Die Hilfsbetriebe

Wir kommen nun zu den Hilfsbetrieben einer elektrischen Lokomotive. Es ist schon ein komischer Name, denn wer hört schon auf den Namen Hilfsmensch. Auf den Lokomotiven gibt es aber Hilfsbetriebe und die haben wichtige Aufgaben, die sie übernehmen müssen. Nur warum nennt man sie denn ausgerechnet Hilfsbetriebe? Diese Anlagen helfen der Lokomotive bei der Ausführung der ihr angedachten Aufgaben.

Daher ist der Name schon richtig und wir arbeiten mit Hilfsbetrieben. Am besten erkläre ich die Aufgabe der Hilfsbetriebe an einem Beispiel. Dazu wähle ich einen Verbraucher, den ich dazu extra nach vorne genommen habe. Es ist aber ein einfaches und leicht verständliches Bauteil, das nicht einmal bei allen Lokomotiven verwendet wird, aber deutlich aufzeigt, was mit Hilfsbetrieben genau gemeint ist. Meine Wahl fiel auf die Ölwärmeplatte.

Die Ölwärmeplatte war das sonderbarste Bauteil auf früheren elektrischen Lokomotiven. Die Ölwärmeplatte war ein Relikt, das noch aus der Dampfzeit her rührte und sich so auch in der elektrischen Lokomotive nützlich machte. Die Ölwärmeplatte war eine Einrichtung, die die darauf abgestellten Ölkannen leicht erwärmte. Dadurch wurden die oft zähflüssigen Öle einfacher zu verarbeiten. Besonders im Winter war das hilfreich.

Die Ölwärmeplatte hielt sich noch viele Jahre und war immer wieder Bestandteil einer Lokomotivausrüstung. Die zur Erwärmung benötigte Energie kam von den Hilfsbetrieben. So war die Ölwärmeplatte elektrisch geheizt worden. Für uns stellt sich jetzt die Frage, woher die Spannung für diese Hilfsbetriebe kam. So haben wir auch gleich den Einstieg für den grossen Verbraucher der Hilfsbetriebe. Doch nun zur Quelle der Energie.

Versorgung der Hilfsbetriebe: Bei der klassischen elektrischen Lokomotive, die mit Wechselstrom betrieben wurde, wurden die Hilfsbetriebe mit einer Anzapfung am Transformator angeschlossen. Die Spannung der Hilfsbetriebe wurde dabei auf 220 Volt Wechselstrom festgelegt. Diese Spannung hatte den Vorteil, dass man Verbraucher aus dem Landesnetz anschliessen konnte. Daher waren entsprechende Steckdosen vorhanden, die aber mit der Frequenz nicht immer übereinstimmten.

Bei Lokomotiven, die mit Gleichstrom fuhren, musste man für die Hilfsbetriebe die Spannung der Fahrleitung wählen. Der Grund dafür war simpel, denn man konnte die Gleichspannung nicht transformieren. Daher gab es bei Bahnen mit Gleichstrom nur Hilfsbetriebe, die mit der hohen Spannung der Fahrleitung betrieben wurden. Das änderte sich jedoch, als man damit begann, die Hilfsbetriebe mit Hilfe der modernen Technik aufzubauen.

Als man damit begann, die Lokomotiven mit Hilfe der Halbleiter zu steuern, bekamen auch die Hilfsbetriebe eine neue Lösung. Die Technik mit den Thyristoren führte dazu, dass man Hilfsbetriebestromrichter aufbaute und so die Motoren der angeschlossenen Geräte mit Wellenstrom versorgte. Besonders bei Bahnen mit Wechselstrom war daher auch hier der Zwischenschritt erfolgt und bei Gleichstrom gab es eine Reduktion der Spannung. Spannend ist, dass bei einer Re 6/6 die Hilfsbetriebe so aufgebaut wurde, obwohl die Lokomotive klassisch gesteuert wurde.

Letztlich kam es auch bei den Hilfsbetrieben zu den vollwertigen Umrichtern. Diese Hilfsbetriebeumrichter wurden dabei oft abgekürzt geschrieben und hörten dabei auf die Bezeichnung HUR. Somit konnten nun auch bei den Hilfsbetrieben Drehstrommotoren verwendet werden. Auch der Unterhalt bei den Hilfsbetrieben reduzierte sich dadurch, was die Lokomotiven sehr unterhaltsfreundlich machte. Wir hatten dabei aber immer noch eine Spannung, die zum Landesnetz passte.

Nach Jahren mit der Bezeichnung Hilfsbetriebe kam eine neue Bezeichnung auf. Man erkannte, dass längst nicht mehr nur die klassischen Hilfsbetriebe am Hilfsbetriebeumrichter angeschlossen wurden. Daher nannte man diese nun Bordnetzumrichter oder auch BUR. Die geänderte Bezeichnung lässt erkennen, dass wir ein Stromnetz für das Fahrzeug hatten. Damit haben wir aber ganz schön umschrieben, was denn Hilfsbetriebe wirklich sind.

Damit können wir nun zu den Verbrauchern kommen, denn wir wissen nun, wie die Hilfsbetriebe versorgt werden. Die Ölwärmeplatte haben Sie schon kennen gelernt. Hinzu kommen der Kompressor, der an einer anderen Stelle beschrieben wird und viele weitere kleine Verbraucher. Hingegen gibt es einen Verbraucher, der so gross ist, dass man die Hilfsbetriebe eigentlich nur deswegen eingebaut hat und dass andere Verbraucher nur noch als Zugemüse bezeichnet werden können.

Die Kühlung: Die Kühlung auf elektrischen Lokomotiven gehört zu den Hilfsbetrieben und sie ist auch gleich der grösste Verbraucher. Deshalb werden wir uns anschliessend die einzelnen Lösungen zur Kühlung genauer ansehen. Uns brennen nun aber einige Fragen. Warum benötigt man denn eine Kühlung? Ginge es nicht ohne eine Kühlung? Wie löst man das Problem der Kühlung bei Lokomotiven? Diese Fragen müssen vorgängig geklärt werden.

Man hat auf einer Lokomotive einfach zu wenig Platz um alles ausreichend zu bemessen. Das führt dazu, dass man die Bauteile etwas zu schwach dimensioniert. Jetzt muss man die Bauteile aber kühlen, denn nur so überstehen sie diese Überlastung ohne Schaden. Daher geht es bei einem solchen Aufbau nicht ohne Kühlung. Die Lokomotive benötigt daher eine ausreichend bemessene Kühlung. Doch, wie löst man denn das Problem?

Man wählt unterschiedliche Lösungen. Gewisse Bauteile kühlt man mit Flüssigkeiten. Dazu gehören zum Beispiel die Transformatoren oder die Stromrichter bei den modernen Lokomotiven. Daher beginnen wir bei dieser Kühlung mit Flüssigkeiten, denn die funktioniert nur, wenn auch die Flüssigkeit gekühlt werden kann und das ist letztlich die Luft. Doch nun zu der Kühlung mit Flüssigkeiten, denn die gibt es wirklich.

 

Die Flüssigkeitskühlung

Um Bauteile mit Flüssigkeiten zu kühlen braucht es mehr Aufwand, als wenn man die Kühlung der Luft überlassen würde. Die Flüssigkeit muss ja wieder verwendet werden, denn wir können die Lokomotive oder das Auto nicht in einen Fluss stecken und dort auskühlen lassen. Jedoch bietet diese Form der Kühlung einen grossen Vorteil, denn mit Flüssigkeiten kann man sehr viel Wärme abführen. Hingegen muss die Flüssigkeit wiederum gekühlt werden, was nur mit Luft geht.

Eine Kühlung mit Flüssigkeiten bedingt immer eine Anlage, die dafür sorgt, dass die Kühlung funktioniert. Diese Anlagen nennt man Kühlanlagen. Damit bezeichnet man also die gesamte Anlage, die gebaut wird um eine Kühlung mit Flüssigkeiten zu verwirklichen. Dazu gehört natürlich auch das Kühlmittel. In unserem Fall werden dazu spezielle Öle, chemische Stoffe oder einfach nur Wasser verwendet.

Die einfachste Form einer Kühlanlage ist einfach die Flüssigkeit durch die natürliche Thermik antreiben zu lassen. Das ist durchaus eine gute Kühlung. Die Anwendungen sind jedoch selten, denn bei der Kühlung mit Flüssigkeiten entsteht so viel Wärme, die abgeführt werden muss, dass man sich nicht auf natürliche Phänomene verlassen kann. Der Grund ist simpel, die Flüssigkeit wird dabei natürlich auch erwärmt und muss wieder abgekühlt werden.

Die Kühleinheit: Die Kühlung mit einer künstlich unterstützten Anlage wird in Kühleinheiten verwirklicht. Diese speziellen Kühleinheiten bestehen aus unterschiedlichen Bauteilen. Dazu gehören Teile, die für eine künstliche Zirkulation sorgen, oder auch Bauteile, die die Flüssigkeit wieder kühlen. Daher lohnt es sich, wenn wir nun einem Blick in so eine Kühleinheit werfen. Welche Flüssigkeit verwendet wird, ist nun eigentlich nebensächlich.

Dank einer Pumpe wird die Flüssigkeit künstlich in Bewegung gesetzt. Die am Bauteil entstehende Wärme wird so von der Flüssigkeit übernommen und durch die künstlich erzeugte Strömung weggeführt. Die erwärmte Flüssigkeit wird dann durch Leitungen gepumpt und dort im nächsten Bauteil abgekühlt. Die künstliche Strömung sorgt dann dafür, dass die Flüssigkeit wieder zum Bauteil gelangen kann. Dort wird die Flüssigkeit wieder erwärmt und es entsteht ein Kreislauf.

Abgekühlt wird die Flüssigkeit in einem speziellen Kühler. Dieser Kühler hat die Aufgabe, die Wärme der Flüssigkeit an die Umgebung abzugeben.

Dadurch wird die Flüssigkeit wieder kalt und kann erneut zur Kühlung benutzt werden. Solche Kühler gibt es deshalb überall, wo man mit einer Flüssigkeit kühlt, denn man benötigt eine Rückkühlung um die Flüssigkeit erneut verwenden zu können. Daher sehen wir uns die Kühler an.

Die einfachste Form, die Wärme der Flüssigkeit abzuführen ist, wenn man das Gehäuse dazu benutzt. Die Flüssigkeit wird dabei einfach dem metallischen Gehäuse zugeführt. Das kalte Metall entzieht dann der Flüssigkeit die Wärme und gibt diese an die Umgebung ab.

Eine ähnliche Lösung haben Sie bei den Dampfmaschinen in der Feuerbüchse kennen gelernt, nur dass dort die heisse Luft das Metall erwärmte und dieses mit Wasser gekühlt werden musste. Hier ist es nun umgekehrt.

Eine Verbesserung erreicht man damit, dass man spezielle Kühler erstellt. Diese funktionieren nach dem gleichen Prinzip, wie wir es soeben kennen gelernt haben.

Die Flüssigkeit wird in einem Kühler durch Lamellen getrieben. Dort erwärmt die Flüssigkeit das Gehäuse, welches die Wärme schliesslich an die Umgebung abgibt. Da der Kühler nun aber eine viel grössere Oberfläche hat, kann er mehr Wärme abführen und ist dadurch etwas leistungsfähiger.

Nachdem wir nun wissen, wie man Wärme mit der Hilfe von Flüssigkeiten von einem Bauteil ableiten kann, müssen wir uns nun Gedanken machen, wie man diese Kühlung verbessern kann. Der Kühler gibt die Wärme an die Umgebung ab. Jedoch kann er mehr Wärme abgeben, wenn laufend kühle Luft zur Oberfläche geführt wird. Daher kommen wir nun zu der Kühlung mit Luft, denn die benötigen wir oft um den Kühler der Flüssigkeitskühlung abzukühlen.

 

Die Luftkühlung

Wenn wir nun die Kühlung mit der Luft ansehen, beginnen wir dort, wo wir aufgehört haben. Wir haben nun das Problem, dass wir den Kühler unserer Flüssigkeitskühlung kühlen müssen. Dabei reicht vielleicht die einfachste Form aus, denn wir benutzen nur die Luft, die gerade dort ist. Die Thermik sorgt dafür, dass frische und kühle Luft zugeführt wird. Dieser Luft geben wir nun aber einen speziellen Namen, damit wir wissen, dass wir von Luft sprechen, die erwärmt wird.

Das Kühlmittel Luft wird verwendet und wir nennen die Luft daher Kühlluft. Diese vermag ausreichend viel der entstehenden Wärme abführen. Dabei erwärmt sich die Kühlluft und steigt wegen der Thermik nach oben. Wir haben eine Kühlung, die sehr einfach ist und erst noch gut funktioniert. Wir müssen einfach dafür sorgen, dass die Luft auch wirklich zum Kühler kommt und so zur Kühlluft werden kann. Dazu kann der auf der Fahrt entstehende Fahrwind benutzt werden.

Gewisse Bauteile werden tatsächlich so gekühlt. Man montiert diese Bauteile daher auf dem Dach und deckt sie mit Hauben ab. Dadurch sind sie vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Der Fahrtwind, der über das Dach streicht, besorgt dann die notwendige Abkühlung. Wir haben daher eine Kühlung, die auf natürliche Weise funktioniert. Nur, was ist, wenn es keinen Fahrtwind gibt und die Teile so nicht mehr ausreichend gekühlt werden?

Doch sehen wir uns nun zwei solche Kühlungen mit Luft an. Dabei kühlen wir zuerst unseren Kühler. Dazu benötigen wir aber, um die Leistung zu verbessern, einen künstlichen Luftstrom. Dieses Prinzip kennen Sie doch von der Wohnung im Sommer. Dort lassen sie einen Ventilator laufen, damit Ihnen kühle Luft zugeweht wird. Genau diese Form der Kühlung, also die Ventilation, sehen wir uns nun an.

Die Ventilation: Die künstliche Luftzuführung nennt man Ventilation. Man kann sie auch Lüftung nennen, denn es ist das gleiche. Die Kühlluft wird bei der Ventilation künstlich beschleunigt. Dadurch kann mehr kühle Luft zugeführt werden. Die Luft, die beim Kühler ist, kann stärker erhitzt werden, denn sie wird sofort wieder von den Bauteilen abgeführt. So erreichen wir eine gut funktionierende Kühlung, die überraschend leistungsfähig ist.

Beschleunigt wird die Luft bei einer Ventilation mit einem Ventilator. Dieser Ventilator besteht aus einem drehenden Flügelrad. Diese Flügel sind so geformt, dass sie die Luft von einer Seite des Rades zur anderen Seite führen.

Die Luft wird dadurch gezwungen den gewünschten Weg zu nehmen und wird dabei beschleunigt. Wir haben einen künstlich erzeugten Luftstrom, der die Bauteile anströmt und diese so kühlt.

Anhänger der deutschen Begriffe verwenden für den Ventilator natürlich den Begriff Lüfter. Einen Unterschied zum Ventilator gibt es jedoch nicht, denn ein Lüfter wird identisch aufgebaut.

Der Lüfter hat auch die Aufgabe, die Kühlluft künstlich in einen Richtung zu leiten und sie dabei zu beschleunigen. Nach dem Lüfter entsteht ein künstlicher Wind, der in gewissen Dialekten auch Luft genannt wird. Wichtig dabei ist, wir haben diesen Luftstrom künstlich erzeugt.

Wenn dieser Ventilator zur Kühlung eines Kühlers benützt wird, nennt man ihn Kühlerlüfter. Natürlich ginge hier auch der Begriff Kühlerventilator, denn auch hier ist eigentlich nur der Kühler neu hinzugekommen.

Wir wissen nun aber, dass wir unsere Flüssigkeit mit der Hilfe eines Kühlerlüfters abkühlen können. Doch es gibt Bauteile, die nur mit Hilfe der Luft gekühlt werden. Dazu gehören die Fahrmotoren, daher betrachten wir nun die Fahrmotorventilation.

Die Fahrmotorventilation:  Die Ventilation der Fahrmotoren ist eine Kühlung, die nur mit Hilfe der Luft erfolgt. Zwar wären Kühlungen mit Flüssigkeiten auch hier möglich.

Die Luft bietet jedoch viele Vorteile, die dafür sprechen, dass man eine künstliche Ventilation für die Fahrmotoren mit Hilfe der Luft verwendet. Daher ist es wichtig, wenn wir auch die Fahrmotorventilation genauer ansehen.

Bei der Fahrmotorventilation wenden wir daher das Prinzip der forcierten Luftkühlung an. Das heisst, wir bewegen die Luft künstlich durch Kanäle zum zu kühlenden Bauteil, das hier der Fahrmotor ist. Diese auch Zwangsventilation bezeichnete Kühlung benötigt mehrere Bauteile. Diese Bauteile wollen wir uns kurz ansehen. Wir kennen die meisten davon schon, aber zur Erinnerung schneiden wir diese noch einmal an.

Filter in der Zuleitung sorgen zum Beispiel dafür, dass die Luft gereinigt wird. Diese Filter, die aus feinem Gewebe bestehen, stellen den in der Luft befindlichen Schwebstoffen ein Hindernis in den Weg. Der Schmutz bleibt in den Filtern stecken und so wird die Luft, die zur Kühlung der Fahrmotoren verwendet wird, gereinigt und auch getrocknet. Wasser beleibt natürlich ebenso in den Bauteilen der Filter stecken.

Diese Filter müssen regelmässig gereinigt werden, da sie mit der Zeit verstopfen. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man die Filter einfach durch neue ersetzen oder aber man reinigt die Filter regelmässig. Eine gute Wartung bei den Filtern ist wichtig, denn sie können sonst verschlossen werden und unsere Kühlung der Fahrmotoren fällt aus. Das heisst, die Motoren könnten jetzt beschädigt werden.

Die in den Filtern gereinigte Luft wird mit Hilfe der Fahrmotorlüfter beschleunigt und so leicht unter Druck gestellt. Dieser Lüfter für den Fahrmotor ist daher ein ganz normaler Ventilator, der einfach zur Kühlung der Fahrmotoren herbei gezogen wird. Dabei gibt es auch die Möglichkeit, dass dieser Fahrmotorlüfter durch den Motor selber angetrieben wird. Man spricht dann von einer Eigenventilation.

Bei der Eigenventilation kühlt sich das Bauteil selber. Der Fahrmotor treibt dabei mit einer Welle einen Ventilator an und kühlt sich so selber. Hingegen wird bei der einfachen Eigenventilation die Kühlluft nicht mehr gereinigt. Dadurch ist die Kühlung nicht so leistungsfähig, wie Kühlungen, die mit einem separaten Fahrmotorlüfter arbeiten. Wir haben nun aber alle Kühlungen kennen gelernt und können die elektrische Lokomotive abschliessen.

Mit der Einführung der Zwangsventilation verbesserte man die Funktion der Ventilation. Der Grund dafür war simpel, denn die Ventilation startete automatisch. Das verhinderte, dass vergessliches Personal ohne Ventilation fuhr. Die Zwangsventilation bewirkt, dass die Ventilation automatisch eingeschaltet wird, wenn die Lokomotive losfährt. Wenn die Lokomotive jedoch stand, störten die Geräusche der laufenden Ventilation. Man konnte deshalb die Ventilation im Stillstand ausschalten. Jedoch wurde die Sicherheit der Ventilation deutlich verbessert.

Man reduzierte mit der Zwangsventilation zwar die Schäden an den Fahrmotoren, jedoch wurden die Lokomotiven bei tiefen Geschwindigkeiten sehr laut. Die mit voller Leistung laufenden Ventilatoren machen schon einen grossen Lärm, dieser geht auf der schnellen Fahrt im allgemeinen Rollgeräusch unter. Jedoch störte er bei tiefen Geschwindigkeiten, da diese oft in den Bahnhöfen gefahren wurden, wo man akustische Befehle hören musste.

Man baute bei den Lokomotiven mit Zwangsventilation eine Ventilationssteuerung ein. Diese Steuerung sollte bei kleinen Geschwindigkeiten die Ventilation leiser arbeiten lassen. Bei hohen Geschwindigkeiten, wo auch hohe Leistungen gefragt waren, kam dann die volle Leistung der Ventilation. Die Ventilationssteuerung hatte deshalb zwei Stufen erhalten. Anfänglich konnte man diese noch von Hand beeinflussen. Jedoch wurde auch diese Umschaltung automatisch geregelt.

Diese Ventilationssteuerung hatte fixe Ein- und Ausschaltpunkte. Das heisst, fuhr die Lokomotive schneller, schaltet die Steuerung automatisch auf stark um. Einziger Punkt, der nicht durch die Ventilationssteuerung beeinflusst wurde, war die Abschaltung der Ventilation im Stillstand, das blieb in der Hand des Lokführers. Die Ventilationssteuerung vereinfachte schon das Leben der Lokführer und schonte zugleich die Fahrmotoren. Mittlerweile gibt es sogar Ventilationssteuerungen, die nach Bedarf arbeiten.

Wir beschliessen nun die Betrachtung der elektrischen Lokomotiven. Nachdem wir nun die Dampflokomotive und deren Ablösung, die elektrische Lokomotive kennen gelernt haben, kommen wir nun zu der Lokomotive, die dafür besorgt war, das auch die letzten Dampflokomotiven verschwunden sind. Betrachten wir deshalb nun die Diesellokomotiven etwas genauer.

 

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