DE3133625C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromabnehmer für Schnellbahnen mit Wippe und Gestell sowie Mitteln zur Absorption und Dämpfung von Schwingungsenergie.

Ein derartiger Stromabnehmer ist aus der Revue G´n´rale des Chemins de Fev, Sept. 1970, S. 492-505 bekannt.

Stromabnehmer führen Triebfahrzeugen die erforderliche Energie aus der Fahrlei­ tung zu, wobei die Stromzuführung im gesamten Geschwindigkeitsbereich des elek­ trischen Triebfahrzeuges möglichst ohne Unterbrechungen bei geringstem Verschleiß an Fahrdraht und Stromabnehmer erfolgen soll. Es sind verschiedene Konstruk­ tionen solcher Stromabnehmer bekannt. Der lange Zeit bei der deutschen Reichs­ bahn verwendete Einheitsstromabnehmer ist ein Scherenstromabnehmer und besteht aus einem Rahmen mit Tragisolatoren, einer Schere mit Federung, einem Schleif­ bügel und einem Antrieb mit Steuerung. Der in den Scheitelgelenken drehbar ge­ lagerte Schleifbügel wird wegen seiner die Unebenheiten der Fahrleitung aus­ gleichenden Dreh- und Wippenbewegung als "Wippe" bezeichnet. Solche Scherenstrom­ abnehmer sind jedoch nur bis zu Geschwindigkeiten von etwa 160 km/h geeignet. Es wurde versucht, durch einseitig wirkende hydraulische Dämpfer und spezielle Wippen­ federn die Eigenschaften des Schwerenstromabnehmers zu verbessern. Infolge von Brüchen an Wippenbauteilen kam es jedoch oft zu Störungen.

Besser geeignet, auch für höhere Geschwindigkeiten, sind sogenannte Doppel-Etagen­ pantographen, bei denen zwischen der Hauptschere und Wippe noch eine zweite wesent­ lich kleinere Schere zwischengeschaltet ist. Diese ist gefedert und eventuell auch hydraulisch gedämpft. Mit der kleineren Masse kann den kleinen hochfrequenten Fahrdrahtunebenheiten besser gefolgt werden. (z. B. GB-PS 13 86 374). Derartige Stromabnehmer sind recht aufwendig und auch schwer. Fahrzeuge mit Stromabnehmer sowie die Fahrleitung sind schwingungsfähige Teilsysteme, die über die Kontakt­ kraft zu einem Gesamtsystem gekoppelt sind. Ideal wäre ein genau paralleler Ver­ lauf von Schienen und Kontaktbahn (Kontaktbahn=Weg der Wippe während der Fahrt). Da jedoch die Elastizität der Fahrleitung an den Stützpunkten und in Feldmitte verschieden sind, muß die Wippe einer periodischen Grundschwingung folgen. Durch die Massenträgheit des Stromabnehmers, die Zick-Zack-Verlegung des Fahrdrahtes und äußere Einflüsse z. B. durch Wind ergibt sich ein komplexer Bewegungsablauf, der durch die sich überlagernden Störwirkungen eine undefinierte Form annimmt.

Die für solche Systeme zu treffenden Untersuchungen hinsichtlich ihrer Schwing­ fähigkeit werden z. B in Revue G´n´rale des Chemins de Fer, Sept. 1970, S. 492 bis 505, ebenso vorgestellt, wie entsprechende Modelle mit Massenaufteilungen. Die letztgenannte Veröffentlichung behandelt dabei auch bereits einstufige Halb­ scheren-Stromabnehmer mit Wippe. Solche, insbesondere Einholm-Stromabnehmer sind einfach im Aufbau, haben eine erheblich reduzierte Masse und sind deshalb für hohe Bahngeschwindigkeiten besser geeignet. Ein Einholm-Stromabnehmer be­ steht aus dem Grundrahmen für den Aufbau auf dem Fahrzeug, aus einem Gestell mit Unterarmen, Oberarmen und Kuppelstange sowie der Dämpfung. Das Gestell trägt oben die Wippe, bestehend aus Schleifstückträger, Schleifstücken und Auflauf­ hörnern (Elektrische Bahnen, 49, 1978, H. 7, S. 168 bis 175).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromabnehmer dieser Art so auszulegen, daß ohne großen Aufwand rückwirkungsfrei ein großer Teil der auf ihn treffenden Wellen verzehrt wird. Dies soll durch eine spezielle Abstimmung der Dämpfung von Gestell und Wippe sowie der Wippenfeder erreicht werden.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Es wird damit eine weitgehende Entkopplung der schwingfähigen Elemente des Strom­ abnehmers erreicht, so daß die schwere Gestellmasse bei den Kontaktkräften nicht in Erscheinung tritt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In Fig. 1 wird der grundsätzliche Aufbau eines Einholm-Stromabnehmers dargestellt, soweit er für die Erfindung von Bedeutung ist. In Fig. 2 sind symbolisch die zu berück­ sichtigenden Parameter dargestellt.

Über der Fahrschienenoberkante 1 befindet sich ein elektrisches Triebfahrzeug 2, darauf ist ein Grundrahmen 3 des Stromabnehmers montiert. Der bewegliche Teil des Stromabnehmers besteht aus einem Gestell 4, einer Wippe 5, einer Wippenfeder mit Dämpfung 6 und einem Dämpfer 7. Die Wippe beweg sich an einem Fahrdraht 8.

Von besonderer Bedeutung ist, daß die Masse der Wippe mit den Schleifstücken, eben­ so die Masse des Gestells im Hinblick auf günstiges dynamisches Verhalten des Stromabnehmers möglichst gering gehalten werden sollte. Ferner sollte die Wippe mit den Schleifstücken so mit dem Gestell gekoppelt sein, daß diese die über­ lagerten Störbewegungen aus­ führen können und das Gestell trotzdem weitgehend in Ruhe bleibt. Erst bei größeren Nachführbewegungen sollte sich das Gestell in Bewegung setzen. Schließlich sollten die Eigenfrequenzen der Stromabnehmerteile so abgestimmt sein, daß Resonanzerscheinungen zwischen Stromabnehmer, Fahrlei­ tung und Triebfahrzeug keine kritischen Werte annehmen,

Da verschiedene Teile ("Massenelemente") des sich bewegen­ den Gestells verschieden stark beschleunigt werden, führt man als rechnerische Größe die in der Gestell-Oberkante konzentriert gedachte und auf diese "reduzierte" Gestell­ masse ein. In Fig. 2 ist die reduzierte Masse des Gestells mit m₁ dargestellt. Die reduzierte Masse der Wippe ist mit m₂ bezeichnet. Mit d₁ ist die effektive, d. h. an der Ober­ kante des Gestells wirksame Dämpfung des Gestells und d₂ die Dämpfung der Wippe und mit f die Federkonstante der Wippenfederung bezeichnet. Ist D₁ die direkte Dämpfung des Dämpfers 7 und ist u das Verhältnis der Hubgeschwindigkeit der Oberkante des Gestells zur Hubgeschwindigkeit des Dämp­ fungszylinders, so wird d₁=D₁/u². Der Fahrdraht sei mit der Zugkraft S gespannt und habe die Massenbelegung µ d.i. Masse pro Längeneinheit. Es ist allgemein bekannt, daß die Masse m₂ der Wippe so klein wie möglich sein soll. Auch das Gestell sollte möglichst leicht sein. Konstruktiv lassen sich die Massen m₁ und m₂ nur in relativ engen Grenzen be­ einflussen und werden daher als fest vorgegeben betrachtet. Ebenso seinen die Daten des Fahrdrahtes fest vorgegeben.

Damit sich die Eigenschwingungen des Gestells und der Wip­ pe nicht gegenseitig beeinflussen ist die Bedingung zu re­ alisieren, daß die Dämpfungskonstanten d₁ und d₂ gleich sind. Nach der Erfindung muß dann die Federkonstante f der Wippenfeder der Bedingung genügen

f=d₁d₂/m₁=d₁²/m₁ (2)

Da der Stromabnehmer auch einen möglichst großen Teil der Energie der auf ihn treffenden Wellen verzehren soll, muß

sein.

In einem Ausführungsbeispiel seien Fahrdrähte für die Hoch­ geschwindigkeitsstrecken vorgesehen, die mit S=15 000 N gespannt sind und die Masse µ=1,068 kg/m haben. Die Dämp­ fungskonstanten werden dann d₁=d₂=253,1 kg/s. Ist die reduzierte Masse des Gestells m₁=15,7 kg, so ist die Fe­ derkonstante der Wippenfeder nach der angegebenen Bezie­ hung f=4080 N/m.

Hat der Stromabnehmer, der sich mit der Fahrgeschwindig­ keit v [m/s] bewegt, einem Fahrdraht mit der Steigung s gegen Schienenoberkante zu folgen, so daß die Fahrdrahthö­ he FH sich vergrößert, so wird infolge der Dämpfung d₁ des Gestells die Kontaktkraft F _k um den Betrag

erniedrigt - darin ist c die Wellenfortpflanzungsgeschwin­ digkeit im Fahrdraht - unmittelbar bei Eintritt in diese Fahrdrahtsteigung sogar um den Betrag 2b sS. Die Differenz zwischen diesen beiden Kontaktkrafterniedrigungen wird sehr rasch gemäß der Exponentialfunktion e^-pt mit p=2d₁/m₂ ab­ gebaut.

Der Stromabnehmer nach der Erfindung besitzt keinerlei Re­ sonanzfrequenzen und kann daher durch die Schwingungen des Lokomotivdaches nicht zu unliebsamen Eigenschwingungen an­ geregt werden. Er verhält sich den Fahrdrahtschwingungen gegenüber wie eine ungefederte, aber gedämpfte Masse, die schnell ohne störende Nachschwingungen auf die Wellen im Fahrdraht reagiert.

Claims (1)

1. Stromabnehmer für Schnellbahnen mit Wippe und Gestell sowie Mitteln zur Absorption und Dämpfung von Schwingungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß - bei einer vorgegebenen Masse m₂ der Wippe (5) und einer vorge­ gebenen, jedoch auf die Oberkante des Gestells (4) bezogenen dynamisch reduzierten Masse m₁ des Gestells (4) sowie bei vorgegebener Spannung S und Massenbelegung μ des Fahrdrahtes (8) - die Dämpfungskonstanten d₁ des Gestells (4) und d₂ der Wippe (5) sowie die Federkonstante f der Wippenfeder (6) folgende Bedingungen erfüllen: 1. d₁ = d₂ = 2 μ · Swobei die Massenbelegung μ der Quotient aus Masse und Länge des Fahrdrahtes (8) ist und2. f = d₁²/m₁.