Kolej

Powrót

Odbieraki prądu:

Odbieraki prądu pojazdów szynowych to aparaty służące do ruchomego połączenia stykowego sieci trakcyjnej z elektrycznym obwodem głównym pojazdu trakcyjnego.
Rozróżnia się odbieraki górne, zwane również pantografami (ang. pantograph), czyli te współpracujące z siecią trakcyjną napowietrzną oraz odbieraki dolne do poboru energii z tak zwanej trzeciej szyny prądowej, która prowadzona jest równolegle do szyn toru na ich poziomie.
Pantografy są najpopularniejsze w kolejnictwie oraz komunikacji tramwajowej.
Odbieraki dolne, używane są głównie na liniach metra oraz szybkich kolei miejskich, gdzie do infrastruktury nie mają dostępu osoby postronne.

1) Odbieraki górne:
Pierwsze rozwiązania konstrukcyjne odbieraków prądu pojazdów szynowych zastosowano w tramwajach, gdyż to w komunikacji miejskiej nastąpił jako pierwszy rozwój trakcji elektrycznej. Początkowo na wagonach stosowano odbieraki pałąkowe składające się z żerdzi zakończonej rolką. Sprężyna znajdująca się w podstawie unosiła pałąk, dociskając tym samym rolkę do przewodu jezdnego. Wadą tego rozwiązania była zła współpraca rolki z przewodem jezdnym, który często wypadał z rowka rolki, szczególnie na zakrętach i rozjazdach. Poza tym omawiana konstrukcja umożliwiała jazdę tylko w jednym kierunku, a przewodzenie energii pomiędzy rolką, a pałąkiem również bywało zawodne.
Unowocześnieniem tej konstrukcji stały się odbieraki prądu typu „lira”, w których rolkę zastąpiono elementem ślizgowym i zastosowano podwójne ramiona. Zastosowanie ślizgu zamiast rolki zlikwidowało problem przejazdu przez skrzyżowania i rozjazdy, gdzie ślizg odbieraka prądu „gładko” przechodził z przewodu na przewód natomiast wada jazdy jednokierunkowej nadal pozostała.
Elementy ślizgowe w odbierakach prądu przetrwały już do dnia dzisiejszego i wydają się być jedyną optymalną konstrukcją umożliwiającą ciągły odbiór energii podczas jazdy konwencjonalnego pojazdu szynowego.
Rewolucją w konstrukcji odbieraków prądu było skonstruowanie odbieraków z przegubową ramą opartą o działanie mechanizmu pantografowego (stąd nazwa „pantograf”). Dzięki temu rozwiązaniu jazda w dwóch kierunkach z zachowaniem jednakowych parametrów nie była już problemem, a co ważne konstrukcja została uelastyczniona, co znacząco poprawiło współpracę dynamiczną odbieraka z przewodem jezdnym.
Rozwiązania z użyciem rolek stosowane są nadal np. w kolejach górniczych, czy też np. w suwnicach, czy przesuwnicach itp.

W obecnie eksploatowanych pojazdach trakcyjnych stosowane są odbieraki prądu oparte o działanie mechanizmu pantografowego. Starszego typu pantografy typu nożycowego mają kształt dwóch pięciokątów połączonych poprzeczkami.


Schemat odbieraka prądu czteroramiennego


  Odbierak prądu czteroramienny typu AKP 4E (opis na pow.)


Cechuje je niekorzystna wysoka masa konstrukcji oraz duża liczba miejsc, gdzie występuje tarcie. Te dwie główne wady powodują pogorszenie parametrów pracy odbieraka. Im masa jest mniejsza tym mniejsza jest bezwładność, a więc lepsza współpraca z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej, co ma szczególne znaczenie przy dużych prędkościach jazdy. Z tych też powodów projektanci dążą do konstruowania jak najlżejszych pantografów, przy zachowaniu właściwych parametrów wytrzymałościowych. Prowadzone badania i eksperymenty doprowadziły do skonstruowania pantografów jednoramiennych – tak zwanych połówkowych (Faiveley'a).


Schemat odbieraka prądu jednoramiennego serii DSA


  Odbierak prądu jednoramienny



Schemat odbieraka prądu jednoramiennego serii 55ZW


  Odbierak prądu jednoramienny typu 55ZW (opis na pow.)

Powyżej przedstawiony odbierak prądu 55ZW jest pierwszym połówkowym pantografem polskiej konstrukcji.

Potoczna nazwa „połówkowe” wzięła się z ich wyglądu, a mianowicie są one „połówką” pantografu nożycowego. Zastosowano w nich jedno ramię przegubowe wspomagane prowadnikami, co znacznie zelżyło i uelastyczniło konstrukcję. Odbieraki te mimo wyeliminowania połowy konstrukcji zachowują zbliżone parametry przy jeździe do przodu i do tyłu. W stosunku do pantografów nożycowych cechuje je jednak mniejsza sztywność poprzeczna. W miarę prowadzonych badań i rozwoju konstrukcji powstają różne odmiany pantografów jednoramiennych.
Na dzień dzisiejszy pantografy połówkowe stosowane są powszechnie na wszystkich nowych elektrycznych pojazdach szynowych. Najdoskonalsze obecnie konstrukcje umożliwiają prawidłową współpracę przy odbiorze energii elektrycznej, przy prędkości ponad 350km/h.


Odbieraki prądu górne składają się z trzech głównych elementów: podstawy z napędem, ramy przegubowej i ślizgacza.

a) Podstawa - to nieruchomy element konstrukcji pantografu, do której przymocowane są części ruchome i układ napędowy. Podstawa jest przymocowana do dachu pojazdu trakcyjnego za pośrednictwem izolatorów wsporczych, izolujących elektrycznie pantograf od pudła pojazdu trakcyjnego.

    Izolator wsporczy podstawy do dachu


Układ napędowy służy do podnoszenia odbieraka i utrzymywania go w pozycji podniesionej, zapewniając jednocześnie prawidłową siłę docisku do przewodu jezdnego oraz jego opuszczania z zapewnieniem wymaganej siły opuszczającej, a w pozycji dolnej siły utrzymującej go w położeniu złożonym.

    Podstawa odbieraka AKP - na powiększeniu opis opuszczania


W taborze kolejowym stosowany jest napęd pneumatyczny, którego elementem wykonawczym w podstawie jest cylinder powietrzny z tłoczyskiem (siłownik), który za pośrednictwem rur i węży połączony jest z układem pneumatycznym pojazdu. Tłoczysko natomiast połączone jest poprzez układ przekładni siłowych z wałem ramy przegubowej.

    Siłownik pneumatyczny - na powiększeniu opis podnoszenia


W nowoczesnych konstrukcjach rolę cylindra zastąpił siłownik mieszkowy (pneumatyczna sprężyna fałdowa).

    Sprężyna fałdowa w podstawie

  Napęd odbieraka jednoramiennego (opis na pow.)


b) Ruchoma rama przegubowa składa się z układu ramion połączonych przegubowo. Układ ten służy do regulacji pionowej wysokości ślizgacza oraz zapewnia jego docisk na skutek działania układu napędowego.


c) Ślizgacz zwany tez potocznie kołyską to część realizująca bezpośredni styk z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej. Ślizgacz montowany jest do ramy przegubowej (ramion) elastycznie poprzez zastosowanie np. małego pantografu lub układu elementów sprężystych. Rozróżnia się ślizgacze pojedyncze, w których nakładki ślizgowe powiązane są ze sobą w sposób sztywny oraz ślizgacze bliźniacze w których zastosowane są dwa zestawy nakładek ślizgowych niezależnych lub powiązanych elastycznie.

    Ślizgacz pojedynczy (opis na powiększeniu)

    Ślizgacz bliźniaczy (opis na powiększeniu)


Nakładki ślizgowe to elementy bezpośrednio stykające się z przewodem jezdnym. Wykonane mogą być z miedzi przewodowej lub rafinowanej ogniowo, stali krzemowo - manganowej, węgla metalizowanego, węgla twardego, spieku na bazie miedzi i żelaza. Parametry nakładek muszą być odporne na nagrzewanie i spełniać wymagania dotyczące obciążalności prądowej. W przypadku stosowania nakładek miedzianych ślizgacz pokrywa się warstwą smaru grafitowego, który zmniejsza rezystancję i tarcie, a jednocześnie jest źródłem bardzo widocznych zabrudzeń pojazdów.

    Nakładki miedziane

    Nakładka węglowa


Po zewnętrznych stronach ślizgaczy znajdują się nabieżniki, które służą do wprowadzania przewodu jezdnego dochodzącego z boku na część roboczą ślizgacza.

    Nabieżnik ślizgacza


Nabieżnik zabezpiecza również przed wpadnięciem przewodu jezdnego pod ślizgacz, co doprowadziłoby do uszkodzenia pantografu i sieci trakcyjnej. Nakładki ślizgowe podlegają okresowej wymianie na nowe w miarę zużycia.
W 2011 roku na zelektryfikowanych liniach zarządzanych przez PKP PLK S.A. został wprowadzony zakaz eksploatacji pojazdów trakcyjnych z nakładkami miedzianymi w wyniku czego wszyscy przewoźnicy zostali zobligowani do wymiany nakładek na węglowe.

Pod względem elektrycznym odbierak prądu musi zapewniać prawidłowy przepływ energii elektrycznej przez swoją konstrukcję. Przegubowa budowa pantografów stwarza szczególnie właśnie w rejonie przegubów miejsca zakłóceń dla toru prądowego biegnącego z przewodu jezdnego, przez ślizgacz, ramę przegubową, do zacisku wyjściowego znajdującego się w ramie podstawy. Z tego powodu na przegubach stosuje się tak zwane łączniki bocznikujące. Są to elementy wykonane z giętkiej linki lub taśmy miedzianej, które poprawiają przepływ energii elektrycznej przez odbierak. Łączniki bocznikujące występują na łączeniach pomiędzy ślizgaczem, a ramionami górnymi, na przegubie ramion górnych z dolnymi oraz pomiędzy ramionami dolnymi, a ramą podstawy.

    Łączniki bocznikujące na przegubie ramion


Jeżeli na pojeździe trakcyjnym zamontowane są na przykład dwa odbieraki prądu to pracują one równolegle. Pantografy są ze sobą połączone i nawet jeżeli tylko jeden jest podniesiony (styka się z siecią jezdną), to drugi również jest pod napięciem. Połączenie elektryczne pantografów realizują sztywne szyny lub przewody prowadzone po dachu.

    Szyna prądowa odbieraków na dachu - ET22


Istnieje możliwość elektrycznego rozłączenia pantografów od siebie np. w sytuacji uszkodzenia jednego z nich. Do tego celu służą odłączniki, które znajdują się, w zależności od rozwiązania, na dachu lub wewnątrz pojazdu.

    Odłącznik nożowy pantografu - EU07 (opis na pow.)

    Odłączniki nożowe pantografów - EN57 (opis na pow.)

   Odłącznik pantografu - ED59



Przykład połączeń WN na dachu EZT EN57/71


W lokomotywach wielosystemowych stosowane są nawet cztery odbieraki prądu, które spełniają odpowiednio parametry do współpracy z danym systemem zasilania.


Podniesienie odbieraka prądu do pozycji roboczej (styk z przewodem jezdnym) umożliwia pełne uruchomienie pojazdu trakcyjnego dzięki podłączeniu go do zasilania. Jak wspomniałem wcześniej w pojazdach kolejowych do podnoszenia odbieraków prądu wykorzystywany jest napęd pneumatyczny, znajdujący się w podstawie. Jednak, aby on zadziałał potrzebne jest sprężone powietrze nabite przez sprężarkę. Do uruchomienia sprężarki głównej w pojazdach potrzebne jest napięcie sieciowe, którego przy opuszczonym pantografie w pojeździe nie ma. Z tego też powodu w celu podniesienia odbieraków prądu przy uruchamianiu pojazdu w przypadku braku ciśnienia, w zbiorniku głównym, pantografy posiadają niezależną sprężarkę ze zbiornikiem, która zasilana jest z baterii akumulatorów. Najpierw załącza się ją, a po nabiciu przez nią powietrza, maszynista podnosi pantograf. Po zasileniu pojazdu napięciem sieciowym, układ pneumatyczny pantografów zostaje przełączony na zasilanie ze sprężarki głównej (głównego układu pneumatycznego).

    Sprężarka pantografu - EU07


W tramwajach napęd odbieraków prądu jest ręczny lub elektryczny. Ręczny stanowi lina połączona z ramą przegubową. Motorniczy ciągnąc za nią opuszcza pantograf. Chcąc go podnieść luzuje linę w wyniku czego sprężyny podnoszą go samoczynnie do góry. W napędzie elektrycznym zastosowany jest siłownik elektryczny sterujący pracą odbieraka.

    Pantograf tramwajowy OTK-1 z linką napędu ręcznego

    Podstawa pantografu OTK-1 z siłownikiem elektrycznym



Przewody jezdne sieci trakcyjnej kolejowej zawieszane są na wysokości od minimalnej 4900mm do maksymalnej 6200mm ponad główkę szyny. W takim zakresie wysokości ślizgacz musi mieć zapewniony prawidłowy docisk do przewodu jezdnego. Wartość docisku powinna wynosić od 85 do 95N w każdym położeniu ślizgacza. Ciekawostką jest fakt, że w zimie docisk powinien być większy niż w lecie. Jest to spowodowane tym, że w zimie ślizgacz często musi zdzierać szron z przewodów jezdnych. Na lato docisk się zmniejsza, aby nie następowało nadmierne ścieranie się przewodów jezdnych sieci trakcyjnej.


Wymiary odbieraków prądu


Do mierzenia prawidłowości pracy odbieraka prądu, a więc siły jego docisku, czasu podnoszenia i opuszczania, itp. służy specjalny przyrząd pomiarowy sterowany komputerowo.

    Przyrząd pomiarowy pracy pantografu

    ET22-2000 na stanowisku pomiarowym



W Zakładzie Północnym PKP INTERCITY S.A. mieści się stacja prób powstała przy współpracy PKP z Politechniką Gdańska, przeznaczona do dynamicznego pomiaru parametrów odbieraków prądu.
Kliknij w poniższy link, aby zobaczyć więcej informacji na jej temat

     
Opis stacji prób odbieraków pradu w Gdyni Grabówku





Konfiguracja podnoszenia odbieraków prądu podczas jazdy:
Na koniec wytłumaczę dlaczego niektóre pojazdy trakcyjne w wybranych sytuacjach, jeżdżą na dwóch podniesionych odbierakach prądu, albo tylko na jednym przednim lub tylnym.

Jazda z podniesionym tylnym odbierakiem jest najbardziej optymalna, gdyż w przypadku złamania podniesionego odbieraka prądu nie opadnie on na pantograf złożony przez co będzie możliwa jazda awaryjna na pantografie przednim. Poza tym następuje zużycie nakładek ślizgowych tylko jednego slizgacza. Drugi pantograf pełni funkcję rezerwową.


  EU07-117 z podniesionym tylnym odbierakiem


Występują jednak sytuacje, gdy jednoczłonowy elektrowóz powinien mieć podniesione obydwa pantografy:
1) podczas postoju, by ograniczyć punktowe przeciążnie sieci trakcyjnej, szczególnie gdy załączne jest ogrzewanie wagonów. Systuację jazdy na dwóch odbierakach można łatwo zauważyć na stacjach kolejowych, gdzie podczas hamowania maszynista podnosi przedni pantograf na czas postoju, a po ponownym ruszeniu opuszcza go z powrotem.

  EU07-325 w Gdynii z dwoma pantografami podczas postoju


2) podczas jazdy z ciężkim składem towarowym, gdy pobór prądu z sieci trakcyjnej jest duży, by ograniczyć punktowy pobór energii powodujący przegrzewanie się przewodu jezdnego i nakładek ślizgowych maszyniści podnoszą drugi pantograf w wyniku czego pobór energii dzieli się na dwa.

  ET22-946 z ciężkimi węglarkami


3) podczas jazdy w mrozie, gdy przewody jezdne sieci trakcyjnej są oszronione może wystapić problem z prawidłowym odbiorem energii z przewodu jezdnego, gdyż warstwa szronu będzie za gruba, a nacisk ślizgacza za mały by zdzierać szron i jednocześnie nieprzerwanie pobierać prąd. W takiej sytuacji maszynista podnosi przedni pantograf, który służy do zdzierania szronu, a drugi pantograf pobiera energię.




W przypadku lokomotyw dwuczłonowych z czterema pantografami jazda powinna odbywać się na dwóch odbierakach prądu - drugiego na każdym członie (sekcji) dla danego kierunku jazdy.

  ET40-50 na tylnych pantografach



Specyficznie sytuacja wygląda w przypadku jazdy ukrotnionej dwóch elektrowozów. Przy takiej jeździe pierwsza lokomotywa ma podniesiony pierwszy pantograf, a drugi jest opuszczony. W drugiej lokomotywie natomiast podniesiony jest prawidłowo tylko tylny pantograf. Dlaczego pierwszy pantograf, a nie jak w elektrowozach dwuczłonowych drugi i czwarty? Odpowiedź jest prosta - jazda na drugim pantografie w pierwszej lokomotywie zagrażałaby kabinie drugiej lokomotywy. W przypadku połamiania pantografu spadłby on bezpośrednio na okna kabiny drugiej lokomotywy, przez co mimo sprawnych pantografów musiałaby zostać wyłączona z eksploatacji, a gdyby przebywał tam maszynista byłby tym samym narażony na uszczerbek na zdrowiu.

Analogicznie jak w elektrowozach systuacja wygląda w elektrycznych zespołach trakcyjnych.

  EN57 - jazda na drugim pantografie

  EN71 - jazda na drugich pantografach

  EN57 podczas postoju (2 pantografy)

Do początku strony

2) Odbieraki dolne:
Jak wspomniałem na początku odbieraki dolne stosowane są głównie w kolejach miejskich i w metrze. Zastosowanie w układzie zasilania szyny prądowej zwanej trzecią szyną jest tańsze w stosunku do budowy i eksploatacji sieci trakcyjnej napowietrznej jednak rozwiązanie stwarza ograniczenia w postaci konieczności wydzielania obszaru torów tak, by uniemożliwić wstęp osobom postronnym (ryzyko porażania prądem). Ten układ zasilania idealnie nadaje się właśnie do metra, gdzie pasażerowie przebywają wyłącznie na peronach położonych ponad torami.

  Odbierak prądu dolny (opis na powiększeniu)


Odbieraki dolne zabudowane są na wózkach pojazdów trakcyjnych. Składają się z części stałej oraz ruchomego ślizgacza dociskanego do szyny za pośrednictwem sprężyn. Odbieraki dolne montowane
są podłużnic ramy wózka (belek ostojnicowych), na specjalnym wsporniku do maźnicy zestawu kołowego lub za pośrednictwem specjalnej belki międzymaźniczej, która przymocowana jest do korpusów maźnic.


W pierwszym rozwiązaniu może wystąpić sytuacja, że przy dużym obciążeniu lub przechyłach wagonu ślizg odbieraka może opaść niżej niż zakres jego ruchu roboczego w wyniku czego nastąpi przerwa w zasilaniu. Przy zabudowie na maźnicy lub zastosowaniu belki międzymaźniczej odbieraki mają zawsze wysokość uzależnioną od zestawu kołowego.
Istnieją dwa rodzaje typowych szyn prądowych. Pierwszy typ, najbardziej popularny, to szyny w których część robocza (ślizgowa) przebiega po spodniej stronie szyny. Przykładowo natomiast w metrze budapesztańskim zastosowane są szyny z powierzchnią roboczą znajdująca się na górnej stronie szyny. Do typów szyn oczywiście dostosowane są odpowiednio odbieraki prądu, które posiadają ślizgi odpowiednio od górnej lub spodniej strony ślizgacza i są poprzez sprężyny odpowiednio dociągane ku górze lub ku dołowi.

  Szyna prądowa z częścią roboczą od dołu

  Szyna prądowa z częścią roboczą od góry

  Wózek jadący wzdłuż 3 szyny

  Szyny prądowe wzdłuż torów

Do początku strony


Powrót