DE3437871A1

DE3437871A1 - Stromschiene mit schleifender stromabnahme

Info

Publication number: DE3437871A1
Application number: DE19843437871
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. Dr. Braunau am Inn Kutner
Original assignee: Vereinigte Metallwerke Ranshoffen Berndorf AG
Current assignee: Austria Metall AG
Priority date: 1983-10-17
Filing date: 1984-10-16
Publication date: 1985-04-25
Also published as: AT378939B; DK484384A; ATA368483A; DK484384D0

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Stromschiene mit schleifender Stromabnahme, insbesondere für Bahnen, mit einer Kontaktfläche aus einer AlSi-Legierung mit mindestens 5 Gewichtsprozent Silizium.

Stromschienen, die in Kombination mit schleifenden Stromabnehmern bei Bahnen, Laufkränen und dgl. verwendet werden, haben vor allem folgende Aufgaben zu erfüllen:

a) hoher Verschleißwiderstand

b) niedriger Übergangswiderstand

c) hohe elektrische Leitfähigkeit

d) hohe Beständigkeit gegen Schmelzen bei Lichtbogenbildung und

e) angemessener Herstellungspreis.

Für die meisten Anwendungsgebiete, vor allem im U-Bahnbau, ist außerdem niedriges Gewicht, ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit, Herstellbarkeit in großen Längen und gute Verschleißfestigkeit wünschenswert. Von den denkbaren Werkstoffalternativen hat sich bisher vor allem die Stahlschiene durchgesetzt, da mit ihr die Bewertungspunkte Preis, Verschleiß, Übergangswiderstand und Schweißbarkeit erfüllt sind. Solche Stahlstromschienen sind daher bei U-Bahnen im Einsatz. Durch die Leistungserhöhung bei U-Bahnen und die Möglichkeit der Ausnutzung von elektrischer Bremsenergie wird die herkömmliche Stahl-Stromschiene immer mehr in Frage gestellt , da sie in vielen Fällen allein schon aus Gewichtsgründen nicht mehr beliebig an die neuen Anforderungen anpaßbar ist. Stahl-Stromschienen im U-Bahnbau wiegen pro Laufmeter inzwischen bis zu 75 kg und benötigen wegen der relativ schlechten Leitfähigkeit in kurzen Abständen Stromanspeisungsunterstationen. Ein bedeutender Nachteil besteht bei vielen Unterstationen außer den höheren Investitionskosten

auch darin, daß die Rückenergie durch Bremsen eines Zuges nur dann genutzt werden kann, wenn sich ein anderer Zug im Bereich der gleichen Unterstation befindet. Außer der begrenzten Vergrößerung des Stahlquerschnittes wurde noch der Weg beschritten, parallel zur Eisenbahnschiene Kabel oder Schienen aus Aluminium oder Kupfer zu führen, wodurch allerdings die Kosten außerordentlich erhöht werden.

Gemäß Literatur besteht die Ansicht, daß Aluminium nicht eingesetzt werden kann, weil es die wesentlichen Forderungen nach Verschleiß- und übergangswiderstand nicht erfüllt. Es wurde daher eine stahlbeschichtete Stromschiene vorgeschlagen, die als Verbundwerkstoff die günstigsten Eigenschaften von Aluminium und Stahl kombiniert, wobei allerdings neue Probleme hinsichtlich der Möglichkeit einer spröden Diffusionszone zwischen Aluminium und Stahl bzw. einer schlechten Haftung der Stahlschicht auftreten können. Durch den Unterschied der Wärmedehnung beider Materialien werden die Schwierigkeiten verstärkt, die Schweißbarkeit und die Kostenfrage werden negativ beeinflußt.

Gemäß DE-OS 2 455 708 ist auch eine Stromschiene aus einem Aluminiumprofil bekanntgeworden, die auf der Kontaktfläche zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit eine Schicht aufweist, die 10 bis 15 % Si enthält und mittels eines Energiestrahles auflegiert ist. Da dies durch Aufschmelzen in dünnen Schichten erfolgt, ist auch hier die Gefahr von Grenzschichtbildungen, thermischen Spannungen und damit Ablöseerscheinungen gegeben, mit noch folgenden Nachteilen: 1. Bei einer gewünschten Lebensdauer von 50 bis 70 Jahren stellt eine nur oberflächlich aufgebrachte verwendungsfähige Schicht ein Risiko dar, das kaum ein Anwender einzugehen bereit ist. Mit einigen Millimetern Abnützung ist auch bei Stahlschienen zu rechnen.

2. Für verschleißfeste AlSi-Legierungen im evttektischen Bereich erscheint das angewendete Aufschmelzverfahren insofern nicht optimal, weil aufgrund der verfahrensbedingten außerordentlich hohen Erstarrungsgeschwindigkeit der aufgeschmolzenen Bereiche stets nur feinste Si-Ausscheidungen erzielt werden können, die mit steigender Feinheit immer weniger Beitrag zur Verschleißbeständigkeit leisten.

Aufgrund dieser Nachteile und auch wegen der bei Verbundwerkstoffen auftretenden Nebeneffekte (schwieriges Schweißen, Schneiden, Biegen, Wärmeübergang, spröde Phasen, usw.) konnte sich die Verbundschiene bisher nicht durchsetzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromschiene zu schaffen, die die erwähnten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stromschiene zur Gänze aus einer AlSi-Legierung mit 5 bis 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise 10 bis 13,5 Gewichtsprozent, Si besteht.

Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung liegt das Si in grober Form als Nadeln oder Platten, vor, wodurch ein verschleißfestes Si-Gerippe entsteht.

Ebenso ist es für die Manipulation günstig, wenn die Legierung zur Härtung nach einem weiteren Kennzeichen noch 0,2 bis 1% Mg enthält.

Zur Verbesserung der Warmfestigkeit sind nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung noch die Elemente Cu, Ni, Mn, Cr, Zr oder Co zugesetzt. 35

Es wurde nämlich in Laborversuchen festgestellt, daß bei geeigneter Ausbildung eines Si-Gerüstes die Al-Matrix

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zunächst durch Schleifwirkung abgetragen wird und der Schleifer, der normalerweise aus Stahl besteht, vorwiegend mit dem verbleibenden Si-Gerüst in Kontakt steht, wobei die Frage des Obergangswiderstandes dadurch gelöst ist, daß das Si, welches in hochreiner Form ein Isolator ist, in der Legierung nur verunreinigt vorliegt und daher einen ausreichend niedrigen Übergangswiderstand bildet. Auch das Al-Oxid, das ebenfalls ein Isolator ist, wird durch den Schleifer beseitigt. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß das Si durch geeignete Schmelzebehandlung in grober Form als Nadeln oder Platten ausgeschieden wird. Dazu ist die Beseitigung von Elementen, die eine Veredelungswirkung haben (z.B. Na, Sr, Sb, Ca, usw.), beispielsweise durch Chlor-Behandlung notwendig und eventuell auch eine spezielle Schmelzebehandlung, wie z.B. Phosphor, geeignet. Zur Wahrung der Aushärtbarkeit enthält die Legierung 0,2 bis 1 % Mg, zur Verbesserung der Warmfestigkeit werden noch Elemente wie Cu, Ni, Mn, Cr, Zr oder Co zugesetzt.

Die Stromschiene kann durch Strangpressen von gegossenen Preßbolzen unter Einbeziehung des Block-an-Blockpressens zur Herstellung großer Profillängen erzeugt werden.

Sie kann auch nach dem Conformverfahren gepreßt werden, ebenso wie es möglich ist, den Querschnitt durch Profilwalzen herzustellen. Sie kann aber auch im gewünschten Querschnitt durch horizontales oder vertikales Stranggießen erzeugt werden. Die Querschnittsformen können beliebig gewählt werden, doch kommt in der Regel ein I- oder ein KopfSchienenprofil in Frage.

Ausführungsbeispiel:

Aufgrund der positiven Laborergebnisse wurde eine U-Bahnschiene aus AlSi12Mg mit einem I-Querschnitt gefertigt (Gewicht pro m 13,4 kg). Der Werkstoff wurde nicht mit Cu, Mn und Ni legiert, da die dadurch erzielte Warm-

festigkeit nicht benötigt wird, er enthielt ca. 13 % Si und 0,5 % Mg. Die Mg-Beigabe diente zur Erzielung einer entsprechenden Aushärtbarkeit. Als Schmelzebehandlung wurde Phosphor beigegeben, damit sich Si grobkörnig ausscheidet und so ein tragfähiges Gerüst in der Al-Matrix bilden kann. Aus dieser Legierung werden Rundbarren gegossen, die nach einer Homogenisierungsglühung zu dem Profil stranggepreßt wurden. Zur Erhöhung der Festigkeit wurde das Profil anschließend lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und warm ausgelagert. Ein mehrmonatiger Einsatz als stark beanspruchtes Endstück einer U-Bahn ergab noch keinen meßbaren Verschleiß. Künstlich herbeigeführte Lichtbögen, durch Anfahren und Bremsen eines U-Bahnzuges unter Bedingungen, die nur bei defekten Triebwagen auftreten können, hatten keine schädlichen Auswirkungen auf das Profil. Es gibt aus der Praxis keinen Hinweis, daß mit der Zeit ein gestörter Stromübergang auftritt.

Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform einer Stromschiene im Querschnitt. Diese Stromschiene 1, deren beispielsweise dargestelltes Profil einen Kopf 2, einen Steg 3 und einen Fuß 4 aufweist, wird vorteilhaft durch Strangpressen hergestellt und besteht vollständig aus einer AlSi-Legierung.

Claims

DIPL. INQ. LEONHARD HAIN Zugelassener Vertreter beim EuropäisAen Patentamt Plpl.-Ing. lconhird Hain. Pittnlanwalt, Tal 18, 9000 Mündien 1 8000 MÜNCHEN 2 An das TAL 18 Deutsche Patentamt telefon toe« 29479s Zweibrückenstr. 12 TELEGR. patentdienst TELEX 5 22 873 HAIN D 8000 München 2 H/st Anmelder: Vereinigte Metallwerke Ranshofen-Berndorf AG 5282 Braunau am Inn, Oberösterreich Titel: Stromschiene mit schleifender Stromabnahme 5 Patentansprüche

1. Stromschiene mit schleifender Stromabnahme, insbesondere für Bahnen, mit einer Kontaktfläche aus einer AlSi-Legierung mit mindestens 5 Gewichtsprozent Si, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Gänze aus einer AlSi-Legierung mit 5 bis 25 Gewichtsprozent Si besteht.

2. Stromschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß der Si-Gehalt 10 bis 13,5 Gewichtsprozent beträgt.

3. Stromschiene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Si in grober Form als Nadeln oder Platten vorliegt.

4. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung noch 0,2 bis 1 % Mg enthält.

5. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung noch Cu, Ni, Mn, Cr, Zr oder Co enthält.

Bank: Bayer. Vereinsbank MünAen BLZ 700ZOE70, Konto 821 36Ö6 Hypo_;Bank MünAen BLZ 70020001, Konto 580343 7370

PostsAedc MünAen BLZ 70010080, 15453-807