DE19857115A1 - Stromschiene, deren Verwendung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Bei einer Stromschiene mit einem schienenartigen Tragprofil aus einem Metallwerkstoff, insbesondere mit einem Tragprofil I-förmigen Querschnitts, der zumindest eine Profilkomponente aus einem anderen Metall zugeordnet ist, wird in wenigstens einer in dem aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Tragprofil verlaufenden Flankenrinne als Leitprofil ein Leichtmetallkörper - insbesondere ein stranggepresstes Profil aus einer Aluminiumlegierung - mit seine auswärts weisende Oberfläche überspannender Profilkomponente aus einem Metall höherer Festigkeit festgelegt. Dieses Leitprofil wird formschlüssig in die Flankenrinne eingepasst, der Leichtmetallkörper des Leitprofils kann mit Presssitz in der Flankenrinne sitzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromschiene mit einem schie­ nenartigen Tragprofil aus einem Metallwerkstoff, insbeson­ dere mit einem Tragprofil I-förmigen Querschnittes, der zu­ mindest eine Profilkomponente aus einem anderen Metall zu­ geordnet ist. Zudem erfasst die Erfindung eine Verwendung der Stromschiene sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Ein Verbundprofil mit einem Tragprofil oder Tragkörper aus einem Leichtmetallwerkstoff als Profilkomponente und wenig­ stens einem mit diesem während eines Strangpressvorganges metallisch verbundenen Profilband aus einem anderen Metall höherer Abriebfestigkeit ist der EP 0 677 338 A1 zu entneh­ men. Es werden querschnittlich I-förmige Verbundprofile aus einem Schienenfuß, einem Schienenhals und einem Schienen­ kopf beschrieben, wobei der Schienenkopf durch ein die Pro­ fillängsachse querendes Bandprofil abgedeckt ist; letzteres bietet eine Schleifebene für es berührende Stromabnehmer an. Dieses Verbundprofil wird aus einer Aluminiumlegierung auf dem Wege des Strangpressens in einem Arbeitsgang herge­ stellt, während dessen auch jenes Bandprofil angefügt wird.

Aus der DE 24 32 541 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Stromschienen aus einem Trägerprofil und mindestens einer wenigstens einen Teil der Oberfläche des Trägerpro­ fils bildenden Auflage aus Profilband eines anderen Metalls bekannt. Auch hier wird während eines Strangpressvorganges wird das Trägerprofil durch Auspressen eines Blockes durch den Formgebungsquerschnitt einer Matrize erzeugt; gleich­ zeitig durchläuft das Profilband zur Matrizenlängsachse parallel den Matrizendurchbruch oder Formgebungsquer­ schnitt. Um zudem eine ausreichende Verbindung zwischen Trägerprofil und Profilband bei Verwendung nicht vorplat­ tierter Bänder zu gewährleisten, werden mindestens zwei Verbundprofile gleichzeitig erzeugt; die mit den Auflagen zu versehenden Bereiche der Trägerprofile stehen einander gegenüberund werden mit paarweise aufeinanderliegenden Profilbändern durch den Formgebungsquerschnitt geführt.

Obwohl neue Fahrleitungsanlagen - im Hinblick auf deutlich bessere elektrische Leitwerte - verstärkt mit Alumi­ nium/Stahl-Verbundschienen ausgestattet werden, ist nach wie vor der größere Teil der auf etwa 11.000 km zu schät­ zenden Wegstrecken vor allem von Untergrundbahnen und sog. Light Mail Vehicles zur Elektrifizierung durch Stromschie­ nen mit aus Weicheisen geformten Stahlstromschienen verse­ hen.

Im Falle einer Anlagennachrüstung muss heute die komplette Stromschiene ausgetauscht werden, was einen Anlagenstill­ stand und deshalb - neben den Anschaffungs- und Installa­ tionskosten - auch hohe Ausfallkosten verursacht.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, die Nachrüstung stählerner Strom­ schienen zu ermöglichen; die gesamte Stromschienenanlage soll - beispielsweise während nächtlicher Stillstandszei­ ten und ohne aufwendige Montagearbeiten - mit einer be­ darfsgerecht bereitgestellten Profilschiene nachgerüstet zu werden vermögen. Zudem soll das Ensemble aus Stromschiene und Profilschiene auch zur Erstausstattung eingesetzt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre der unabhängigen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Weiter­ bildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Erfindungsgemäß ist in wenigstens einer in dem - aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Weicheisen, bestehenden - Schienen- oder Tragprofil parallel zu dessen Längsachse verlaufenden Flankenrinne ein Leichtmetallkörper, insbeson­ dere ein stranggepresstes Profil aus einer Aluminiumlegie­ rung, als Leitprofil festgelegt, dessen in Einbaulage nach aussen weisende Oberfläche - zumindest abschnittsweise - von der Profilkomponente aus einem Metall höherer Festig­ keit überspannt wird.

Nach anderen Merkmalen der Erfindung weist wenigstens eine der seitlichen Flankenflächen des Leichtmetallkörpers jenes Leitprofils eine Sägezahnprofilierung auf oder sie ist mit Längsrippen versehen, die einen rinnenartigen Querschnitt dieser Flankenfläche bestimmen.

Für sich querschnittlich zu einem Profilsteg des Tragpro­ fils hin verjüngende Flankenrinnen soll sich vorteilhafter­ weise der trapezartige Querschnitt des Leichtmetallkörpers zu seiner Rückenfläche hin verjüngen, wobei die Mittellinie für den Querschnitt des Leitprofils bevorzugt dessen Symme­ trielinie ist.

Ein solches Leitprofil - für dessen Ausgestaltung und Ver­ wendung selbständig Schutz begehrt wird - ermöglicht das Nachrüsten der weithin üblichen Weicheisen-I-Profile, die beidseits ihres Steges jeweils eine von ihren Flanschen be­ grenzte Flankenrinne aufweisen, ohne aufwendige Bohr- und Schraubarbeiten; der querschnittlich der Flankenrinne ange­ passte Leichtmetallkörper kann formschlüssig in die Flan­ kenrinne eingefügt werden und sitzt in ihr bevorzugt mit Presssitz. Zudem hat es sich als günstig erwiesen, das Leitprofil mit dem Tragprofil thermisch zu verbinden. Zum einen kann beim Erzeugen des Pressitzes ein Kaltverschwei­ ssen erfolgen, zum anderen ist es möglich, die Lage des Leitprofils durch Schweißpunkte zu sichern; durch letztere wird die Profilkomponente aus dem schwereren Metallwerk­ stoff - vornehmlich ein Stahlband - an das Tragprofil an­ geschlossen.

Dank der Erfindung wird also für die im Einsatz befindli­ chen Stahlstromschienen - etwa nach Standard DIN 43 156 - ein passgenaues Profil aus Al 99,5 od. dgl. Legierungswerk­ stoff mit profilierten Flankenflächen angeboten, das dann an der Strecke mit einer entsprechend gestalteten Hydrau­ lik-Vorrichtung in die Stahlstromschiene gepresst werden kann. Dabei werden die Profilrillen des Aluminiums ver­ quetscht; im Idealfall entsteht eine Kaltverschweißung zwi­ schen dem Weicheisen der Stromschiene und dem nachgerüste­ ten Zusatzleitwerkstoff.

Erfindungsgemäß kann der Leichtmetallkörper des Leitprofils von seiner dem Rinnentiefsten zugeordneten Rückenfläche her mit einem Sackschlitz zum Toleranzausgleich versehen sein; hierzu mag in den Leichtmetallkörper eine Entlastungsnut eingepresst oder ein Längsschlitz eingefräst werden. In beiden Fällen erreicht man durch das Einbringen der quer­ schnittsveränderbaren Pressnut eine Verbesserung des Press­ sitzes, dies auch alternativ zu den Oberflächenprofilierun­ gen.

Die in das Leitprofil integrierte Stahlabdeckung, welche bevorzugt durch einen Strangpressvorgang intermetallisch mit dem Leichtmetallkörper verbunden ist, soll - wie be­ schrieben - das problemlose Verschweissen von Leitprofil und Tragprofil ermöglichen. Diesen Effekt kann man auch da­ durch erreichen, dass die Profilkomponente aus dem Metall höherer Abriebfestigkeit ein rinnenartig geformtes Stahl­ blech ist und zwei seitliche Rinnenschenkel des Stahlble­ ches schulterartigen Absätzen des Leichtmetallkörpers klem­ mend aufliegen. In beiden Ausgestaltungen ist es günstig, wenn die Seitenflächen des Tragprofils bzw. seiner Flansche mit der freien Oberfläche der Profilkomponente etwa fluch­ ten.

Der Stromübergang findet bei dem System aus Stromschiene und seitlich angeordnetem Leitprofil an den Seitenflächen des in der Art eines Keiles eingepressten Leitprofils statt. Der elektrische Widerstand der Stromschiene kann nach ersten Berechnungen um über 50% gesenkt und damit in den Bereich neuer Aluminium/Stahl-Verbundstromschienen ge­ bracht werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine schematisierte Draufsicht auf eine Schienenanlage mit seitlicher Verbundstrom­ schiene;

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Stirnan­ sicht einer Verbundstromschiene;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 nach deren Pfeil III;

Fig. 4 bis Fig. 6 Querschnitte durch drei unterschiedliche Nachrüstprofile für die Verbundstromschiene;

Fig. 7: eine Schrägsicht auf einen Abschnitt einer weiteren - axial halbiert dargestellten - Verbundstromschiene;

Fig. 8 die Draufsicht auf ein streifenartiges Ele­ ment der Fig. 7.

Bei einer in Fig. 1 skizzierten Schienenanlage 10 ist auf -in Abständen a von etwa 500 cm - parallel zueinander liegenden Schwellen 12 ein Paar von diese kreuzenden Fahr­ schienen 14 montiert. Neben der in Fahrtrichtung x rechten Fahrschiene 14 verläuft in geringem lichtem Abstand b eine auf Supporten 16 höhenversetzt ruhende Verbundstromschiene 18 aus einem Stahlprofil 20 sowie in dieses beidseits ein­ gepressten Leitprofilen 22. Bei dem Stahlprofil 20 kann es sich um eine Stromschiene aus Stahl nach DIN 43 156 - A5100 der Breite e von 80 ± 1,5 mm und der Höhe h von 105 ± 1,5 mm handeln, auf die hier Bezug genommen wird.

Das Stahlprofil 20 I-förmigen Querschnitts weist an beiden Seiten eines - in Fig. 2 senkrecht verlaufenden - Steges 24 der Breite i von hier 18 mm jeweils eine von einem Firstflansch 26 und einem - eine untere Schleiffläche 28 anbietenden - Sockelflansch 30 begrenzte Flankenrinne 32 auf, die sich vom Steg 24 weg querschnittlich konisch er­ weitert.

Jedes der beiden in Fig. 2 erkennbaren Leitprofile 22 ist ein Verbundprofil aus einem querschnittlich als Trapez aus­ geformten Leichtmetallkörper 34 (Werkstoff hier: Al 99,5) sowie einem während eines Strangpressvorganges an diesen angeformten Stahlband 36. Der Querschnitt dieses Leichtme­ tallkörpers 34 entspricht dem sich zu seiner - parallel zu seiner Querschnittachse A des Stahlprofils 20 vorhandenen - Rückenfläche 33 keilartig verjüngenden Querschnitt jener Flankenrinne oder -mulde 32; in letztere wird das Leitpro­ fil 22 so eingefügt, dass die Oberfläche 38 des Stahlbands 36 mit den angrenzenden seitlichen Aussenflächen 21 des als Tragprofil dienenden Stahlprofils 20 etwa fluchtet. Dann wird letzteres mit den Seitenprofilen 22 durch - bei 40 angedeutete - Schweisspunkte verbunden. Es sei hier darauf hingewiesen, dass das Leitprofil 22 in die Flankenrinne 32 eingepasst ist, seine Abstände zu den benachbarten Rinnen­ konturen in Fig. 2 also überhöht dargestellt sind.

Die beiden - in einem Winkel w zur Mittellinie M des Leit­ profils 22 geneigten - Flankenflächen 35 des Leichtmetall­ körpers 32 sind bevorzugt mit einem Sägezahnprofil 42 aus­ gestattet, das in Fig. 3 dargestellt ist. Die Verbundpro­ file 22 _a bzw. 22 _b der Fig. 4, 5 weisen in der Mittellinie M eine eingepresste Entlastungsnut 44 bzw. einen eingefrästen Längsschlitz 44 _a als Toleranzausgleich auf. Beim Verbund­ profil 22 _b sind statt der beschriebenen - mit in Ein­ schubrichtung z gerichtete Außenkanten aufweisenden - Sägezahnprofile 42 Längsrippen 43 einer querschnittlich rinnenartigen Feder-Profilierung 42 _a zu erkennen.

Das in Fig. 6 gezeigte Leitprofil 22 _c besteht aus einem Leichtmetallkörper 34 _a, an dem ein querschnittlich rinnen­ artiges Stahlblech 46 angebracht ist; dieses wird mit sei­ nen aus der Fläche aufgekanteten kurzen Rinnenschenkeln 48 auf schulterartige Absätze 50 des Leichtmetallkörpers 34 _a so aufgeklemmt, dass die Rinnenschenkel 48 an die Endberei-. che der Sägezahnprofile 42 anschließen.

Das Leitprofil 22 _d der Fig. 7 weist einen Leichtmetallkör­ per 34 _b der Breite n auf, an den ein leiterartig ausgebil­ deter, zwischen Sprossen 52 mit Fensterausnehmungen 54 ver­ sehenes Stahlband 36 _a angefügt ist; die Fensterausnehmungen 54 werden von einem vor dem Stahlband 36 _a verlaufenden zweiten Querschnittsabschnitt 56 des Leichtmetallkörpers 34 _b durchgriffen. Entlang dessen Längskanten 58 sind freiliegende Sichtstreifen 57 des Stahlbandes 36 _a zu erkennen. An diesen werden in Einbaulage die Schweißpunkte 40 angesetzt.

Der besseren Übersicht halber wird nachfolgend eine bei­ spielhafte Nachrüstlösung für Stromschienen bei einer U- Bahn mit Stahlstromschiene 20 ("Third Rail"), einer Stromeinspeisung in Abständen von 5.000 m und einem Support 16 für die Stromschiene 20 in Abstand a von 500 cm dargestellt:

• - Widerstand der Stahlstromschiene: Rs = 23 mΩ/km;
• - Widerstand der nachgerüsteten Lösung:
  As = 5. 100 mm² (Weicheisen, δ ≈ 0,1173 Ωmm²)/m;
  Rs = 23 µΩ//m für "Alte Stromschiene";
  A_A1 = 2.500 mm² (Al 99,5, δ ≈ 0,028 Ωmm²)/m;
  R_A1 = 11,2 µΩ/m für Al-Querschnitt;
  A_SB = 440 mm² (Stahlband, δ ≈ 0,25 Ωmm²)/m;
  R_SB = 568,2 µΩ/m für Stahlband;
  

Dabei werden die Supporte und Verbinder ≈ 20% mit RS sowie die nachgerüstete Länge 80% mit RN angenommen.

Für eine Strecke von 1 = 5.000 m gilt also:

• - ohne Nachrüstung:
  R = 5.000 m × 23 µΩ/m
  = 0,115 Q
• - mit Nachrüstung:
  R1 = 1.000 m x µΩ/m
  = 0,023 Ω
  R2 = 4.000 m × 7, 43 µΩ/m
  = 0,030 Ω
  R = 0,053 Ω.

Es zeigt sich, dass mit der Nachrüstlösung der Stromschie­ nenwiderstand um mehr als 50% gesenkt werden kann. Aus Pv = J2 × R resultieren entsprechend reduzierte Leistungsver­ luste. Allerdings sind die Energieeinsparungen letztendlich systemabhängig (z. B. von der Ausführung der Einspeisung, Stromrückführung od. dgl.).

Claims (23)

1. Stromschiene mit einem schienenartigen Tragprofil aus einem Metallwerkstoff, insbesondere mit einem Tragpro­ fil I-förmigen Querschnitts, der zumindest eine Pro­ filkomponente aus einem anderen Metall zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer in dem aus einem Eisenwerk­ stoff bestehenden Tragprofil (20) verlaufenden Flan­ kenrinne (32) als Leitprofil (22, 22 _a bis 22 _d) ein Leichtmetallkörper (34, 34 _a, 34 _b), insbesondere ein stranggepresstes Profil aus einer Aluminiumlegierung, mit seine auswärts weisende Oberfläche überspannender Profilkomponente (36, 46) aus einem Metall höherer Fe­ stigkeit festgelegt ist.

2. Stromschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitprofil (22, 22 _a bis 22) formschlüssig in die Flankenrinne (32) eingepasst ist.

3. Stromschiene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Leichtmetallkörper (34, 34 _a, 34 _b) des Leitprofils (22, 22 _a bis 22 _d) mit Presssitz in der Flankenrinne (32) sitzt.

4. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitprofil (22, 22 _a bis 22 _d) mit dem Tragprofil (20) thermisch verbunden ist.

5. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkomponente (36, 36 _a, 46) aus dem Metall höherer Festigkeit mit dem Tragpro­ fil (20) verschweißt, insbesondere punktverschweißt, ist.

6. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallkörper (34, 34 _a, 34 _b) des Leitprofils (22, 22 _a bis 22 _d) von seiner dem Rinnentiefsten (24) zugeordneten Rückenfläche (33) mit einem Sackschlitz (44, 44 _a) zum Toleranzausgleich ver­ sehen ist.

7. Stromschiene nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine in den Leichtmetallkörper (34, 34 _a) eingepresste Entlastungsnut (44).

8. Stromschiene nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen in den Leichtmetallkörper (34, 34 _a) eingefrästen Längsschlitz (44 _a).

9. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der seitlichen Flankenflächen (35) des Leichtmetallkörpers (34, 34 _a, 34 _b) des Leitprofils (22, 22 _a bis 22 _d) eine Sägezahn­ profilierung (42) aufweist.

10. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der seitlichen Flankenflächen (35) des Leichtmetallkörpers (34, 34 _a, 34 _b) des Leitprofils (22, 22 _a bis 22 _d) mit Längsrippen (43) versehen ist, die einen rinnenartigen Querschnitt (42 _a) bestimmen.

11. Stromschiene nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine sich quer­ schnittlich zu einem Profilsteg (24) des Tragprofils (20) hin verjüngende Flankenrinne (32) sich der trape­ zartige Querschnitt des Leichtmetallkörpers (34, 34 _a) zu seiner Rückenfläche (33) hin verjüngt.

12. Stromschiene nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinie (M) für den Querschnitt des Leit­ profils (22, 22 _a bis 22 _d) Symmetrielinie ist.

13. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallkörper (34) mit der seine äussere Oberfläche überspannenden Profilkomponente (36) intermetallisch verbunden ist.

14. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass die Profilkomponente (46) aus dem Metall höherer Festigkeit ein rinnenartig ge­ formtes Stahlblech ist und zwei seitliche Rinnenschen­ kel (48) des Stahlbleches schulterartigen Absätzen (50) des Leichtmetallkörpers (34 _a) klemmend aufliegen.

15. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (21) des Tragprofils (20) bzw. von dessen Flanschen (26, 30) mit der freien Oberfläche (38) der Profilkomponente (36, 46) etwa fluchten.

16. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ge­ kennzeichnet durch zumindest eine in den Leichtmetall­ körper (34 _b) eingebettete Einlage (36 _a) aus dem Metall höherer Festigkeit, insbesondere zumindest ein Stahl­ band, das an den Längskanten (58) des Leichtmetallkör­ pers wenigstens abschnittsweise eine freie Oberfläche (57) anbietet, die in Einbaulage etwa an die Strom­ schiene (20) angrenzt.

17. Stromschiene nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein in den Leichtmetallkörper (34 _b) eingebettetes, mit Durchbrüchen (54) versehenes Stahlband (36 _a), welches an seiner Außenfläche von einem Querschnittsabschnitt (56) des Leichtmetallkörpers so übergriffen ist, dass an den Längskanten (58) des Querschnittsabschnittes Sichtstreifen (57) des Stahlbandes verbleiben.

18. Verwendung des Leitprofils (22, 22 _a bis 22 _d) nach we­ nigstens einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Nachrüsten einer aus Eisenwerkstoff geformten Stromschiene (20) C- oder I-förmigen Querschnitts.

19. Verwendung nach Anspruch 18 für Stromschienen (20) aus Stahl für elektrische Bahnen der Formgebung A-Nenn­ querschnitt nach DIN 43156.

20. Verfahren zum Herstellen einer Stromschiene nach we­ nigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das Leitprofil (22, 22 _a bis 22 _c) in die Flankenrinne (32) eingepresst und der Leichtmetallkörper (34, 34 _a) im Bereich seiner Flankenfläche(35) begrenzt verformt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung (42, 42 _a, 43) des Leichtmetall­ körpers (34, 34 _a) verformt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zwischen der Stromschiene (20) aus Weicheisen und dem Leichtmetallkörper (34, 34 _a) eine Kaltverschweissung hergestellt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallkörper (34, 34 _a) im Bereich seiner Entlastungsnut (44) oder seines Längsschlitzes (44 _a) vor dem Einbau aufgeweitet wird.