ES2208584T3 - Arco de pantografo con estribo de material compuesto. - Google Patents

Arco de pantografo con estribo de material compuesto.

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ES2208584T3 ES01921460T ES01921460T ES2208584T3 ES 2208584 T3 ES2208584 T3 ES 2208584T3 ES 01921460 T ES01921460 T ES 01921460T ES 01921460 T ES01921460 T ES 01921460T ES 2208584 T3 ES2208584 T3 ES 2208584T3
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Abstract

Estribo de arco de pantógrafo (3), caracterizado porque comprende, en todo o parte, por lo menos un compuesto orgánico que comprende fibras y una matriz orgánica. La susodicha matriz es una resina de polímero termoendurecible que es una resina fenólica. Las susodichas fibras comprenden fibras orgánicas y fibras minerales.

Description

Arco de pantógrafo con estribo de material compuesto.
Ámbito de la invención
La presente invención se refiere a los pantógrafos utilizados para la captación de corriente eléctrica a partir de un conductor eléctrico fijo, llamado "catenaria", hacia un vehículo ferroviario parado o en movimiento. La invención se refiere más particularmente al arco de los pantógrafos, que comprende una banda de rozamiento destinada al contacto eléctrico con la catenaria, y al estribo del susodicho arco destinado a llevar la susodicha banda.
Situación de la técnica
Los pantógrafos utilizados en los materiales ferroviarios comprenden típicamente un dispositivo de apoyo móvil y un arco. El dispositivo de apoyo sostiene el arco y permite poner éste en contacto con la catenaria, que suele ser un hilo de cobre, lo que garantiza así la transmisión de corriente de la catenaria hacia el vehículo en movimiento o parado. El arco comprende una banda de rozamiento, que suele ser de material carbonoso, un estribo y medios de conexión eléctrica. Típicamente, la banda de rozamiento es de grafito y se puede impregnar de cobre o de una aleación a base de cobre.
El estribo, que suele ser de acero o de aluminio, es un soporte rígido que aumenta la resistencia mecánica de la banda de rozamiento (véase US 5 657 842). En efecto, la banda sola no posee características mecánicas suficientes como para permitir la fijación de cuernos en los extremos y soporta mal los choques que el contacto con la catenaria engendra. Estas tensiones mecánicas pueden provocar la formación de grietas en la banda, que pueden llevar a la ruptura de ésta. Normalmente, el estribo está provisto de medios para fijarlo mecánicamente al dispositivo de apoyo.
En la mayoría de las veces, el ensamblaje de la banda de rozamiento y del estribo se realiza por soldadura. La soldadura presenta el inconveniente de precisar una buena rectitud de la banda de rozamiento, lo que puede obtenerse por medio de operaciones de aplanamiento que incluyen típicamente una operación de mecanizado, que constituyen un sobrecoste de producción. La soldadura en sí también es una operación lenta y costosa porque supone varias operaciones intermedias, tales como un decapado de las piezas, una pasivación, un chorreado con arena y un estañado.
Por consiguiente, la solicitante buscó medios que permitían simplificar la fabricación del estribo y del arco.
Descripción de la invención
El estribo de arco de pantógrafo según la invención se caracteriza porque está constituido, en todo o parte, por al menos un compuesto orgánico que comprende fibras y una matriz orgánica.
En su búsqueda de soluciones a los problemas planteados, se le ocurrió a la solicitante utilizar para el estribo un material que sea blando al conformarlo y ensamblarlo y que pueda endurecerse después con un tratamiento adecuado. Así, el material puede adaptarse más fácilmente a las irregularidades de la superficie del frotador, lo que evita recurrir a operaciones suplementarias de aplanamiento de la banda de rozamiento. Una vez endurecido, el material aumenta considerablemente las características mecánicas del conjunto y evita recurrir a un material metálico.
Preferentemente, por lo menos la parte del estribo en contacto con la banda de rozamiento está constituida por el susodicho compuesto. Para limitar el número de piezas y simplificar el ensamblaje, el estribo puede estar totalmente constituido por el susodicho compuesto.
La invención también tiene por objeto un arco de pantógrafo que comprende una banda de rozamiento (o frotador) y un estribo según la invención.
La invención también tiene por objeto un pantógrafo que comprende por lo menos un arco según la invención.
La invención también tiene por objeto un procedimiento de fabricación del arco de la invención.
Figuras
La figura 1 muestra un arco típico del arte anterior en contacto con una catenaria: a) en vista lateral; b) en vista desde abajo. La figura 2 representa, en sección transversal respecto al sentido longitudinal del arco (plano A-A de la figura 1), un arco típico del arte anterior.
La figura 3 representa, de manera esquemática, un arco según la invención: a) en vista lateral; b) en corte transversal con respecto al sentido longitudinal del arco.
La figura 4 muestra un arco según la invención: a) en vista lateral; b) en vista desde arriba. La figura 5 muestra el arco de la figura 4 visto según el corte transversal B-B. La figura 6 muestra un extremo del arco de la figura 4 según el plano de corte longitudinal A-A. El trazo discontinuo da el perfil de un cuerno de extremo típico fijado en el extremo del arco.
La figura 7 ilustra etapas de un procedimiento de fabricación de un arco según la invención. Los elementos se ven en sección transversal.
Un arco 1 del arte anterior, tal como el que está representado en las figuras 1 y 2, comprende típicamente una banda de rozamiento 2, un estribo 3, medios de fijación 4, medios de conexión eléctrica 5 y medios de detección de avería o de desgaste 6. Durante la utilización, la banda de rozamiento se pone en contacto con la catenaria 10 para permitir la transmisión de energía eléctrica entre estos dos elementos. Típicamente, el estribo se obtiene a partir de un perfilado hueco. El estribo 3 mejora la resistencia mecánica del frotador 2 cuando éste es a base de grafito y permite además fijar el arco en el pantógrafo con ayuda de los medios 4. La unión entre la banda y el estribo comprende típicamente una soldadura en ángulo recto respecto a la superficie de contacto 7 entre las dos piezas y un bloqueo mecánico con ayuda de una deformación plástica de un borde 8. Por lo general, el arco está provisto de cuernos de extremo 9 fijados por medios de fijación mecánicos 90.
Descripción detallada de la invención
El estribo 3 de arco de pantógrafo 1 según la invención se caracteriza porque comprende, en todo o parte, por lo menos un compuesto orgánico que comprende fibras y una matriz orgánica.
Preferentemente, el susodicho compuesto es térmicamente estable por lo menos hasta los 300ºC Preferentemente, la matriz orgánica es una resina de polímero, y más preferentemente una resina de polímero termoendurecible. Las fibras pueden ser sea orgánicas (tales como una fibra aramida), sea minerales (tales como una fibra de vidrio, una fibra de carbono, una fibra de boro o una fibra cerámica). Por ejemplo, el susodicho compuesto puede ser una resina fenólica cargada de fibras de vidrio. Las fibras pueden tener diferentes composiciones para combinar ventajosamente sus características.
Las fibras pueden ser cortas (es decir con una longitud típicamente incluida entre 2 y 20 mm) o largas (es decir con una longitud típicamente superior a 20 mm). En el caso de fibras largas, éstas pueden estar constituidas por un roving de longitud sensiblemente igual a la del estribo. Un roving es un ensamblaje de filamentos básicos colocados de manera sensiblemente paralela y agrupados sin torsión. Las fibras largas presentan la ventaja de evitar la separación de los trozos en caso de ruptura de la matriz.
Preferentemente, la matriz y las fibras no son conductoras de electricidad, lo que permite reducir los fenómenos de arco eléctrico entre la catenaria y el estribo. Pueden producirse arcos eléctricos cuando la catenaria no está en contacto con la banda de rozamiento aunque a proximidad de ésta. Estos arcos eléctricos pueden deteriorar el arco en el punto de impacto.
Típicamente, el espesor E de la base 30 del estribo 3 está incluido entre 1 y 10 mm, según el tamaño del arco y la composición del compuesto. Los lados 31 del estribo pueden ser más delgados que la base 30. Es posible que el estribo 3 no comprenda lados 31.
El estribo 3 según la invención es apto para recibir una banda de rozamiento (o frotador) 2.
La invención también tiene por objeto un arco de pantógrafo 1 que comprende una banda de rozamiento 2 y un estribo 3, y caracterizado porque el estribo 3 está constituido, en todo o parte, por al menos un compuesto orgánico que comprende fibras y una matriz orgánica.
La banda de rozamiento 2 puede ser un grafito, eventualmente impregnado de un metal, o comprender, en todo o parte, un material compuesto C/C, eventualmente impregnado de un metal. El metal utilizado para la impregnación puede ser cobre o una aleación que contenga cobre (tal como un latón o un bronce) o plomo o una aleación que contenga plomo.
Un compuesto carbono/carbono (C/C) es un material sólido que comprende fibras de carbono (o "sustrato de fibra") introducidas en una matriz de carbono. Las fibras de carbono son, por ejemplo, fibras de brea, fibras ex poliacrilonitrilo o fibras ex viscosa. Estas fibras pueden presentarse en diferentes formas, tales como en forma de tejido 2D o 3D, de capa unidireccional o de fibras aleatorias.
La matriz de carbono puede obtenerse según diferentes técnicas, tales como por infiltración de un líquido rico en carbono que después sufre una pirolisis para dejar un esqueleto carbonado alrededor de las fibras, la operación se repite tantas veces como fuera necesario (típicamente 3 ó 4 veces), por infiltración de un gas rico en carbono en condiciones termodinámicas que favorecen el craqueo del gas, dejando un depósito de carbón pirolítico en las fibras, o por una combinación de estas técnicas.
La impregnación de metal puede obtenerse por infiltración del metal en estado líquido en la porosidad residual del grafito o del compuesto C/C (es decir la porosidad que queda abierta después de la fase de construcción de la matriz de carbono del compuesto) y por solidificación del metal infiltrado. Por lo general, la infiltración se efectúa en autoclave, con importantes presiones (típicamente de 20 a 200 bars) para garantizar una buena infiltración del metal líquido en la porosidad.
Por lo general, el arco comprenderá también medios 4, 11 de fijación mecánica y/o medios de conexión eléctrica 51, 52. Cuando el compuesto es un aislante eléctrico, los medios de conexión eléctrica permiten obtener una transmisión eficiente de la energía eléctrica captada por la banda de rozamiento. Por ejemplo, la conexión eléctrica puede obtenerse por al menos un tornillo 52 que, por una parte, penetra en la banda de rozamiento y que, por otra parte, está en contacto eléctrico con por lo menos una patilla de conexión 51, que suele ser una patilla metálica.
El arco según la invención puede comprender además medios 6, 61, 62 para detectar las averías y/o el desgaste de la banda de rozamiento, tal como está ilustrado en las figuras 4 a 6. Por lo general, estos medios comprenden un conducto 62, que es típicamente un tubo 61 de metal, de grafito o de compuesto C/C, en el que puede circular un fluido de detección según las técnicas conocidas. Típicamente, el tubo 61 se sitúa sea en un agujero previsto en la banda de rozamiento 2 y sensiblemente longitudinal y paralelo a la superficie de rozamiento 20 de la banda 2, sea en una ranura sensiblemente longitudinal prevista en la superficie de la banda 2 que está en contacto con el estribo 3, esta ranura suele situarse en la parte central de la superficie 21 opuesta a la superficie de rozamiento 20. Es posible que el conducto 62 no comprenda tubo 61 y esté formado por el susodicho agujero o la susodicha ranura con ayuda de medios de estanquidad y/o de paredes complementarias.
El arco 1 puede estar provisto de cuernos de extremo 9 fijados por medios de fijación mecánicos 9, 91, tales como aberturas 9 y tornillos 91.
En referencia a la figura 7, el procedimiento de fabricación según la invención utiliza un molde 100 que comprende un cuerpo 101, 102 y una contraforma 103 (figura 7A). Según la invención, el susodicho procedimiento comprende preferentemente:
- la introducción de una banda de rozamiento 2 en el molde 100 (figura 7B);
- la aplicación de una mezcla de fibras y de resina (llamada "prepreg") 110 en la banda de rozamiento 2 (figura 7C);
- el prensado del prepreg con ayuda de una contraforma 103, para proporcionarle una distribución homogénea y garantizar un contacto íntimo entre la banda y la resina (figura 7D);
- una operación de endurecimiento del compuesto per polimerización. Esta etapa puede realizarse por cocción en un horno, según un ciclo propio de la resina utilizada. En la práctica, es ventajoso efectuar la etapa de endurecimiento dejando el arco "crudo" en el molde, lo que permite controlar la forma final del producto;
- el desmoldeo del arco así obtenido (figura 7E).
Con el fin de facilitar la operación de desmoldeo, el molde (y particularmente el cuerpo de éste) puede estar constituido por piezas separadas y complementarias 101, 102.
El procedimiento también puede comprender, antes de la introducción de la banda de rozamiento en el molde, una operación de preparación o de colocación del molde durante la que se aparta la contraforma 103 del cuerpo 101, 102 del molde 100. Esta operación también puede comprender la formación del cuerpo del molde (por ejemplo por ensamblaje de piezas complementarias 101, 102) y/o la aplicación de un producto con vistas a facilitar el desmoldeo.
El procedimiento puede comprender una operación de fijación de medios de conexión eléctrica 51, 52, medios de fijación mecánica 4, 11 y/o cuernos de extremo 9.
El procedimiento según la invención presenta la ventaja de permitir una fabricación simple y rápida del estribo y del arco según la invención. También permite crear un contacto íntimo entre el estribo y la banda de rozamiento que es apto para ofrecer una adherencia y una estanquidad elevadas en el punto de unión de estas piezas.
La invención también tiene por objeto un pantógrafo que comprende por lo menos una banda de rozamiento 2 según la invención.
Pruebas
La solicitante observó que la resistencia mecánica de los arcos según la invención era muy elevada. Típicamente, con una resina fenólica cargada de fibras de vidrio largas, y con un espesor de la base 30 del estribo de unos 2 mm, los arcos según la invención pudieron soportar, sin romperse, una carga de 400 kg en su centro (según la prueba en tres puntos que consiste en apoyar el estribo en dos puntos de apoyo y en aplicar un peso determinado por encima, en su centro). Además, la unión entre la banda (de grafito en las pruebas) y la resina era muy fuerte y garantizaba una cohesión muy elevada. Ciclos de impactos de 40 kg cada 2 segundos durante 12 horas no deterioraron el ensamblaje. Por último, cuando estaban funcionando, los arcos sometidos a prueba resistían temperaturas del orden de los 300°C en el caso de las resinas fenólicas, lo que es muy suficiente en la mayoría de las aplicaciones.
Ventajas
El estribo según la invención también presenta la ventaja de ser ligero, de ser resistente a la corrosión y de limitar los fenómenos de arcos eléctricos entre la catenaria y el estribo.
Los plazos de realización de un perfil específico de un estribo según la invención son claramente más cortos que los que son normalmente requeridos para la realización de un estribo de metal (típicamente de acero o de aluminio) del arte anterior que suele obtenerse por extrusión.
La invención facilita el cambio de forma del estribo y del arco de pantógrafo y se presta bien a formas variadas.
El estribo y el arco según la invención se prestan fácilmente a la fabricación en pequeña serie.
En caso de ruptura de la banda de rozamiento, el estribo según la invención permite mantener la unidad del arco, es decir del conjunto banda/estribo.
El arco según la invención también presenta una gran estanquidad. En particular, permite eliminar los riesgos de infiltración de agua entre la banda y el estribo, que pueden producirse en los arcos del arte anterior que comprenden un estribo de metal y ensamblados por soldadura o pegado, y que, particularmente, pueden llevar al deterioro del arco en caso de helada.

Claims (17)

1. Estribo de arco de pantógrafo (3), caracterizado porque comprende, en todo o parte, por lo menos un compuesto orgánico que comprende fibras y una matriz orgánica.
2. Estribo según la reivindicación 1, caracterizado porque la susodicha matriz es una resina de polímero.
3. Estribo según la reivindicación 2, caracterizado porque la susodicha resina de polímero es una resina de polímero termoendurecible.
4. Estribo según la reivindicación 3, caracterizado porque la susodicha resina de polímero termoendurecible es una resina fenólica.
5. Estribo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las susodichas fibras comprenden fibras orgánicas.
6. Estribo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las susodichas fibras comprenden fibras minerales.
7. Estribo según la reivindicación 6, caracterizado porque las susodichas fibras minerales comprenden fibras de vidrio.
8. Estribo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende además medios de fijación mecánica (4, 11).
9. Estribo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende además medios de conexión eléctrica (51, 52).
10. Arco de pantógrafo (1) que comprende una banda de rozamiento (2) y un estribo (3) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
11. Arco según la reivindicación 10, caracterizado porque la banda de rozamiento (2) es de grafito o de compuesto carbono/carbono.
12. Arco según la reivindicación 10, caracterizado porque la banda de rozamiento (2) es de grafito impregnado de un metal o de compuesto carbono/carbono impregnado de un metal.
13. Arco según la reivindicación 12, caracterizado porque el susodicho metal es cobre o una aleación que contenga cobre, tal como un latón o un bronce, o plomo o una aleación que contenga plomo.
14. Arco según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque comprende además medios (6, 61, 62) para detectar las averías y/o el desgaste de la banda de rozamiento.
15. Pantógrafo que comprende por lo menos un arco (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14.
16. Procedimiento de fabricación del arco según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque comprende:
- la introducción de una banda de rozamiento (2) en el molde (100) que comprende un cuerpo (101, 102) y una contraforma (103);
- la aplicación de una mezcla de fibras y de resina, o "prepreg", (110) en la banda de rozamiento (2);
- el prensado del prepreg con ayuda de una contraforma (103), para proporcionarle una distribución homogénea y garantizar un contacto íntimo entre la banda y la resina;
- una operación de endurecimiento del compuesto por polimerización;
- el desmoldeo del arco.
17. Procedimiento según la reivindicación 16, caracterizado porque el molde está constituido por piezas separadas y complementarias (101, 102).
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