ITMI962165A1

ITMI962165A1 - Organo di presa per la trasmissione dell'energia fra un filo di contatto e una motrice

Info

Publication number: ITMI962165A1
Application number: IT96MI002165A
Authority: IT
Inventors: Elmar Breitbach; Andreas Buter
Original assignee: Deutsche Forsch Luft Raumfahrt
Priority date: 1995-11-03
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1998-04-18
Also published as: FR2740742B1; FR2740742A1; CA2189409A1; US5735374A; CA2189409C; DE19540914C2; IT1284985B1; DE19540914A1

Description

accelerazione (18, 19) disposto sull'organo di presa (15) al fine di tenere costante la forza di contatto dell'elemento strisciante (1) sul filo di contatto (2). (Figura 1)

Descrizione del trovato

Il trovato si riferisce ad un organo di presa per la trasmissione dell'energia fra un filo di contatto e una motrice con almeno un elemento strisciante e con un braccio portante per il sollevamento dell'elemento strisciante e per l'applicazione di una forza di contatto con la quale l'elemento strisciante durante la trasmissione dell'energia aderisce dal basso al filo di contatto, essendo supportato il braccio portante nella motrice in modo da ruotare attorno ad un asse orizzontale e raddrizzabile attorno all'asse con un dispositivo di sollevamento. Tali organi di presa trovano impiego in veicoli a rotaia. Il -trovato riguarda, in particolare, organi di presa per veicoli a rotaia molto veloci.

Un organo di presa del tipo descritto all'inizio è noto dall'articolo "406,9 km/h" - record mondiale su rotaia -trasmissione di energia durante la corsa record dell'ICE delle DB, 86° anno, fascicolo 9:1988, pagine da 268 a 289. L'organo di presa SSS 87 ivi descritto presenta un bilanciere a cui si appoggiano, tramite due gambe ammortizzatrici terminali, due elementi striscianti. Il bilanciere è ribaltabile attorno ad un asse orizzontale e supportato in una parte superiore del pantografo, costituita da una configurazione a quattro snodi. Questa configurazione a quattro snodi è accoppiata ad un'altra configurazione a quattro snodi, la parte inferiore del pantografo, in maniera che nel raddrizzare un braccio portante supportato nella motrice in modo da ruotare attorno ad un asse orizzontale e formante un componente della parte inferiore del pantografo, l'intero organo di presa si raddrizzi e conduca verso l'alto in parallelo il bilanciere con gli elementi striscianti finché gli elementi striscianti non vengano premuti sul filo di contatto con una forza di contatto prefissata. Il dispositivo di sollevamento dell'organo di presa noto presenta un elemento di azionamento pneumatico che agisce sul braccio portante tramite un cavo. Grazie alla forza di contatto applicata dall'elemento di azionamento il filo di contatto si solleva verso l'alto in funzione del suo sostentamento. Il sostentamento del filo di contatto avviene tramite un cosiddetto dispositivo a catena. In tal caso la durezza del sostentamento del filo di contatto varia lungo la sua estensione longitudinale. Nei punti di sostegno del dispositivo a catena la durezza del sostentamento è massima, fra i punti di sostegno è minima. Corrispondentemente il filo di contatto nei punti di sostegno viene sollevato pochissimo dagli elementi striscianti e al massimo fra i punti di sostegno. Ciò significa che, con bilanciere ad altezza fissa sulla motrice, le gambe ammortizzatrici si distendono parzialmente fra i punti di sostegno, per cui la forza di contatto degli elementi striscianti sul filo di contatto varia lungo la estensione longitudinale del filo di contatto. Grazie alla variazione della forza di contatto avvengono eccitazioni dinamiche del filo di contatto nonché del dispositivo a catena posto dopo il filo di contatto e degli elementi striscianti nonché dell'organo di presa posto dopo gli elementi striscianti. Queste eccitazioni dinamiche portano ad un aumento della variazione della forza di contatto degli elementi striscianti sul filo di contatto. Inoltre la forza di contatto degli elementi striscianti sul filo di contatto viene variata dagli influssi dinamici del vento incidente l'organo di presa. È invero possibile compensare gli influssi dinamici mediante lamiere di guida del vento. Tali lamiere di guida del vento hanno tuttavia effetti differenziati nei tunnel e su tratti liberi. Inoltre durante l'ingresso nei tunnel e l'uscita dai tunnel compaiono notevoli picchi di forza nella forza di contatto dovuti alle lamiere di guida. Il sollevamento differenziato del filo di contatto da parte degli elementi striscianti può essere invero ridotto facendo sì che venga aumentata la durezza del sostentamento del filo di contatto da parte del dispositivo a catena. In tal modo tuttavia il filo di contatto e il dispositivo a catena vengono fortemente sollecitati in quanto effetti significativi sulla durezza del sostentamento sono ottenibili soltanto tramite notevoli forze di tensione.

Al trovato si pone il compito di indicare un organo di presa del tipo descritto all'inizio con il quale sia possibile il mantenimento di una forza di contatto per lo più costante dell'elemento strisciante sul filo di contatto anche in condizioni di esercizio variabili dell'organo di presa.

Secondo il trovato ciò viene ottenuto in quanto al dispositivo di sollevamento è associato un attuatore rapido che comanda un dispositivo di comando in funzione del segnale di almeno un sensore di corsa, di forza o di accelerazione montato sull'organo di presa in maniera che venga tenuta costante la forza di contatto dell'elemento strisciante sul filo di contatto. I dispositivi di sollevamento di organi di presa noti presentano, di regola, un cilindro azionato idraulicamente o pneumaticamente come elemento di azionamento. Nel nuovo organo di presa l'attuatore rapido è inserito in serie con questo elemento di azionamento. A tal proposito rapido significa che l'attuatore rispetto ad un dispositivo di azionamento idraulico o pneumatico è molto rapidamente in grado di esercitare differenti forze sul braccio portante. Le forze esercitate dall'attuatore sul braccio portante vengono fissate dal dispositivo di comando in funzione del segnale del sensore di corsa, di forza o di accelerazione montato sull'organo di presa. In tal caso il dispositivo di comando può essere di tipo adattativo cosicché esso si adatta automaticamente alle condizioni di esercizio di quel momento dell'organo di presa. Tali dispositivi di comando adattativi sono noti, ad esempio, dalla pubblicazione DLR Adaptive Structures - Concepts and Prospects. Ivi essi vengono descritti come mezzi per ridurre le vibrazioni in sistemi elastici dinamici. Per quanto riguarda l'impiego concreto in questo esempio del dispositivo di comando, il problema è di mantenere costante la forza di contatto dell'elemento strisciante sul filo di contatto. Allo scopo come segnale di ingresso per il dispositivo di comando adattativo è richiesto un segnale che sia in relazione con i disturbi illustrati precedentemente della forza di contatto. Un tale segnale deve essere prelevato dallo stesso organo di presa. Il sensore necessario allo scopo non influenza significativamente il comportamento dinamico dell'organo di presa. Ciò vale anche per 1'attuatore disposto nella zona del dispositivo di sollevamento. Grazie a questo tipo di configurazione il braccio portante agisce come un braccio di leva moltiplicatore per quanto riguarda gli effetti dell'attuatore, e pertanto l'attuatore contribuisce contemporaneamente a demoltiplicare il comportamento dinamico dell'organo di presa. In particolare esso non influenza significativamente le masse di inerzia o vibranti dell'organo di presa. Durante l'esercizio del nuovo organo di presa mettendo a punto opportunamente il dispositivo di comando tutti gli influssi sopracitati sulla forza di contatto dell'elemento strisciante possono venir compensati singolarmente e, in particolare, complessivamente, purché essi siano rilevabili separatamente. Ciò significa che il braccio portante viene raddrizzato mediante l'attuatore in maniera differenziata al fine di compensare il differente sollevamento del filo di contatto per compensare influssi dinamici sul filo di contatto e neutralizzare forze aerodinamiche per" quanto riguarda il loro effetto sulla forza di contatto.

Attuatori rapidi adatti al nuovo organo di presa sono, in particolare, gli attuatori piezoelettrici e magnetostrittivi. Accanto sono note ceramiche elettrostrittive nonché leghe e polimeri e simili a variazione strutturale, da cui si possono anche ricavare attuatori che possono trovare sostanzialmente impiego nel nuovo organo di presa. In particolare attuatori piezoelettrici sono liberamente disponibili in forme di esecuzione che trovano impiego vantaggiosamente anche nel nuovo organo di presa.

Negli organi di presa è noto che il dispositivo di sollevamento agisce sul braccio portante tramite un cavo di trazione. Il cavo di trazione viene teso, ad esempio, mediante gli elementi di azionamento pneumatici o idraulici già menzionati sopra. Se è previsto un tal cavo di trazione l'attuatore del nuovo organo di presa agisce preferibilmente su questo cavo di trazione.

A tal proposito l'attuatore può essere disposto in direzione del cavo di trazione e cioè parallelamente ad esso. Così la forza esercitata dall'attuatore si estrinseca direttamente come un aumento della forza di tensione del cavo di trazione.

Di contro si ottiene una notevole amplificazione di forza se l'attuatore è disposto perpendicolarmente al 'cavo di trazione e distanziato dai punti di supporto del cavo di trazione. Tuttavia l'attuatore con questa forma di demoltiplicazione non è adatto a compensare grandi corse. Esso è piuttosto limitato a compensare sostanzialmente forze.

Se per il raddrizzamento del braccio portante è previsto un cavo di trazione, di regola sul braccio portante è ricavata una curva di guida del cavo di trazione il cui raggio efficace fra la tangente del cavo di trazione e l'asse attorno al quale viene raddrizzato il braccio portante determina la leva efficace del dispositivo di sollevamento durante il raddrizzamento del braccio portante. In particolare la leva efficace del dispositivo di sollevamento è fissata in modo che essa sia relativamente piccola all'inizio del raddrizzamento del braccio portante e sia relativamente grande nell'applicare la forza di contatto degli elementi striscianti al filo di contatto. L'attuatore del nuovo organo di presa può agire indirettamente sul cavo di trazione in guanto esso varia il raggio efficace della curva di guida. In tal modo esso varia la leva attiva del dispositivo di sollevamento e quindi di nuovo il rapporto di moltiplicazione fra la tensione del cavo di trazione e la forza di contatto degli elementi striscianti sul filo di contatto. Si capisce che l'attuatore deve influenzare il raggio attivo della curva di guida nella zona della curva di guida corrispondente all'applicazione della forza di contatto degli elementi striscianti al filo di contatto.

Gli attuatori noti piezoelettrici e magnetostrittivi sono relativamente sensibili a trazione. Essi tuttavia possono venire sollecitati contemporaneamente a pressioni molto elevate. Corrispondentemente si preferisce che l'attuatore venga disposto in modo da venire sollecitato a pressione da parte della tensione di trazione del cavo di trazione. Ciò significa che l'attuatore viene sollecitato a trazione soltanto se esso ha superato la pretensione tramite la tensione di trazione.

Il segnale del sensore di forza o di accelerazione sull'organo di presa è preferibilmente direttamente un indice della forza di contatto fra l'elemento strisciante e il filo di contatto. A questo scopo un sensore di forza o di accelerazione può essere disposto direttamente al di sotto dell'elemento strisciante. Nello sviluppo dell'organo di presa noto con le due configurazioni a quattro snodi un sensore di corsa, di forza o di accelerazione può tuttavia essere disposto anche nell'intorno dell'accoppiamento delle due configurazioni a quattro snodi. Anche qui è possibile ricavare un indice della forza di contatto dell'elemento strisciante nel filo di contatto. Contemporaneamente qui sono tuttavia misurabili anche eccitazioni dinamiche dell'organo di presa che non hanno effetti diretti sulla forza di contatto.

Il trovato verrà illustrato e descritto più in dettaglio nel seguito con l'ausilio di esempi di esecuzione. In essi: la figura 1 mostra l'organo di presa in vista laterale, la figura 2 mostra la zona terminale lato motrice del braccio portante dell'organo di presa secondo la figura 1, la figura 3 mostra una prima possibilità di configurazione di un attuatore per l'organo di presa secondo la figura 1 e 2,

la figura 4 mostra una seconda possibilità di configurazione di un attuatore per l'organo di presa secondo la figura 1 e 2 nonché

la figura 5 mostra una terza possibilità di configurazione di un attuatore per l'organo di presa secondo la figura 1 e 2.

L'organo di presa 15 rappresentato nella figura 1 presenta due elementi striscianti 1. Durante l'esercizio dell'organo di presa 15 gli elementi striscianti 1 vengono sollevati finché essi non aderiscano dal basso ad un filo di contatto 2 con una prefissata forza di contatto. Elementi striscianti 1 si appoggiano tramite gambe ammortizzatrici 4 ad un bilanciere 5 supportato in un elemento di supporto 7 in modo da potersi ribaltare attorno ad un asse 6 orizzontale. L'elemento di supporto 7 è un componente di una configurazione a quattro snodi che viene denominata parte superiore 10 del pantografo. Alla parte superiore 10 del pantografo oltre che l'elemento di supporto 7 appartengono un braccio portante 8, un'asta di guida 9 nonché l'estremità superiore di un altro braccio portante 11. Il braccio portante 11 è anche un componente di un'altra configurazione a quattro snodi che viene denominata parte inferiore 12 del pantografo. Alla parte inferiore 12 del pantografo accanto al braccio portante 11 appartengono un'asta di guida 13, un prolungamento 14 collegato al braccio portante 8 in modo da ruotare con esso e la motrice qui non rappresentata nel disegno su cui è montato l'organo di presa 15. Rispetto alla motrice il braccio portante 11 può essere raddrizzato attorno all'asse 17 in direzione della freccia 16 con un dispositivo di sollevamento 3. A tal proposito il bilanciere 5 viene sollevato parallelamente e, dopo che gli elementi striscianti 11 sono andati ad aderire al filo di contatto 2, viene applicata la forza di contatto fra gli elementi striscianti 1 e il filo di contatto 2. A questo punto il filo di contatto 2 si solleva in funzione della durezza del suo sostentamento. Inoltre la forza di contatto viene sorvegliata da un sensore di forza 18 e/o da un sensore di accelerazione 19 nella zona del sostentamento degli elementi striscianti 1 ovvero dell'accoppiamento' fra la parte inferiore 12 del pantografo e quella superiore 10. Il segnale 20 ovvero 21 di questi sensori 18 e 19 di forza ovvero di accelerazione viene portato ad un dispositivo di comando 22. Il dispositivo di comando 22 comanda un attuatore 23. L'attuatore 23 forma un componente del dispositivo si sollevamento 3. Esso non è tuttavia previsto per il raddrizzamento vero e proprio del braccio portante Il attorno all'asse 17. Allo scopo sono presenti altri elementi di azionamento. L'attuatore 23 serve piuttosto a sollecitare il braccio portante 11, in aggiunta a questi elementi di azionamento, in direzione della freccia 16 con una forza al fine di compensare rapidamente gli influssi sulla forza di contatto degli elementi striscianti 1 sul filo di contatto 2, e precisamente più rapidamente di quanto non sarebbe possibile con gli elementi di azionamento veri e propri del dispositivo di sollevamento 3. Il dispositivo di comando 22 è, a questo scopo, di tipo adattativo per adattarsi anche automaticamente al corrispondente stato di esercizio dell'organo di presa 15. Esso è soprattutto adatto a elaborare segnali 20 e 21 ad alta frequenza e a comandare corrispondentemente l'attuatore 23. L'attuatore è di regola un attuatore piezoelettrico di tipo commerciale. Possono tuttavia trovare impiego anche attuatori magnetostrittivi e altri attuatori rapidi.

La figura 2 mostra l'estremità inferiore lato motrice del braccio portante 11. Qui il braccio portante 11 presenta due prolungamenti 24 e 25 a forma di camme, nei quali sono ricavate piste di guida 26, 27 per un cavo di trazione non rappresentato nelle figure 2 e 3 a forma di ansa. Tra le piste di guida 26 e 27 si trova un gancio 28 per avvolgere il cavo di guida. Il gancio 28 serve al fissaggio del cavo di guida a forma di ansa al braccio portante 11, essendo prevista una apertura 28 per l'alloggiamento di un corpo di guida sovrapposto al cavo di trazione a forma di ansa.

La figura 3 mostra una sezione del braccio portante 11 nella zona della pista di guida 27. La pista di guida 27 determina la leva efficace con la quale una tensione di trazione del cavo di trazione agisce sul braccio portante 11. Ciò significa che la pista di guida 27 determina il raggio che definisce il momento torcente attorno all'asse 17 dovuto alla forza di trazione del cavo di trazione. Questo raggio è la distanza fra la tangente della curva di guida ovvero del cavo di trazione che va ad avvolgersi alla curva di guida e l'asse 17. Questo raggio efficace è massimo in una zona 30. La zona 30 corrisponde alla posizione del braccio portante 11 mostrata raddrizzata nella figura 1, nella quale la forza di contatto degli elementi striscianti 1 viene applicata ad un filo di contatto 2. Nella zona 30 della pista di guida' 27 può essere variato l'andamento della pista di guida e cioè il suo raggio efficace mediante l'attuatore 23. In tal caso l'attuatore 23 aumenta la distanza di una parte 31 della pista di guida 27 rispetto all'asse 17.

In tal modo viene variato direttamente il momento torcente esercitato dalla forza di trazione del cavo di trazione sul braccio portante 11.

La figura 4 mostra il cavo di trazione 32 a forma di ansa che viene guidato dalle piste di guida 26, 27 sul braccio portante 11 e fissato dal gancio 28. A tal proposito l'elemento di guida 33 penetra nell'apertura 29 nel gancio 28. Per quanto riguarda il cavo di trazione 32 si tratta di un cavo ad elevata sollecitabilità. Le estremità libere del cavo di trazione 32 sono fissate ad una piastra di fissaggio 34 tramite boccole di fissaggio 35 avvitate. La piastra di fissaggio 34 viene sollecitata da un elemento di trazione 36 del dispositivo di sollevamento con una forza rappresentata da una freccia 37. Questa forza 37 provoca una forza di trazione del cavo di trazione 32, determinando così il momento torcente attorno all'asse 17 per il raddrizzamento del braccio portante 11 (figura 3) . L'attuatore 23 agisce perpendicolarmente sul cavo di trazione 32 ed è disposto distanziato rispetto ai punti di supporto del cavo di trazione 32. In questo modo si ottiene una demoltiplicazione per l'attuatore 23. Ciò significa che l'attuatore 23 è previsto per applicare al cavo di trazione 32 grandi forze di trazione addizionali. In tal caso non è tuttavia possibile coprire con l'attuatore 23 corse maggiori del cavo di trazione 32 ovvero maggiori differenze dell'angolo di raddrizzamento del braccio portante 11.

Una configurazione alternativa dell'attuatore 23 è mostrata nella figura 5. Ivi la piastra di fissaggio 34 è in due parti. Ad una prima parte 38 sono fissate le estremità libere del cavo di trazione 32. Su una seconda parte 39 agisce la forza 37 dell'elemento di azionamento 36. Fra le parti 38 e 39 è previsto l'attuatore 23 costituito qui a sua volta da due attuatori inseriti in parallelo. La forza esercitata dall'attuatore 23 è pertanto direttamente la forza di tensione del cavo di trazione 32. Non avviene qui una moltiplicazione. Tuttavia l'attuatore 23 prima di diventare attivo, deve applicare la forza complementare alla forza 37.

In tutte le forme di esecuzione delle figure da 3 a 5 l'attuatore 23 è tenuto in pretensione, in quanto gli attuatori piezoelettrici notoriamente sono sensibili a sollecitazioni di trazione mentre supportano bene sollecitazioni di compressione. Nelle forme di esecuzione secondo le figure 3 e 5 la sollecitazione a compressione dell'attuatore 23 si ottiene automaticamente. Nella forma di esecuzione secondo la figura 4 l'attuatore'23 può leggermente allontanare, a questo scopo, per compressione i suoi due punti di azione sul cavo di trazione 32. Vantaggiosamente l'attuatore 23 presenta una precompressione insita nel cristallo piezoelettrico o magnetostrittivo su cui esso si basa.

La configurazione concreta del dispositivo di comando 22 adattativo è in sé nota. Nel caso più semplice il dispositivo di comando 22 comanda l'attuatore nel senso di un regolatore differenziale per la forza di contatto degli elementi striscianti l sul filo di contatto 2. Si ha adattivita quando i fattori di regolazione vengono adattati automaticamente dal dispositivo di comando 22 al rispettivo stato di esercizio dell'organo di presa 15.

Legenda

1 - Elemento strisciante

2 - Filo di contatto

3 - Dispositivo di sollevamento

4 - Gamba ammortizzatrice

5 - Bilanciere

6 - Asse

7 - Elemento di supporto

8 - Braccio portante

9 - Asta di guida

10 - Parte superiore del pantografo

11 - Braccio portante

12 - Parte inferiore del pantografo

13 - Asta di guida

14 - Prolungamento

15 - Organo di presa

16 - Freccia

17 - Asse

18 - Sensore di forza

19 - Sensore di accelerazione

20 - Segnale

21 - Segnale

22 - Dispositivo di comando

23 - Attuatore

24 - Prolungamento

25 - Prolungamento

26 - Pista curva

27 - Pista curva

28 - Cavo

29 - Apertura

30 - Zona

31 - Parte

32 - Cavo di trazione

33 - Elemento di guida

34 - Piastra di fissaggio

35 - Boccola di fissaggio

36 - Elemento di azionamento

37 - Forza

38 - Parte della piastra di fissaggio 39 - Parte della piastra di fissaggio

Claims

Rivendicazioni l. Organo di presa per la trasmissione dell'energia fra un filo di contatto e una motrice con almeno un elemento strisciante e con un braccio portante per il sollevamento dell'elemento strisciante e per l'applicazione di una forza di contatto con la quale l'elemento strisciante aderisce dal basso al filo di contatto durante la trasmissione dell'energia, nel quale il braccio portante può essere ruotato attorno ad un asse orizzontale ed è supportato dalla motrice e può essere raddrizzato ruotando attorno all'asse con un dispositivo di sollevamento, caratterizzato dal fatto che al dispositivo di sollevamento (3) è associato un attuatore (23) rapido comandato da un dispositivo di comando (22) in funzione del segnale (20, 21) di almeno un sensore di corsa, di forza o di accelerazione (18, 19) montato su un organo di presa (15).
2. Organo di presa secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'attuatore (23) è un attuatore piezoelettrico o magnetostrittivo.
3. Organo di presa secondo la rivendicazione 1 o 2, nel quale il dispositivo di sollevamento agisce sul braccio portante tramite un cavo di trazione, caratterizzato dal fatto che l'attuatore (23) agisce sul cavo di trazione (32).
4. Organo di presa secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l'attuatore (23) è disposto parallelamente (32) al cavo di trazione.
5. Organo di presa secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l'attuatore (23) è disposto a distanza dai punti di supporto del cavo di trazione (32) perpendicolarmente al cavo di trazione (32).
6. Organo di presa secondo la rivendicazione 3, nel quale sul braccio portante è prevista una curva di guida per il cavo di trazione il cui raggio efficace fra la tangente del cavo di trazione e l'asse determina la leva efficace del dispositivo di sollevamento durante il raddrizzamento del braccio portante, caratterizzato dal fatto che l'attuatore (23) varia il raggio efficace della curva di guida (26, 27).
7. Organo di presa secondo una delle rivendicazioni da 3 a 6, caratterizzato dal fatto che l'attuatore (23) viene sollecitato a compressione dalla tensione di trazione nel cavo di trazione (32).
8. Organo di presa secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che il segnale (18 o 19) del sensore di forza o di accelerazione (20 ovvero 21) è un indice per la forza di contatto fra l'elemento strisciante (1) e il filo di contatto (2).
9. Organo di presa secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il sensore di forza o di accelerazione (18) è disposto direttamente al di sotto dell'elemento strisciante (1).
10. Organo di presa secondo la rivendicazione 8, nel quale il braccio portante è un componente di una prima configurazione a quattro snodi inferiore, e nel quale l'elemento strisciante si appoggia ad una seconda configurazione a quattro snodi superiore e nel quale le due configurazioni a quattro snodi sono accoppiate fra di loro per realizzare insieme il raddrizzamento, caratterizzato dal fatto che il sensore di forza o di accelerazione 19 è disposto nella zona dell'accoppiamento delle due configurazioni a quattro snodi (10 e 12).