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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kontaktkraft nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes, nicht schienengebundenes Fahrzeug nach Patentanspruch 2.
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Es ist seit langem bekannt, elektrisch getriebene Fahrzeuge mit einem Stromabnehmer auszustatten, um elektrischer Energie zwischen einer Oberleitungsanlage und einem elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs zu übertragen. Solche Fahrzeuge sind als Schienenfahrzeuge, wie etwa elektrische Triebzüge oder elektrische Lokomotiven, oder auch als nicht schienengebundene Fahrzeuge, wie etwa elektrische Busse im Öffentlichen Personennahverkehr oder dieselelektrische Nutzfahrzeuge im Tagebaubetrieb, bekannt. Stromabnehmer weisen gelenkige Gestelle in Stangen-, Scheren- oder Halbscherenform auf, die mittels einer Hubeinrichtung zwischen einer abgesenkten Ruheposition und einer aufgerichteten Betriebsposition verstellbar sind. In der Betriebsposition wird ein elektrischer Schleifkontakt zwischen einem Schleifstück des Stromabnehmers und einem überkopf verlaufenden Fahrdraht einer Oberleitungsanlage hergestellt. Oberleitungsanlagen für Schienenfahrzeuge sind in der Regel einpolig, weisen also nur einen als Hinleiter ausgebildeten Fahrdraht auf, wobei die geerdeten Schienen des Gleises als Rückleiter genutzt werden. Nicht schienengebundene Fahrzeuge weisen Stromabnehmer mit zwei voneinander isolierten Schleifstücken auf, die zwei als Hin- und Rückleiter ausgebildete Fahrdrähte einer zweipoligen Oberleitungsanlage kontaktieren. Während die Kontaktstücke bei Stangenstromabnehmern in zwangsgeführten Polschuhen angeordnet sind, sind sie bei Bügelstromabnehmern als längliche Schleifleisten ausgebildet, die in einer vom Gestell getragenen Wippe gehalten und parallel zu einer Fahrzeugquerachse ausgerichtet sind.
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Die Hubeinrichtung presst die Schleifleiste gegen den Fahrdraht, so dass im Kontaktpunkt zwischen diesen eine Kontaktkraft herrscht. Eine zu niedrige Kontaktkraft geht im Fahrbetrieb mit Kontaktunterbrechungen unter Ausbildung von Abrisslichtbögen einher, die zu Beschädigungen am Stromabnehmer und/oder Fahrdraht führen können. Ist die Kontaktkraft zu hoch, so tritt starker Verschleiß vor allem an den Schleifleisten auf. Damit der Schleifkontakt bei akzeptablem Schleifleistenverschleiß sicher aufrechterhalten werden kann, sollte eine Kontaktkraft zwischen 0 N und 250 N aufrechterhalten werden. Bei höheren Geschwindigkeiten, etwa ab 85 km/h, sollte die Kontaktkraft beispielsweise bei etwa 80 N liegen. Daher kommt der Ermittlung der Kontaktkraft eine wichtige Bedeutung zu.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 199 05 015 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer definierten Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-Triebfahrzeugen, und dem Fahrdraht bekannt. Der Stromabnehmer besteht aus einem Unterarm und einer Lenkerstange, die über Gelenke mit einem Oberarm und einer Wippe verbunden sind. Die Wippe wird aus Schleifstücken und einem Scheitelrohr gebildet. Zum Anlegen und Absenken des Stromabnehmers bzw. zur Erzeugung der Andruckkraft der Schleifstücke gegen den Fahrdraht ist ein Pneumatikantrieb vorgesehen. Es wird vorgeschlagen, ein regelungstechnisches Gleichgewicht durch Erzeugung einer der Kraft des Pneumatikantriebs entgegenwirkenden Kraft herzustellen. Dies soll mittels eines Seilzuges, eines hydraulischen, elektrischen oder pneumatischen Elements oder eines im Pneumatikantrieb selbst angeordneten Elements erfolgen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2005 024 202 A1 offenbart eine Kraftmesseinrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer eines Schienentriebfahrzeuges und einem Fahrdraht einer Oberleitung. Die Einrichtung umfasst einen an einem Stromabnehmerendhorn angeordneten Faser-Bragg-Gitter-Sensor, der als optischer Dehnungssensor ausgebildet ist. Unter Einwirkung der Kontaktkraft wird das Stromabnehmerendhorn gebogen, wodurch der Faser-Bragg-Gitter-Sensor verformt wird. Die Verformung ändert dessen Schwerpunktswellenlänge, die wiederum eine Änderung des Wellenlängengehalts eines in den Faser-Bragg-Gitter-Sensor eingespeisten Lichtsignals bestimmt. Diese Änderung des Wellenlängengehalts in einem vom Faser-Bragg-Gitter-Sensor herkommenden Lichtsignal wird in Auswertemitteln zur Bestimmung der Kontaktkraft verwendet.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2009 036 963 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Kontaktkräfte zwischen einem Stromabnehmer und einer Oberleitung. In einem als Hohlprofil ausgebildeten Schleifleistenträger sind innere Sensoren am Boden des Hohlprofils befestigt, auf welchen aus dem Hohlprofil herausragende Messschleifstücke sitzen. Unterhalb des Schleifleistenträgers können weitere äußere Sensoren angeordnet werden. Mit diesem Messschleifstück können aerodynamische Korrekturwerte erfasst werden. Zusätzlich ist es möglich die Korrekturwerte in Abhängigkeit von der Position des Fahrzeugs auf der Strecke zu ermitteln.
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Die bekannten Vorrichtungen zur Kontaktkraftbestimmung sind von komplexem Aufbau und kostenaufwändig in der Anschaffung und Installation.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer Kontaktkraft bereitzustellen, die einen alternativen Aufbau hat.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kontaktkraft der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Demnach umfasst die Vorrichtung eine mit dem Gestell gekoppelte Stelleinrichtung, mittels der das Gestell querverstellbar und die Schleifleiste relativ zum Fahrdraht in Richtung der Fahrzeugquerachse verschiebbar ist. Ferner umfasst sie eine Lagesensoreinrichtung zur Erfassung der Relativlage von Schleifleiste und Fahrdraht. Diese kann durch eine optische Lasermesseinrichtung gebildet sein. Desweiteren umfasst die Vorrichtung eine Kraftsensoreinrichtung zur Ermittlung einer von der Stelleinrichtung auf das Gestell ausgeübten Stellkraft. Außerdem umfasst sie eine mit der Lagesensoreinrichtung und der Kraftsensoreinrichtung verbundene Auswertungseinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, eine minimale Stellkraft zu ermitteln, die mindestens erforderlich ist, um eine Änderung der Relativlage zu bewirken. Aus der minimalen Stellkraft ermittelt sie eine zwischen Schleifleiste und Fahrdraht wirkende effektive minimale Stellkraft. Diese ergibt sich aus dem Aufbau und der Kinematik des Gestells bei der Stellbewegung über Hebelgesetze und dergleichen. Die Kontaktkraft wird von der Auswertungseinrichtung dann durch Division der effektiven minimalen Stellkraft durch einen Reibungskoeffizient zwischen Schleifleiste und Fahrdraht berechnet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die zu ermittelnde Kontaktkraft eine Normalkraft ist, mit der der Fahrdraht im Wesentlichen senkrecht auf die horizontal verlaufende Schleifleiste gepresst wird. Demnach bestimmen die Kontaktkraft und der Reibungskoeffizient zwischen dem Material der Schleifleiste, beispielsweise Kohle oder Kupfer, und dem Material des Fahrdrahtes, beispielsweise Kupfer mit Mangananteil, welche Reibungskraft beim Querverstellen des Stromabnehmers überwunden werden muss. Die am Kontaktpunkt effektiv wirkende Stellkraft in Richtung der Fahrzeugquerachse muss also mindestens diese Reibungskraft überwinden, damit eine stellbewegungsbedingte Lageänderung des Kontaktpunktes auf der Schleifleiste erfolgt. Der Auswertungseinrichtung wird der kleinste Wert der Stellkraft zugeführt, ab der die Lagesensoreinrichtung gerade beginnt, eine Lageänderung des Kontaktpunktes zu erfassen; gerade hier übersteigt nämlich die zugehörige minimale effektive Stellkraft die Reibungskraft. Die Kontaktkraft ergibt sich also aus dem Quotienten aus dieser minimalen effektiven Stellkraft und dem Reibungskoeffizienten. Diese Art der Kontaktkraftbestimmung ist einfach und kostengünstig und ist analog auf einen Stromabnehmer mit zwei in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Schleifleisten sowie auf einen Stromabnehmer anwendbar, der zwei Fahrdrähte einer zweipoligen Oberleitungsanlage kontaktiert.
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Mit Vorteil weist ein nicht schienengebundenes, elektrisch getriebenes Fahrzeug mit einem Stromabnehmer zur Energieeinspeisung über als Hin- und Rückleiter ausgebildete Fahrdrähte einer zweipoligen Oberleitungsanlage eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer Kontaktkraft zwischen dem Stromabnehmer und den Fahrdrähten auf. Der Stromabnehmer weist ein am Fahrzeug angelenktes Gestell auf, welches parallel zu einer Fahrzeugquerachse ausgerichtete Schleifleisten trägt und mit einer Hubeinrichtung gekoppelt ist, mittels der das Gestell aufrichtbar und die Schleifleisten zur Aufrechterhaltung eines Schleifkontaktes an die Fahrdrähte anpressbar ist. Da solche Fahrzeuge auf elektrifizierten Fahrbahnen, beispielsweise Lastkraftwagen auf Autobahnen, durch Lenkeingriffe die elektrifizierte Fahrspur halten müssen, sind sie ohnehin mit einem Stromabnehmer ausgestattet, dessen Gestell mit einer Stelleinrichtung gekoppelt ist, mittels der das Gestell querverstellbar und die Schleifleisten relativ zu den Fahrdrähten in Richtung der Fahrzeugquerachse verschiebbar sind. Auch ist dort eine Lagesensoreinrichtung zur Erfassung der Relativlage von Schleifleisten und Fahrdrähten vorgesehen, damit durch seitliche Stellbewegungen verhindert werden kann, dass die Schleifleisten durch Lenkungenauigkeiten den Kontakt zu den Fahrdrähten verlieren. Bei einem solchen Fahrzeug wäre also lediglich die Kraftsensoreinrichtung sowie die Auswertungseinrichtung einzurichten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Fahrzeug eine Regeleinrichtung zur Aufrechterhaltung der Kontaktkraft innerhalb eines vorgebbaren Sollbereichs auf. Die Regeleinrichtung ist mit der Auswertungseinrichtung zum Empfangen eines berechneten Istwertes der Kontaktkraft verbunden, zum Vergleich des Istwertes mit dem Sollbereich ausgebildet, und mit der Hubeinrichtung verbunden. Die Hubeinrichtung ist dazu ausgebildet, die Schleifleisten in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses an die Fahrdrähte anzupressen. Hierdurch wird die Kontaktkraft stets in einem Sollbereich gehalten, der eine ununterbrochene Kontakthaltung bei geringem Schleifleistenverschleiß sicherstellt.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Kontaktkraft zwischen einem Fahrdraht und einer Schleifleiste eines Stromabnehmers und
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2 die Vorrichtung aus 1 mit den im Betrieb wirkenden Kräften
mit Blick in Fahrtrichtung des Fahrzeugs schematisch veranschaulicht sind.
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Gemäß 1 weist ein nicht dargestelltes Fahrzeug, beispielsweise ein Schienenfahrzeug oder ein nicht schienengebundenes Fahrzeug, einen Stromabnehmer 1 auf, der zur Energieübertragung mit einem Fahrdraht C einer Oberleitungsanlage in Schleifkontakt steht. Die Oberleitungsanlage ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einpolig ausgebildet, umfasst also einen Fahrdraht C, kann aber je nach Fahrzeugtyp auch zweipolig ausgebildet sein. Der Stromabnehmer 1 umfasst ein gelenkiges Gestell 2, welches sich mit seinem fahrzeugseitigen Ende über ein Drehgelenk 3 an einem mit dem Fahrzeug verbundenen Grundrahmen 4 abstützt. Das Gestell 2 kann ein oder mehrere, insbesondere aber zwei zueinander parallel ausgerichtete Tragholme aufweisen, die auch scheren- oder halbscherenartig untergliedert sein können. Das Gestell 2 trägt an seinem fahrdrahtseitigen Ende eine Wippe 5, die am Gestell 2 über ein nicht dargestelltes Scheitelrohr gelenkig verbunden ist. Die Wippe 5 ist mit Schleifleisten 6 bestückt, die zur elektrischen Kontaktherstellung den Fahrdraht C beschleifen. Bei einer einpoligen Oberleitungsanlage trägt die Wippe 5 zwei bezüglich einer Fahrzeuglängsachse hintereinander angeordnete Schleifleisten 6, die zueinander und zu einer Fahrzeugquerachse Q parallel ausgerichtet sind. Entsprechend kann die Wippe 5 für eine zweipolige Oberleitungsanlage für jeden der beiden Fahrdrähte C jeweils zwei Schleifleisten 6 tragen, wobei die den beiden Oberleitungspolen zugeordneten Schleifleisten 6 elektrisch gegeneinander isoliert auf der Wippe 5 angeordnet sind. Der Stromabnehmer 1 weist eine nicht dargestellte Hubeinrichtung auf, mittels der das Gestell 2 aufricht- und wieder absenkbar ist. Hierdurch kann die Wippe 5 zwischen einer abgesenkten Ruheposition und einer angehobenen Betriebsposition bewegt werden. In der Betriebsposition presst die Hubeinrichtung die Schleifleisten 6 gegen den Fahrdraht C, wodurch – vergleiche hierzu 2 – im Kontaktpunkt K zwischen Schleifleiste 6 und Fahrdraht C eine Kontaktkraft FK herrscht.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nun diese Kontaktkraft FK ermittelt werden. Die Vorrichtung umfasst eine mit dem Gestell 2 gekoppelte Stelleinrichtung 7, mittels der das Gestell 2 querverstellbar und die Schleifleiste 6 relativ zum Fahrdraht C in Richtung der Fahrzeugquerachse Q verschiebbar ist. Die Stelleinrichtung 7 kann beispielsweise durch einen mit einem Druckmittel beaufschlagbaren Arbeitszylinder gebildet sein, dessen Kolbenstange über ein Gelenk 8 mit dem Grundrahmen 4 und dessen Zylinder über eine Stellstange 9 am Gestell 2 angelenkt ist. Entsprechend der konstruktiven und kinematischen Ausgestaltung des Gestells 2 und entsprechend seiner Kopplung mit der Stelleinrichtung 7 wird eine Stellbewegung S der Stelleinrichtung 7 in eine Verschiebebewegung V der Schleifleiste 6 übertragen.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Lagesensoreinrichtung 10 zur Erfassung der Relativlage von Schleifleiste 6 und Fahrdraht C. Die Lage des Kontaktpunktes K, an dem der Fahrdraht C die Schleifleiste 6 kontaktiert, kann sich während einer Fahrt aufgrund verschiedener Ursachen ändern. So kann der Verlauf des Fahrdrahtes C der Oberleitungsanlage nicht exakt dem Verlauf der Fahrwegmitte folgen. Dies kann daran liegen, dass ein an diskreten Stützpunkten aufgehängter Fahrdraht C Bögen oder Kurven im Fahrweg nur sehnenartig folgen kann. Der zwischen Stützpunkten hängende Fahrdraht C kann durch Seitenwind auch auf Geraden im Fahrweg von der Fahrwegmitte ausgelenkt werden. Ist der Fahrweg ein Schienengleis, so wird der Fahrdraht C aus Gründen eines gleichmäßigen Verschleißes der Schleifleisten 6 in einem Zick-zack-Verlauf bezüglich der Gleismitte verlegt. Bei nicht schienengebundenen Fahrzeugen können Lageänderungen des Kontaktpunktes K auch von Lenkbewegungen des Fahrzeugs herrühren. Schließlich kann die Lage des Kontaktpunktes K aktiv über eine Verschiebebewegung V der Schleifleisten 6 durch die Stelleinrichtung 7 beeinflusst werden. Gerade bei nicht schienengebundenen Fahrzeugen dient die aktive Verschiebebewegung V der Kompensation von anders bedingten Lageänderungen des Kontaktpunktes K. Die Lagesensoreinrichtung 7 kann beispielsweise als optisches Messgerät ausgebildet sein, das am Grundrahmen 4 angeordnet und zur Abtastung von Schleifleiste 6 und Fahrdraht C durch Laserstrahlen L ausgebildet ist. Alternativ kann die Relativlage auch über eine fahrzeugseitige Videokamera mit Bildauswertung oder aber durch an der Schleifleiste 6 angeordnete Sensoren zur Erfassung des Stromflusses ermittelt werden.
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Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Kraftsensoreinrichtung 11 zur Ermittlung einer von der Stelleinrichtung 7 auf das Gestell 2 ausgeübten Stellkraft F (vgl. 2). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kraftsensoreinrichtung 11 zwischen der Stelleinrichtung 7 und der Stellstange 9 geschaltet. Sie kann beispielsweise als Kraftmessdose ausgebildet sein.
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Gemäß 2 umfasst nun die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung der Kontaktkraft FK eine nicht dargestellte Auswertungseinrichtung, die mit der Lagesensoreinrichtung 10 und der Kraftsensoreinrichtung 11 verbunden ist. Die Lagesensoreinrichtung 10 erfasst die Lage des Kontaktpunktes K, beispielsweise in der in 2 dargestellten mittigen Neutralstellung des Gestells 2. Nun beginnt die Stelleinrichtung 7 eine zunehmende Stellkraft FK aufzubauen, die über die Kraftsensoreinrichtung 11, die Stellstange 9, das Gestell 2 auf die Wippe 5 übertragen wird. Entsprechend der geometrischen und kinematischen Ausgestaltung des Stromabnehmers 1 wirkt an der Schleifleiste 6 eine effektive Stellkraft F' in Richtung der Verschiebebewegung V. Der effektiven Stellkraft F' wirkt eine die Verschiebebewegung V hemmende Reibungskraft FR entgegen, die sich aus der als Normalkraft senkrecht zur Schleifleiste 6 wirkenden Kontaktkraft FK und dem Reibungskoeffizienten zwischen Schleifleiste 6 und Fahrdraht C ergibt. Der Wert der Reibungskraft FR und damit der Kontaktkraft FK entspricht nun dem Wert der minimalen effektiven Stellkraft F'min, bei dem die Lagesensoreinrichtung 10 gerade anfängt, eine Verstellbewegung V des Kontaktpunktes K zu registrieren. Die minimale effektive Stellkraft F'min ist verknüpft mit einer über die Kraftsensoreinrichtung 9 messbaren minimalen Stellkraft Fmin. Die Auswertungseinrichtung ist somit dazu ausgebildet, die minimale Stellkraft Fmin zu ermitteln, die mindestens erforderlich ist, um eine Änderung der Relativlage zu bewirken. Sie ist ferner dazu ausgebildet, aus der minimalen Stellkraft Fmin eine zwischen Schleifleiste 6 und Fahrdraht C effektive minimale Stellkraft F'min zu ermitteln. Außerdem ist sie dazu ausgebildet, die Kontaktkraft FK durch Division der effektiven minimalen Stellkraft F'min durch einen Reibungskoeffizient μ zu berechnen, der durch die Materialien der Schleifleiste 6 und des Fahrdrahtes C bestimmt ist.
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Der Vorteil einer erfindungsgemäßen Kontaktkraftermittlungsvorrichtung besteht in den sehr niedrigen Kosten, die insbesondere bei Fahrzeugen erzielt werden, die ohnehin über einer Stelleinrichtung 7 und eine Lagesensoreinrichtung 10 verfügen. Dies ist beispielsweise bei nicht schienengebundenen Fahrzeugen der Fall, deren Stromabnehmer 1 aktiv seitlich nachstellbar ist, um etwa lenkbedingte Abweichungen in der Spurhaltung zu kompensieren.
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Mittels einer nicht dargestellten einer Regeleinrichtung kann die Kontaktkraft FK innerhalb eines vorgebbaren Sollbereichs gehalten werden, um einerseits den Schleifkontakt sicher aufrechtzuerhalten und andererseits den Verschleiß der Schleifleisten 6 zu minimieren. Hierzu ist die Regeleinrichtung mit der Auswertungseinrichtung zum Empfangen eines berechneten Istwertes der Kontaktkraft FK verbunden. Die Regeleinrichtung vergleicht den Istwert der Kontaktkraft FK mit dem Sollbereich und ermittelt hieraus eine Steuergröße für die Hubeinrichtung. Die Hubeinrichtung ist dazu ausgebildet, die Schleifleiste 6 in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses – gegebenenfalls stärker oder schwächer – an die Fahrdrähte C anzupressen.
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Es gibt auch die Möglichkeit einer Kontaktkraftbestimmung ohne Kraftsensoreinrichtung, wenn vorab ein Kraft-Weg-Diagramm für die Stelleinrichtung 7 ermittelt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19905015 A1 [0004]
- DE 102005024202 A1 [0005]
- DE 102009036963 A1 [0006]
