EP0988169A1 - Device for measuring the contact force in a power collector - Google Patents

Device for measuring the contact force in a power collector

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Publication number
EP0988169A1
EP0988169A1 EP98936201A EP98936201A EP0988169A1 EP 0988169 A1 EP0988169 A1 EP 0988169A1 EP 98936201 A EP98936201 A EP 98936201A EP 98936201 A EP98936201 A EP 98936201A EP 0988169 A1 EP0988169 A1 EP 0988169A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
sensor
fiber
optic
equivalent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98936201A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Werner Brand
René BLASCHKO
Olaf Mollenhauer
Andreas Karguth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bombardier Transportation GmbH
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP0988169A1 publication Critical patent/EP0988169A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B60L5/18—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles using bow-type collectors in contact with trolley wire
    • B60L5/22—Supporting means for the contact bow
    • B60L5/28—Devices for lifting and resetting the collector
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the contact pressure between a contact wire and a pantograph of an electrically powered vehicle, in particular an electric rail vehicle, as defined in the preamble of claims 1 and 2.
  • the determination of the contact force F resulting from the mechanical action of the pantograph and the overhead line system requires a device, who determines this contact force as close as possible to said contact point according to its magnitude and its point of application and from the measuring point, which is at high voltage level (e.g. 3 kV direct voltage; 15 kV or 25 kV alternating voltage), signals equivalent to contact force force to in-vehicle evaluation devices which are at counter potential. forwards.
  • the term contact pressure F is to be understood as meaning that portion of the true contact force between contact wire and contact strip resulting from the mechanical action of the pantograph and the overhead line system.
  • a generic device for determining the true contact force between a contact wire and a pantograph describes the US patent 5,115,405 A.
  • a fiber-optic force sensor is attached to the contact strip, which is connected via fiber optics (and thus electrically isolated and largely independent of electrical and magnetic interference fields) to an in-vehicle device from which it is supplied with light and which receives its signal depending on the contact force .
  • the force sensor consists of an optical fiber that is tensioned beneath the contact piece that is in contact with the contact wire and that is spring-loaded between the contact piece and its holder.
  • a contact force acting on the contact strip leads to the deformation and micro-curvature of the clamped optical fiber, which consequently changes its light transmission properties.
  • this device With this device, the exceeding of an upper and / or a lower threshold value of the true contact force between the contact strip and contact wire, which is caused, for example, by gusts of wind, is to be recognized and the contact pressure is to be corrected by means of an electronic-pneumatic command device and a pneumatic damping compensation actuator.
  • This device appears to be suitable for detecting and signaling whether the contact force threshold values have been exceeded or not reached.
  • this arrangement is completely unsuitable for effective contact force measurement within a certain force range, as is required for active control of the contact pressure or the true contact force of a pantograph, since the fiber-optic force sensor has a very low signal / noise ratio and is sufficient exact continuous measurement determination is not possible.
  • This sensor does not allow determining the point of application of the contact pressure on the contact strip.
  • the arrangement since it extends over the entire length of the contact strip, has a not inconsiderable spatial expansion and mass, which can adversely affect the vibrational and aerodynamic behavior of the pantograph.
  • Technical training appears to be too sensitive to such loads as are unavoidable when installing, maintaining and transporting a pantograph. Since the temperature dependence of the light transmission properties changes with the degree of mechanical stress on an optical fiber, effective compensation of this temperature dependence can hardly be achieved.
  • the constantly changing mechanical loads and deformations to which the optical fiber of this force sensor is subjected limit the service life of this fiber-optic sensor and therefore do not guarantee operational reliability of the device.
  • Patent specification EP 0 697 304 A2 discloses a device for measuring the contact pressure for an actively regulated pantograph, in which an analog measuring load sensor is provided below a support insulator carrying the pantograph head, which is arranged on a vertically extendable structure, or associated with the contact strip, which must cooperate with other length measuring sensors in order to influence the action of two separately operating vertical stroke drives via a control unit.
  • This load receiver should also be able to be constructed using optical waveguides without further details being given about their structure, arrangement and effect. At least with the arrangement of the load receiver below the support insulator, considerable difficulties arise with regard to determining the amount of the contact pressure, since wind and mass forces acting between the contact point and the measuring point influence the measurement result.
  • the size of the load sensor apparent from the drawings makes it impossible to arrange it near the contact strip, since this would adversely affect the vibration-related and aerodynamic behavior of the current collector. With this load receiver, it is not possible to determine the point of application of the contact pressure on the contact strip.
  • This sensor has an inner tube and an outer tube coaxial therewith, which is divided in the longitudinal direction of the tube and forms two non-touching half-shells.
  • An optical fiber is embedded in a helical shape between the inner tube and the outer tube shells in an elastic mass and undergoes a reversible bend in a certain bending radius range when the sensor is subjected to a mechanical pressure load on one side, in which the two outer tube half shells are moved towards each other an optical signal passing through the glass fiber is measurably attenuated.
  • a force sensor should be arranged on a suspension strut carrying a contact strip and an acceleration sensor on the rocker of a half-scissor pantograph carrying two parallel contact strips. Both sensor signals are fed to the inputs of a control device, which controls special torsion actuators, which are arranged around the axis between the forearm and the upper arms of the pantograph scissors and, in addition to the usual lifting device of the pantograph, set the contact pressure of the contact strips on the contact wire.
  • the contact pressure of the contact strip on the contact wire is determined by measuring the distance from the deflection of the shock absorber or that a force sensor measures the force transmitted by the shock absorber.
  • a disadvantage is the relatively large distance between the sensors and the actual contact point between contact wire and contact strip, since mass and wind forces acting between the contact point and the respective sensor influence the measurement results and can have a falsifying effect on the control result.
  • nothing can be found in this reference regarding the design and operating principle of the sensors.
  • the object of the invention is to find a solution for a generic device which uses the advantages generally expected in the prior art for fiber-optic sensors with fiber-optic signal transmission for force measurement under high voltage and described for certain fiber-optic sensors while avoiding their disadvantages.
  • the fiber-optic sensor of such a device should be arranged as close as possible to the actual contact point between the pantograph and the contact wire and be able to measure attacking forces between the components directly without large relative paths between them.
  • the solution should allow such a shape, size, mass and arrangement of said measuring device with the fiber optic sensor that the vibration engineering and the aerodynamic behavior of the pantograph remains largely undisturbed.
  • This device is intended to allow a determination of the contact pressure both according to its magnitude and according to its point of attack on the contact strip and to be able to generate and output contact force-equivalent signals or to generate and output contact force-changing commands which can be used for an actively regulated pantograph.
  • the solution according to the invention makes it possible to determine the contact pressure both according to its amount (by summing the signals of the two fiber optic sensors carrying a contact strip or a contact strip) and according to their point of application (by comparing the signals from the individual forces of the two fiber optic carriers carrying a contact strip or contact strip) Sensors and arithmetical application of the leverage laws). Since it is known that contact pressure peaks occur regularly where the contact wire and catenary are suspended from the contact line masts, the knowledge of the changing point of application of the contact pressure can be used in a control algorithm to recognize the zigzag course of the contact wire and to recognize the contact line mast. To determine the repetition frequency as well as its first and second derivation and to use it to regulate the contact pressure in order to prevent the contact pressure peaks mentioned.
  • a major advantage of the invention is that the devices according to the invention can be easily modified also for applications in other areas of technology in which forces, but also pressures and accelerations between components that are at high voltage potential are to be measured. Compared to previously common measurement methods with strain gauges and potentiometric measurement or with piezoelectric force transducers, a significant reduction in the effort for the measurement arrangement, the signal conversion, transmission and processing can be achieved.
  • Another major advantage of the invention is that the components of the measuring device with the fiber optic sensor are designed and assembled so that they have the smallest possible dimensions and mass and can be integrated between the components of the pantograph in a force-transmitting manner.
  • Another advantage is that the components of the measuring device required for the devices according to the invention are designed in such a way that they can be produced inexpensively and with reproducible properties.
  • a next advantage of the inventive idea is that, for example, in the variant shown in the exemplary embodiment, only very slight changes in the structure of previously tried and tested pantograph types are necessary, so that inexpensive retrofitting of devices according to the invention can also be carried out on a large number of electric railcars in operation comes into consideration
  • the contact force equivalent signals obtained with the devices designed according to the invention are also suitable for special measuring purposes with which, for example, the contact material of a pantograph can be checked or the condition of an overhead line and its catenary system can be assessed in a section of the route
  • Fig. 1 is a view of the arrangement of an inventive
  • a rail vehicle 2 on the roof side and isolated from the high-voltage potential of the contact wire 1 has a pantograph 3 in half-scissor design, which elastically guides a seesaw 4 at its upper end, which carries a pair of parallel contact strips 6 with its seesaw frame 5 and against the contact wire 1 leads
  • the contact strips 6 consist essentially of a base body 7 and a contact piece 8 firmly attached to it, which keeps contact with the contact wire 1.
  • a pantograph lifting drive is coupled, which, controlled by its control device 10, press the contact strip 6 against the contact wire 1 with a defined contact pressure should.
  • the contact pressure that arises is not a stationary variable, but is subject to constant changes as a result of the vehicle speed, the wind intensity and direction, the stationary position of the catenary chain that guides the contact wire and its pantograph, friction and wind-induced vibrations, and the relative movement of the electric traction vehicle along its travel path .
  • maintaining the contact pressure within the narrowest possible force range is essential for uninterrupted energy transfer to the electric motor vehicle and the least possible wear on the contact strip and contact wire and becomes more important and difficult with increasing vehicle speed and vehicle performance.
  • An active control of the pantograph with the aim of a contact force curve within the narrowest possible tolerance band presupposes the most exact and continuous determination possible, the measuring location being as close as possible to the actual contact point between contact wire 1 and contact strip 8.
  • one of the illustrated elastic deformation bodies 11 is installed near each of the two ends of the contact strip 6 between its base body 7 and the rocker frame 5.
  • the resilient deformation body 11 should be arranged between the base body 7 and the contact piece 8.
  • the force measured with such an arrangement comes much closer to the true contact force because the force components acting on the base body 7 as buoyancy or downforce from the air flow dependent on the wind and vehicle speed are also taken into account by the measuring arrangement.
  • a fiber-optic reflex sensor 19 known per se is integrated in the resilient deformation body and with an associated one that is known per se
  • Each resilient deformation sensor comprises a first partial body 12, which is rigidly connected to the rocker frame 5, a second partial body 13, which is rigidly connected to the base body 7 of the contact strip 6, and a spring arrangement 14 connecting the two partial bodies 12 and 13, which in the direction of the applied contact force F permits movement of the partial bodies 12 and 13 relative to one another.
  • the spring arrangement 14 is designed so that this movement between the partial bodies 12 and 13 is free within the desired measuring range of the portion of the contact force F transmitted from the base body 7 to the rocker frame 5, which acts on the individual resilient deformation body.
  • the fiber-optic reflex sensor 19 integrated into each resilient deformation body 11 by way of example essentially consists of two spatially separate parts: a first insert 20, which is screwed firmly into the first part body 12 of the resilient deformation body 11, contains two mutually parallel and defined-spaced light guides, of which the transmission light guide 22 guides a transmission light beam 24 emanating from the device 27 and allows it to emerge from its end face within a certain radiation angle. This light strikes the reflection surface 26 at a spatial distance a, which is carried by a second insert 21, which is fastened in the second partial body 13 of the resilient deformation body 11, and is reflected by the reflection surface 26 in the direction of the first insert 20.
  • a partial luminous flux dependent on the distance a between the two inserts 20 and 21 can be caught by the receiving light guide 23 and can be fed as a receiving light beam 25 to the device 27 for sensor signal control and sensor signal processing.
  • the fiber-optic reflex sensor 19 If the fiber-optic reflex sensor 19 is aligned within the resilient deformation body 11 in such a way that the reflection surface 26 extends orthogonally to the direction of the contact pressure F, the fiber-optic reflex sensor 19 detects the change in the reflected luminous flux, which is caused by a change in the distance a between the first use 20 and the reflecting surface 26 as a result of a change in the contact pressure F, so that the device 27 for sensor signal control and sensor signal processing after corresponding calibration from the change in the luminous flux difference between the transmitted light beam 24 and the received light beam 25 changes the distance a between the inserts 20 and 21 of the relevant one fiber-optic reflex sensor 19 recognizes and determines the attacking contact force F from the summation of the signals of both fiber-optic reflex sensors 19, which carry each
  • the mutually parallel and defined spaced transmission and reception light guides 22 and 23 are expediently designed as optical fiber bundles, which can be simply separated from one another (as for example in FIG. 3), several times separated from one another or concentrically arranged around one another or guided in a statistically mixed fiber bundle .
  • the fiber-optic reflex sensor 19 is aligned within the resilient deformation body 11 in such a way that the reflection surface 26 does not extend orthogonally, but parallel to the direction of the contact pressure force F, so that a deformation of the resilient deformation body 11 a lateral displacement of the reflection surface 26 at a constant distance a compared to the first insert 20.
  • the reflection surface 26 should be arranged, for example, in such a way that its edge is displaced by the overlap region of the transmitted light beam 24 and the received light beam 25 shown in FIG. 3.
  • the fiber-optic reflex sensor 19 thus detects the change in the reflected luminous flux, which is produced by a change in the reflecting portion of the reflection surface 26 as a result of a change in the contact force F.
  • the arrangement shown in FIG. 2 with a double leaf spring has proven to be particularly advantageous for a spring arrangement 14, the leaf springs 15 and 16 of which are clamped and stressed together at one end by means of the first partial body 12 and are clamped and stressed together at the other end by means of the second part body 13
  • Such a resilient deformation body is flexible on the one hand and has a relatively large, approximately linear spring travel and a high elasticity in the direction of the vertically acting contact force F to be measured, which means a high resolution with a steep signal level / contact force characteristic and a high signal / Noise ratio, with which interference signals from the connection points deformation body / component, from component natural vibrations and from frictional vibrations between contact wire and grinding piece can be effectively suppressed, can be achieved.
  • the contact force F lie that is orthogonal to the measuring force directions a high stiffness and tilt stability against lateral and longitudinal forces, which attack, for example, with wind loads up to 1000 N in the horizontal plane on the contact strip, so that the contact strip is guided stably under all conditions
  • the resilient deformation body 11 (for example, by using mechanically abrasive or electro-erosive wire processing or laser cutting) can be worked out in one piece with the first material 12, its second body 13 and the double leaf spring 15/16 with high accuracy and reproducible properties
  • the two partial bodies 12 and 13 can be reduced in size and the resilient deformation body can be made even more space-saving and low-mass if the two inserts 20 and 21 of the fiber-optic reflex sensor 19 directly into the adjacent pantograph components (i.e. in FIGS. 5 and 7 or in FIG. 7) and 8) are installed (not shown)
  • 11 specific stops 17 and 18 are in the resilient deformation body trained (Fig. 2).
  • the resilient deformation body is provided with a shell which is sealed with respect to these environmental influences and is designed so that it moves of the two partial bodies 12 and 13 relative to one another and the action of the spring arrangement 14 is not hindered.
  • This shell is preferably applied as an elastomeric skin, for example by casting or gluing.
  • the invention is not limited to rail-bound electric traction vehicles and also not to half-scissor or scissor pantographs with and without rocker and with one or two contact strips of the type shown, but also applicable to current collectors with a completely different structure, for example of contact strips, contact strips, contact strip carriers and / or lifting drives .
  • a measuring arrangement with a similar deformation body and fiber-optic reflex sensor can be used for the measurement of forces that act on the pantograph in the vehicle's longitudinal direction or of forces that act on the pantograph in the vehicle's transverse direction are, for example, tilted by 90 ° deformation body of the embodiment such that the leaf spring plane from the horizontal to a vertical plane is pivoted transversely to the vehicle and parallel to the contact strip or in a vertical plane along the vehicle and the deformation body of this position are attached accordingly. It is possible to combine two or three measuring arrangements, each measuring orthogonally to one another, in order to be able to determine completely as force vectors with regard to magnitude, point of attack and direction of attack.
  • the application of the invention is not limited to the measurement of forces, but can easily be applied to the measurement of accelerations and pressures and can also be used in other areas of technology where such measurements are carried out on components at high voltage potential.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

The invention relates to an improved device for measuring the contact force between a contact wire and a power collector in an electrically powered vehicle, specially an electrical railway vehicle, by means of optical fiber force sensors. To this end, two compact force sensors are arranged between the base body (7) of the wearing strip (6) and the swing-out chassis (7) or between the wearing element (8) and the base body (7) of the wearing strip (6). Each sensor includes a deformable body (11), which is elastic in an axial direction but highly rigid crosswise, said body being fitted with an integrated optical fiber reflex sensor (19). Axial deformations of the deformable body (11) equivalent to the contact force are detected by the reflex sensor (19) with high resolution, accuracy and no interference, are then signalled to a device via optical fibers requiring no potential and converted therein into contact force-equivalent signals (28) or instructions (29).

Description

Beschreibungdescription
Einrichtung zur Messung der Anpreßkraft an einem StromabnehmerDevice for measuring the contact pressure on a pantograph
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.The invention relates to a device for measuring the contact pressure between a contact wire and a pantograph of an electrically powered vehicle, in particular an electric rail vehicle, as defined in the preamble of claims 1 and 2.
Stromabnehmer moderner Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeuge sollen hinsichtlich der Kontaktkraft zwischen der Schleifleiste ihres Stromabnehmers und dem Fahrdraht als aktiv geregelte Stromabnehmer ausgeführt werden, um unabhängig von den Relativbewegungen zwischen Schienenfahrzeug und Fahrdraht, den 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.Current collectors of modern high-speed rail vehicles should be designed as actively regulated pantographs with regard to the contact force between the contact strip of their pantograph and the contact wire, so that regardless of the relative movements between the rail vehicle and contact wire, the aerodynamic forces on the pantograph components dependent on wind and vehicle speed, and the vibration behavior of the pantograph, To be able to find and hold contact wire and the catenary holding it an optimum in terms of the quality of the energy supply and the wear at the contact point between contact wire and contact strip. While that portion of the true contact force that results from the vehicle speed-dependent air flow onto the pantograph components can be determined by measurements and can be memorized as a parameter function for a control algorithm, the determination of the contact force F resulting from the mechanical action of the pantograph and the overhead line system requires a device, who determines this contact force as close as possible to said contact point according to its magnitude and its point of application and from the measuring point, which is at high voltage level (e.g. 3 kV direct voltage; 15 kV or 25 kV alternating voltage), signals equivalent to contact force force to in-vehicle evaluation devices which are at counter potential. forwards. In the following, the term contact pressure F is to be understood as meaning that portion of the true contact force between contact wire and contact strip resulting from the mechanical action of the pantograph and the overhead line system.
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 elektronischpneumatischen Befehlseinrichtung und eines pneumatischen Dämpfungsausgleichs- Stellgliedes 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, da 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.A generic device for determining the true contact force between a contact wire and a pantograph describes the US patent 5,115,405 A. Here, a fiber-optic force sensor is attached to the contact strip, which is connected via fiber optics (and thus electrically isolated and largely independent of electrical and magnetic interference fields) to an in-vehicle device from which it is supplied with light and which receives its signal depending on the contact force . The force sensor consists of an optical fiber that is tensioned beneath the contact piece that is in contact with the contact wire and that is spring-loaded between the contact piece and its holder. A contact force acting on the contact strip leads to the deformation and micro-curvature of the clamped optical fiber, which consequently changes its light transmission properties. With this device, the exceeding of an upper and / or a lower threshold value of the true contact force between the contact strip and contact wire, which is caused, for example, by gusts of wind, is to be recognized and the contact pressure is to be corrected by means of an electronic-pneumatic command device and a pneumatic damping compensation actuator. This device appears to be suitable for detecting and signaling whether the contact force threshold values have been exceeded or not reached. However, this arrangement is completely unsuitable for effective contact force measurement within a certain force range, as is required for active control of the contact pressure or the true contact force of a pantograph, since the fiber-optic force sensor has a very low signal / noise ratio and is sufficient exact continuous measurement determination is not possible. This sensor does not allow determining the point of application of the contact pressure on the contact strip. The arrangement, since it extends over the entire length of the contact strip, has a not inconsiderable spatial expansion and mass, which can adversely affect the vibrational and aerodynamic behavior of the pantograph. Technical training appears to be too sensitive to such loads as are unavoidable when installing, maintaining and transporting a pantograph. Since the temperature dependence of the light transmission properties changes with the degree of mechanical stress on an optical fiber, effective compensation of this temperature dependence can hardly be achieved. The constantly changing mechanical loads and deformations to which the optical fiber of this force sensor is subjected limit the service life of this fiber-optic sensor and therefore do not guarantee operational reliability of the device. Patent specification EP 0 697 304 A2 discloses a device for measuring the contact pressure for an actively regulated pantograph, in which an analog measuring load sensor is provided below a support insulator carrying the pantograph head, which is arranged on a vertically extendable structure, or associated with the contact strip, which must cooperate with other length measuring sensors in order to influence the action of two separately operating vertical stroke drives via a control unit. This load receiver should also be able to be constructed using optical waveguides without further details being given about their structure, arrangement and effect. At least with the arrangement of the load receiver below the support insulator, considerable difficulties arise with regard to determining the amount of the contact pressure, since wind and mass forces acting between the contact point and the measuring point influence the measurement result. The size of the load sensor apparent from the drawings makes it impossible to arrange it near the contact strip, since this would adversely affect the vibration-related and aerodynamic behavior of the current collector. With this load receiver, it is not possible to determine the point of application of the contact pressure on the contact strip.
Eine genauere Beschreibung einer Einrichtung mit einem speziellen Lichtwellenleiter- 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 zu 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.A more detailed description of a device with a special optical waveguide sensor, with which mechanical pressure forces are measured in the field of railway technology, for example in axle counting devices mounted on the track, is disclosed in the patent DE 195 18 123 C2. This sensor has an inner tube and an outer tube coaxial therewith, which is divided in the longitudinal direction of the tube and forms two non-touching half-shells. An optical fiber is embedded in a helical shape between the inner tube and the outer tube shells in an elastic mass and undergoes a reversible bend in a certain bending radius range when the sensor is subjected to a mechanical pressure load on one side, in which the two outer tube half shells are moved towards each other an optical signal passing through the glass fiber is measurably attenuated. The construction of such a sensor is complex. It is only suitable for one load direction, cannot be integrated into the pantograph as a structurally independent load-bearing element and would be destroyed in the event of mechanical overload. The changing mechanical load and deformation of the optical fiber of the sensor reduces the effectiveness of temperature compensation measures and also leads to a restriction of the service life and operational reliability. Such a sensor appears for the Measuring the contact pressure on a pantograph with the aim of active pantograph control is therefore not usable.
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 zu entnehmen.Another device for measuring the contact pressure for an actively controllable pantograph is proposed in the patent DE 195 40 913 C1. In this case, a force sensor should be arranged on a suspension strut carrying a contact strip and an acceleration sensor on the rocker of a half-scissor pantograph carrying two parallel contact strips. Both sensor signals are fed to the inputs of a control device, which controls special torsion actuators, which are arranged around the axis between the forearm and the upper arms of the pantograph scissors and, in addition to the usual lifting device of the pantograph, set the contact pressure of the contact strips on the contact wire. According to the illustrations it can be assumed that the contact pressure of the contact strip on the contact wire is determined by measuring the distance from the deflection of the shock absorber or that a force sensor measures the force transmitted by the shock absorber. A disadvantage is the relatively large distance between the sensors and the actual contact point between contact wire and contact strip, since mass and wind forces acting between the contact point and the respective sensor influence the measurement results and can have a falsifying effect on the control result. However, nothing can be found in this reference regarding the design and operating principle of the sensors.
In der französischen Zeitschriften-Publikation "Delfosse, P; Sauvestre, B.: Measurement of contact pressure between pantograph and catenary", Revue Generale des Chemins de Fer, VOL. 1 , NO. 6, 1983, Seiten 497-506" ist eine Einrichtung zur Messung der Anpreßtkraft 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 Angriffsspunkt 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.In the French magazine publication "Delfosse, P; Sauvestre, B .: Measurement of contact pressure between pantograph and catenary", Revue Generale des Chemins de Fer, VOL. 1, NO. 6, 1983, pages 497-506 ", a device for measuring the contact pressure is presented, which is used to assess the condition of an overhead contact line system consisting of contact wire and catenary and uses a specially designed measuring current collector, in which each of two parallel contact strips is replaced by a special contact strip , each of which is carried by two bending beams, which, by means of strain gauges and potentiometric measurements, determine the contact pressure acting on each contact strip, both in terms of its magnitude and its point of attack, from the torques exerted on the cantilever beams which are clamped on one side Sensors with a high voltage potential must be electrically isolated from their energy supply, signal processing and control devices integrated in the vehicle control and with special measures against them electrical and magnetic interference fields are protected. The arrangement of the force sensors shown has no protection against mechanical and weather influences. A constructive adaptation of this device for a pantograph suitable for operational use appears complicated and expensive, the additional mass of the bending beam arrangement would adversely affect the vibrational and aerodynamic behavior of the pantograph, so that such devices with such sensors for active control or for measuring the contact quality of a real pantograph is not considered in operational use.
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 von 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 anpreßkraftändemde Befehle erzeugen und ausgeben können, die für einen aktiv geregelten Stromabnehmer verwendbar sind.The object of the invention is to find a solution for a generic device which uses the advantages generally expected in the prior art for fiber-optic sensors with fiber-optic signal transmission for force measurement under high voltage and described for certain fiber-optic sensors while avoiding their disadvantages. The fiber-optic sensor of such a device should be arranged as close as possible to the actual contact point between the pantograph and the contact wire and be able to measure attacking forces between the components directly without large relative paths between them. The solution should allow such a shape, size, mass and arrangement of said measuring device with the fiber optic sensor that the vibration engineering and the aerodynamic behavior of the pantograph remains largely undisturbed. This device is intended to allow a determination of the contact pressure both according to its magnitude and according to its point of attack on the contact strip and to be able to generate and output contact force-equivalent signals or to generate and output contact force-changing commands which can be used for an actively regulated pantograph.
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.These objects are achieved by a device of the generic type with the characterizing features of claims 1 and 2. Advantageous further developments and refinements can be found in the claims that follow.
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.With a device according to the invention, it is possible to obtain such pressure-equivalent signals or to obtain signals from them derive contact pressure change equivalent commands and issue as they are necessary for a constant contact force control of a pantograph by means of its linear actuator and its control device, whereby the advantages known in principle for fiber optic sensors and their electrically isolated signal transmission can be used.
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.The solution according to the invention makes it possible to determine the contact pressure both according to its amount (by summing the signals of the two fiber optic sensors carrying a contact strip or a contact strip) and according to their point of application (by comparing the signals from the individual forces of the two fiber optic carriers carrying a contact strip or contact strip) Sensors and arithmetical application of the leverage laws). Since it is known that contact pressure peaks occur regularly where the contact wire and catenary are suspended from the contact line masts, the knowledge of the changing point of application of the contact pressure can be used in a control algorithm to recognize the zigzag course of the contact wire and to recognize the contact line mast. To determine the repetition frequency as well as its first and second derivation and to use it to regulate the contact pressure in order to prevent the contact pressure peaks mentioned.
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 -Verarbeitung erzielbar.A major advantage of the invention is that the devices according to the invention can be easily modified also for applications in other areas of technology in which forces, but also pressures and accelerations between components that are at high voltage potential are to be measured. Compared to previously common measurement methods with strain gauges and potentiometric measurement or with piezoelectric force transducers, a significant reduction in the effort for the measurement arrangement, the signal conversion, transmission and processing can be achieved.
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.Another major advantage of the invention is that the components of the measuring device with the fiber optic sensor are designed and assembled so that they have the smallest possible dimensions and mass and can be integrated between the components of the pantograph in a force-transmitting manner.
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 dann, daß beispielsweise bei der im Ausfuhrungsbeispiel dargestellten Variante nur sehr geringe Änderungen im Aufbau bereits erprobter und im Einsatz befindlicher Stromabnehmertypen notwendig sind, so daß eine kostengünstige Nachrüstung erfindungsgemaßer Einrichtungen auch an einer Vielzahl von in Betrieb befindlichen elektrischen Schienentriebfahrzeugen in Betracht kommtAnother advantage is that the components of the measuring device required for the devices according to the invention are designed in such a way that they can be produced inexpensively and with reproducible properties. A next advantage of the inventive idea is that, for example, in the variant shown in the exemplary embodiment, only very slight changes in the structure of previously tried and tested pantograph types are necessary, so that inexpensive retrofitting of devices according to the invention can also be carried out on a large number of electric railcars in operation comes into consideration
Die mit den erfindungsgemaß ausgebildeten Einrichtungen gewonnenen anpreßkraftäquivalenten Signale eignen sich auch für spezielle Meßzwecke, mit denen beispielsweise die Kontaktgute eines Stromabnehmers geprüft oder der Zustand einer Oberleitung und ihres Kettenwerks in einem Streckenabschnitt beurteilt werden kannThe contact force equivalent signals obtained with the devices designed according to the invention are also suitable for special measuring purposes with which, for example, the contact material of a pantograph can be checked or the condition of an overhead line and its catenary system can be assessed in a section of the route
Die Erfindung ist nachstehend am nicht einschränkend zu verstehenden Beispiel einer Einrichtung zur Energieübertragung von einem Fahrdraht auf ein Schienentπebfahrzeug anhand der Zeichnungen veranschaulicht und beschrieben Es zeigtThe invention is illustrated and described below using the non-restrictive example of a device for energy transmission from a contact wire to a rail vehicle with the aid of the drawings. It shows
Fig. 1 eine Ansicht der Anordnung einer erfindungsgemaßenFig. 1 is a view of the arrangement of an inventive
Einrichtung für einen Stromabnehmer einesDevice for a pantograph
Schienentπebfahrzeugs,Rail vehicle,
Fig. 2 ein Schnittbild eines Teils der Anordnung und des Aufbaus einer erfindungsgemaßen Einrichtung,2 is a sectional view of part of the arrangement and structure of a device according to the invention,
Fig. 3 Funktionspπnzip eines faseroptischen Reflexsensors,3 functional principle of a fiber optic reflex sensor,
Fig. 4 Signalpegel/Abstands-Charakteπstik p = p(a) des faseroptischenFig. 4 signal level / distance characteristics p = p (a) of the fiber optic
Reflexsensors einer erfindungsgemaßen EinrichtungReflex sensor of a device according to the invention
Gemäß Fig. 1 weist ein Schienentπebfahrzeug 2 dachseitig und vom Hochspannungspotential des Fahrdrahtes 1 isoliert einen Stromabnehmer 3 in Halbscherenausfuhrung auf, der an seinem oberen Ende eine Wippe 4 elastisch fuhrt, die mit ihrem Wippenrahmen 5 ein Paar paralleler Schleifleisten 6 tragt und gegen den Fahrdraht 1 fuhrt 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 ein 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.According to FIG. 1, a rail vehicle 2 on the roof side and isolated from the high-voltage potential of the contact wire 1 has a pantograph 3 in half-scissor design, which elastically guides a seesaw 4 at its upper end, which carries a pair of parallel contact strips 6 with its seesaw frame 5 and against the contact wire 1 leads The contact strips 6 consist essentially of a base body 7 and a contact piece 8 firmly attached to it, which keeps contact with the contact wire 1. At the lower end of the pantograph 3, a pantograph lifting drive is coupled, which, controlled by its control device 10, press the contact strip 6 against the contact wire 1 with a defined contact pressure should. However, the contact pressure that arises is not a stationary variable, but is subject to constant changes as a result of the vehicle speed, the wind intensity and direction, the stationary position of the catenary chain that guides the contact wire and its pantograph, friction and wind-induced vibrations, and the relative movement of the electric traction vehicle along its travel path . However, maintaining the contact pressure within the narrowest possible force range is essential for uninterrupted energy transfer to the electric motor vehicle and the least possible wear on the contact strip and contact wire and becomes more important and difficult with increasing vehicle speed and vehicle performance. An active control of the pantograph with the aim of a contact force curve within the narrowest possible tolerance band presupposes the most exact and continuous determination possible, the measuring location being as close as possible to the actual contact point between contact wire 1 and contact strip 8.
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.For this purpose, according to the variant shown in FIG. 2, one of the illustrated elastic deformation bodies 11 is installed near each of the two ends of the contact strip 6 between its base body 7 and the rocker frame 5.
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.According to another (not shown in the figure) variant of the invention, the resilient deformation body 11 should be arranged between the base body 7 and the contact piece 8. The force measured with such an arrangement comes much closer to the true contact force because the force components acting on the base body 7 as buoyancy or downforce from the air flow dependent on the wind and vehicle speed are also taken into account by the measuring arrangement.
In dem federelastischen Verformungskörper ist ein an sich bekannter faseroptischer Reflexsensor 19 integriert und mit einer zugehörigen, gegenüber an sich bekanntenA fiber-optic reflex sensor 19 known per se is integrated in the resilient deformation body and with an associated one that is known per se
Anwendungsfällen in fachüblicher Weise modifizierten Einrichtung 27 zurUse cases in a customarily modified device 27 for
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 anpreßkraftkraftändemden Befehlen 28 auf üblichem Steuersignalpotential versorgen.Sensor signal control and sensor signal processing electrically isolated connected. While rocker frame 5, the two resilient deformation bodies 11 and the contact strip 6 carried by them assume the high-voltage potential of the contact wire 1, the device 26 for sensor signal control and sensor signal processing by fiber optic means sends and receives electrically isolated signals and can therefore be placed anywhere under the counter potential in the Control of the electric motor vehicle 2 are installed and supply the control device 10 of the Stromabnehmerhubantriebs 9 with the contact pressure force equivalent signals 27 or desired contact pressure force changing commands 28 at the usual control signal potential.
Jeder federelastische Verformungssensor umfaßt dabei einen ersten Teilkörper 12, der mit dem Wippenrahmen 5 starr verbunden ist, einen zweiten Teilkörper 13, der mit dem 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 vom Grundkörper 7 auf den Wippenrahmen 5 übertragenen Anteils der Anpreßkraft F, die über den einzelnen federelastischen Verformungskörper wirkt, frei ist.Each resilient deformation sensor comprises a first partial body 12, which is rigidly connected to the rocker frame 5, a second partial body 13, which is rigidly connected to the base body 7 of the contact strip 6, and a spring arrangement 14 connecting the two partial bodies 12 and 13, which in the direction of the applied contact force F permits movement of the partial bodies 12 and 13 relative to one another. The spring arrangement 14 is designed so that this movement between the partial bodies 12 and 13 is free within the desired measuring range of the portion of the contact force F transmitted from the base body 7 to the rocker frame 5, which acts on the individual resilient deformation body.
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.The fiber-optic reflex sensor 19 integrated into each resilient deformation body 11 by way of example essentially consists of two spatially separate parts: a first insert 20, which is screwed firmly into the first part body 12 of the resilient deformation body 11, contains two mutually parallel and defined-spaced light guides, of which the transmission light guide 22 guides a transmission light beam 24 emanating from the device 27 and allows it to emerge from its end face within a certain radiation angle. This light strikes the reflection surface 26 at a spatial distance a, which is carried by a second insert 21, which is fastened in the second partial body 13 of the resilient deformation body 11, and is reflected by the reflection surface 26 in the direction of the first insert 20.
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.As can be seen from FIG. 3, a partial luminous flux dependent on the distance a between the two inserts 20 and 21 can be caught by the receiving light guide 23 and can be fed as a receiving light beam 25 to the device 27 for sensor signal control and sensor signal processing. If the fiber-optic reflex sensor 19 is aligned within the resilient deformation body 11 in such a way that the reflection surface 26 extends orthogonally to the direction of the contact pressure F, the fiber-optic reflex sensor 19 detects the change in the reflected luminous flux, which is caused by a change in the distance a between the first use 20 and the reflecting surface 26 as a result of a change in the contact pressure F, so that the device 27 for sensor signal control and sensor signal processing after corresponding calibration from the change in the luminous flux difference between the transmitted light beam 24 and the received light beam 25 changes the distance a between the inserts 20 and 21 of the relevant one fiber-optic reflex sensor 19 recognizes and determines the attacking contact force F from the summation of the signals of both fiber-optic reflex sensors 19, which carry each contact strip 6. The resilient deformation body according to material and geometry is designed so that the fiber-optic reflex sensor 19 usefully works in one of the two measuring ranges M1 or M2 of its signal level / distance characteristic p = p (a), which in FIG. 4 is on both sides of the signal level maximum P are marked.
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.The mutually parallel and defined spaced transmission and reception light guides 22 and 23 are expediently designed as optical fiber bundles, which can be simply separated from one another (as for example in FIG. 3), several times separated from one another or concentrically arranged around one another or guided in a statistically mixed fiber bundle .
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 Teilkorpers 12 gemeinsam eingespannt sind und beansprucht werden und anderenends mittels des zweiten Teilkorpers 13 gemeinsam eingespannt sind und beansprucht werden Ein solcher federelastischer Verformungskorper 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 Auflosung mit einer steilen Signalpegel/Anpreßkraft-Kennlinie und ein hohes Signal/Rausch-Verhaltnis, mit dem Storsignale aus den Verbindungsstellen Verformungskorper/Bauteil, aus Bauteil- Eigenschwingungen und aus Reibungsschwingungen zwischen Fahrdraht und Schleifstuck effektiv unterduckt werden, erreichbar sind Andererseits weist er in den orthogonal zur zu messenden Anpreßkraft F liegenden Richtungen eine hohe Steifigkeit und Kippstabilitat gegen Quer- und Langskrafte, die beispielsweise mit Windlasten bis 1000 N in horizontaler Ebene an der Schleifleiste angreifen, auf, so daß die Schleifleiste unter allen Bedingungen stabil gefuhrt wirdAccording to another embodiment of the invention (not shown in the drawing), the fiber-optic reflex sensor 19 is aligned within the resilient deformation body 11 in such a way that the reflection surface 26 does not extend orthogonally, but parallel to the direction of the contact pressure force F, so that a deformation of the resilient deformation body 11 a lateral displacement of the reflection surface 26 at a constant distance a compared to the first insert 20. The reflection surface 26 should be arranged, for example, in such a way that its edge is displaced by the overlap region of the transmitted light beam 24 and the received light beam 25 shown in FIG. 3. The fiber-optic reflex sensor 19 thus detects the change in the reflected luminous flux, which is produced by a change in the reflecting portion of the reflection surface 26 as a result of a change in the contact force F. The arrangement shown in FIG. 2 with a double leaf spring has proven to be particularly advantageous for a spring arrangement 14, the leaf springs 15 and 16 of which are clamped and stressed together at one end by means of the first partial body 12 and are clamped and stressed together at the other end by means of the second part body 13 Such a resilient deformation body is flexible on the one hand and has a relatively large, approximately linear spring travel and a high elasticity in the direction of the vertically acting contact force F to be measured, which means a high resolution with a steep signal level / contact force characteristic and a high signal / Noise ratio, with which interference signals from the connection points deformation body / component, from component natural vibrations and from frictional vibrations between contact wire and grinding piece can be effectively suppressed, can be achieved. On the other hand, it points to the contact force F lie that is orthogonal to the measuring force directions a high stiffness and tilt stability against lateral and longitudinal forces, which attack, for example, with wind loads up to 1000 N in the horizontal plane on the contact strip, so that the contact strip is guided stably under all conditions
In Ausbildung der Erfindung ist der federelastische Verformungskorper 11 (beispielsweise durch Anwendung mechanisch abrasiver oder elektoerosiver Drahtbearbeitung oder des Lasertrennens) mit seinem ersten Teilkorper 12, seinem zweiten Teilkorper 13 und der Doppelblattfeder 15/16 mit hoher Genauigkeit und reproduzierbaren Eigenschaften aus dem genannten Werkstoff einstuckig ausarbeitbarIn an embodiment of the invention, the resilient deformation body 11 (for example, by using mechanically abrasive or electro-erosive wire processing or laser cutting) can be worked out in one piece with the first material 12, its second body 13 and the double leaf spring 15/16 with high accuracy and reproducible properties
Die beiden Teilkorper 12 und 13 sind in Fortbildung der Erfindung verkleinerbar und der federelastische Verformungskorper ist noch platzsparender und massearmer 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)In a further development of the invention, the two partial bodies 12 and 13 can be reduced in size and the resilient deformation body can be made even more space-saving and low-mass if the two inserts 20 and 21 of the fiber-optic reflex sensor 19 directly into the adjacent pantograph components (i.e. in FIGS. 5 and 7 or in FIG. 7) and 8) are installed (not shown)
Nach einer weiteren, bildlich ebenfalls nicht gezeigten Fortbildung der Erfindung ist es möglich, einen derartigen federelastischen Verformungskorper nicht an den Grundkorper 7 der Schleifleiste anzufügen, sondern ihn körperlich in den Grundkorper 7 oder sogar in das Schleifstuck 8 der Schleifleiste 6 zu integrieren, indem er beispielsweise in entsprechende Aussparungen eingefugt wird In einer besonderen Ausgestaltung dieser Art ist der federelastische Verformungskorper 11 mit vorgenannten Bearbeitungsverfahren in den Werkstoff des Grundkörpers 7 eingearbeitet und mit diesem einstückig ausgebildet.According to a further development of the invention, also not shown in the illustration, it is possible not to add such a resilient deformation body to the base body 7 of the contact strip, but to physically integrate it into the base body 7 or even into the grinding piece 8 of the contact strip 6, for example by is inserted into corresponding recesses. In a special embodiment of this type, the resilient deformation body 11 is included The above-mentioned machining processes are incorporated into the material of the base body 7 and are formed in one piece with it.
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).In order to protect the resilient deformation body 11 against destruction due to excessive pressure or tensile forces, such as may occur during transport and installation of the current collector or in the event of damage to the overhead line systems, according to a further development of the invention, 11 specific stops 17 and 18 are in the resilient deformation body trained (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.Instead of the double leaf spring 15/16, such spring arrangements 14 for the resilient deformation body 11 are also conceivable which have bending beams clamped on one or two sides or which use membrane springs with closed surfaces or with several partial surfaces.
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.In order to protect the endangered components of a device according to the invention against mechanical and climatic environmental influences, according to a further development of the invention, the illustration of which is omitted, the resilient deformation body is provided with a shell which is sealed with respect to these environmental influences and is designed so that it moves of the two partial bodies 12 and 13 relative to one another and the action of the spring arrangement 14 is not hindered. This shell is preferably applied as an elastomeric skin, for example by casting or gluing.
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.The invention is not limited to rail-bound electric traction vehicles and also not to half-scissor or scissor pantographs with and without rocker and with one or two contact strips of the type shown, but also applicable to current collectors with a completely different structure, for example of contact strips, contact strips, contact strip carriers and / or lifting drives .
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 die Verformungskörper dieser Lage entsprechend 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.The inventive solution principle is furthermore not only limited to the determination of the vertically acting contact pressure: A measuring arrangement with a similar deformation body and fiber-optic reflex sensor can be used for the measurement of forces that act on the pantograph in the vehicle's longitudinal direction or of forces that act on the pantograph in the vehicle's transverse direction are, for example, tilted by 90 ° deformation body of the embodiment such that the leaf spring plane from the horizontal to a vertical plane is pivoted transversely to the vehicle and parallel to the contact strip or in a vertical plane along the vehicle and the deformation body of this position are attached accordingly. It is possible to combine two or three measuring arrangements, each measuring orthogonally to one another, in order to be able to determine completely as force vectors with regard to magnitude, point of attack and direction of attack.
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. Furthermore, the application of the invention is not limited to the measurement of forces, but can easily be applied to the measurement of accelerations and pressures and can also be used in other areas of technology where such measurements are carried out on components at high voltage potential.
Übersicht der verwendeten Bezugszeichen:Overview of the reference symbols used:
1 Fahrdraht1 contact wire
2 Elektrotriebfahrzeug2 electric motor vehicle
3 Stromabnehmer3 pantographs
4 Wippe4 seesaw
5 Wippenrahmen5 rocker frames
6 Schleifleiste6 contact strip
7 Grundkörper7 basic body
8 Schleifstück8 contact strip
9 Hubantrieb9 linear actuator
10 Steuereinrichtung10 control device
11 federelastischer Verformungskörper11 resilient deformation body
12 erster Teilkörper12 first partial body
13 zweiter Teilkörper13 second partial body
14 Federanordnung14 spring arrangement
15 Blattfeder15 leaf spring
16 Blattfeder16 leaf spring
17 Anschlag17 stop
18 Anschlag18 stop
19 faseroptischer Reflexsensor19 fiber optic reflex sensor
20 erster Einsatz20 first use
21 zweiter Einsatz21 second use
22 Sendelichtleiter22 transmission light guide
23 Empfangslichtleiter23 reception light guide
24 Sendelichtstrahl24 transmitted light beam
25 Empfangslichtstrahl25 received light beam
26 Reflexionsfläche26 reflecting surface
27 Einrichtung zur Sensorsteuerung und Sensorsignalverarbeitung27 Device for sensor control and sensor signal processing
28 Signale äquivalent der Anpreßkraft28 signals equivalent to the contact pressure
29 Befehle äquivalent der gewünschten Anpreßkraftänderung a Abstand29 commands equivalent to the desired change in contact pressure a distance
F AnpreßkraftF contact pressure
P SignalpegelP signal level
P Signalpegel-Maximum P signal level maximum

Claims

Patentansprüche claims
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 (1 1) 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.1. Device for measuring the contact pressure between a contact wire and a pantograph of an electrically powered vehicle, in particular an electric rail vehicle, with at least one fiber-optic sensor suitable for determining the contact force between a contact wire and a contact strip of the pantograph, with a device for sensor control and sensor signal processing and with a fiber optic device connecting this for potential-separated signal transmission, characterized in that between a base body (7) of the contact strip (6) and a contact strip support (rocker frame 5) and with both firmly connected, two resilient deformation bodies (1 1) are arranged, which Wear contact strip (6) and in each of which a fiber-optic reflex sensor (19) is integrated, which detects deformations of the deformation body (11) that are equivalent to the contact pressure and to said device (27) for sensor control and sensor signal Processing signals in which the detected deformations are converted into signals (28) equivalent to contact pressure and output or from which desired commands (29) equivalent to changes in contact pressure are derived and output.
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. 2. Device for measuring the contact pressure between a contact wire and a pantograph of an electrically powered vehicle, in particular an electric rail vehicle, with at least one fiber-optic sensor suitable for determining the contact force between a contact wire and a contact strip of the pantograph, with a device for sensor control and sensor signal processing and with a fiber-optic device connecting this for potential-separated signal transmission, characterized in that two spring-elastic deformation bodies (11) are arranged between a contact strip (8) and a base body (7) of the contact strip (6) and are firmly connected to both, and the contact piece (11) 8) and in each of which a fiber-optic reflex sensor (19) is integrated, which detects deformations of the deformation body (11) that are equivalent to the contact pressure and signalis to said device (27) for sensor control and sensor signal processing in which the detected deformations are converted into signals (28) equivalent to contact pressure and output or from which desired commands (29) equivalent to contact pressure changes are derived and output.
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.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the resilient deformation body (11) has a first part body (12) which is rigidly connected to the first component (rocker frame 5 or base body 7), a second part body (13) which is rigidly connected to the second component (contact strip 6 or contact piece 8), and a spring arrangement (14) connecting the two partial bodies (12) and (13), which in the direction of the contact force (F) acting on the partial body (13) has a contact pressure equivalent Allows movement of the partial body (12) and (13) relative to each other, and that the fiber-optic reflex sensor (19) is arranged within each spring-elastic deformation body (11) and aligned parallel to the direction of movement.
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.4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the resilient deformation body (11) has a first part body (12) which is rigidly connected to the first component (rocker frame 5 or base body 7), a second part body (13) which is rigidly connected to the second component (contact strip 6 or contact piece 8), and a spring arrangement (14) connecting the two partial bodies (12) and (13), which in the direction of the contact force (F) acting on the partial body (13) has a contact force force equivalent Allows movement of the partial body (12) and (13) relative to each other, and that the fiber-optic reflex sensor (19) is arranged within each deformation body (11) and oriented orthogonally to its direction of movement.
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. 5. Device according to claim 3 or 4, characterized in that the fiber optic reflex sensor (19) has a first insert (20) which is fastened in the first partial body (12) and a transmission light guide (22) for a transmission light beam (24) and a reception light guide (23) for a receiving light beam (25), and a second insert (21), which is axially spaced from the first insert (20) by a distance (a), is fastened in the second partial body (13) and has a reflection surface (26) carries, comprises, the light exit surface of the transmission light guide (22) and the light entry surface of the reception light guide (23) adjacent to each other and arranged opposite the reflection surface (26).
6. Einrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Reflexsensor (19) die Änderung des reflektierten Lichtstromes detektiert, die sich durch eine anpreßkraftäqivalente Änderung des Abstandes (a) zwischen dem ersten Einsatz (20) und der Reflexionsfläche (26) einstellt.6. Device according to claim 3 and 5, characterized in that the fiber-optic reflex sensor (19) detects the change in the reflected luminous flux, which is characterized by a pressure-equivalent change in the distance (a) between the first insert (20) and the reflection surface (26) sets.
7. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Reflexsensor (19) die Änderung des reflektierten Lichtstromes detektiert, die sich durch eine anpreßkraftäqivalente Änderung des reflektierenden Anteils der Reflexionsfläche (26) einstellt.7. Device according to claim 4 and 5, characterized in that the fiber-optic reflex sensor (19) detects the change in the reflected luminous flux, which is caused by a pressure-equivalent change in the reflecting portion of the reflecting surface (26).
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.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the resilient deformation body (11) in the base body (7) of the contact strip (6) is integrated.
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.9. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the resilient deformation body (11) in the contact piece (8) of the contact strip (6) is integrated.
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.10. Device according to one of claims 3 to 7, characterized in that the spring arrangement connecting the two partial bodies (12) and (13) is a double leaf spring (leaf spring 15 with leaf spring 16).
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. 11. The device according to claim 10, characterized in that the resilient deformation body (11) with the first part body (12), the second part body (13) and the spring arrangement (14) is made in one piece.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der federelastische Verformungskörper (11) mit dem Grundkörper (7) der Schleifleiste (6) einstückig ausgeführt ist.12. The device according to claim 11, characterized in that the resilient deformation body (11) with the base body (7) of the contact strip (6) is made in one piece.
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.13. Device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the resilient deformation body (11) has stops (17, 18) which mechanically limit the maximum possible movement of the partial body (12) and (13) relative to each other.
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. 14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the resilient deformation body (11) is protected against environmental influences by a resilient and sealing sheath.
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