DE2538393A1

DE2538393A1 - Stromschiene mit einem kontinuierlichen uebergang fuer den stromabnehmer

Info

Publication number: DE2538393A1
Application number: DE19752538393
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Phil Maitland
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1974-08-28
Filing date: 1975-08-28
Publication date: 1976-03-11
Also published as: CH577758A5; JPS5150493A; FR2283026A1; FR2283026B3; US4047600A; GB1510661A; IT1042075B

Description

Stromschiene mit einem kontinuierlichen Übergang für den Stromabnehmer

Die Erfindung betrifft eine Stromschiene mit einem kontinuierlichen Übergang für den Stromabnehmer zwischen aufeinanderfolgenden, aus einem verschleißfesten Material bestehenden Schleifschichten an den fluchtenden Enden zweier Stromschienen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Im folgenden werden auch die Aluminiumlegierungen mit Aluminium bezeichnet.

Bei modernen elektrischen Eisenbahnen werden die Motoren oft mit Energie aus Oberleitungsdrähten versorgt, wobei der Strom mittels eines Schleifkontaktes übertragen wird. Hohe Geschwindigkeiten erschweren einen guten Kontakt des Stromabnehmers mit den Leitungsdrähten, dies kann zu Funkenbildung und sogar zum Verbrennen der Leitung führen, was einen völligen Zusammenbruch der Stromversorgung zur Folge hätte.

Eine andere,weniger störungsanfällige Methode zur Stromzufuhr besteht darin, eine dritte Schiene einzubauen, die parallel

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zu den Geleisen verläuft. Diese Schiene wird aus Stahl hergestellt, ist aber, im Gegensatz zu den Geleisen, vom Untergrund isoliert. Weil die elektrische Leitfähigkeit von Stahl sehr niedrig ist, kann nur eine beschränkte Strommenge, welche durch die üblichen Querschnitte von Stromschienen begrenzt ist , zu den Elektromotoren übertragen werden. Im weitern ist bei der Verwendung von Wechselstrom der sogenannte Oberflächeneffekt (d.h. der elektrische Strom fliesst hauptsächlich durch die äusseren Schichten eines Profils) bei Stahl sehr stark wirksam, deshalb müsste eine solche Schiene für moderne Geleisesysteme unförmig grosse äussere Abmessungen haben.

Die Verwendung von Stromschienen aus Aluminium statt aus Stahl ist aus folgenden Gründen erwünscht und vorteilhaft:

- viel höhere elektrische Leitfähigkeit

- weniger stark wirksamer Oberflächeneffekt

- grössere Korrosionsbeständigkeit

- kleineres Gewicht

Andererseits haben aber Stromschienen aus Aluminium auch einige Nachteile, die überwunden werden müssen, um ein breites Absatzfeld für Aluminiumschienen zu schaffen und ihre Herstellung wirtschaftlich zu gestalten.

Eines dieser Probleme ist der Verschleiss. Aluminium selbst ist nicht sehr verschleissfest, ausser es sei von einer

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dicken Oxidschicht bedeckt. Weil diese Oxidschicht jedoch elektrisch isoliert, sind andere BeSchichtungen, die eletrisch leitend und verschleissfest sind, zur Uebertragung von Strom aus und auf die Aluminiumschicht verwendet worden. Dazu sind üblicherweise Beschichtungen aus Stahl vorgesehen, welche durch Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, Festklemmen, Schrauben, Nieten usw. aufgebracht werden.

Andere verschleissfeste Schichten werden elektrolytisch, durch Verbundpressen usw. hergestellt. Daraus ist ersichtlich, dass gegenwärtig ein breites Spektrum von Aluminiumstromschienen, welche für neue Schienentransportsysterne von ständig zunehmender Bedeutung sind, zur Verfügung steht.

Ein weiteres Problem stellt sich wegen des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium. Dieser liegt bei ca. 2^·10~" und ist damit ungefähr doppelt so gross wie derjenige von unlegiertem Kohlenstoffstahl. Die Lücke, die zwischen den Enden der einzelnen Schienen offengelassen wird, muss deshalb ungefähr doppelt so gross wie bei Stahlschienen sein, damit die grosse Ausdehnung in den Sommermonaten aufgefangen v/erden kann. So brauchen 15 m lange Aluminiumschienen Zwischenräume von 3,6 cm, um einen Temperaturunterschied von ioo°C zu bewältigen.

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Lücken zwischen den Schienenenden haben zur Folge, dass der Stromabnehmer des Fahrzeugs jedesmal auf der Kante der nächsten Schiene aufschlägt. Dies bewirkt einen hohen Materialverschleiss beim Stromabnehmer, der normalerweise aus Elektrografit besteht. Ueberdies können grosse Lücken zwischen den Schienen dazu führen, dass der Stromabnehmer aufspringt, wodurch ein Lichtbogen gebildet wird, was wiederum zu zusätzlichem Verschleiss bei Stromabnehmer und Schiene führt. Zukünftige Schnellbahnen werden Geschwindikgeiten bis 500 km/h erreichen] die Verhinderung der Bildung von Lichtbogen ist ein Hauptproblem der Stromversorgung solcher Systeme. Ein geringer Verschleiss des Stromabnehmers ist auch sehr wichtig, weil die Kosten für das Auswechseln des Kontaktschuhs in zeitlicher und materieller Hinsicht sehr hoch sind.

Mehrere Versuche sind unternommen worden, das Problem der Lücken zwischen den Schienen zu lösen. So sind beispielsweise Aluminiumschichten zusammengeschweisst und dann an der Ausdehnung gehindert worden, indem man die Schienen so fest auf der isolierenden Unterlage befestigt hat, dass sich die Schienen nicht mehr krümmen können. Druck- oder Zugspannungen werden dann vom Aluminium selbst aufgenommen. Dies ist eine einfache Uebernahme der üblichen Praxis im herkömmlichen Geleisebau. Die normalen Geleise für das Rollmaterial bestehen jedoch aus Stahl und sind ohne Isolierung auf der

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Unterlage befestigt. Aluminiumschienen würden wegen des höheren thermischen Ausdehhnungskoeffizienten viel grössere Spannungen erzeugen und deshalb eine viel höhere Zahl von Verankerungspunkten erforderlich machen. Isolierte Unterlagen sind kostspielig, eine grosse Anzahl macht eine entsprechende Lösung unerschwinglich teuer.

Ein anderer bekannter Versuch, das Verschleissproblem beim Schienenzwischenraum zu lösen, besteht darin, dass die Schienenenden mit einem Winkel von ^5 - 60 C zur Schienenlänge parallel zueinander abgeschnitten werden. Man hat festgestellt, dass der Stromabnehmer leichter über eine solche Lücke hinweggleitet, aber der Verschleiss ist nur wenig geringer als bei einer Lücke mit einem Winkel von 90 .

Eine ähnliche Entwicklung benützt auch Schienenenden, die einen Winkel von ^5 - 60 zur Längsrichtung haben, es wird jedoch kein Zwischenraum gelassen. Bei einer Ausdehnung der Schienen gleiten die Enden entlang ihrer Kontaktflächen und werden seitlich abgelenkt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass nicht die ganze Schienenbreite zur Stromabnahme verwendet werden kann und deshalb bis hO % überdimensioniert v/erden muss. Weil im allgemeinen auch die Beschichtungsverfahren zur Herstellung von verschleissfesten Oberflächen teuer sind, macht die Ueberdimensionierung auch diese Lösung unwirtschaftlich.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromschiene der eingangs beschriebenen Art mit einem kontinuierlichen, d.h. für den Stromabnehmer glatten Übergang zwischen den Schleifschichten zu schaffen und so auszubilden, daß Lücken oder Lückenbildung zwischen den Enden und daraus resultierender Verschleiß beseitigt, eine Uberdimensionierung vermieden und eine wirtschaftliche Herstellung ermöglicht sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein der Geometrie der Stromschienenenden entsprechender keilförmiger Einsatz in die Lücke zwischen Stromschienen gedrückt gehalten ist.

Bei einem Temperaturanstieg wird der keilförmige Einsatz aus der kleiner werdenden Lücke zwischen den sich ausdehnenden Stromschienen hinausgeschoben.

Bei einer Temperaturerniedrigung hingegen wird der Einsatz in die größer werdende Lücke zwischen den sich zusammenziehenden Stromschienen hineingedrückt.

Die Größe des keilförmigen Einsatzes wird so gewählt, daß er jederzeit und in allen Positionen die seine geometrische Form bestimmenden Gleitschichten der Stromschienenenden vollständig, d.h. auf der ganzen Breite der Schienen, berührt.

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Massgebende Parameter für Grosse und Form des Einsatzes sind die Abmessungen der Stromschiene und die zu erwartenden Temperaturschwankungen. Er kann beispielsweise durch Biegen eines ausgestanzten Blechs, aus einem entsprechend geformten Extrusionsprofil oder durch Zusammensetzung aus verschiedenen Komponenten hergestellt werden. Die Dicke irgend eines Teils des keilförmigen Einsatzes kann so variiert werden, dass eine Gewichtsersparnis oder andere gewünschte Eigenschaften resultieren. Vorzugsweise wird dieser Einsatz aus Stahl, Cu, Al, Ni, Bronze , Messing, oder anderen Legierungen dieser Metalle hergestellt, auf alle Fälle muss das Material des Einsatzes mit demjenigen der Stromschienen in bezug auf die Korrosion kompatibel sein und sollte im v/eiteren einen bescheidenen Preis haben.

Der keilförmige Einsatz kann, im wesentlichen analog zur Aluminium-Stromschiene, mit einer Schleifschicht aus verschleiss· festem Material versehen v/erden, z.B. durch elektrochemische Abscheidung, Lichtbogen- oder Plasmaspritzen, mechanisches Klemmen, Schrauben, Nieten oder Aufschrumpfungen einer entsprechenden Schicht auf die Stromabgabeflache. Diese Schleifschicht besteht zweckmässigerweise aus einer Eisenlegierung wie Stahl. Sie kann aber auch aus einer Legierung der Metalle Nickel, Chrom oder Kupfer mit solchen Metallen bestehen, die der Schicht die geforderte Verschleissfestigkeit geben.

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Um die Korrsionsfestigkeit und die Gleitfähigkeit des Einsatzes weiter zu erhöhen, kann ein geeignetes Schmiermittel, z.B. Maschinenfett, auf die Kontaktflächen aufgetragen v/erden.

Die einfachste und wirtschaftlichste Art, den keilförmigen Einsatz zwischen die Stromschienen zu drücken, besteht darin, eine Federkraft auf ihn einwirken zu lassen. Es sind aber zahlreiche andere Möglichkeiten anwendbar, z.B. Ausnutzung der Schwerkraft, magnetische oder hydrostatische Einwirkung, Anpressen mit einem Exzenter oder mit einem Bimetallstreifen,

Da die Stromschiene in verschiedensten Grossen und Formen ausgebildet sein kann, ist es gegebenenfalls vorteilhaft, den keilförmigen Einsatz mittels flexibler Kabel mit den Schienen zu verbinden, sodass auch von den Einsätzen elektrischer Strom aufgenommen werden kann. Selbstverständlich ist ein Kabel nur sinnvoll, wenn der Einsatz und die zugehörige Schleifschicht aus elektrisch leitendem Material bestehen.

Durch geeignete Materialwahl ist es im weitern auch möglich, Federn zum Anpressen des Einsatzes oder Federnbeschichtungen als Stromleiter zu benutzen, wobei der Anpressdruck eine niedrige Kontaktspannung gewährleistet'.

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Je nach den Anforderungen an die Stromschiene in bezug auf Längenänderungen werden die mit dem Keil in Eingriff zu bringenden Stromschienenenden in einem Winkel zwischen 20 und l60 , vorzugsweise 60 und 120 ,zur Längsrichtung abgeschnitten.

Die beiden Stromschienen sind mit einem flexiblen Kabel oder einer andern geeigneten Einrichtung leitend miteinander verbunden.

Die nach der Erfindung hergestellten Stromschienen mit kontinuierlichem Uebergang der Schleifschichten sind vor allem zur Leitung von elektrischer Energie zu den Motoren einer Schnellbahn oder konventionellen Untergrundbahn-gedacht. Sie können aber auch in einem Hebezug oder ähnlich elektrisch betriebenen Einrichtungen eingesetzt v/erden. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit liegt bei den in neuester Zeit immer mehr ins Gespräch kommenden Induktionsschienen für Schnellbahnen, die vorzugsweise aus einer hochohmigen Aluminiumlegierung bestehen.

In den Figuren sind verschiedene Ausführungsvarianten von erfindungsgemäß gestalteten Stromschienen schematisch dargestellt und in der folgenden Figurenbeschreibung mit weiteren Einzelheiten der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung von zwei Schienenenden und einem Einsatz,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt einer Verbindung zwischen zwei Schienenenden und einem keilförmigen Einsatz, bei warmen und daher langen Schienen,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt der Verbindung zwischen den zwei Schienenenden und dem keilförmigen Einsatz von Fig. 2, bei kalten und daher kurzen Schienen,

Fig. ^ eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung von zwei Schienenenden und einem keilförmigen Einsatz, mit separater verschleissfester Schleifschicht,

Fig. 5 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung von zwei rohrförmigen Schienenenden und einem Einsatz,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Verbindung von zwei rohrförmigen Schienenenden.

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In der Ausführung nach Fig. 1 sind die Enden der Stromschienen 10, 11 in einem Winkel von H5° zur Längsseite der Schienen abgeschnitten. Dadurch entsteht ein Zwischenraum, der bei zusammengefügten Stromschienen rechtwinklig ist. Im Hohlraum der Schiene 10 ist nach einer bekannten Methode ein Stützblech 12 befestigt, das aus steifem Material besteht. In der anderen Schiene 11 ist ein Bolzen 13 aus Stahl, Aluminium oder einem anderen steifen Material derart befestigt, dass das Stützblech 12 beim Zusammenlegen der Stromschienenenden zwischen die obere Innenseite der Schiene und den Bolzen eingeführt v/erden kann. Das Stützblech 12 ist so dimensioniert, dass es satt sitzend, jedoch ohne Kraftanwendung in die Schiene 11 hineingeschoben werden kann. Es ist so lang, dass es sich, unabhängig von der durch thermische Expansion variierenden Breite der Lücke zwischen den Schienen 10 und 11, immer bis hinter den Bolzen 13 ausdehnt. Derart werden auch Vibrationen verhindert.

Der Einsatz I^ ist so dimensioniert, dass er einerseits auf dem Stützblech 12 sitzt, andrerseits die Lücke zwischen den Schienen 10 und 11 an der Stromabgabeoberfläche 15 vollständig ausfüllt sowie einen für den Stromabnehmer glatten Uebergang zwischen den Schleifschichten 15 und 16 der Schienen 10 und 11 und der Oberfläche. 17 des Einsatzes sicherstellt.

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Auch der Einsatz 1*1 muss an der Arbeitsoberfläche 17 verschleissfest sein und ausserdem auf dem Stützblech 12 gut gleiten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird für den Einsatz und das Stützblech rostfreier und korrosionsfester Stahl verwendet. Aber auch andere Materialpaare, Vielehe die verlangte Verschleissfestigkeit und gute Gleiteigenschaften haben, können zur Herstellung von Einsatz und Stützblech verwendet werden.

Der Winkelei des Einsatzes lh liegt vorzugsweise zwischen 60 und 120 , die Winkel^und ο sind vorzugsweise höchstens 90 und zweckmässigerweise gleich gross, im Horizontalschnitt ist der Einsatz folglich ein mit Vorteil gleichschenkliges Dreieck.

Die Wirkung des Einsatzes als Keil wird in Pig. 2 und 3 gezeigt:

- Bei einem Temperaturanstieg wird er aus der kleiner werdenden Lücke zwischen den sich ausdehnenden Stromschienen hinausgedrückt (Fig.2).

- Bei einer Temperaturerniedrigung wird er durch Federn 18, 19, welcher an den Stromschienen 10, 11 befestigt sind, in die grosser werdende Lücke zwischen den sich zusammenziehenden Stromschienen gedrückt (Fig.3).

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In Fig. k wird'eine weitere Ausführung der Erfindung darge-

'stellt, bei welcher kein in einem Stromschienenende befestigtes Trägerblech vorgesehen ist. In diesem Fall sind die verschleissfesten Schleifschichten 21 und 22, die kurz vor den Schienenenden abgeschnitten sind, abnehmbare Bestandteile der Stromschienen. Am Schienenende sind die Deckflächen der Alumi&iumprofile 10 und 11 so weit herausgeschnitten, dass die Schleifschichten 21 und 22 über die so gebildete Aussparung hinausragen. Der keilförmige Einsatz Ik wird derart zwischen die Stromschienenenden eingefügt, dass seine Trägerbleche 20 direkt, unter die Schleifschichten zu liegen kommen, was ein Herausfallen des Einsatzes aus der Anordnung verhindert. Die Schichtdicke des Einsatzes I^ entspricht den verschleissfesten Schleifschichten 21 und 22, dadurch ist eine kontinuierliche Gleitfläche für die Stromaufnahme gewährleistet.

Fig. 5 zeigt zwei Stromschienenenden 25, 26 von rundem Querschnitt mit entsprechendem Einsatz 27 und Stützzylinder 28. Das Prinzip ist ähnlich v/ie in den Fig. 1-3. Der Einsatz 27 wird jedoch nicht in einer linearen Bewegung aus der Lücke zwischen den Schienen hinaus- bzw. hinein gedrückt, sondern führt eine Rotationsbewegung um die Achse der Stromschienen 25j 26 aus. Diese Rotation kann beim Zusammenziehen der Schienen beispielsweise durch nicht eingezeichnete Federn bewirkt werden.

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Claims

8000 München üO Mühldorfstraße 25

) 496872

Telefon (089) Telegramme patemus münchen _. , , Ii pn ι r-i I ■ Postscheck München 39418-802

Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG
P 009 72

Patentansprüche

Stromschiene mit einem kontinuierlichen Übergang für den Stromabnehmer zwischen aufeinanderfolgenden, aus einem verschleißfesten Material bestehenden Schleifschichten an den fluchtenden Enden zweier Stromschienen aus Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Geometrie der Stromschienenenden entsprechend keilförmiger Einsatz (14;27) in die Lücke zwischen den Stromschienenenden gedruckt gehalten Ist.
2. Stromschiene nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Stromschienen in einem Winkel von 20 bis 160 zur Längsrichtung gegensinnig abgeschnitten sind und daß der Einsatz (14;27)' entsprechend keilförmig geformt ist.
3. Stromschiene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ensatz durch mindestens eine Feder (18; 19) in die Lücke gedrückt gehalten ist.

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4. Stromschiene nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (27) bei runden Stromschienen (25;26) um seine Längsachse drehbar in der Lücke gehalten ist.
5. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der keilförmige Ensatz (14) im Horizontalschnitt ein gleichschenkliges Dreieck bildet.
6. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen des Einsatzes (14;27) und/oder der Stromschienen(10;Tl;25;26) mit einem Schmiermittel eingefettet sind.
7. Stromschienen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einsatz (14) von einem steifen Stützblech (12) geführt ist.
8. Stromschiene nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromschienenenden ein Bolzen (13) und/oder ein Nut zur Führung des Stützbleches (12) vorgesehen ist.
9. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (14;27) aus Stahl, Kupfer, Aluminium, Nickel, Bronze, Messing, oder anderen Legierungen dieser Metalle besteht.
10. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (14;27) mittels flexibler Kabelverbindung elektrisch leitend mit den Stromschienen (IQ; 11;25;26) verbunden ist.
11. Stromschiene nach einem der Ansprüche Ibis9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (14;27) mittels Federdruck elektrisch leitend mit den Stromschienen (1Q;11;25;26) verbunden ist.

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