4 Masten führen und ca. 140 oder 280 m lang sein. Dafür müssen 18 oder 27 Aufhängungen mit 36 oder 54 erfindungsgemäßen Dämpfungselementen ausgerüstet werden. Der Aufwand ist groß. Aber schon die ersten Fahr versuche können zeigen, wo Änderungen Fortschritte erwar ten lassen.

Die Versuchsstrecke muß mit Geschwindigkeiten zwischen 60 Km/h und 240 Km/h befahren werden.

Zu Punkt 5

Die Verringerung der Kontaktkraft des Stromabnehmers ist schon oben am Schluß der Beschreibung von Punkt 2 ange sprochen worden als Folge der Verringerung des Durchhangs. Außerdem wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den spezifi schen Flächendruck an den Kontaktflächen zu senken, indem die Kontaktflächen vergrößert werden. Dies geschieht durch eine Änderung der Querschnittsform des Fahrdrahtes, indem ohne Änderung des Metergewichtes die Gleitfläche verbrei tert wird. Außerdem wird der Schleifer des Stromabnehmers breiter gemacht.

Grundsätzlich wird dadurch der notwendige Normaldruck des Stromabnehmers nicht herabgesetzt. Auf den ersten Blick wird durch den niedrigeren spezifischen Flächendruck nur der Verschleiß von Schleifer und Draht gesenkt und deren Lebensdauer erhöht. Aber in der folgenden Beschreibung zu Punkt 6 wird nachgewiesen, daß durch die Verringerung des spezifischen Flächendrucks auch eine kleinere Kontaktkraft ermöglicht wird.

Zu Punkt 6

Die Gleitreibung T = Nµ; bei der N die Kontaktkraft be zeichnet und µ den Reibungskoeffizienten, hat bisher für N bekanntlich Werte, die zwischen 4 und 10 kg schwanken. µ hat bei trockener gleitender Bewegung von Bronze auf Bronze einen Wert zwischen 0,18 bis 0,2 und bei steigender Geschwindigkeit sinkt µ auf ca. 0,09.

µ sinkt auch infolge zunehmender Güte der Kontaktflächen, die beim Einlaufen besser werden.

Es ist für den Patentgegenstand ohne Bedeutung, die Rei bungskraft T zu senken, weil sie klein ist gegenüber allen anderen Fahrwiderständen. Aber je kleiner µ ist, desto besser ist bei höherer Kontaktflächengüte der Stromüber gang. Vor allem wird aber nach

der Ohmsche Wider stand R kleiner, wenn die Kontaktfläche q größer wird.

Erfindungsgemäß kann die heute fast linienförmige Auflage des Fahrdrahtes durch die in Punkt 5 beschriebene Änderung der Querschnittsform des Drahtes und die Verbreiterung des Schleifers um das 8fache vergrößert werden, z. B. von bis her ca. 0,75 cm² auf 6 cm². Selbst bei der Annahme, daß im ungünstigsten Fall nur die Hälfte der größeren Kontaktflä che infolge der Fahrdrahtschwingungen noch wirksam bleibt, führt die beschriebene Verbesserung zu einem besseren Stromübergang. Um wieviel dadurch die Kontaktkraft risiko los verringert werden kann, ist ohne Versuche nicht voraus zusagen, weil der Einfluß der anderen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Amplitudenverkleinerung nicht berechnet wer den kann und auch nicht mit einem Simulationsprogramm er faßbar ist. Daß aber ein besserer Stromübergang eine Sen kung der Kontaktkraft ermöglicht, ist sicher. Die Folge ist wieder eine Verminderung der Schwingungsenergie aller anderen Schwingungsarten.

Zu Punkt 7

Als weitere Änderung im Sinne der Erfindungsaufgabe wird der Fahrdraht durch einen zweiten, in geringem Abstand parallel geführten Fahrdraht ergänzt.

Bei Hochgeschwindigkeiten von 300 Km/h oder mehr sind zwei Fahrdrähte unverzichtbar weil nur so ein einwandfreier Stromübergang ohne Funkenbildung gesichert wird. Beide Fahrdrähte werden in regelmäßigen Abständen leitend miteinander verbunden, wodurch der leitende Querschnitt praktische verdoppelt wird und der Ohmsche Widerstand wei ter sinkt, so daß auch bei niedrigerer Kontaktkraft kein Funkenüberschlag erfolgen kann. Selbst beim Abheben eines der beiden Fahrdrähte infolge ihrer Schwingungen wird kein Lichtbogen entstehen, weil zwischen beiden Fahrdrähten un vermeidlich geringe Phasenverschiebungen auftreten, die eine exakte Übereinstimmung der parallelen Schwingungsbil der verhindern. Für den Erfindungsgegenstand ist es er wünscht und auch zu erwarten, daß beide Drähte sich niemals mit genau gleicher Phase bewegen können.

Das Fahrdrahtpaar nimmt beim Einlaufen infolge Abnutzung die optimale Form seiner Kontaktflächen an. In Kurven und an den Knickstellen der Zick-Zack-Führung paßt sich die Gleitfläche den besonderen örtlichen Bedingungen sozusagen individuell an und schleift die Stellen größten Drucks, kaum erkennbar ab, bis die größtmögliche Kontaktfläche erreicht ist.

Das Ergebnis aller oben beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen ist eine abgeflachte Resultierende der sich addierenden Schwingungen, die nur noch als Oszillation oder Vibration mit hoher Frequenz und kleiner Amplitude um die ideelle gerade Fahrdrahtlinie zu beobachten ist. Der sich mit Schnellbahngeschwindigkeit bewegende Strom abnehmer übernimmt mit reduzierter Kontaktkraft eine, die Oszillation glättende, sie bügelnde Tätigkeit und hebt den Draht nur noch um wenige Millimeter an ohne den Kon takt zu ihm zu verlieren.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden mit erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen näher erläu tert.

Es zeigen:

Die Fig. 1a und 1b als Stand der Technik den heute übli chen Fahrdraht im Querschnitt.

Fig. 1c die erfindungsgemäß geänderte Querschnittsform des Fahrdrahtes.

Fig. 2 bis 5 die Funktion der Dämpfungselemente beim Kraftstoß durch den Stromabnehmer.

Fig. 6 in Seitenansicht und der Draufsicht in Fahrtrich tung eine Aufhängestrecke mit den beiden benachbarten Dämpfungselementen und den beidseitig auf dem Fahrdraht aufliegenden Stabilisierungsarmen.

Fig. 7 einen Abschnitt zwischen zwei Masten mit der An ordnung von 9 Aufhängestrecken statt bisher 7 Aufhänge punkten.

Fig. 8 die Anordnung von zwei parallelen Fahrdrähten.

Beschreibung der Fig. 1 bis 8

Die Fig. 1a bis 1c zeigen den Fahrdraht mit verschiedenen Querschnittsformen bei gleichem Flächeninhalt, und zwar, Fig. 1b im Maßstab 1 : 1 den kreisförmigen Querschnitt mit dem heute bei Schnellbahnen üblichen Durchmesser von 12 mm. Fig. 1a denselben Fahrdraht mit beidseitigen Einkerbungen für die Befestigung am Fahrdrahthalter.

Fig. 1c zeigt die erfindungsgemäße Ausführung des Fahrdrah tes mit der Änderung der Querschnittsform, um ohne Ände rung der Größe der Querschnittsfläche oder des Meterge wichtes seine Kontaktfläche zum Schleifer des Stromabneh mers zu verbreitern und damit den spezifischen Flächen druck an den Kontaktflächen zu verringern.

Außerdem wird durch diese Änderung das Widerstandsmoment des Fahrdrahtes gegen Verbiegen vergrößert, was zur Folge hat, daß die Deformationsschwingung durch erhöhte innere Reibung im Fahrdraht einen Energieanteil in Wärme umwan delt, die durch Abstrahlung verloren geht.

Fig. 2 zeigt das Dämpfungselement 2 in Ruhestellung vor dem Kraftstoß durch den Stromabnehmer. Der Fahrdraht 1 ist schematisch durch eine gerade Linie dargestellt.

Im Hohlzylinder 4 ist die Trägheitsmasse 3 frei beweglich zwischen den nur mäßig vorgespannten Druckfedern 5 und 6 untergebracht. Die Trägheitsmasse 3 ist aus Blei (spez. Gewicht 11,34 kg/dm³;) oder vorzugsweise aus Hartblei, mit 6% Antimon und 0,5% Arsen legiert, gefertigt, um Här te und Druckfestigkeit zu erhöhen. Das spez. Gewicht wird dabei mit ca. 11,25 nur mäßig verringert.

Um die Funktion, das heißt die freie Beweglichkeit der Trägheitsmasse 3, nicht durch Feuchtigkeit oder Flugrost an der Innenwand des Hohlzylinders 4 zu stören, ist Letz terer aus nichtrostendem Stahl gefertigt. Die Trägheits masse 3 gleitet im Inneren des Hohlzylinders 4 trocken, ohne Schmierung.

Die auf dem Fahrdraht 1 ruhende Stoßplatte 7 ist am unte ren Ende des Führungsstiftes 9 befestigt, der im unteren Teil des Hohlzylinders 4 den Federteller 8 besitzt. Der Federteller 8 trägt lose, ohne besondere Befestigung, die untere Druckfeder 5 mit ihrer hohen Federkonstante. Der Führungsstift 9 taucht mit ausreichendem Spiel in die Füh rungsbohrung 10 der Trägheitsmasse 3 ein, um bei freier Beweglichkeit eine ausreichende Führung der Bauteile im Inneren des Hohlzylinders 4 zu gewährleisten. Die auf dem Kopfende der Trägheitsmasse 3 befindliche Druckfeder 6 hat eine geringe Federkonstante. Über dem Kopfende der Trägheitsmasse 3 befindet sich ein Luftkissen 11, dessen Funktion unten beschrieben wird.

Fig. 3 zeigt das Dämpfungselement 2 während der ersten Stoßperiode. Beim Kraftstoß durch den Stromabnehmer wird nicht unmittelbar das gesamte Aufhängungssystem, sondern nur die Trägheitsmasse 3 über die Druckfeder 5 bewegt. Die Abbildung zeigt, daß die Druckfeder 5 entspannt ist weil sie in der ersten Stoßperiode ihren Impuls völlig an an die Trägheitsmasse 3 weitergegeben hat, die sich noch nach oben in Bewegung befindet. Dabei wird die Druckfeder 6 gespannt und das Luftkissen 11 zusammengedrückt. Am Ende dieser ersten Stoßperiode, die bei einer Bahnge schwindigkeit von 61 m/sec ca. 0,005 sec dauert, ist der Stromabnehmer schon ca. 5 × 6 cm weiter vorausgelaufen, so daß der Kraftstoß sich nicht in voller Höhe auf das Dämpfungselement 2 auswirken konnte.

Da der Kraftstoß im Moment der ersten Stoßperiode nur sehr kurzzeitig wirksam, und der Spalt zwischen der Trägheits masse 3 und der Innenwand des Hohlzylinders 4 sehr eng be messen ist, kann die zusammengepreßte Luft des Luftkissens 11 nur stark gebremst in den Spalt ausweichen. Das Luft kissen 11 wandelt dabei Stoßenergie in Wärme um, die durch Abstrahlung verloren geht.

Fig. 4 zeigt das Dämpfungselement 2 während der zweiten Stoßperiode nachdem die Stoßkraft bereits bis auf 0 abge nommen und die Trägheitsmasse 3 ihre Höchstgeschwindig keit schon überschritten hat. Die untere Druckfeder 5 folgt, völlig entspannt, noch ihrem erhaltenen Impuls. Das Luftkissen 11 ist auf seinem engsten Raum zusammenge preßt, ebenso wie die obere Druckfeder 6. Die Stoßplatte 7 bewegt in dieser Periode den Hohlzylinder 4 mit nur noch kleiner Amplitude nach oben. Dabei muß das Beharrungsver mögen des Hohlzylinders 4 überwunden werden, das auch dem zusammengepreßten Luftkissen 11 im Millisekundenbereich widersteht.

Fig. 5 zeigt das Dämpfungselement 2 nach Ablauf der bei den Stoßperioden wieder in der Ausgangsstellung der Fig. 2 nachdem die Druckfeder 6 die Trägheitsmasse 3 in ihre normale Mittellage zurück geschoben hat.

Fig. 6 zeigt in Seitenansicht und in Fahrtrichtung eine vollständige Aufhängestrecke 16 mit den beiden benachbarten Dämpfungselementen 2, die mittels der Verschraubungen 14 den Fahrdraht 1 halten. Jede Verschraubung 14 ist mit je zwei Schrauben befestigt.

Zwischen den Verschraubungen 14 und den Stoßplatten 7 ist der Stabilisierungsarm 12 eingeklemmt, der beidseitig der Aufhängestrecke auf dem Fahrdraht 1 lose aufliegt und aus Federstahl gefertigt ist. Der beidseitig der Aufhänge strecke überstehende Stabilisierungsarm 12 verlängert, den Schwingungen elastisch nachgebend und die Amplituden dämp fend, die Aufhängestrecke auf etwa doppelte Länge. Die in der Aufhängestrecke benachbarten beiden Dämpfungs elemente 2 reagieren zusammen mit ihrem gemeinsamen Stabi lisierungsaem 12 in sehr kurzem Zeitabstand hintereinander durch ihre geringe Vertikalbewegung auf den Kraftstoß und stören damit die gefürchtete Echoschwingung, die sie in zwei Phasen aufteilen.

Obwohl die beiden benachbarten Dämpfungselemente 2 mit ihrer Aufhängung und dem Seitenhalter 13 unter sich starr verbunden sind, können doch ihre Führungsstifte 9 mit den Stoßplatten 7 die aufeinander folgenden Vertikalbewegun gen beim Kraftstoß nacheinander ausführen, weil sie nicht starr sondern über den gemeinsamen Stabilisierungsarm 12 elastisch miteinander verbunden sind.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Abschnitt zwischen zwei Masten mit der Anordnung von 9 Aufhängestrecken 16 anstel le von heute üblichen 7 Aufhängepunkten. Der Durchhang des Fahrdrahtes 1 kann ohne Erhöhung seiner Spannung verrin gert werden. Die Eigenfrequenz der verkürzten Abschnitte zwischen zwei Aufhängestrecken 16 wird erhöht, aber deren Amplitude verringert.

Fig. 8 zeigt die Anordnung von zwei parallelen Fahrdräh ten 1, wie sie bei Hochgeschwindigkeiten von 300 km/h und mehr erfindungsgemäß empfohlen werden, um einen einwand freien Stromübergang ohne Funkenbildung zu sichern. Auf der linken Zeichnungshälfte wird die hintere Aufhän gestrecke 16 verdeckt und ist daher nicht sichtbar. Weil jeder der beiden Fahrdrähte 1 je eine Aufhängestrec ke 16 besitzt, besteht in diesem Fall die Aufhängung aus vier Dämpfungselementen 2 auf beiden Fahrdrähten 1. Die Funktion der Aufhängestrecke 16 wurde oben in der Be schreibung zu Fig. 6 erläutert, wobei seine starre Kon struktion doch eine Bewegung zwischen den hintereinander angeordneten Führungsstiften 9 mit ihren Stoßplatten 7 erlaubt. Das ist auch in der Fig. 8 der Fall.

Aber, wie in der rechten Zeichnungshälfte der Fig. 8 er kennbar, sind die auf den beiden parallelen Fahrdrähten 1 verschraubten Dämpfungselemente 2 durch je zwei Verbin dungshebel 17 miteinander beweglich verbunden. Dadurch wird erreicht, daß beim Druck des Schleifers 15 des, nicht abgebildeten Stromabnehmers, stets beide Fahrdrähte 1 in Kontakt mit dem Schleifer 15 bleiben. Durch die Verbin dungshebel 17 wird ein selbsttätiger Druckausgleich beider Fahrdrähte 1 auf den Schleifer 15 erzielt. Dies geschieht auch dann, wenn beide Fahrdrähte 1 nicht mit gleicher Pha se schwingen.

Erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehen, aber in der Fig. 8 nicht abgebildet, ist eine Konstruktion, bei der die bei den Fahrdrähte 1 nicht unmittelbar nebeneinander, sondern in Fahrtrichtung in einem definierten Abstand voneinander befestigt werden. Das hat zur Folge, daß sich keine glei chen Schwingungen derselben Eigenfrequenz aufbauen können. Der optimale Versatzabstand ist dafür durch Versuche mit verschiedenen Geschwindigkeiten festzustellen.

Beide parallel montierten Fahrdrähte 1 sind in regelmäßi gen Abständen leitend miteinander verbunden.

Der Ohmsche Widerstand wird verringert, fast halbiert, so daß auch mit dieser Maßnahme die Kontaktkraft verkleinert werden kann.

Claims

1. Oberleitung für Schnellbahnen mit verringerten Schwingungsamplituden und niedriger Kontaktkraft, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Aufhängungen (16) des Fahrdrahtes (1) Schwin gungsdämpfungselemente (2) besitzen, die dem Träg heitsgesetz folgen, indem sie das Beharrungsvermö gen vertikal beweglicher Massen (3) nutzen und
b) die Aufhängungen (16) zwei benachbarte Befesti gungsstellen (14) für den Fahrdraht (1) besitzen, die einen definierten Abstand voneinander haben.

2. Oberleitung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß unter Beibehaltung der üblichen Mastabstände die Zahl der Aufhängungen (16) zwischen den Masten erhöht wird.

3. Oberleitung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Verringerung der Abstände zwischen den Aufhängungen (16) der Durchhang des Fahrdrahtes (1) unter Beachtung der Vorschriften über die zulässige Fahrdrahtspannung verklei nert wird.

4. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verringerung der Kontaktkraft des Stromabnehmers gegen den Fahrdraht (1) dessen Schwingungsamplituden ver kleinert werden.

5. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrißlinie des Fahrdrahtquerschnitts (1) so verändert wird, daß seine Kontaktfläche zum Schleifer (15) des Stromabnehmers breiter wird.

6. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Änderung der Umrißlinie des Fahrdrahtquerschnitts (1) das Metergewicht des Fahrdrahtes unverändert bleibt.

7. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche des Schleifers (15) auf dem Stromabneh mer verbreitert wird, um sowohl den Ohmschen Widerstand zu senken wie auch zugleich den spezifischen Flächendruck zwischen dem Fahrdraht (1) und dem Schleifer (15).

8. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Schleifers (15) auf dem Stromabnehmerbü gel erhöht wird.

9. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsdämpfungselemente (2) aus einem Hohlzylin der (4) und einer zwischen zwei mäßig vorgespannten Druck federn (5 und 6) frei beweglichen Trägheitsmasse (3) be stehen.

10. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die unter der Trägheitsmasse (3) befindliche Druckfeder (5) eine hohe Federkonstante besitzt.

11. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die über der Trägheitsmasse (3) befindliche Druckfeder (6) eine niedrige Federkonstante besitzt.

12. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Hohlzylinder (4) über der Trägheitsmasse (3) ein Luftkissen (11) befindet, das für sehr kurze Kompressions zeiten im Millisekundenbereich ausreichend verschlossen ist.

13. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitsmasse (3) aus Blei, vorzugsweise aus mit Antimon legiertem Hartblei hergestellt ist.

14. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitsmasse (3) trocken ohne Schmierung, mit engem Spalt im Hohlzylinder (43 gleitet.

15. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (4) aus nichtrostendem Stahl gefertigt ist.

16. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trägheitsmasse (3) eine Führungsbohrung (10) ein gearbeitet ist, in die ein Führungsstift (9) eintaucht.

17. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden benachbarten Dämpfungselemente (2) an ihrem unteren Ende durch einen Stabilisierungsarm (12) elastisch miteinander verbunden sind.

18. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Federstahl gefertigte Stabilisierungsarm (12) beidseitig über die Aufhängung (16) hinausragend, lose auf dem Fahrdraht (1) aufliegt.

19. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Führungsstiftes (9) eine Stoßplatte (7) befestigt ist, die den Stabilisierungsarm (12) mittels Schraubgewinde auf der Fahrdrahtbefestigung (14) fest klemmt.

20. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerpunktslinien der beweglichen Trägheitsmassen (3) parallel zur Schwerpunktslinie der Aufhängung (16) ver laufen und mit der ideellen Längsachse des Fahrdrahtes (1) einen rechten Winkel bilden.

21. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrdraht (1) durch einen zweiten, in geringem Ab stand parallel geführten weiteren Fahrdraht (1) ergänzt wird und daß beide Fahrdrähte (1) in regelmäßigen Ab ständen leitend miteinander verbunden sind.

22. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängungen (16) auf den parallel zueinander ange ordneten zwei Fahrdrähten (1) jeweils nebeneinander lie gen und durch Verbindungshebel (17) in der Vertikalen gegeneinander beschränkt beweglich, gelenkig miteinander verbunden sind.

23. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängungen (16) zweier parallel angeordneter Fahr drähte (1) in Fahrtrichtung in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind.

24. Oberleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallel angeordneten Fahrdrähte (1) nur je weils abwechselnd aufgehängt werden, aber dort zusätzlich leicht beweglich miteinander verbunden sind.