Technisches Gebiet

Mit der aufkommenden Elektrifizierung der Eisenbahnlinien Ende des 19. Jahrhunderts wurde der Grundstein für ein energieeffizientes und umweltfreundliches

Massentransportmittel gelegt. Für viele Staaten ohne eigene Kohlen- und Erdölvorkommen war dies eine zentrale Errungenschaft und der technologische Wandel wurde entsprechend beschleunigt.

Mit der Einführung der elektrifizierten Bahnlinien stellten sich aber neue Probleme. So muss das Fahrleitungsnetz die Schleifleiste des Pantographen und dadurch den Antriebsstrang der Lokomotive einerseits unterbrechungsfrei mit Elektrizität versorgen. Andererseits ist zur Wartung und dem Auffangen von Spannungsdifferenzen ein in Abschnitte unterteiltes Fahrleitungssystem notwendig.

Auf freier Strecke werden zur Lösung der Unterteilung sogenannte Lufttrennungen eingebaut. Wie sie beispielsweise in [Kressling, F.; Puschmann, R.; Schmieder, A.: Fahrleitungen elektrischer Bahnen. Erlangen, Verlag Publicis Publishing,

2014] beschrieben sind. Bei der Lufttrennung wird der Abschnittwechsel zudem mit der Fahrdrahtabspannung kombiniert, womit sich auch das Problem der endlichen Fahrdrahtlänge löst.

Nebst den hohen Initialkosten einer Lufttrennung stellt sich auch das Platzproblem. Insbesondere im Bereich von Weichen zu Beginn oder am Ende von Bahnhöfen, steht kaum der notwendige Platz für eine Lufttrennung zur Verfügung. Aber gerade dort ist eine Unterteilung der Fahrleitung in Abschnitte von grosser Bedeutung um bei Bedarf die Fahrleitung eines Gleises, beispielsweise für den Güterverlad, spannungsfrei schalten zu können. In Anwendungsfällen mit beschränktem Platzangebot gelangen oft sogenannte Streckentrenner, wie sie beispielsweise in [Kiessling, F.; Puschmann, R.; Schmieder, A.: Fahrleitungen elektrischer Bahnen. Erlangen, Verlag Publicis Publishing,

2014] beschrieben sind, zum Einsatz. Diese führen in der Fahrleitung jedoch zu einer Massenkonzentration, einem sogenannten harten Punkt. Dieser behindert das freie Schwingen der Fahrleitung unter der Krafteinwirkung des Pantographen. Obschon man den Trenner in der Regel etwas höher als die Fahrleitung installiert, resultieren daraus erhöhte Kontaktkräfte zwischen dem Trenner und dem Pantographen.

Der Trenner weist sogenannte Kufen auf. Diese stellen die elektrische Verbindung zwischen dem Trenner und der Schleifleiste des Pantographen dar und weisen ein freies Ende mit einem Funkenhorn auf. Auf Grund der bereits erwähnten, erhöhten Kontaktkräfte, der kaum vermeidbaren

Trennerdurchbiegung und der oft nicht optimalen geometrischen Einstellungen, verschleissen die Kufen schneller als der Fahrdraht und stellen somit einen erhöhten Wartungsaufwand dar. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diesen Wartungsaufwand zu reduzieren.

Stand der Technik

An das Kufenmaterial werden gegensätzliche Anforderungen gestellt: Nebst einer guten elektrischen Leitfähigkeit muss das Material auch hohen mechanischen Anforderungen, wie Abriebfestigkeit und Schwingungsfestigkeit genügen.

Das heute gängige Kufenmaterial ist Kupfer-ETP. Dieses weist eine gute elektrische Leitfähigkeit und für viele Anwendungsfälle eine ausreichende mechanische Festigkeit auf. Durch den Anpressdruck des Pantographen zerschleissen die Kufen unter gewissen Bedingungen jedoch schnell, was zu einem erhöhten Wartungsaufwand führt.

So wäre es theoretisch denkbar, eine Kufe mit einer abriebfesten Beschichtung zu versehen. Stellite®-Auftragungen, wie man sie aus dem Kraftwerkbau kennt, würden sich dazu aus mechanischer Sicht gut eignen. Nur weist Stellite® wegen dem hohen Kobaltgehalt eine sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit von unter 2% IACS auf.

Vereinzelt werden auch Kufen aus rostfreiem Stahl eingesetzt. Da auch rostfreier Stahl in Abhängigkeit der Legierungsbestandteile eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweist, erwärmen sich die Kufen stark und neigen beim Abbrand zur Schweissperlenbildung. Somit stellen auch Stahlkufen keine zufriedenstellende Lösung dar.

Seit dem Durchbruch der induktiven Wärmeerzeugung in Kochherden werden verstärkt Verbundmaterialien aus rostfreiem, magnetischem Stahl und Kupfer zur Pfannenherstellung bereitgestellt. Da der rostfreie Stahl die entsprechenden mechanischen Eigenschaften und das Kupfer die benötigte elektrische Leitfähigkeit sicherstellen würde, wären diese Verbundmaterialien grundsätzlich zur Herstellung von Kufen geeignet. Da bei der Wahl eines standardmässig verfügbaren Verbundmaterials vom bewährten tropfenförmigen Kufenprofil auf ein rechteckiges Profil gewechselt werden müsste, konnte sich diese Lösung bisher nicht durchsetzen. Ein tropfenförmiges Kufenprofil zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass es im Querschnitt senkrecht zur Achse an der Unterseite konvex gekrümmt ist, also unterseitig abgerundet.

Auch im Bereich der Fahrdrähte wurden in den vergangenen Jahren die mechanischen Eigenschaften verbessert. Durch die Legierung des Fahrdrahtkupfers mit Zinn, Silber und Magnesium sowie dem zur Herstellung des Fahrdrahtprofils hohen Umformungsgrades konnte die Abriebfestigkeit des Fahrdrahtes auch ohne Ausscheidungshärtung stark verbessert werden [EB 112 (2014) Heft 4 / p 207 ff]. Laborversuche haben jedoch gezeigt, dass sich durch den, bei der Herstellung des tropfenförmigen Kufenprofils geringeren Umformungsgrad, die Eigenschaften des Fahrdrahtes nicht auf das Kufenprofil übertragen lassen. Zudem erweichen die bekannten Fahrdrahtlegierungen bei erhöhten Betriebstemperaturen durch Rekristallisation, wie beispielsweise in der [EB 112 (2014) Heft 4 / p 207 ff] beschrieben ist. Durch den zeitweise nicht vermeidbaren hohen Stromfluss im Trenner können die Kufen schnell Betriebstemperaturen von weit über 100°C erreichen.

Für gewisse Anwendungen werden ausscheidungshärtbare Nichteisenmetalllegierungen eingesetzt. Als Nichteisenmetall werden alle Metalle im Periodensystem ausser Eisen bezeichnet. So ist seit Anfang des 20. Jahrhunderts die ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierung Duraluminium bekannt. Diese wird auch heute in weiterentwickelter Form in der Fahr- und Flugzeugindustrie eingesetzt. Durch die Möglichkeit des Ausscheidungshärtens ist die erreichbare Härte weitgehend unabhängig vom Umformungsgrad und durch den hohen Aluminiumanteil weist sie gute elektrische Eigenschaften auf.

Zur Herstellung von elektrotechnischem Verbindungsmaterial sind zudem aushärtbare Nichteisenmetalllegierungen auf Kupferbasis bekannt, die die gegensätzlichen Ansprüche der hohen mechanischen Anforderungen und der guten elektrischen Leitfähigkeit miteinander verbinden. Vertreter solcher, auf Kupfer basierender Legierungen sind beispielsweise in der WO 2014/029798 oder in der DD 288180 beschrieben. Nebst der Schwierigkeit, dass solche Legierungen bei ungeeigneten Herstellprozessen zu starker Sprödbruchanfälligkeit neigen, bilden sie bei erhöhten Temperaturen festigkeitssteigernde Ausscheidungen. Die Fahrleitungsmaterialien erwärmen sich durch die Umgebungstemperatur, durch die Sonneneinstrahlung und wegen des Heizeffektes aufgrund des Stromdurchganges sowie dessen Dauer. Während die als Fahrleitungsmaterialien bekannten Kupferwerkstoffe eine - wegen der werkstoffabhängigen Erweichung als Folge der Rekristallisation - in der Tabelle 1 der Norm EN 50119:2020 festgelegte, maximale Betriebstemperatur aufweisen, ist bei ausscheidungshärtbaren Legierungen, wie sie beispielsweise in der WO 2014/02998 beschrieben sind, bis zu einer kurzzeitigen Temperatur von 700°C keine vollständige Auflösung der Ausscheidungen durch Rekristallisation feststellbar. Unter kurzzeitig ist beispielsweise der Wärmeeintrag durch Lichtbogen, die durch die Durchfahrt eines Pantografen verursacht werden, zu verstehen.

Darstellung der Erfindung

Wartungen an den Fahrleitungen sind sehr kostenintensiv. Die Strecke muss gesperrt, die Fahrleitung spannungsfrei geschaltet und geerdet werden. Zudem lassen die oft nur kurzen Intervalle keine rationelle Wartung zu.

Dies führt zum lang ersehnten Wunsch der Bahnbetreiber, die Intervalle der Kufenwartung substanziell verlängern zu können.

Durch die Massenkonzentration im Trenner übt der Pantograph auf die Kufen eine stärkere Anpresskraft als auf den freien Fahrdraht aus. Auch das übliche erhöhte Aufhängen des Trenners gegenüber der Fahrleitung, das sogenannte Überhöhen, kann dies nicht gänzlich verhindern. Der erhöhte Anpressdruck und die unvermeidbaren Abweichungen der Kufenlage zur idealen Einstellung führen zu einem teilweise starken Kufenverschleiss .

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine substanzielle Verlängerung der Wartungsintervalle für die Kufenwartung zu erreichen.

Die oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik werden zumindest teilweise gelöst durch eine Kufe gemäss Anspruch 1.

Es hat sich gezeigt, dass Kufen aus ausscheidungshärtbaren Nichteisenmetallen verschleissfester sind als solche gemäss dem Stand der Technik.

Die erhöhte Verschleissfestigkeit führt dazu, dass die Kufen weniger ausgetauscht werden müssen.

Vorzugsweise ist beim einbaufertigen Kufenmaterial bei einer kurzen (bis 2 Sekunden) Temperaturerhöhung bis zu einer Temperatur von 700°C, keine vollständige Auflösung der Ausscheidungen durch Rekristallisation feststellbar, womit das Material unter Einfluss von Reibung und einer Lichtbogenentladung seine Gitterstruktur nicht gross ändert. Vorzugsweise befindet sich das einbaufertige Kufenmaterial in folgendem Zustand: lösungsgeglüht, kaltverformt und ausscheidungsgehärtet, gemäss EN DIN 12167:2016 für aushärtbare CuNiSi-Legierungen.

Vorteil von diesem Zustand ist, dass er in der Produktion der erfinderischen Kufen gut erreichbar ist. Dazu lässt sich die Kufe gut formen.

Vorzugsweise hat das einbaufertige Kufenmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von über 17 MS/m, damit die Erwärmung durch Ströme nicht zu hoch ist.

Vorzugsweise beträgt die Härte des einbaufertigen Kufenmaterials mehr als 160 HB, um die Abnutzung durch die Schleifleiste zu minimieren.

Vorzugsweise weist das einbaufertige Kufenmaterial eine Mindeststreckgrenze (Rpo.2) von 450MPa auf, damit mechanische Spannungsspitzen nicht zu unakzeptablen, plastischen Deformationen führen.

Die ausscheidungshärtbare Legierung enthält gemäss der Erfindung vorzugsweise Kupfer und Nickel oder Kupfer und Silizium, insbesondere Kupfer, Nickel und Silizium (eine CuNiSi-Legierung), vorzugsweise mit 90-99 Massenprozenten Kupfer, 1-4 Massenprozent Nickel und 0.3-3 Massenprozent Silizium.

Die Kufe hat insbesondere, wie an sich bekannt, ein tropfenförmiges Profil, d.h. das Profil ist im Querschnitt senkrecht zur Achse unterseitig konvex gekrümmt.

Die Kufe weist insbesondere, wie ebenfalls an sich bekannt, ein Funkenhorn auf, d.h. ein abstehendes Horn, über welches einer Überspannung eine Entladung durch die Luft stattfindet.

Nebst einer Kufe betrifft die Erfindung auch einen Streckentrenner für Fahrleitungen für elektrische Schienenfahrzeuge. Der Streckentrenner weist zwei voneinander elektrisch isolierte Kufen auf, die je mit einer Fahrleitung verbindbar sind . Mindestens eine davon, beispielsweise beide, ist/sind eine Kufe der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemässen Art.

Wie an sich bekannt kann eine der Kufen länger als die andere sein.

Die Kufen sind insbesondere so angeordnet, dass sie in Fahrtrichtung des elektrischen Schienenfahrzeugs überlappend sind.

Wie ebenfalls an sich bekannt können die Kufen je einen mit der Fahrleitung verbindbaren Einlauf und/oder ein Funkenhorn am gegenüberliegenden, freien Ende aufweisen.

Optional können die Kufen Langlöcher oder andere Mittel, bspw. einen Exzenter, für die Justierung der Höhe und/oder der Neigung aufweisen.

Aufzählung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen Trenner mit der erfindungsgemässen Kufe.

Figur 2 zeigt den Trenner in Verbindung mit dem Pantographen und der Lokomotive.

Figuren 3a und 3b zeigen die erfindungsgemässe Kufe.

Fi gurbe s ehr e ibung

Da weltweit unzählige Trenner (1) mit einem bestehenden Kufendesign im Einsatz sind, sollen die erfinderischen Kufen (2a, 2b) vorzugsweise als Austauschteil in Verbindung mit den bereits bestehenden Trennern (1) verwendet werden können.

Bedingt durch die elektrotechnisch notwendige Überlappung (3) der Kufen (2a, 2b) sind am Trenner (1) wechselseitig eine kurze Kufe (2a) und eine lange Kufe (2b) notwendig. Diese weisen - je nach Fahrtrichtung der Lokomotive (10) - einen

Einlauf (4) sowie ein Funkenhorn (5) auf. Die Funkenhörner (5) dienen dazu, einen allfälligen Lichtbogen steigen zu lassen und über den zunehmenden Luftabstand (6) zu löschen. Mit Hilfe von Langlöchern (7), wie sie beispielsweise in den Figuren 3a und 3b dargestellt sind, lassen sich die Kufen (2a, 2b) in der Höhe justieren. Anstelle der Langlöcher (7) und der Befestigungsschrauben (8) wäre auch eine Einstellung über einen nicht dargestellten Exzenter denkbar. Die Zugspannung des Fahrdrahtes (9), die aussermittig auf den Trenner (1) eingeleitet wird, führt zu einer Trennerdurchbiegung. Deshalb müssen die Kufen (2a, 2b) nicht nur in der Höhe, sondern auch in der Neigung einstellbar sein.

Eine ideal eingestellte Kufe (2a, 2b) nutzt sich im Bereich des Einlaufes (4) und der nicht dargestellten Gleitfläche des Pantographen gleichmässig ab. Trotzdem sind die Wartungsintervalle, verglichen mit dem Fahrdraht (9) kürzer, was zu einem zusätzlichen Wartungsaufwand führt. Die folgende, nicht abschliessende Aufzählung nennt mögliche Situationen, die die Wartungsintervalle zusätzlich verkürzen:

• Die Kufen (2a, 2b) sind schlecht eingestellt.

• Die Lokomotive (10) mit dem Pantographen (11) und der Schleifleiste (12) befindet sich wegen der Überfahrt von Weichen in einer Wankbewegung. • Der Trenner (1) ist nicht parallel zu den Geleisen (13) ausgerichtet, was dazu führt, dass nur eine Kufe (2a, 2b) von der Schleifleiste (12) des Pantographen (11) beschliffen wird.

• Der Trenner (1) ist zu wenig überhöht, was zu einer verstärkten Anpresskraft des Pantographen (11) und der Schleifleiste (12) führt.

• Die Schleifleise (12) des Pantographen (11) ist in schlechtem Zustand.

Da sich diese Situationen auch bei bester Wartung nicht immer vermeiden lassen, kommt dem erfindungsgemässen Kufenmaterial eine besondere Bedeutung zu.

Bei der erfindungsgemässen Kufe kann als Kufenmaterial eine ausscheidungshärtbare Nichteisenmetalllegierung eingesetzt werden. Als Nichteisenmetall werden alle Metalle im Periodensystem ausser Eisen bezeichnet.

Nichteisenmetalllegierungen sind demzufolge Legierungen aus Nichteisenmetallen, die keinen nennenswerten (<10%) Anteil an Eisen enthalten. Der auf die Masse bezogene Hauptbestandteil der erfindungsgemässen Nichteisenmetalllegierung ist in einer bevorzugten Ausführung ein Schwermetall und gehört zur Gruppe der Buntmetalle. Unter den Begriff Schwermetall fallen Nichteisenmetalle und dessen Legierungen mit einer Dichte >5g/cm ³ . Buntmetall ist eine Sammelbezeichnung für eine Untergruppe der Schwermetalle unter Ausschluss der Edelmetalle. In einer besonders bevorzugten Ausführung könnte die ausscheidungshärtbare Nichteisenmetalllegierung beispielsweise aus den wesentlichen Bestandteilen Kupfer, Nickel und Silizium bestehen. Wobei neben dem Hauptbestandteil Kupfer und den üblichen Verunreinigungen, 1-4 Massen-% Nickel und 0.3-3 Massen-% Silizium enthalten sind. Bekannt sind solche Legierungen auch für die Herstellung von elektrischem Verbindungsmaterial. Da es sich hier in der Regel um

Komponenten mit verhältnismässig kleinen Abmessungen handelt, können diese problemlos in einem handelsüblichen Ofen unter Schutzgasatmosphäre ausscheidungsgehärtet werden. Das Ausscheidungshärten der erfindungsgemässen Kufe bedingt jedoch einen Ofen mit Spezialabmessungen und stellt einen entsprechend anspruchsvoll zu führenden Prozess dar. Ausscheidungshärtbare Kupferlegierungen neigen bei falscher Prozessführung zu Sprödbrüchigkeit, was im vorliegenden Fall zu einem Versagen der Kufe führen würde.

Lösungsgeglüht, kaltverformt und ausscheidungsgehärtet, wie dies beispielsweise die DIN EN 12167:2016 für aushärtbare CuNiSi-Legierungen vorsieht, können beim einbaufertigen Material folgende minimalen Kennwerte erreicht werden, die auch die technologischen Eigenschaften der erfindungsgemässen Kufe charakterisieren:

¨ Elektrische Leitfähigkeit > 17 MS/m

¨ Härte >160 HB

¨ Streckgrenze Rpo.2> 450MPa

Legende

I Trenner

2a Kurze Kufe

2b Lange Kufe

3 Überlappung

4 Einlauf

5 Funkenhorn

6 Luftabstand

7 Langlöcher

8 Befestigungsschraube

9 Fahrdraht

10 Lokomotive

II Pantograph

12 Schleifleiste

13 Geleise