DE19725906C1 - Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft an einem Stromabnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft zwischen einem Fahrdraht und einem Stromabnehmer eines elektrisch gespeisten Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Schienentriebfahrzeugs, wie sie im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 näher definiert ist.

Stromabnehmer moderner Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeuge sollen hinsichtlich der Kontaktkraft zwischen der Schleifleiste ihres Stromabnehmers und Fahrdraht als aktiv geregelte Stromabnehmer ausgeführt werden, um unabhängig von den Relativbewegungen zwischen Schienenfahrzeug und Fahrdraht, von Wind und Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen aerodynamischen Kräften auf die Stromabnehmerbauteile sowie dem Schwingungsverhalten des Stromabnehmers, des Fahrdrahtes und des diesen haltenden Kettenwerks ein Optimum bei der Güte der Energieversorgung und dem Verschleiß an der Kontaktstelle zwischen Fahrdraht und Schleifleiste finden und halten zu können. Während jener Kraftanteil der wahren Kontaktkraft, der aus der fahrzeug­ geschwindigkeitsabhängigen Luftanströmung auf die Stromabnehmerbauteile resultiert, durch Messungen bestimmbar und für einen Regelalgorithmus als Parameterfunktion einprägbar ist, erfordert die Bestimmung der aus der mechanischen Aktion des Stromabnehmers und der Oberleitungsanlage resultierenden Anpreßkraft F eine Einrichtung, die möglichst nah an besagter Kontaktstelle diese Anpreßkraft nach ihrem Betrag und ihrem Angriffspunkt bestimmt und vom Meßort, der sich auf Hochspannungsniveau (z. B. 3 kV Gleichspannung; 15 kV oder 25 kV Wechselspannung) befindet, anpreßkraftkraftäquivalente Signale an fahrzeuginterne Auswerteeinrichtungen, die sich auf Gegenpotential befinden, weiterleitet. Im folgenden soll unter dem Begriff der Anpreßkraft F dieser aus der mechanischen Aktion des Stromabnehmers und der Oberleitungsanlage resultierende Anteil der wahren Kontaktkraft zwischen Fahrdraht und Schleifleiste verstanden sein.

Eine gattungsgemäße Einrichtung zur Bestimmung der wahren Kontaktkraft zwischen einem Fahrdraht und einem Stromabnehmer beschreibt die Patentschrift US 5,115,405 A. Hierbei ist ein faseroptischer Kraftsensor an der Schleifleiste angebracht, der über Lichtleiter (und somit elektrisch potentialgetrennt und von elektrischen und magnetischen Störfeldern weitgehend unabhängig) mit einer fahrzeuginternen Einrichtung verbunden ist, von der er mit Licht gespeist wird und die sein anpreßkraftkraftabhängiges Signal erhält. Der Kraftsensor besteht aus einer optischen Faser, die unterhalb des in Kontakt mit dem Fahrdraht stehenden Schleifstücks gespannt und zwischen Schleifstück und dessen Halterung federbelastet eingespannt ist. Eine auf das Schleifstück wirkende Kontaktkraft führt zur Verformung und Mikrokrümmung der eingespannten optischen Faser, die infolgedessen ihre Lichtübertragungseigenschaften ändert. Mit dieser Einrichtung soll das Überschreiten eines oberen oder/und eines unteren Schwellwerts der wahren Kontaktkraft zwischen Schleifleiste und Fahrdraht, das bespielsweise durch Windstöße bedingt ist, erkannt und die Anpreßkraft mittels einer elektronisch­ pneumatischen Befehlseinrichtung und eines pneumatischen Dämpfungsausgleichs-Stell­ gliedes korrigiert werden. Für das Erfassen und Signalisieren der Über- oder Unterschreitung von Kontaktkraftschwellwerten scheint diese Einrichtung geeignet zu sein. Für eine innerhalb eines bestimmten Kraftbereichs wirksame Kontaktkraftmessung, wie sie für eine aktive Regelung der Anpreßkraft oder auch der wahren Kontaktkraft eines Stromabnehmers erforderlich ist, ist diese Anordnung jedoch völlig ungeeignet, da der faseroptische Kraftsensor ein sehr niedriges Signal/Rausch-Verhältnis aufweist und eine hinreichend genaue stetige Meßwertbestimmung nicht möglich ist. Eine Bestimmung des Angriffspunktes der Anpreßkraft auf der Schleifleiste läßt dieser Sensor nicht zu. Die Anordnung weist, da sie sich über die gesamte Länge des Schleifstücks erstreckt, eine nicht unbeträchtliche räumliche Ausdehnung und Masse auf, die das schwingungstechnische und aerodynamische Verhalten des Stromabnehmers ungünstig beeinflussen kann. Die technische Ausbildung erscheint zu empfindlich gegenüber solchen Belastungen, wie sie bei Montage, Wartung und Transport eines Stromabnehmers unvermeidbar sind. Da sich mit dem Grad der mechanischen Belastung einer optischen Faser die Temperaturabhängigkeit der Lichtübertragungseigenschaften ändert, ist eine wirksame Kompensation dieser Temperaturabhängigkeit kaum erreichbar. Die ständig wechselnden mechanischen Belastungen und Verformungen, denen die optische Faser dieses Kraftsensors unterworfen ist, schränken die Lebensdauer dieses faseroptischen Sensors ein und gewährleisten somit keine Betriebssicherheit der Einrichtung.

Die Patentschrift EP 0 697 304 A2 offenbart eine Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft für einen aktiv geregelten Stromabnehmer, bei dem unterhalb eines den Stromabnehmerkopf tragenden Stützisolators, der auf einem vertikal ausfahrbaren Aufbau angeordnet ist, oder dem Schleifstück zugeordnet ein analog messender Lastaufnehmer vorgesehen ist, der mit weiteren Längenmeßsensoren zusammenwirken muß, um über eine Steuerungseinheit die Aktion zweier getrennt arbeitender Vertikalhubantriebe zu beeinflussen. Dieser Lastaufnehmer soll auch unter Verwendung von Lichtwellenleitern aufgebaut sein können, ohne daß über deren Aufbau, Anordnung und Wirkung näheres ausgeführt wird. Zumindest bei der Anordnung des Lastaufnehmers unterhalb des Stützisolators ergeben sich hinsichtlich der Bestimmung des Betrags der Anpreßkraft beträchtliche Schwierigkeiten, da zwischen Kontaktstelle und Meßstelle angreifende Wind- und Massenkräfte das Meßergebnis beeinflussen. Die aus den Zeichnungen ersichtliche Größe des Lastaufnehmers läßt dessen Anordnung in Schleifstücknähe unmöglich erscheinen, hierdurch das schwingungstechnische und das aerodynamische Verhalten des Stromabnehmers ungünstig beeinflußt würde. Mit diesem Lastaufnehmer ist es nicht möglich, den Angriffsort der Anpreßkraft auf der Schleifleiste zu bestimmen.

Eine genauere Beschreibung einer Einrichtung mit einem speziellen Lichtwellenlei­ ter-Sensor, mit dem auf dem Fachgebiet der Bahntechnik, beispielsweise in am Gleis montierten Achszähleinrichtungen, mechanische Druckkräfte gemessen werden, ist in der Patentschrift DE 195 18 123 C2 offenbart. Dieser Sensor weist ein Innenrohr auf sowie ein dazu koaxiales Außenrohr, das in Rohrlängsrichtung geteilt ist und zwei sich nicht berührende Halbschalen bildet. Eine lichtwellenleitende Glasfaser ist schraubenlinienförmig zwischen dem Innenrohr und den Außenrohr-Schalen in einer elastischen Masse eingebettet und erfährt bei einer einseitigen mechanischen Druckbelastung des Sensors, bei der die beiden Außenrohr-Halbschalen aufeinander bewegt werden, eine reversible Biegung in einem bestimmten Biegeradiusbereich, durch die ein die Glasfaser durchlaufendes optisches Signal meßbar gedämpft wird. Der Aufbau eines solchen Sensors ist aufwendig. Er ist nur für eine Belastungsrichtung geeignet, kann nicht als konstruktiv selbständig tragendes Bauelement in den Stromabnehmer integriert werden und würde bei einer mechanischen Überbeanspruchung zerstört. Die wechselnde mechanische Belastung und Verformung der optischen Faser des Sensors reduziert die Wirksamkeit von Temperaturkompensationsmaßnahmen und führt ebenfalls zur Einschränkung der Lebensdauer und der Betriebssicherheit. Ein solcher Sensor erscheint für die Messung der Anpreßkraft an einem Stromabnehmer mit dem Ziel der aktiven Stromabnehmerregelung deshalb nicht brauchbar.

Eine weitere Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft für einen aktiv regelbaren Stromabnehmer ist in der Patentschrift DE 195 40 913 C1 vorgeschlagen. Hierbei soll ein Kraftsensor an einem eine Schleifleiste tragenden Federbein und ein Beschleunigungssensor an der zwei parallele Schleifleisten tragenden Wippe eines Halbscherenstromabnehmers angeordnet sein. Beide Sensorsignale werden den Eingängen einer Regeleinrichtung zugeführt, von der besondere Torsionsaktuatoren angesteuert werden, die um die Achse zwischen dem Unterarm und den Oberarmen des Halbscherenstromabnehmers angeordnet sind und zusätzlich zur üblichen Hubeinrichtung des Stromabnehmers die Anpreßkraft der Schleifleisten an den Fahrdraht stellen. Nach den Abbildungen ist anzunehmen, daß die Anpreßkraft der Schleifleiste am Fahrdraht über eine Wegmessung aus der Einfederung des Federbeins bestimmt wird oder ein Kraftsensor die durch das Federbein übertragene Kraft mißt. Von Nachteil ist die relativ große Entfernung zwischen den Sensoren und der eigentlichen Kontaktstelle zwischen Fahrdraht und Schleifleiste, da zwischen Kontaktstelle und jeweiligem Sensor angreifende Massen- und Windkräfte die Meßergebnisse beeinflussen und verfälschend auf das Regelergebnis wirken können. Zur Ausführung und zum Wirkprinzip der Sensoren ist dieser Fundstelle jedoch nichts entnehmen.

In der französischen Zeitschriften-Publikation "Delfosse, P; Sauvestre, B.: Measurement of contact pressure between pantograph and catenary", Revue Générale des Chemins de Fer, VOL. 1, NO. 6, 1983, Seiten 497-506" ist eine Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft vorgestellt, die der Zustandsbeurteilung einer Oberleitungsanlage aus Fahrdraht und Kettenwerk dient und einen besonders ausgebildeten Meßstromabnehmer verwendet, bei dem jede von zwei parallel zueinander angeordneten Schleifleisten durch eine spezielle Kontaktleiste ersetzt ist die jede durch zwei Biegebalken getragen wird, die mittels Dehnungsmeßstreifen und potentiometrischer Messung die auf jede Kontaktleiste wirkende Anpreßkraft sowohl nach ihrem Betrag als auch nach ihrem Angriffspunkt aus den auf die einseitig eingespannten Biegebalken ausgeübten Drehmomenten bestimmen lassen. Die im Bereich der Stromabnehmerwippe angeordneten und auf Hochspannungspotential liegenden Sensoren müssen mit hohem apparativen Aufwand von ihren in die Fahrzeugsteuerung integrierten Energieversorgungs-, Signalverarbeitungs- und Steuereinrichtungen potentialgetrennt sein und durch besondere Maßnahmen gegen elektrische und magnetische Störfelder geschützt werden. Die dargestellte Anordnung der Kraftsensoren weist keinen Schutz gegen mechanische und Witterungseinflüsse auf. Eine konstruktive Anpassung dieser Einrichtung für einen für den Betriebseinsatz geeigneten Stromabnehmer erscheint kompliziert und aufwendig, die zusätzliche Masse der Biegebalkenanordnung würde das schwingungstechnische und aerodynamische Verhalten des Stromabnehmers ungünstig beeinflussen, so daß eine solche Einrichtungen mit derartigen Sensoren zur aktiven Regelung oder zur Messung der Kontaktgüte eines realen Stromabnehmers im Betriebseinsatz nicht in Betracht kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für eine gattungsgemäße Einrichtung zu finden, die die im Stand der Technik für faseroptische Sensoren mit faseroptischer Signalübertragung für eine Kraftmessung unter Hochspannung allgemein erwartete und für bestimmte faseroptische Sensoren beschriebenen Vorteile unter Vermeidung deren Nachteilen nutzt. Dabei soll der faseroptische Sensor einer solchen Einrichtung möglichst nahe der wirklichen Kontaktstelle zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht angeordnet werden und angreifende Kräfte zwischen den Bauteilen direkt ohne größere Relativwege zwischen ihnen messen können. Die Lösung soll eine solche Gestalt, Größe, Masse und Anordnung besagter Meßeinrichtung mit dem faseroptischen Sensor gestatten, daß das schwingungstechnische und das aerodynamische Verhalten des Stromabnehmers weitestgehend ungestört bleibt. Diese Einrichtung soll eine Bestimmung der Anpreßkraft sowohl nach ihrem Betrag als auch nach ihrem Angriffsort auf dem Schleifstück gestatten und anpreßkraftäquivalente Signale erzeugen und ausgeben können oder anpreßkraftändernde Befehle erzeugen und ausgeben können, die für einen aktiv geregelten Stromabnehmer verwendbar sind.

Diese Aufgaben werden durch eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Fortbildungen und Ausgestaltungen sind den daran anschließenden Ansprüchen entnehmbar.

Mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, solche anpreßkraftäquivalenten Signale zu erlangen oder aus ihnen solche anpreßkraftänderungsäquivalenten Befehle abzuleiten und auszugeben, wie sie für eine stetige Anpreßkraftregelung eines Stromabnehmers mittels seines Hubantriebs und dessen Steuereinrichtung notwendig sind, wobei die für faseroptische Sensoren und ihre elektrisch potentialgetrennte Signalübertragung prinzipiell bekannten Vorteile nutzbar gemacht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es, die Anpreßkraft sowohl nach ihrem Betrag (durch Summation der Signale der beiden eine Schleifleiste oder ein Schleifstück tragenden faseroptischen Sensoren) als auch nach ihrem Angriffspunkt (durch Vergleich der Signale aus den Einzelkräften der beiden eine Schleifleiste oder ein Schleifstück tragenden faseroptischen Sensoren und rechnerische Anwendung der Hebelgesetze) zu bestimmen. Da bekannt ist, daß Anpreßkraftspitzen regelmäßig dort auftreten, wo Fahrdraht und Kettenwerk an den Fahrleitungsmasten aufgehängt sind, kann die Kenntnis des sich ändernden Angriffspunktes der Anpreßkraft in einem Regelalgorithmus dazu benutzt werden, den Zick-Zack-Verlaufs des Fahrdrahtes zu erkennen und die Fahrleitungsmast-Folgefrequenz sowie deren erste und zweite Ableitung zu ermitteln und für das Ausregeln der Anpreßkraft zu verwenden, um die genannten Anpreßkraftspitzen zu verhindern.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die erfindungsgemäßen Einrichtungen leicht modifizierbar auch für Anwendungen in anderen Bereichen der Technik sind, in denen Kräfte, aber auch Drücke und Beschleunigungen zwischen Bauteilen zu messen sind, die auf Hochspannungspotential liegen. Gegenüber bisher üblichen Meßmethoden mit Dehnmeßstreifen und potentiometrischer Meßwertbildung oder mit piezoelektrischen Kraftaufnehmern ist eine wesentliche Reduzierung des Aufwands für die Meßanordnung, die Signalwandlung, -übertragung und -ver­ arbeitung erzielbar.

Ein anderer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Bauteile der Meßeinrichtung mit dem faseroptischen Sensor so ausgebildet und gefügt sind, daß sie geringstmögliche Abmessungen und Masse aufweisen und zwischen den Bauteilen des Stromabnehmers kraftübertragend integrierbar sind.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die für erfindungsgemäße Einrichtungen erforderlichen Bauteile der Meßeinrichtung so ausgebildet sind, daß sie kostengünstig und mit reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar sind.

Ein nächster Vorteil der erfinderischen Idee besteht darin, daß beispielsweise bei der im Ausführungsbeispiel dargestellten Variante nur sehr geringe Änderungen im Aufbau bereits erprobter und im Einsatz befindlicher Stromabnehmertypen notwendig sind, so daß eine kostengünstige Nachrüstung erfindungsgemäßer Einrichtungen auch an einer Vielzahl von in Betrieb befindlichen elektrischen Schienentriebfahrzeugen in Betracht kommt.

Die mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtungen gewonnenen anpreßkraftäquivalenten Signale eignen sich auch für spezielle Meßzwecke, mit denen beispielsweise die Kontaktgüte eines Stromabnehmers geprüft oder der Zustand einer Oberleitung und ihres Kettenwerks in einem Streckenabschnitt beurteilt werden kann.

Die Erfindung ist nachstehend am nicht einschränkend zu verstehenden Beispiel einer Einrichtung zur Energieübertragung von einem Fahrdraht auf ein Schienentriebfahrzeug anhand der Zeichnungen veranschaulicht und beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht der Anordnung einer erfindungsgemäßen Einrichtung für einen Stromabnehmer eines Schienentriebfahrzeugs,

Fig. 2 ein Schnittbild eines Teils der Anordnung und des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 3 Funktionsprinzip eines faseroptischen Reflexsensors,

Fig. 4 Signalpegel/Abstands-Charakteristik p = p(a) des faseroptischen Reflexsensors einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Gemäß Fig. 1 weist ein Schienentriebfahrzeug 2 dachseitig und vom Hochspannungspotential des Fahrdrahtes 1 isoliert einen Stromabnehmer 3 in Halbscherenausführung auf, der an seinem oberen Ende eine Wippe 4 elastisch führt, die mit ihrem Wippenrahmen 5 ein Paar paralleler Schleifleisten 6 trägt und gegen den Fahrdraht 1 führt. Die Schleifleisten 6 bestehen dabei im wesentlichen aus einem Grundkörper 7 und einem darauf fest verbundenen, den Kontakt mit dem Fahrdraht 1 haltenden Schleifstück 8. Am unteren Ende des Stromabnehmers 3 ist Stromabnehmerhubantrieb angekoppelt, der, durch seine Steuereinrichtung 10 angesteuert, die Schleifleiste 6 mit einer definierten Anpreßkraft gegen den Fahrdraht 1 anpressen soll. Die sich einstellende Anpreßkraft ist jedoch keine stationäre Größe, sondern infolge der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Windintensität und -richtung, der stationären Lage des den Fahrdraht führenden Kettenwerks und deren stromabnehmer-, reibungs- und windinduzierten Schwingungen sowie der Relativbewegung des Elektrotriebfahrzeugs entlang seines Fahrwegs ständigen Veränderungen unterworfen. Die Beibehaltung der Anpreßkraft innerhalb eines möglichst engen Kraftbereiches ist jedoch essentiell für eine unterbrechungsfreie Energieübertragung auf das Elektrotriebfahrzeug und einen geringstmöglichen Verschleiß von Schleifstück und Fahrdraht und wird bedeutsamer und schwieriger mit wachsender Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugleistung. Eine aktive Regelung des Stromabnehmers mit dem Ziel eines Anpreßkraftverlaufs innerhalb eines möglichst engen, vorzugebenden Toleranzbands setzt deren möglichst genaue und kontinuierliche Bestimmung voraus, wobei der Meßort in möglichst unmittelbarer Nähe der tatsächlichen Kontaktstelle zwischen Fahrdraht 1 und Schleifstück 8 anzuordnen ist.

Erfindungsgemäß wird dazu nach der in Fig. 2 gezeigten Variante nahe jedem der beiden Enden der Schleifleiste 6 zwischen ihrem Grundkörper 7 und dem Wippenrahmen 5 je einer der dargestellten federelastischen Verformungskörper 11 eingebaut.

Nach einer anderen (bildlich nicht dargestellten) Variante der Erfindung soll der federelastische Verformungskörper 11 zwischen dem Grundkörper 7 und dem Schleifstück 8 angeordnet sein. Die mit einer solchen Anordnung gemessene Kraft kommt der wahren Kontaktkraft weit näher, weil die auf den Grundkörper 7 als Auftrieb oder Abtrieb wirkenden Kräfteanteile aus der wind- und fahrzeuggeschwindigkeitsabhängigen Luftanströmung durch die Meßanordnung mit berücksichtigt werden.

In dem federelastischen Verformungskörper ist ein an sich bekannter faseroptischer Reflexsensor 19 integriert und mit einer zugehörigen, gegenüber an sich bekannten Anwendungsfällen in fachüblicher Weise modifizierten Einrichtung 27 zur Sensorsignalsteuerung und Sensorsignalverarbeitung elektrisch potentialgetrennt verbunden. Während Wippenrahmen 5, die beiden federelastischen Verformungskörper 11 und die von diesen getragene Schleifleiste 6 das Hochspannungspotential des Fahrdrahtes 1 annehmen, sendet und erhält die Einrichtung 26 zur Sensorsignalsteuerung und Sensorsignalverarbeitung auf faseroptischem Wege elektrisch potentialgetrennte Signale und kann deshalb an beliebiger Stelle unter dem Gegenpotential in die Steuerung des Elektrotriebfahrzeugs 2 eingebaut werden und die Steuereinrichtung 10 des Stromabnehmerhubantriebs 9 mit den anpreßkraftkraftäquivalenten Signalen 27 oder gewünschten anpreßkraftkraftändernden Befehlen 28 auf üblichem Steuersignalpotential versorgen.

Jeder federelastische Verformungssensor umfaßt dabei einen ersten Teilkörper 12, der mit dem Wippenrahmen 5 starr verbunden ist, einen zweiten Teilkörper 13, der mit Grundkörper 7 der Schleifleiste 6 starr verbunden ist, und eine die beiden Teilkörper 12 und 13 verbindende Federanordnung 14, die in der Richtung der angreifenden Anpreßkraft F eine Bewegung der Teilkörper 12 und 13 relativ zueinander zuläßt. Die Federanordnung 14 ist so ausgelegt, daß diese Bewegung zwischen den Teilkörpern 12 und 13 innerhalb des gewünschten Meßbereiches des Grundkörper 7 auf den Wippenrahmen 5 übertragenen Anteils der Anpreßkraft F, die über den einzelnen federelastischen Verformungskörper wirkt, frei ist.

Der beispielhaft in jeden federelastischen Verformungskörper 11 integrierte faseroptische Reflexsensor 19 besteht im wesentlichen aus zwei räumlich voneinander getrennten Teilen: Ein erster Einsatz 20, der im ersten Teilkörper 12 des federelastischen Verformungskörpers 11 fest eingeschraubt ist, enthält zwei zueinander parallele und definiert beabstandete Lichtleiter, von denen der Sendelichtleiter 22 einen von der Einrichtung 27 ausgehenden Sendelichtstrahl 24 führt und aus seiner Stirnfläche innerhalb eines bestimmten Abstrahlwinkel austreten läßt. Dieses Licht trifft im räumlichen Abstand a auf die Reflexionsfläche 26, die von einem zweiten Einsatz 21 getragen wird, der im zweiten Teilkörper 13 des federelastischen Verformungskörpers 11 befestigt ist, und wird von der Reflexionsfläche 26 in Richtung auf den ersten Einsatz 20 reflektiert.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist ein vom Abstand a der beiden Einsätze 20 und 21 abhängiger Teillichtstrom durch den Empfangslichtleiter 23 auffangbar und als Empfangslichtstrahl 25 der Einrichtung 27 zur Sensorsignalsteuerung und Sensorsignalverarbeitung zuführbar.

Ist der faseroptische Reflexsensor 19 innerhalb des federelastischen Verformungskörpers 11 so ausgerichtet, daß die Reflexionsfläche 26 sich orthogonal zur Richtung der angreifenden Anpreßkraft F erstreckt, detektiert der faseroptische Reflexsensor 19 die Änderung des reflektierten Lichtstromes, die sich durch eine Änderung des Abstandes a zwischen dem ersten Einsatz 20 und der Reflexionsfläche 26 als Folge einer Änderung der Anpreßkraft F einstellt, so daß die Einrichtung 27 zur Sensorsignalsteuerung und Sensorsignalverarbeitung nach entsprechender Kalibrierung aus der Änderung der Lichtstromdifferenz zwischen Sendelichtstrahl 24 und Empfangslichtstrahl 25 eine Änderung des Abstands a zwischen den Einsätzen 20 und 21 des betreffenden faseroptischen Reflexsensors 19 erkennt und aus der Summation der Signale beider faseroptischen Reflexsensoren 19, die jede Schleifleiste 6 tragen, die angreifende Anpreßkraft F bestimmt. Dabei ist der federelastische Verformungskörper nach Werkstoff und Geometrie so ausgebildet, daß der faseroptische Reflexsensor 19 sinnvollerweise in einem der beiden Meßbereiche M1 oder M2 seiner Signalpegel/Abstands-Charakteristik p = p(a) arbeitet, die in Fig. 4 beiderseits des Signalpegel-Maximums P gekennzeichnet sind.

Die zueinander parallelen und definiert beabstandeten Sende- und Empfangslichtleiter 22 und 23 sind zweckmäßig als Lichtwellenleiter-Faserbündel ausgebildet, die einfach voneinander getrennt (wie beispielsweise in Fig. 3), mehrfach voneinander getrennt oder konzentrisch umeinander angeordnet oder in einem statistisch gemischten Faserbündel geführt sein können.

Nach einer (bildlich nicht dargestellten) anderen Ausführungsform der Erfindung ist der faseroptische Reflexsensor 19 innerhalb des federelastischen Verformungskörpers 11 so ausgerichtet, daß die Reflexionsfläche 26 sich nicht orthogonal, sondern parallel zur Richtung der angreifenden Anpreßkraft F erstreckt, so daß eine Verformung des federelastischen Verformungskörpers 11 eine seitliche Verschiebung der Reflexionsfläche 26 in gleichbleibendem Abstand a gegenüber dem ersten Einsatz 20 zur Folge hat. Dabei soll die Reflexionsfläche 26 beispielsweise so angeordnet sein, daß ihr Rand durch den in Fig. 3 dargestellten Überdeckungsbereich von Sendelichtstrahl 24 und Empfangslichtstrahl 25 verschoben wird. Somit detektiert der faseroptische Reflexsensor 19 die Änderung des reflektierten Lichtstromes, die sich durch eine Änderung des reflektierenden Anteils der Reflexionsfläche 26 als Folge einer Änderung der Anpreßkraft F einstellt.

Als besonders vorteilhaft für eine Federanordnung 14 erwies sich die in Fig. 2 gezeigte Anordnung mit einer Doppelblattfeder, deren Blattfedern 15 und 16 einerends mittels des ersten Teilkörpers 12 gemeinsam eingespannt sind und beansprucht werden und anderenends mittels des zweiten Teilkörpers 13 gemeinsam eingespannt sind und beansprucht werden. Ein solcher federelastischer Verformungskörper ist einerseits flexibel und weist in Richtung der zu messenden, vertikal angreifenden Anpreßkraft F einen relativ großen, annähernd linear gerichteten Federweg und eine hohe Elastizität auf, womit eine hohe Auflösung mit einer steilen Signalpegel/Anpreßkraft-Kennlinie und ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis, mit dem Störsignale aus den Verbindungsstellen Verformungskörper/Bauteil, aus Bauteil-Ei­ genschwingungen und aus Reibungsschwingungen zwischen Fahrdraht und Schleifstück effektiv unterdrückt werden, erreichbar sind. Andererseits weist er in den orthogonal zur zu messenden Anpreßkraft F liegenden Richtungen eine hohe Steifigkeit und Kippstabilität gegen Quer- und Längskräfte, die beispielsweise mit Windlasten bis 1000 N in horizontaler Ebene an der Schleifleiste angreifen, auf, so daß die Schleifleiste unter allen Bedingungen stabil geführt wird.

In Ausbildung der Erfindung ist der federelastische Verformungskörper 11 (beispielsweise durch Anwendung mechanisch abrasiver oder elektroerosiver Drahtbearbeitung oder des Lasertrennens) mit seinem ersten Teilkörper 12, seinem zweiten Teilkörper 13 und der Doppelblattfeder 15/16 mit hoher Genauigkeit und reproduzierbaren Eigenschaften aus dem genannten Werkstoff einstückig ausarbeitbar.

Die beiden Teilkörper 12 und 13 sind in Fortbildung der Erfindung verkleinerbar und der federelastische Verformungskörper ist noch platzsparender und masseärmer ausbildbar, wenn die beiden Einsätze 20 und 21 des faseroptischen Reflexsensors 19 direkt in die benachbarten Stromabnehmer-Bauteile (d. h. in 5 und 7 oder in 7 und 8) eingebaut sind (ohne Abbildung).

Nach einer weiteren, bildlich ebenfalls nicht gezeigten Fortbildung der Erfindung ist es möglich, einen derartigen federelastischen Verformungskörper nicht an den Grundkörper 7 der Schleifleiste anzufügen, sondern ihn körperlich in den Grundkörper 7 oder sogar in das Schleifstück 8 der Schleifleiste 6 zu integrieren, indem er beispielsweise in entsprechende Aussparungen eingefügt wird. In einer besonderen Ausgestaltung dieser Art ist der federelastische Verformungskörper 11 mit vorgenannten Bearbeitungsverfahren in den Werkstoff des Grundkörpers 7 eingearbeitet und mit diesem einstückig ausgebildet.

Um den federelastischen Verformungskörper 11 gegen Zerstörung durch zu hohe Druck- oder auch Zugkräfte zu schützen, wie sie beispielsweise bei Transport und Einbau des Stromabnehmers oder bei Havarien der Oberleitungsanlagen auftreten können, sind nach einer Fortbildung der Erfindung im federelastischen Verformungskörper 11 spezifische Anschläge 17 und 18 ausgebildet (Fig. 2).

Anstelle der Doppelblattfeder 15/16 sind auch solche Federanordnungen 14 für den federelastischen Verformungskörpers 11 denkbar, die einseitig oder zweiseitig eingespannte Biegebalken aufweisen oder die geschlossenflächige oder mehrere Teilflächen aufweisende Membranfedern verwenden.

Um die gefährdeten Bauteile einer erfindungsgemäßen Einrichtung gegen mechanische und klimatische Umgebungseinflüsse zu schützen, ist nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung, auf deren Abbildung verzichtet ist, der federelastische Verformungskörper mit einer gegenüber diesen Umgebungseinflüsse dichten Hülle versehen, die so ausgebildet ist, daß sie die Bewegung der beiden Teilkörper 12 und 13 relativ zueinander und die Aktion der Federanordnung 14 nicht behindert. Vorzugsweise ist diese Hülle als elastomere Haut beispielsweise durch Umgießen oder Kleben aufgebracht.

Die Erfindung ist nicht auf schienengebundene Elektrotriebfahrzeuge und auch nicht auf Halbscheren- oder Scherenstromabnehmer mit und ohne Wippe sowie mit einer oder zwei Schleifleisten der dargestellten Art beschränkt, sondern auch an Stromabnehmern mit völlig anderem Aufbau beispielsweise von Schleifstück, Schleifleiste, Schleifleistenträger und/oder Hubantrieb anwendbar.

Das erfinderische Lösungsprinzip ist weiterhin nicht nur auf die Bestimmung der vertikal angreifenden Anpreßkraft begrenzt: Eine Meßanordnung mit gleichartigem Verformungskörper und faseroptischem Reflexsensor kann für die Messung von Kräften, die am Stromabnehmer in Fahrzeuglängsrichtung angreifen, oder von Kräften, die am Stromabnehmer in Fahrzeugquerrichtung angreifen, verwendet werden, indem beispielsweise Verformungskörper des Ausführungsbeispiels derart um jeweils 90° gekippt werden, daß die Blattfederebene aus der Horizontalen in eine vertikale Ebene quer zum Fahrzeug und parallel zur Schleifleiste oder in eine vertikale Ebene längs des Fahrzeugs geschwenkt wird und der Verformungskörper lageentsprechend befestigt werden. Es ist möglich, zwei oder drei jeweils orthogonal zueinander messende Meßanordnungen zu kombinieren, um angreifende Kräfte hinsichtlich Betrag, Angriffsort und Angriffsrichtung vollständig als Kraftvektoren bestimmen zu können.

Weiterhin ist die Anwendung der Erfindung nicht auf die Messung von Kräften eingegrenzt, sondern kann leicht auf die Messung von Beschleunigungen und Drücken angewandt werden und auch in anderen Gebieten der Technik, wo es um derartige Messungen an auf Hochspannungspotential liegenden Bauteilen geht, genutzt werden.

Bezugszeichenliste

1

Fahrdraht

2

Elektrotriebfahrzeug

3

Stromabnehmer

4

Wippe

5

Wippenrahmen

6

Schleifleiste

7

Grundkörper

8

Schleifstück

9

Hubantrieb

10

Steuereinrichtung

11

federelastischer Verformungskörper

12

erster Teilkörper

13

zweiter Teilkörper

14

Federanordnung

15

Blattfeder

16

Blattfeder

17

Anschlag

18

Anschlag

19

faseroptischer Reflexsensor

20

erster Einsatz

21

zweiter Einsatz

22

Sendelichtleiter

23

Empfangslichtleiter

24

Sendelichtstrahl

25

Empfangslichtstrahl

26

Reflexionsfläche

27

Einrichtung zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung

28

Signale äquivalent der Anpreßkraft

29

Befehle äquivalent der gewünschten Anpreßkraftänderung
a Abstand
F Anpreßkraft
p Signalpegel
P Signalpegel-Maximum

Claims (14)

1. Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft zwischen einem Fahrdraht und einem Stromabnehmer eines elektrisch gespeisten Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Schienentriebfahrzeugs, mit mindestens einem für die Bestimmung der Anpreßkraft zwischen einem Fahrdraht und einer Schleifleiste des Stromabnehmers geeigneten faseroptischen Sensor, mit einer Einrichtung zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung und mit einer diese verbindenden faseroptischen Einrichtung zur potentialgetrennten Signalübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Grundkörper (7) der Schleifleiste (6) und einem Schleifleistenträger (Wippenrahmen 5) und mit beiden fest verbunden zwei federelastische Verformungskörper (11) angeordnet sind, die die Schleifleiste (6) tragen und in denen je ein faseroptischer Reflexsensor (19) integriert ist, der anpreßkraftäquivalente Verformungen des Verformungskörpers (11) detektiert und an besagte Einrichtung (27) zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung signalisiert, in der die detektierten Verformungen in anpreßkraftäquivalente Signale (28) umgewandelt und ausgegeben oder aus denen gewünschte anpreßkraftänderungsäquivalente Befehle (29) abgeleitet und ausgegeben werden.

2. Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft zwischen einem Fahrdraht und einem Stromabnehmer eines elektrisch gespeisten Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Schienentriebfahrzeugs, mit mindestens einem für die Bestimmung der Anpreßkraft zwischen einem Fahrdraht und einer Schleifleiste des Stromabnehmers geeigneten faseroptischen Sensor, mit einer Einrichtung zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung und mit einer diese verbindenden faseroptischen Einrichtung zur potentialgetrennten Signalübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Schleifstück (8) und einem Grundkörper (7) der Schleifleiste (6) und mit beiden fest verbunden zwei federelastische Verformungskörper (11) angeordnet sind, die das Schleifstück (8) tragen und in denen je ein faseroptischer Reflexsensor (19) integriert ist, der anpreßkraftäquivalente Verformungen des Verformungskörpers (11) detektiert und an besagte Einrichtung (27) zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung signalisiert, in der die detektierten Verformungen in anpreßkraftäquivalente Signale (28) umgewandelt und ausgegeben oder aus denen gewünschte anpreßkraftänderungsäquivalente Befehle (29) abgeleitet und ausgegeben werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) einen ersten Teilkörper (12), der mit dem ersten Bauteil (Wippenrahmen 5 oder Grundkörper 7) starr verbunden ist, einen zweiten Teilkörper (13), der mit dem zweiten Bauteil (Schleifleiste 6 oder Schleifstück 8) starr verbunden ist, und eine die beiden Teilkörper (12) und (13) verbindende Federanordnung (14), die in der Richtung der am Teilkörper (13) angreifenden Anpreßkraft (F) eine anpreßkraftäquivalente Bewegung der Teilkörper (12) und (13) relativ zueinander zuläßt, aufweist und daß der faseroptische Reflexsensor (19) innerhalb jedes federelastischen Verformungskörpers (11) und parallel zu dessen Bewegungsrichtung ausgerichtet angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) einen ersten Teilkörper (12), der mit dem ersten Bauteil (Wippenrahmen 5 oder Grundkörper 7) starr verbunden ist, einen zweiten Teilkörper (13), der mit dem zweiten Bauteil (Schleifleiste 6 oder Schleifstück 8) starr verbunden ist, und eine die beiden Teilkörper (12) und (13) verbindende Federanordnung (14), die in der Richtung der am Teilkörper (13) angreifenden Anpreßkraft (F) eine anpreßkraftkraftäquivalente Bewegung der Teilkörper (12) und (13) relativ zueinander zuläßt, aufweist und daß der faseroptische Reflexsensor (19) innerhalb jedes Verformungskörpers (11) und orthogonal zu dessen Bewegungsrichtung ausgerichtet angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Reflexsensor (19) einen ersten Einsatz (20), der im ersten Teilkörper (12) befestigt ist und einen Sendelichtleiter (22) für einen Sendelichtstrahl (24) und einen Empfangslichtleiter (23) für einen Empfangslichtstrahl (25) führt, und einen zweiten Einsatz (21), der zum ersten Einsatz (20) um einen Abstand (a) axial beabstandet angeordnet, im zweiten Teilkörper (13) befestigt ist und eine Reflexionsfläche (26) trägt, umfaßt, wobei die Lichtaustrittsfläche des Sendelichtleiters (22) und die Lichteintrittsfläche des Empfangslichtleiters (23) einander benachbart und der Reflexionsfläche (26) gegenüberliegend angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Reflexsensor (19) die Änderung des reflektierten Lichtstromes detektiert, die sich durch eine anpreßkraftäquivalente Änderung des Abstandes (a) zwischen dem ersten Einsatz (20) und der Reflexionsfläche (26) einstellt.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Reflexsensor (19) die Änderung des reflektierten Lichtstromes detektiert, die sich durch eine anpreßkraftäquivalente Änderung des reflektierenden Anteils der Reflexionsfläche (26) einstellt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) in den Grundkörper (7) der Schleifleiste (6) integriert ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) in das Schleifstück (8) der Schleifleiste (6) integriert ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Teilkörper (12) und (13) verbindende Federanordnung eine Doppelblattfeder (Blattfeder 15 mit Blattfeder 16) ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) mit dem ersten Teilkörper (12), dem zweiten Teilkörper (13) und der Federanordnung (14) einstückig ausgeführt ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) mit dem Grundkörper (7) der Schleifleiste (6) einstückig ausgeführt ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) Anschläge (17, 18) aufweist, die die maximal mögliche Bewegung der Teilkörper (12) und (13) relativ zueinander mechanisch begrenzen.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) durch eine- nachgiebige und abdichtende Hülle gegen Umwelteinflüsse geschützt ist.