Stromabnehmer mit Bruchüberwachung

Die Erfindung betri f ft einen Stromabnehmer nach dem Oberbegri f f des Patentanspruches 1 .

Ein derartiger Stromabnehmer ist für ein elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer wenigstens einen Fahrdraht aufweisenden Oberleitungsanlage ausgebildet und vorgesehen . Er umfasst mindestens eine Schlei f leiste zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Fahrdrahtes , welche ein von einem Schlei fstückhalter getragenes Schlei fstück aufweist . Ferner umfasst der Stromabnehmer einen wenigstens teilweise vom Schlei fstück begrenzten Druckluf tkanal und eine an den Druckluf tkanal angeschlossene Druckluftversorgung zur Einspeisung von Druckluft . Außerdem umfasst er einen Prüfdrucksensor zur Messung eines im Druckluf tkanal herrschenden Ist-Prüfdruckes .

Ein solcher Stromabnehmer ist bekannt aus der Of fenlegungsschri ft DE 39 14 675 Al , welche ein Schlei fstück mit einer Bruchdetektoreinrichtung of fenbart . Zu diesem Zweck weist die Schlei f leiste einen gasdichten Kanal auf , der an eine Einrichtung zum Erzeugen eines erhöhten Luft- oder Gasdruckes in dem Kanal und an einen einen Druckabfall signalisierenden Detektor angeschlossen ist . Bei einem Bruch oder bei übermäßiger Abnutzung der Schlei f leiste wird der Kanal undicht , und durch den Druckabfall wird der Bruch oder der Verschleiß angezeigt . In diese Bruchüberwachung sind auch die erfindungsgemäß vorgesehenen Auflagen auf den Auf laufhörnern einbezogen . Auch diese haben einen entsprechenden Kanal , der über ein eingesetztes Schlauchstück mit dem Kanal der Kohlenleiste verbunden ist . Der Anschluss an die Gas zufuhr und die Überwa- chungseinrichtung kann über einen Anschlussnippel im Bereich eines der Auf laufhörner erfolgen . Die Auflagen der Auflauf- hörner können aber auch einstückig mit der Schlei f leiste hergestellt sein .

Aus der Veröf fentlichung EP 3 147 152 Al ist ein nicht schienengebundenes , elektrisch oder hybridelektrisch getriebenes Fahrzeug mit einem Stromabnehmer zur Einspeisung von elektrischer Traktionsenergie aus einer Oberleitungsanlage bekannt . Der Stromabnehmer weist eine anheb- und absenkbare Schlei fleistenanordnung auf , die mit einem über einem Fahrstrei fen verlaufenden Fahrdraht der Oberleitungsanlage in Schlei fkontakt bringbar ist . Die Schlei fleistenanordnung weist seitlich abstehende I solationshörner mit einer Sollbruchstelle auf . Die Schlei fleistenanordnung weist ferner eine Detektionseinrichtung auf , die dazu ausgebildet ist , ein Abbrechen eines Isolationshorns zu detektieren und eine automatische Absenkung der Schlei fleistenanordnung aus zulösen . Dazu kann der Luftkanal der automatischen Notabsenkung bis zur Sollbruchstelle mit der Notabsenkung verbunden sein und damit über das Sicherheitsrelais die Notabsenkung eingeleitet werden .

Die bekannten Überwachungseinrichtungen beruhen auf einer Detektion eines Druckabfalls im Druckkanal als Indi z für eine größere Undichtigkeit im Form eines Bruches des Schlei fstückes oder in Form eines abgebrochenen Auf laufhornes . Die Uberwachungseinrichtung kann aber auch fälschlicherweise einen Abfall des Speisedruckes seitens der Druckluftzufuhr als Detektionsereignis werten .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , einen Stromabnehmer der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen Bruchüberwachung weniger falsche Fehlermeldungen erzeugt .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen gattungsgemäßen Stromabnehmer mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen .

Der Stromabnehmer ist für ein elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug, etwa für ein Straßenfahr- zeug oder ein Schienenfahrzeug, ausgebildet , beispielsweise als Bügelstromabnehmer . Er dient der Einspeisung von elektrischer Energie aus einer ein- oder zweipoligen Oberleitungsanlage , die für Schienenfahrzeuge einen Fahrdraht und für Straßenfahrzeuge zwei als Hin- und Rückleiter ausgebildete Fahrdrähte aufweist . Der Stromabnehmer umfasst j e Kontaktpol mindestens eine Schlei f leiste zur elektrischen Kontaktierung des j eweiligen Fahrdrahtes , kann aber auch j e Kontaktpol zwei in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete Schlei f leisten umfassen . Jede Schlei f leiste weist ein von einem Schlei fstückhalter getragenes Schlei fstück auf , welches vorzugsweise aus Kohlenstof f gefertigt ist . Die eine oder mehreren Schlei fleisten eines Kontaktpols können auf j e einer Wippenanordnung lagern, welche von einem pantograf enartig auf stellbaren Traggestell getragen werden können . Der Stromabnehmer umfasst einen wenigstens teilweise vom Schlei fstück begrenzten Druckluftkanal , an den eine Druckluftversorgung zur Einspeisung von Druckluft angeschlossen ist . Von der Druckluftversorgung erstreckt sich der Druckluf tkanal in j ede der wenigstens einen Schlei f leiste und wird dort wenigstens teilweise vom j eweiligen Schlei f stück begrenzt . Der Stromabnehmer umfasst ferner einen Prüfdrucksensor zur Messung eines im Druckluftkanal herrschenden I st-Prüfdruckes .

Erfindungsgemäß umfasst der Stromabnehmer eine im Druckluftkanal zwischen Druckluftversorgung und Schlei fstück angeordnete pneumatische Drossel , wobei der Prüfdrucksensor zyklisch einen im Druckluf tkanal stromab der Drossel herrschenden I st- Prüfdruck misst . Er umfasst auch einen Speisedrucksensor zur zyklischen Messung eines im Druckluf tkanal stromauf der Drossel herrschenden I st-Speisedruckes . Des Weiteren umfasst der Stromabnehmer eine Auswertungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist , einen im Druckluf tkanal stromab der Drossel herrschenden Soll-Prüfdruck in Abhängigkeit des gemessenen I st- Speisedruckes aus der Di f ferenz eines durch die Drossel einströmenden Zuluftmassenstromes und eines durch ein im Druckkanal stromab der Drossel vorhandenes Leck in die Umgebung ausströmenden Abluftmassenstromes zyklisch zu berechnen . Die Auswertungseinrichtung ist ferner dazu ausgebildet , eine Prüfdruckabweichung des I st-Prüfdruckes vom Soll-Prüfdruck zyklisch zu bestimmen, und bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes durch die bestimmte Prüfdruckabweichung eine Fehlermeldung zu erzeugen .

Zyklisch soll in diesem Zusammenhang fortwährend in diskreten, festgelegten Zeitabständen, beispielsweise alle 5 ms bedeuten . Die Zeitabstände können auch durch einen Takt einer Steuereinrichtung des Stromabnehmers gegeben sein, welche die Druckluftversorgung und eine Hubeinrichtung zum Anheben und Absenken der mindestens einen Schlei f leiste ansteuert .

Die Auswertungseinrichtung umfasst an sich bekannte Mittel zur elektronischen Datenverarbeitung, wie Rechnereinheit und Datenspeicher mit hinterlegten Rechenalgorithmen zur Berechnung des Soll-Prüfdruckes im Prüfvolumen, also dem stromab der Drossel liegenden Volumen des Druckluf tkanals .

In die Berechnung des Soll-Prüfdruckes geht als erfindungswesentliche Größe die Di f ferenz zwischen dem durch die Drossel einströmenden Zuluftmassenstromes und dem durch ein Leck ausströmenden Abluftmassenstromes der Druckluft ein . Der Zuluftmassenstrom ist durch den aktuell anliegenden I st-Speisedruck stromauf der Drossel , durch einen Durchlassquerschnitt der Drossel und durch den im Prüfvolumen herrschenden I st- Prüfdruck bestimmt . Der Abluftmassenstrom ist durch den I st- Prüfdruck im Prüfvolumen, durch die Größe des Lecks im Prüfvolumen und durch den in der Umgebung herrschenden Umgebungsluftdruck bestimmt .

Für die Berechnung der Massenströme der Druckluft wird ein Strömungsmodell der Drossel und des Lecks zugrunde gelegt , in dem in Abhängigkeit der Druckverhältnisse stromauf und stromab der Drossel bzw . des Lecks nach unterkritischer und überkritischer Strömung unterschieden wird . Auch bei intaktem Schlei fstück kann ein Leck von geringer Größe aufgrund von Undichtigkeit einer praktischen Realisierung des Druckluftka- nals angenommen werden . Die Auswertungseinheit erkennt aus der Größe der Prüfdruckabweichung einen Riss oder Bruch des Schlei f stücks mit einer Spaltbreite , die äquivalent zu einem Durchlassquerschnitt ab beispielsweise 2 mm ist . Da das Strömungsmodell das Verhalten des Soll-Prüfdruckes im Prüfvolumen fortwährend in Abhängigkeit des gemessenen I st-Speisedruckes stromauf der Drossel berechnet , ist die bestimmte Prüfdruckabweichung unempfindlich gegen Druckschwankungen des Speisedruckes . Solche Druckschwankungen kommen beispielsweise vor, wenn an die Druckluftversorgung weitere Verbraucher, etwa eine pneumatische Hubeinrichtung des Stromabnehmers , angeschlossen sind . Durch Berücksichtigung des I st-Speisedruckes kann vermieden werden, dass Druckabfälle im Druckkanal , die auf eine Speisedruckabsenkung seitens der Druckluftversorgung oder auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sind, nicht mehr fälschlicherweise als Brucherkennungen im Schlei fstück interpretiert werden . Dies verringert die Anzahl an falschen Fehlermeldungen .

In einer vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , aus zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen des I st- Prüfdruckes zyklisch eine I st-Änderungsrate des I st-Prüfdru- ckes zu berechnen, aus zeitlich aufeinander folgenden Berechnungen des Soll-Prüfdruckes eine Soll-Änderungsrate des berechneten Soll-Prüfdruckes zu berechnen, eine Änderungsraten- abweichung der I st-Änderungsrate von der Soll-Änderungsrate zu bestimmen, und bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes durch die bestimmte Änderungsratenabweichung eine Fehlermeldung zu erzeugen . Die j eweilige Änderungsrate gibt an, wie schnell sich der Soll-Prüfdruck bzw . der I st-Prüfdruck ändert , was mathematisch der ersten Ableitung des Prüfdruckes nach der Zeit entspricht . Durch Überwachung der Änderungsratenabweichung hinsichtlich einer Überschreitung des zweiten Schwellwertes wird ein kritisches Verhalten des Prüfdruckes im Prüfvolumen wesentlich früher erkannt , als mit bekannten Lösungen, die lediglich den statischen Druck im Druckkanal mit einem festen Sollwert vergleichen . Mit der beschriebenen Aus führungs form können Reaktions zeiten im Bereich von 10 ms bis 40 ms erreicht werden . Dies kann entscheidend sein, wenn aufgrund der erzeugten Fehlermeldung eine Steuereinrichtung des Stromabnehmers schnell reagieren muss , um den Kontakt zwischen Schlei fstück und Fahrdraht der Oberleitungsanlage zu lösen .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , den Zuluftmassenstrom aus dem gemessenen Ist-Speisedruck, dem gemessenen I st-Prüfdruck und einem Durchflusskoef fi zienten der Drossel zu berechnen, und den Abluftmassenstrom aus dem gemessenen I st-Prüfdruck, einem Umgebungsluftdruck und einem Durchflusskoef fi zienten des Lecks zu berechnen . Das in der Auswertungseinrichtung hinterlegte Strömungsmodell beruht auf dem Massenstrom Q = dm/dt der Druckluft durch eine Düse , der bestimmt wird durch den j eweiligen stromauf seif igen Vordruck, dem stromabseitigen Gegendruck und dem engsten Querschnitt der Düse . Hierfür sind Bestimmungsgleichungen für den Massenstrom mit unterschiedlichen Näherungsannahmen zur Vereinfachung der Gleichungen bekannt , etwa aus https : / /de . wikipedia . org/wiki/Düsenströmung . Eine konkrete vereinfachte Form ist beispielsweise durch die Gleichungen

Q = 257 • KV • PI • [ pN • T ] ^{-1/ 2} , für P2 < 1 /2 - P1 gegeben, worin bedeuten :

Q : Massenstrom in kg/h,

PI : Vordruck stromauf der Düse in bar, P2 : Gegendruck stromab der Düse in bar, KV : Durchflusskoef fi zient in kg/h, pN : Dichte in kg/m ³ , und T : Temperatur in K Für die Temperatur kann 297 K, für die Dichte 1 , 2 kg/m ³ eingesetzt werden . Die Durchflusskoef fi zienten K _v für Drossel und Leck werden empirisch für ein Baumuster des Stromabnehmers bestimmt und sind dann unveränderlich . Für die Drossel wird als Vordruck der I st-Speisedruck und als Gegendruck der Ist-Prüfdruck eingesetzt und für das Leck als Vordruck der Ist-Prüfdruck und als Gegendruck der Umgebungsluftdruck .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form umfasst der erfindungsgemäße Stromabnehmer ferner eine pneumatische Hubeinrichtung zum Anheben und Absenken der mindestens einen Schlei f leiste und eine mit der Auswertungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung zum Ansteuern der Hubeinrichtung . Dabei ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , eine erzeugte Fehlermeldung an die Steuereinrichtung zu übermitteln, und bei Übermittlung einer Fehlermeldung ein Absenken der mindestens einen Schlei f leiste aus zulösen und/oder einen Fahrerhinweis zu erzeugen . Die Hubeinrichtung kann ein die Schlei f leisten tragendes , pantograf enartig Gestell aufweisen, welches durch einen Luftbalg auf stellbar ist . Der Luftbalg kann von der Druckluftversorgung mit Druckluft versorgt werden . Mittels der Steuereinrichtung des Stromabnehmers wird die Hubeinrichtung elektrisch angesteuert , um sie in oder außer Betrieb zu nehmen und um ein Anheben oder Absenken der Schlei f leisten aus zulösen . Übermittelt die Auswertungseinrichtung eine erzeugte Fehlermeldung an die Steuereinrichtung, kann diese ein Anheben der Schlei f leisten blockieren oder aber den Fahrdraht kontaktierende Schlei f leisten absenken, um zu verhindern, dass defekte Stromabnehmer mit einem rissigen oder gebrochenen Schlei fstück den Fahrdraht kontaktieren .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , eine während des Hochfahrens des Speisedruckes von einem Umgebungsdruck auf einen Nenn-Speisedruck auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes durch die Prüfdruckabweichung und/oder des zweiten Schwellwertes durch die Änderungsratenabweichung als Blockade im Druckkanal zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung zu erzeugen . Derartige Blockierungen im Druckkanal können durch Produkti- ons- oder Montagefehler verursacht sein und würden eine korrekte Bestimmung einer Prüfdruckabweichung und/oder einer Änderungsratenabweichung und somit eine Fehlererkennung „Druckluft entweicht durch einen Bruch oder Riss , etwa im Schlei fstück" verhindern . Eine solche Blockierung vermindert das Prüfvolumen im Druckkanal , weshalb der gemessene I st- Prüfdruck schneller steigt als der berechnete Soll-Prüfdruck . Umso mehr gilt dies für die Änderungsrate des Prüfdruckes . So kann die Auswertungseinrichtung - etwa beim Hochfahren des Speisedruckes auf Nenn-Speisedruck - schnell eine vorliegende Aus fallof fenbarung ausgeben und mittels einer Fehlermeldung die Steuereinrichtung dazu veranlassen, ein Anheben der Schlei f leisten zu vermeiden . Damit kann ein Fehler, etwa eine Blockierung im Druckkanal , entdeckt werden, der verhindert , dass der eigentliche Zweck, etwa die Erkennung eines Risses in oder Bruches des Schlei f Stückes , erfüllt werden kann .

Durch eine Nichtentdeckung des Fehlers entstehen Sicherheitsrisiken, etwa Beschädigungen an Fahrzeug und/oder Oberleitungsanlage durch Kontaktierung eines Fahrdrahtes mit einem schadhaften Schlei f stück, die erfindungsgemäß anderweitig zu kompensieren sind, etwa durch ein automatisches Unterbinden einer Anhebung der Schlei f leisten oder durch Ausgabe eines entsprechenden Warnhinweises an den Fahrzeugführer .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , eine nach Erreichen des Nenn-Speisedruckes auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes durch die Prüfdruckabweichung und/oder des zweiten Schwellwertes durch die Änderungsratenabweichung als Riss oder Bruch des Schlei fstückes zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung zu erzeugen . Tritt im Betrieb des Fahrzeuges ein Riss in einem Schlei fstück oder ein Bruch eines Schlei f Stückes auf , was beispielsweise bei einem stark abgeschli f fenen Schlei fstück ohne verbleibende Verschleißreserve auftreten kann, sinkt der Ist-Prüfdruck von seinem Nennwert stärker ab als der berechnete Soll-Prüfdruck . Dieses Absinken wird bereits frühzeitig erkannt durch die entsprechende Überschreitung des zweiten Schwellwertes durch die Änderungsratenabweichung, so dass vom Auftreten des Fehlers bis zur Auslösung eines Eingri f fes durch die Steuereinrichtung nur eine sehr geringe Reaktionszeit verstreicht . Dadurch können mögliche Folgeschäden, die ein defektes Schlei fstück nach sich ziehen kann, vermieden oder vermindert werden, indem ein Kontakt des Schlei f Stückes zum Fahrdraht durch Absenken des Stromabnehmers unterbrochen wird .

Die Erfindung betri f ft auch ein elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, welches mit einem Stromabnehmer nach einem der vorangehend beschriebenen Ansprüche ausgerüstet ist .

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Aus führungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren

FIG 1 ein Straßenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stromabnehmer in Frontansicht ,

FIG 2 ein Zeitdiagramm von Soll- und I st-Prüfdruck während des fehlerfreien Hochfahrens des Speisedruckes auf Nennwert ,

FIG 3 ein Zeitdiagramm der FIG 2 entsprechenden Soll- und I st-Änderungsrate des Prüfdruckes ,

FIG 4 ein Zeitdiagramm der FIG 2 entsprechenden Prüf- druckabwei chung,

FIG 5 ein Zeitdiagramm der FIG 4 entsprechenden Ände- rungsratenabweichung,

FIG 6 ein Zeitdiagramm von Soll- und I st-Prüfdruck während des Hochfahrens des Speisedruckes bei Vorliegen einer Blockierung im Druckkanal ,

FIG 7 ein Zeitdiagramm der FIG 6 entsprechenden Soll- und I st-Änderungsrate , und FIG 8 ein Zeitdiagramm des I st-Prüfdruckes und der I st- Änderungsrate des Prüfdruckes ausgehend vom Nenn- Speisedruck bei plötzlichem Auftreten eines Risses in einem Schlei fstück schematisch veranschaulicht sind .

Gemäß FIG 1 benutzt ein beispielsweise als schweres Nutz fahrzeug ausgebildetes , elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Straßenfahrzeug 1 einen elektri fi zierten Fahrstreifen einer Fahrbahn, etwa einer mehrstrei figen Autobahn, über dem zwei , als Hin- und Rückleiter ausgebildete Fahrdrähte 2 einer zweipoligen Oberleitungsanlage 3 . Zur Einspeisung elektrischer Energie aus der Oberleitungsanlage 3 weist das Straßenfahrzeug 1 einen Stromabnehmer 4 auf , der j e Kontaktpol zwei in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnete Schlei f leisten 4 zur elektrischen Kontaktierung des j eweiligen Fahrdrahtes 2 aufweist . Der Stromabnehmer 4 umfasst ein pantograf enartig auf stellbares Traggestell 5 , beispielsweise mit einem Unterarm und zwei Oberarmen, die gelenkig untereinander und mit dem Fahrzeug verbunden sind . Jeder Oberarm trägt eine um eine Fahrzeugquerachse drehbare Wippe 6 , auf welchen j e ein Paar der Schlei f leisten 7 federnd gelagert sind . Jede der Schlei f leisten 7 weist ein längliches , von einem Schlei fstückhalter 8 getragenes Schlei fstück 9 aus Graphit auf . An den seitlichen Enden der Schlei f leisten sind nach unten gebogene Auf laufhörner angeordnet . Das Traggestell 5 ist mit einer als Luftbalg ausgebildeten Hubeinrichtung 10 zum Anheben und Absenken der Schlei f leisten 7 gekoppelt . Die Hubeinrichtung 10 wird von einer Druckluftversorgung 11 mit Druckluft gespeist . Hierfür umfasst der Stromabnehmer 4 eine Steuereinrichtung 12 , die elektrisch Ventile ansteuert , um die Hubeinrichtung 10 zum Aufrichten des Traggestells 5 mit der Druckluftversorgung 11 zu verbinden oder um die Hubeinrichtung 10 zum schwerkraftgetriebenen Absenken des Traggestells 5 von der Druckluftversorgung 11 abzusperren . Der Stromabnehmer 4 umfasst einen an die Druckluftversorgung 11 angeschlossenen Druckluf tkanal 13 angeschlossen ist . Der Druckluf tkanal 13 kann teilweise durch separate , ggf . flexibel entlang des Traggestells 5 verlegbare Druckluftleitungen gebildet sein, sich verzweigen und in j eder der Schlei fleisten 7 erstrecken . In den Schlei f leisten 7 ist der Druckluftkanal 13 j eweils wenigstens teilweise durch das j eweilige Schlei fstück 9 begrenzt .

Weiter gemäß FIG 1 umfasst der Stromabnehmer 4 eine im Druckluftkanal 13 zwischen Druckluftversorgung 11 und Schlei fstück 9 angeordnete pneumatische Drossel 14 . Ein Speisedrucksensor 15 ist an den Druckluf tkanal 13 zur zyklischen Messung eines stromauf der Drossel 14 herrschenden I st-Speisedruckes SDist angeschlossen . Des Weiteren ist an den Druckluf tkanal 13 ein Prüfdrucksensor 16 zur zyklisch Messung eines im Prüfvolumen stromab der Drossel 14 herrschenden I st-Prüfdruckes PDist angeschlossen .

Der Stromabnehmer 4 umfasst gemäß FIG 1 ferner eine Auswertungseinrichtung 17 , die dazu ausgebildet ist , einen im Druckluf tkanal 13 stromab der Drossel 14 herrschenden Soll- Prüfdruck PDsoll in Abhängigkeit des gemessenen I st-Speise- druckes SDist aus der Di f ferenz eines durch die Drossel 14 einströmenden Zuluftmassenstromes Qzu und eines durch ein im Druckkanal 13 stromab der Drossel 14 vorhandenes Leck L in die Umgebung U ausströmenden Abluftmassenstromes Qab zyklisch zu berechnen . Die Auswertungseinrichtung 17 ist auch dazu ausgebildet , eine Prüfdruckabweichung APD des I st-Prüfdruckes PDist vom Soll-Prüfdruck PDsoll zyklisch zu bestimmen, und bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes S 1 durch die bestimmte Prüfdruckabweichung APD eine Fehlermeldung El zu erzeugen . Zyklisch soll in diesem Zusammenhang laufend in festgelegten Zeitabständen, beispielsweise alle 5 ms bedeuten . Die Zeitabstände können auch durch einen Takt der Steuereinrichtung 12 des Stromabnehmers 4 gegeben sein . Die Auswertungseinrichtung 17 umfasst hierzu an sich bekannte Mittel zur elektronischen Datenverarbeitung, wie nicht näher dargestellte Rechnereinheiten und Datenspeicher mit hinterlegten Rechenalgorithmen zur Berechnung des Soll-Prüfdruckes PDsoll im Prüfvolumen.

In die Berechnung des Soll-Prüfdruckes PDsoll geht als erfindungswesentliche Größe die Differenz zwischen dem durch die Drossel 14 einströmenden Zuluftmassenstromes Qzu und dem durch das Leck L ausströmenden Abluftmassenstromes Qab der Druckluft ein. Der Zuluftmassenstrom Qzu ist durch den aktuell anliegenden Ist-Speisedruck SDist stromauf der Drossel 14, durch einen Durchlassquerschnitt der Drossel 14 und durch den im Prüfvolumen herrschenden Ist-Prüfdruck PDist bestimmt. Der Abluftmassenstrom Qab ist durch den Ist-Prüfdruck PDist im Prüfvolumen, durch die Größe des Lecks L im Prüfvolumen und durch den in der Umgebung U herrschenden Umgebungsdruck UD bestimmt. Für die Berechnung der Massenströme Qzu und Qab der Druckluft wird ein Strömungsmodell der Drossel 14 und des Lecks L zugrunde gelegt, in dem in Abhängigkeit der Druckverhältnisse stromauf und stromab der Drossel 14 bzw. des Lecks L nach unterkritischer und überkritischer Strömung unterschieden wird. Vorzugsweise ist die Auswertungseinrichtung 17 dazu ausgebildet, den Zuluftmassenstrom Qzu aus dem gemessenen Ist-Speisedruck SDist, dem gemessenen Ist-Prüfdruck PDist und einem Durchflusskoeffizienten KV14 der Drossel 14 und den Abluftmassenstrom Qab aus dem gemessenen Ist-Prüfdruck PDist, einem Umgebungsdruck DU und einem Durchflusskoeffizienten KVL des Lecks L zu berechnen. Das in der Auswertungseinrichtung 17 hinterlegte Strömungsmodell beruht auf der Näherungsgleichung für den Massenstrom Q = dm/dt der Druckluft durch eine Düse. Dieser ist durch den jeweiligen stromauf seifigen Vordruck, dem stromabseitigen Gegendruck und dem engsten Querschnitt der Düse in guter Näherung durch:

Q = 514-KV- [ (P1 - P2) • P2/pN- T] R2, für P2 > 1/2-P1

Q = 257 -KV- PI • [pN- T] “ ^1/2 für P2 < 1/2 • PI

Darin bedeuten: Q : Massenstrom in kg/h,

Pl : Vordruck stromauf der Düse in bar, P2 : Gegendruck stromab der Düse in bar, KV : Durchflusskoef fi zient in kg/h, pN : Norm-Dichte in kg/m3 , und T : Temperatur in K .

Für die Temperatur kann 297 K, für die Dichte 1 , 2 kg/m3 eingesetzt werden . Die Durchflusskoef fi zienten KV für Drossel 14 und Leck L werden empirisch für ein Baumuster des Stromabnehmers 4 bestimmt und sind dann unveränderlich . Für den Zuluftmassenstrom Qzu durch die Drossel 14 wird als Vordruck PI der Ist-Speisedruck SDist und als Gegendruck P2 der I st-Prüfdruck PDist eingesetzt und für den Abluftmassenstrom Qab durch das Leck L als Vordruck PI der I st-Prüfdruck PDist und als Gegendruck P2 der Umgebungsdruck UD .

Auch bei intakten Schlei f stücken 9 kann ein Leck L von geringer Größe aufgrund von Undichtigkeit einer praktischen Realisierung des Druckluf tkanals 13 angenommen werden . Die Auswertungseinheit 17 erkennt aus der Größe der Prüfdruckabweichung APD einen Riss oder Bruch in einem Schlei fstück 9 mit einer Spaltbreite , die äquivalent zu einem Durchlassquerschnitt ab beispielsweise 2 mm ist . Da das Strömungsmodell das Verhalten des Soll-Prüfdruckes PDsoll im Prüfvolumen fortwährend in Abhängigkeit des gemessenen I st-Speisedruckes SDist stromauf der Drossel 14 berechnet , ist die bestimmte Prüfdruckabweichung APD unempfindlich gegen Druckschwankungen des Speisedruckes SD . Solche Druckschwankungen kommen beispielsweise vor, wenn an die Druckluftversorgung 11 weitere Verbraucher, etwa die pneumatische Hubeinrichtung 10 angeschlossen sind . Durch Berücksichtigung des I st-Speisedruckes SDist kann vermieden werden, dass Druckabfälle im Druckkanal 13 , die auf eine Speisedruckabsenkung seitens der Druckluftversorgung 11 oder auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sind, nicht mehr fälschlicherweise als Brucherkennungen in einem Schlei fstück 9 interpretiert werden . Dies verringert die Anzahl an falschen Fehlermeldungen . Die Auswertungseinrichtung 17 ist ebenfalls dazu ausgebildet , aus zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen des I st-Prüf- druckes PDist zyklisch eine I st-Änderungsrate PD ' ist des I st- Prüfdruckes PDist zu berechnen, aus zeitlich aufeinander folgenden Berechnungen des Soll-Prüfdruckes PDsoll eine Soll- Änderungsrate PD ' soll des berechneten Soll-Prüfdruckes PDsoll zu berechnen, eine Änderungsratenabweichung APD ' der I st- Änderungsrate PD ' ist von der Soll-Änderungsrate PD ' soll zu bestimmen, und bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes S2 durch die bestimmte Änderungsratenabweichung APD ' eine Fehlermeldung E2 zu erzeugen . Die j eweilige Änderungsrate gibt an, wie schnell sich der Soll-Prüfdruck PDsoll bzw . der Ist-Prüfdruck PDist ändert , was mathematisch der ersten Ableitung des Prüfdruckes nach der Zeit entspricht . Durch Überwachung der Änderungsratenabweichung APD ' hinsichtlich einer Überschreitung des zweiten Schwellwertes S2 wird ein kritisches Verhalten des I st-Prüfdruckes PDist im Prüfvolumen wesentlich früher erkannt , als mit bekannten Lösungen, die lediglich den statischen Druck im Druckkanal mit einem festen Sollwert vergleichen . Damit können Reaktions zeiten im Bereich von 10 ms bis 40 ms erreicht werden . Dies kann entscheidend sein, wenn aufgrund der erzeugten Fehlermeldung E2 die Steuereinrichtung 12 des Stromabnehmers 4 schnell reagieren muss , um den Kontakt zwischen Schlei fstück 9 und Fahrdraht 2 der Oberleitungsanlage 3 zu lösen .

Mittels der Steuereinrichtung 12 des Stromabnehmers 4 wird die Hubeinrichtung 10 elektrisch angesteuert , um sie in oder außer Betrieb zu nehmen und um ein Anheben oder Absenken der Schlei f leisten 7 aus zulösen . Übermittelt die Auswertungseinrichtung 17 eine erzeugte Fehlermeldung El oder E2 an die Steuereinrichtung 12 , kann diese ein Anheben der Schlei fleisten 7 blockieren oder aber den Fahrdraht 2 kontaktierende Schlei f leisten 7 absenken, um zu verhindern, dass ein defekter Stromabnehmer 4 mit einem rissigen oder gebrochenen Schlei f stück 9 den Fahrdraht 2 kontaktiert . Die Auswertungseinrichtung 17 ist des Weitern dazu ausgebildet , eine während des Hochfahrens des Speisedruckes SD von einem Umgebungsdruck UD auf einen Nenn-Speisedruck SDnenn auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes S 1 durch die Prüfdruckabweichung APD und/oder des zweiten Schwellwertes S2 durch die Änderungsratenabweichung APD ' als Blockade im Druckkanal 13 zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung E3 zu erzeugen . Derartige Blockierungen im Druckkanal 13 können durch Produktions- oder Montagefehler verursacht sein und würden eine korrekte Bestimmung einer Prüfdruckabweichung APD und/oder einer Änderungsratenabweichung APD ' und somit eine Fehlererkennung „Druckluft entweicht durch einen Bruch oder Riss , etwa im Schlei f stück" verhindern . Eine solche Blockierung vermindert das Prüfvolumen im Druckkanal 13 , weshalb der gemessene I st-Prüfdruck PDist schneller steigt als der berechnete Soll-Prüfdruck PDsoll . Umso mehr gilt dies für die Änderungsrate PD ' des Prüfdruckes PD . So kann die Auswertungseinrichtung 17 - etwa beim Hochfahren des Speisedruckes SD auf Nenn-Speisedruck SDnenn - schnell eine vorliegende Aus fallof fenbarung ausgeben und mittels einer Fehlermeldung E3 die Steuereinrichtung 12 dazu veranlassen, ein Anheben der Schlei f leisten 7 zu vermeiden . Damit kann ein Fehler, etwa eine Blockierung im Druckkanal 14 , entdeckt werden, der verhindert , dass der eigentliche Zweck, etwa die Erkennung eines Risses in oder Bruches eines Schlei f Stückes 9 , erfüllt werden kann . Durch eine Nichtentdeckung des Fehlers entstehen Sicherheitsrisiken, etwa Beschädigungen an Fahrzeug 1 und/oder Oberleitungsanlage 3 durch Kontaktierung eines Fahrdrahtes 2 mit einem schadhaften Schlei fstück 9 , die erfindungsgemäß anderweitig zu kompensieren sind, etwa durch ein automatisches Unterbinden einer Anhebung der Schlei fleisten 7 oder durch Ausgabe eines entsprechenden Warnhinweises W an den Fahrzeugführer .

Die Auswertungseinrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet , eine nach Erreichen des Nenn-Speisedruckes SDnenn auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes S 1 durch die Prüfdruckabweichung APD und/oder des zweiten Schwellwertes S2 durch die Änderungsratenabweichung APD ' als Riss oder Bruch eines Schlei f Stückes 9 zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung El bzw . E2 zu erzeugen . Tritt im Betrieb des Fahrzeuges 1 ein Riss in einem Schlei fstück 9 oder ein Bruch eines Schlei f Stückes 9 auf , was beispielsweise bei einem stark abgeschli f fenen Schlei fstück 9 ohne verbleibende Verschleißreserve auftreten kann, sinkt der I st-Prüfdruck PDist von seinem Nennwert stärker ab als der berechnete Soll- Prüfdruck PDsoll . Dieses Absinken wird bereits frühzeitig erkannt durch die entsprechende Überschreitung des zweiten Schwellwertes S2 durch die Änderungsratenabweichung APD ' , so dass vom Auftreten des Fehlers bis zur Auslösung eines Eingri f fes durch die Steuereinrichtung 12 nur eine sehr geringe Reaktions zeit verstreicht . Dadurch können mögliche Folgeschäden, die ein defektes Schlei fstück 9 nach sich ziehen kann, vermieden oder vermindert werden, indem ein Kontakt des Schlei f Stückes 9 zum Fahrdraht 2 durch Absenken des Stromabnehmers 4 unterbrochen wird .

In den nachfolgend beschriebenen FIG 2 bis FIG 8 wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Auswertungseinrichtung 17 anhand von Zeitdiagrammen zyklisch auf genommener Messwerte und zyklisch berechneter Vergleichsgrößen erläutert .

FIG 2 zeigt , wie sich beim Hochfahren des Speisedruckes SD mittels der Druckluftversorgung 11 im Prüfvolumen stromab der Drossel 14 der gemessene I st-Prüfdruck PDist und der berechnete Soll-Prüfdruck PDsoll in Laufe der Zeit t entwickelt . Der gemessene I st-Prüfdruck PDist liegt zunächst auf dem Niveau des Umgebungsdruckes UD und steigt ab dem Systemstart etwa bei t = 16 , 7 s an bis im Prüfvolumen etwa bei t = 19 , 0 s der Nenn-Speisedruck SDnenn erreicht ist . Auf diesem Niveau wird der Druck im Prüfvolumen während des Betriebs des Stromabnehmers 4 gehalten, der allerdings wie etwa um t = 20 , 4 s leicht schwanken kann . FIG 2 zeigt , dass bei blockadefreiem Druckkanal 13 der gemessene I st-Prüfdruck PDist dem berechneten Soll-Prüfdruck PDsoll fast identisch folgt - und zwar auch beim Anstieg um t = 20 , 4 s , der durch eine Schwankung des Ist-Speisedruckes SDist bedingt ist. Dies zeigt auch FIG 4, in der die Prüfdruckabweichung APD zwischen Ist-Prüfdruck PDist und Soll-Prüfdruck PDsoll dargestellt ist, die einen vorgegebenen ersten Schwellwert Sl nicht überschreitet. Ebenso gut folgt gemäß FIG 3 die gemessene Ist-Änderungsrate PD'ist des Ist-Prüfdruckes PDist der berechneten Soll- Änderungsrate PD'soll des Soll-Prüfdruckes PDsoll, wobei die Ist-Änderungsrate PD'ist aufgrund der diskreten Messungen etwa alle 5 ms um die Kurve der berechneten Soll-Änderungsrate PD'soll streut. Trotzdem überschreitet gemäß FIG 5 bei blockadefreiem Druckkanal 13 die Änderungsratenabweichung APD' zwischen Ist-Änderungsrate PD'ist und Soll-Änderungsrate PD'soll nicht den vorgegebenen zweiten Schwellwert S2. Anders liegt der Fall bei einer Blockierung im Druckkanal 13, bei der gemäß FIG 6 der Ist-Prüfdruck PDist schneller ansteigt als der Soll-Prüfdruck PDsoll und zum eingezeichneten Zeitpunkt die Prüfdruckabweichung APD den ersten Schwellwert Sl überschreitet. Betrachtet man den entsprechenden Verlauf der Änderungsrate gemäß FIG 7, so überschreitet die Änderungsratenabweichung APD' zwischen Ist-Änderungsrate PD'ist und Soll-Änderungsrate PD'soll schon zu einem früheren, ebenfalls eingezeichneten Zeitpunkt den zweiten Schwellwert S2. Ein durch eine Blockierung im Druckkanal 13 bedingter Ausfall der Brucherkennung kann durch Überwachung des zweiten Schwellwertes S2 damit früher offenbart werden.

FIG 8 zeigt ausgehend vom regulären Betrieb, bei dem im Prüfvolumen der Nenn-Speisedruck SDnenn herrscht, wie der Ist- Prüfdruck PDist (obere Kurve in FIG 8) und noch schneller die Ist-Änderungsrate PD'ist des Ist-Prüfdruckes PDist abfällt, wenn im Druckkanal 13 eine Undichtigkeit, beispielsweise ein Bruch in einem Schleif stück 9, auftritt. Durch den schnelleren Abfall der Änderungsraten PD'ist und PD'soll gegenüber den Prüfdrücken PDist und PDsoll wird die Änderungsratenab- weichung APD' den zweiten Schwellwert S2 auch früher überschreiten als die Prüfdruckabweichung APD den ersten Schwellwert Sl. Durch Überwachung des zweiten Schwellwertes S2 verkürzt sich damit die Reaktionszeit für einen Steuereingriff.