DE10246214A1

DE10246214A1 - Overhead current pick up for an electrically driven vehicle, has slider with piezoelectric fiber and control senor in an integrated regulation circuit

Info

Publication number: DE10246214A1
Application number: DE2002146214
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Korth
Original assignee: Stemmann Technik GmbH
Current assignee: Stemmann Technik GmbH
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22
Also published as: AU2003281927A1; WO2004033248A1; EP1545926A1

Abstract

An overhead current pick-up for an electrically driven vehicle comprises a frame (3), arm (4-7) and a slider (11) with the frame moving under the influence of a lift drive (18) producing a contact force. The slider comprises a piezoelectric fiber and a sensor (21) integrated with the lift drive in a closed evaluation and control circuit (22,23).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromabnehmer für ein elektrisches Triebfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a pantograph for an electrical Traction vehicle according to the characteristics in the preamble of claim 1.

Ein solcher Stromabnehmer zählt durch den Aufsatz – Hochgeschwindigkeits-Stromabnehmer für den ICE – in "eb-elektrische Bahnen" 89 (1991) 11, Seiten 436 bis 441 zum Stand der Technik. Er weist ein durch gelenkig miteinander verbundene Arme gebildetes Gestell und eine an das Gestell angelenkte Wippe mit zwei an einen Fahrdraht gedrückten Schleifleisten als Bestandteile von Schleifstücken auf. Das Gestell ist unter den Einfluss eines die Kontaktkraft zwischen den Schleifleisten und dem Fahrdraht erzeugenden pneumatisch beaufschlagbaren Hubantriebs gestellt.Such a pantograph counts the essay - high-speed pantograph for the ICE - in "eb-electric railways" 89 (1991) 11, pages 436 to 441 to the prior art. He shows one by being articulated with each other connected arms formed frame and a rocker articulated to the frame with two contact strips pressed against a contact wire as components of contact strips. The frame is under the influence of a contact force between the contact strips and the contact wire generating pneumatically actuated lifting drive posed.

Bei der Stromabnahme von einem Fahrdraht ist ein Stromabnehmer der beschriebenen Gattung sehr hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Die Bestandteile von Schleifstücken bildenden Schleifleisten sind mehrachsig an Federn aufgehängt, womit bislang eine ausreichend gute Anpassung an einen Fahrdraht auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten gewährleistet werden kann. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit steigen jedoch die Anforderungen an die Kontaktstellen zwischen dem Fahrdraht und den Schleifleisten. Sowohl das System Fahrdraht als auch das System Stromabnehmer stellen eigenständige Schwingungssysteme dar, die durch aerodynamische Einflüsse und/oder gegenseitige Anregungen Kontaktabrisse der Schleifleisten vom Fahrdraht bewirken können. Die Kontaktunterbrechung und der damit verbundene Lichtbogen führen erstens zu einem Energieverlust aufgrund des größeren Kontaktwiderstands und zweitens zu einem erhöhten Verschleiß der beiden Reibpartner durch Abbrand. Auf der einen Seite vermindern höhere Kontaktkräfte zwar die Ablöserate, rufen auf der anderen Seite aber verstärkt Reibung hervor. Bei beiden Extrema verringert der erhöhte Verschleiß die Zuverlässigkeit des Systems Stromabnehmer und führt zu zusätzlichen Kosten für das notwendige Auswechseln der Verschleißteile.When drawing power from a contact wire a pantograph of the type described very high dynamic Exposed to stress. The components of contact strips forming contact strips are suspended on springs with multiple axes, so far a sufficiently good adaptation to a contact wire can be guaranteed even at very high speeds. With however, the driving speed increases, the requirements increase to the contact points between the contact wire and the contact strips. Place both the contact wire system and the pantograph system independent Vibration systems represented by aerodynamic influences and / or mutual suggestions Contact breaks of the contact strips of the contact wire can effect. The interruption of contact and the associated arc lead firstly loss of energy due to the greater contact resistance and secondly to an increased Wear the both friction partners by burning. Reduce on one side higher contact forces though the transfer rate, on the other hand, they cause increased friction. By both Extremes decreased the increased Wear the reliability of the system pantograph and leads to additional costs for the need to replace the wearing parts.

Da folglich der Stromabnehmer als Energie übertragendes Element zwischen dem Fahrdraht und dem Triebfahrzeug eine der Schlüsselkomponenten im Hochgeschwindigkeitsverkehr darstellt, ist die Fachwelt zur Garantierung der Übertragungsqualität und zur Vermeidung von Funkenschlag bestrebt, über einen aus Verschleißgründen weitgehend konstant gehaltenen Kraftschluss einen ständigen Kontakt der Schleifleisten zum Fahrdraht sicherzustellen.As a result, the pantograph as Energy transferring Element between the contact wire and the locomotive one of the key components in the Representing high-speed traffic is the professional world to guarantee the transmission quality and Avoiding sparks strives, largely for reasons of wear constant contact between the contact strips and the contact strips to ensure contact wire.

In diesem Zusammenhang schlägt die EP 0 932 518 B1 bei einer Wippe vor, eine Schleifleiste an einem Ende eines Hebelarms anzuordnen, an dessen anderem Ende eine Feder angreift. Die Feder soll es zum einen ermöglichen, die Schleifleiste gegen den Fahrdraht zu drücken, zum anderen einen Aktor unter Vorspannung zu setzen, der an einer ein Widerlager für die Feder bildenden Halterung festgelegt ist und auf den Hebelarm einwirkt. Die Halterung selber ist über Federn seismisch gegenüber dem Oberarm eines Stromabnehmers so abgestützt, dass Erschütterungen nur geringe Auswirkungen auf die Halterung für den die Schleifleiste tragenden Hebelarm ausüben sollen.In this context, the EP 0 932 518 B1 in the case of a seesaw, to arrange a contact strip at one end of a lever arm, at the other end of which a spring engages. The spring should make it possible, on the one hand, to press the contact strip against the contact wire, and, on the other hand, to prestress an actuator, which is attached to a bracket forming an abutment for the spring and acts on the lever arm. The bracket itself is supported seismically by springs against the upper arm of a pantograph so that vibrations should have little effect on the bracket for the lever arm carrying the contact strip.

Der Aktor ist von einem adaptiv arbeitenden Regler beeinflusst. Die zusätzliche Aktorkraft ist abhängig vom Betriebsverlauf durch einen die Kontaktkraft erfassenden Sensor gesteuert und den Kontaktkraftschwankungen entgegen gerichtet. Bei dem Aktor handelt es sich um einen geschichteten piezoelektrischen Aktor, der unter einer mechanischen Vorspannung steht.The actuator is from an adaptive controller affected. The additional Actuator force is dependent from the course of operation by a sensor detecting the contact force controlled and directed against the fluctuations in contact force. at the actuator is a layered piezoelectric Actuator that is under a mechanical preload.

Die bekannte Anordnung zur Sicherstellung der Kontaktkraft zwischen Schleifleiste und Fahrdraht ist vergleichsweise aufwändig gestaltet. Sie benötigt einen gesonderten Aktor, einen seismisch gelagerten Halter, mehrere Federn sowie diverse Lagerelemente und insofern eine komplette Neukonstruktion der endseitig des Oberarms des Stromabnehmers befindlichen Wippe. Der hiermit verbundene Aufwand ist hoch. Eine Integration in vorhandene Stromabnehmer ist gar nicht oder nur sehr bedingt möglich.The known arrangement for ensuring the Contact force between the contact strip and contact wire is comparatively costly designed. You needed a separate actuator, a seismic mount, several Springs as well as various bearing elements and in this respect a completely new construction the rocker located at the end of the upper arm of the pantograph. The effort involved is high. Integration into existing pantographs is not possible at all or only to a very limited extent.

Da Kontaktkraftschwankungen über einen zwangsläufig Spieltoleranzen aufweisenden Hebel-Feder-Mechanismus indirekt zu nutzbaren piezoelektrischen Signalen umgewandelt werden, sind Zeitverzögerungen nicht auszuschließen.Because contact force fluctuations inevitably lead to game tolerances having lever-spring mechanism indirectly to usable piezoelectric If signals are converted, time delays cannot be ruled out.

Eine weitere relevante Eigenart der bekannten Anordnung besteht darin, dass eine unmittelbare ortsunabhängige Anpassung an Kontaktkraftschwankungen ohne Kenntnis des jeweiligen Fahrstreckenprofils nicht möglich ist. Es wird zwar ein quasi geschlossener Regelkreis mit Ist-Werten, Soll-Werten und Stellsignalen verwendet. Die Soll-Werte sind allerdings abhängig von Einflussgrößen, die bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten auf unterschiedlichen Regelstrecken ermittelt worden sind. Das heißt, der Auf- und Abtrieb eines Stromabnehmers wird bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten gemessen. Diese Werte beeinflussen die Kontaktkraft.Another relevant peculiarity of known arrangement is that an immediate location-independent adaptation fluctuations in contact force without knowledge of the respective route profile not possible is. It is a quasi closed control loop with actual values, Target values and control signals are used. The target values are however dependent of influencing factors that at different driving speeds on different Control systems have been determined. That is, the ups and downs of one Pantograph is measured at different speeds. These values influence the contact force.

Die Kontaktkraft zwischen den Schleifleisten und dem Fahrdraht wird unabhängig von einem Hubantrieb durch eine zusätzliche geregelte Anpresskraft über eine vergleichsweise komplizierte Bauteilanordnung aufgebracht.The contact force between the contact strips and the contact wire becomes independent from a linear actuator through an additional regulated contact pressure via a comparatively complicated component arrangement applied.

Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, einen Stromabnehmer für ein elektrisches Triebfahrzeug zu schaffen, bei welchem mit Hilfe eines konstant gehaltenen Kraftschlusses und einfachen Bauteilen ein ständiger Kontakt zwischen zumindest einer Schleifleiste und einem Fahrdraht sichergestellt werden kann.The invention is based on from the state of the art - the Task based on a pantograph for an electric locomotive to create, with the help of a constant frictional connection and simple components a constant contact ensured between at least one contact strip and a contact wire can be.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This task is characterized by the in Part of claim 1 specified features solved.

Dazu wird jetzt mindestens ein piezoelektrische Fasern sowie einen Ladungsverstärker aufweisender Sensor unmittelbar dem Schleifstück zugeordnet. Dieser Sensor wird dann zusammen mit dem Hubantrieb für den Stromabnehmer sowie einer Auswerte- und Regeleinheit in einen geschlossenen Regelkreis integriert.For this, at least one piezoelectric is now used cal fibers and a sensor having a charge amplifier are assigned directly to the contact strip. This sensor is then integrated in a closed control loop together with the linear actuator for the pantograph and an evaluation and control unit.

Wieviele Sensoren einem Schleifstück zugeordnet werden und was die sinnvollste Sensorposition ist, kann für den jeweiligen Einsatzfall über eine FE-Rechnung ermittelt werden. Dies trifft auch auf die Frage zu, ob beiden Schleifstücken Sensoren zugeordnet werden sollten.How many sensors are assigned to a contact strip and what is the most sensible sensor position can be for each Use case over an FE calculation be determined. This also applies to the question of whether two contact strips sensors should be assigned.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass jeder Sensor problemlos in bestehende Bauarten von Stromabnehmern eingegliedert werden kann. Diese unmittelbare Eingliederung bedeutet in Verbindung mit der Integration in den Regelkreis, dass gleich welche Anregungsursachen aufgrund des dynamischen Systems Stromabnehmer einerseits und des dynamischen Systems Fahrdraht andererseits sowie unter Berücksichtigung aerodynamischer Einflüsse Kontaktkraftschwankungen sofort festgestellt und über den Regelkreis sowie die darin eingegliederte Auswerte- und Regeleinheit zu der jeweils gewünschten Reaktion des Hubantriebs führen, wodurch eine sofortige Anpassung erfolgt. Unabhängig davon, ob nun die Schleifleiste durch die ortsabhängige Steifigkeit des Kettenwerks (Fahrdraht, Hänger, Masten, usw.), durch die Reibung und Zick-Zack-Bewegung des Fahrdrahts auf einer Schleifleiste, durch Luftkräfte, durch Regulierungsungenauigkeiten im Kettenwerk, durch Fahr drahtschwingungen, durch Bewegungen des Wagenkastens des Triebfahrzeugs oder aufgrund von Kettenwerksschwingungen durch Reflexion an Verzweigungspunkten im Kettenwerk und am bewegten Stromabnehmer angeregt wird, führt dies zu mehr oder weniger starken Biegeverformungen der Schleifleiste, welche durch den Sensor im Prinzip unverzögert ermittelt und der Auswerte- und Regeleinheit zugeleitet werden, deren Ausgangssignal zu einer sofortigen Reaktion des Hubantriebs führt.A particular advantage of the invention lies in the fact that each sensor can be easily built into existing designs can be integrated by pantographs. This immediate Integration means in connection with the integration into the Control loop that no matter what the cause of the excitation due to the dynamic Systems pantograph on the one hand and the dynamic contact wire system on the other hand, and taking into account aerodynamic influences Fluctuations in contact force are detected immediately and via the Control circuit and the evaluation and control unit integrated into it to the one you want Cause reaction of the linear actuator, whereby an immediate adjustment is made. Regardless of whether the sliding bar by the location dependent Rigidity of the catenary (contact wire, hangers, masts, etc.) the friction and zigzag movement of the contact wire on a contact strip, by air forces, due to inaccuracies in regulation in the catenary, due to wire vibrations, by movements of the body of the locomotive or due to of chain vibrations by reflection at branching points in the catenary and on the moving pantograph, this leads to more or less strong bending deformations of the contact strip, which is determined by the sensor without delay and the evaluation and control unit are fed, whose output signal to a immediate response of the linear actuator.

Die Erfindung schafft also einen geschlossenen Regelkreis, der unabhängig von Strecken, Geschwindigkeiten oder sonstigen Umgebungsbedingungen funktioniert. Das Piezosignal des Sensors dient unmittelbar als Stellgröße. Die Auswirkungen dieser Stellgröße werden mittels der Piezofasern überwacht und gegebenenfalls nachgeregelt.So the invention creates one closed loop that is independent of distances, speeds or other environmental conditions works. The piezo signal of the sensor serves directly as a manipulated variable. The impact of this Control variable monitored by means of the piezo fibers and adjusted if necessary.

Bei der Auswerte- und Regeleinheit kann es sich insbesondere um eine elektropneumatische Regeleinheit handeln.With the evaluation and control unit can in particular be an electropneumatic control unit act.

Eine vorteilhafte Ausbildung besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 2, wonach der Sensor auf die Unterseite des Schleifstücks, insbesondere des Trägerprofils, geklebt wird. Für eine solche Verklebung können z.B. Epoxidharze herangezogen werden. Derartige Befestigungen haben keine negativen Auswirkungen auf den Sachverhalt, dass Sensorsignale ausgelesen werden müssen und von einem hohen Potential (25 kV) zum Potential nahe 0 V übertragen werden müssen. Dies kann telemetrisch oder optisch erfolgen. Aber auch eine direkte Übertragung der Sensorsignale ist denkbar.There is an advantageous training in the features of claim 2, according to which the sensor on the Underside of the contact strip, especially the beam profile, is glued. For such a bond can e.g. Epoxy resins are used. Such fastenings have no negative impact on the fact that sensor signals must be read out and transferred from a high potential (25 kV) to the potential close to 0 V. Need to become. This can be done telemetrically or optically. But also a direct transmission the sensor signals is conceivable.

Gemäß Patentanspruch 3 kann der Sensor an der Unterseite des Schleifstücks lösbar befestigt sein. Hierfür können z.B. Schraubverbindungen eingesetzt werden. Bei einem Schleifleistenwechsel kann dann der Sensor wieder verwendet werden.According to claim 3, the Sensor can be releasably attached to the underside of the contact strip. For this e.g. Screw connections are used. When changing the contact strips then the sensor can be used again.

Auch eine Einbettung eines Sensors zwischen die Schleifleiste und ein Trägerprofil des Schleifstücks ist nach Patentanspruch 4 denkbar.Also embedding a sensor between the contact strip and a support profile of the contact piece conceivable according to claim 4.

Wenn nach Patentanspruch 5 der Hubantrieb pneumatisch beaufschlagbar ist, kann hierfür das in der Regel bereits vorhandene Druckluftsystem eines Triebfahrzeugs genutzt werden.If according to claim 5 of the linear actuator As a rule, this can already be done pneumatically existing compressed air system of a locomotive can be used.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on of an embodiment illustrated in the drawings. It demonstrate:

1 in schematischer Seitenansicht einen Stromabnehmer für ein elektrisch betriebenes Triebfahrzeug in der Betriebsstellung und 1 in a schematic side view of a pantograph for an electrically powered locomotive in the operating position and

2 eine Ansicht auf den Stromabnehmer der 1 in Richtung des Pfeils II gesehen, teilweise im Schnitt. 2 a view of the pantograph of the 1 seen in the direction of arrow II, partly in section.

Mit 1 ist in den 1 und 2 ein Stromabnehmer in Form eines Einholmstromabnehmers für ein elektrisch betriebenes, ansonsten nicht näher veranschaulichtes Triebfahrzeug 2 bezeichnet.With 1 is in the 1 and 2 a pantograph in the form of a single-arm pantograph for an electrically operated, otherwise not illustrated traction vehicle 2 designated.

Der Stromabnehmer 1 weist ein Gestell 3 auf, das sich im wesentlichen aus einem Unterarm 4, einem Oberarm 5, einer Lenkerstange 6, einer Wippenführung 7 sowie Spanndrähten 8 zusammensetzt. Am freien Ende des Oberarms 5 befindet sich eine Traverse 9, welche der begrenzt raumgelenkigen Lagerung einer Wippe 10 dient. Die Wippe 10 weist zwei Schleifstücke 11 mit Trägerprofilen 12 und Schleifleisten 13 auf, die an den Fahrdraht 14 andrückbar sind.The pantograph 1 has a frame 3 on that essentially consists of a forearm 4 , an upper arm 5 , a handlebar 6 , a rocker guide 7 as well as tension wires 8th composed. At the free end of the upper arm 5 there is a traverse 9 which the limited articulated mounting of a seesaw 10 serves. The seesaw 10 has two contact strips 11 with support profiles 12 and contact strips 13 on that to the contact wire 14 are pressable.

Der Unterarm 4 und die Lenkerstange 6 sind an einen Grundrahmen 15 angelenkt, der über Stützisolatoren 16 am Fahrzeugdach 17 des Triebfahrzeugs 2 befestigt ist.Forearm 4 and the handlebar 6 are on a basic framework 15 articulated, the above insulators 16 on the vehicle roof 17 of the locomotive 2 is attached.

Ein Hubantrieb 18 des Stromabnehmers 1 umfasst einen Pneumatikbalg, der über ein nur angedeutetes Gestänge 19 auf die Schwenkachse 20 des Unterarms 4 einwirkt.A linear actuator 18 of the pantograph 1 includes a pneumatic bellows, which has a hinted linkage 19 on the swivel axis 20 of the forearm 4 acts.

An den Unterseiten 24 der Trägerprofile 12 der Schleifstücke 11 sind piezoelektrische Fasern sowie Ladungsverstärker aufweisende Sensoren 21 durch Klebung befestigt. Die Sensoren 21 sind zusammen mit dem Hubantrieb 18 sowie einer Auswerte- und Regeleinheit 22 in Form einer elektropneumatischen Regeleinheit in einen geschlossenen Regelkreis 23 integriert.On the bottom 24 the carrier profiles 12 of the contact strips 11 are piezoelectric fibers and sensors with charge amplifiers 21 attached by gluing. The sensors 21 are together with the linear actuator 18 and an evaluation and control unit 22 in the form of an electro-pneumatic control unit in a closed control loop 23 integrated.

In den 1 und 2 sind mit ST die Stellen bezeichnet, an denen es durch diverse Anregungen aus dem System Stromabnehmer und/oder dem System Fahrdraht und/oder durch aerodynamische Einflüsse zu Kontaktkraftänderungen zwischen den Schleifleisten 13 und dem Fahrdraht 14 kommen kann. Diese Kontaktkraftänderungen erzeugen an den Sensoren 21 piezoelektrische Signale, die der Auswerte- und Regeleinheit 22 zugeleitet werden. Ein entsprechendes Ausgangssignal der Auswerte- und Regeleinheit 22 führt dann zu einer Aktivierung des Hubantriebs 18, welcher die Winkellage des Gestells 3 des Stromabnehmers 1 verändert und folglich als Stellgröße eine erneute Kontaktkraftaktivierung an den Stellen ST erzeugt.In the 1 and 2 are marked with ST the places where there are various suggestions from the pantograph system and / or the contact wire system and / or by aerodynamic influences to changes in contact force between the contact strips 13 and the contact wire 14 can come. These changes in contact force generate on the sensors 21 piezoelectric signals from the evaluation and control unit 22 be forwarded. A corresponding output signal from the evaluation and control unit 22 then leads to activation of the linear actuator 18 which is the angular position of the frame 3 of the pantograph 1 changed and consequently a new contact force activation generated at the points ST as a manipulated variable.

11: Stromabnehmerpantograph
22: Triebfahrzeugtrain
33: Gestell v. 1 Frame v. 1
44: Unterarm v. 3 Forearm 3
55: Oberarm v. 3 Upper arm v. 3
66: Lenkerstange v. 3 Handlebar from 3
77: Wippenführung v. 3 Rocker guidance v. 3
88th: Spanndrähte v. 3 Tension wires v. 3
99: Traverse an 3 Traverse on 3
1010: Wippeseesaw
1111: SchleifstückeContact strips
1212: Trägerprofilemullions
1313: Schleifleistencontact strips
1414: Fahrdrahtcontact wire
1515: Grundrahmenbase frame
1616: StützisolatorenPost insulators
1717: Fahrzeugdach v. 2 Vehicle roof v. 2
1818: HubantriebLinear actuator
1919: Gestänge v. 18 Linkage of 18
2020: Schwenkachse v. 4 Swivel axis v. 4
2121: Sensorensensors
2222: Auswerte- und Regeleinheitevaluation and control unit
2323: Regelkreisloop
2424: Unterseite v. 12 Bottom v. 12
STST: Kontaktstellencontact points

Claims

Current collector for an electric motor vehicle ( 2 ), which is connected by articulated arms ( 4 - 7 ) formed frame ( 3 ) and one to the frame ( 3 ) articulated seesaw ( 10 ) with at least one with a certain contact force on a contact wire ( 14 ) pressed contact strip ( 13 ) as part of a contact strip ( 11 ), the frame ( 3 ) under the influence of a lifting drive generating the contact force ( 18 ), characterized in that the contact strip ( 11 ) at least one piezoelectric fiber and a charge amplifier sensor ( 21 ) is assigned, which together with the linear actuator ( 18 ) and an evaluation and control unit ( 22 ) in a closed control loop ( 23 ) is integrated.

Pantograph according to claim 1, characterized in that the sensor ( 21 ) on the bottom ( 24 ) of the contact strip ( 11 ) is glued.

Pantograph according to claim 1, characterized in that the sensor ( 21 ) on the bottom ( 24 ) of the contact strip ( 11 ) is releasably attached.

Pantograph according to claim 1, characterized in that the sensor ( 21 ) in the contact strip ( 11 between the contact strip ( 13 ) and a support profile ( 12 ) is embedded.

Pantograph according to one of the claims 1 to 4 , characterized in that the linear actuator ( 18 ) can be acted upon pneumatically.