Opis wybranych układów i zespołów w tramwajach > Odbieraki prądu

Odbieraki prądu pojazdów szynowych to aparaty służące do ruchomego połączenia stykowego przewodu jezdnego sieci trakcyjnej z elektrycznym obwodem głównym pojazdu trakcyjnego. Ich rozwój nastąpił wraz z pojawieniem się pierwszych elektrycznych pojazdów trakcyjnych.

Odbieraki prądu stosowane w pojazdach szynowych dzieli się na górne, czyli te przystosowane do odbioru energii z napowietrznej (górnej) sieci jezdnej dolne, które umożliwiają odbiór z sieci dolnej czyli np. tzw. trzeciej szyny.
Na przestrzeni lat powstało wiele rodzajów i odmian odbieraków prądu. W komunikacji tramwajowej najpopularniejsze są odbieraki prądu górne.
Odbieraki dolne, używane są głównie na liniach metra oraz szybkich kolei miejskich, gdzie do infrastruktury nie mają dostępu osoby postronne. Ich opis zawarty jest w rodziale dotyczącycm odbieraków prądu kolejowych.

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 drążkowe. Unowocześnieniem tej konstrukcji stały się odbieraki prądu pałąkowe typu „lira”, w których krążek lub łyżwę zastąpiono poprzeczną listwą ślizgową. Zastosowanie poprzecznego ślizgu wyeliminowało problem przejazdu przez skrzyżowania i rozjazdy, gdzie ślizg odbieraka prądu „gładko” przechodził z przewodu na przewód. Rozwiązanie z ślizgami poprzecznymi 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”). Uelastycznienie konstrukcji odbieraka prądu wpłynęło na możliwość znaczącego zwiększenia prędkości jazdy pojazdów szynowych, przy zachowaniu odpowiednich parametrów dynamicznej współpracy z przewodem jezdnym, trwałości oraz zapewnieniu jednakowych parametrów eksploatacyjnych przy jeździe w obydwóch kierunkach.

Poniżej zamieszczam rys historyczny z podstawową charakterystyką odbieraków prądu - górnych

Odbieraki wózkowe czyli takie, których konstrukcja oparta była na wózku wyposażonym w rolki (krążki), które toczyły się po przewodzie trakcyjnym. Wózek z kolei był połączony z pojazdem liną. Jadący pojazd ciągnął za sobą wózek, odbierający energię elektryczną z przewodu trakcyjnego. Wady tego rozwiązania są analogiczne jak przy odbierakach drążkowych opisanych poniżej. Dodatkowo pozostaje kwestia nierównomiernej jazdy wózka względem prędkości jazdy pojazdu jak również samej płynności odbioru energii związanej ze stykiem krążków z przewodem. Docisk wózka do przewodu trakcyjnego był uzyskiwany po prostu z siły grawitacji - nacisku wózka z rolkami na przewód trakcyjny.


Odbierak wózkowy - schemat



Odbieraki drążkowe to takie, w których na dachu pojazdu zamontowany jest drążek zakończony krążkiem (odbierak krążkowy /rolkowy/) lub łyżką (odbierak łyżkowy /ślizgowy/). W pierwszym przypadku krążek (rolka) dociskany jest do przewodu trakcyjnego. W rozwiązaniu łyżkowym, odpowiednio ukształtowana głowica ze ślizgiem w kształcie litery "U" jest dociskana i ślizga się po przewodzie trakcyjnym. Sprężyna zastosowana pomiędzy podstawą odbieraka, a drążkiem powoduje dociskanie drążka z zakończeniem odbierającym do przewodu trakcyjnego. Podstawową wadą tego rozwiązania jest konieczność stosowania zwrotnic w przewodzie trakcyjnym na obszarze rozjazdów, czyli tam gdzie następuje rozgałęzienie torów, a więc i przewodów jezdnych sieci trakcyjnej. Takie rozwiązanie umożliwia przejazd krążka / łyżki odbieraka na przewód trakcyjny zgodny z obranym kierunkiem jazdy wybranym torem. Dodatkowo w takim rozwiązaniu możliwa jest jazda tylko jednokierunkowa. Zmian kierunku przy braku pętli wymaga zastosowania konstrukcji umożliwiającej przestawienie odbieraka, tak by jazda odbywała się "z włosem". Dodatkowo w rozwiązaniu krążkowym problematyczne jest sposób przekazania energii elektrycznej z obracającego się krążka na drążek. Konieczne jest stosowanie układu szczotek (styków), trących po krążku i zapewniających tym samym przepływ energii elektrycznej z obracającego się krążka z ominięciem łożyska. Efektem tego styku (tarcia) jest zużywanie się elementów i konieczność prowadzenia czynności utrzymaniowo - naprawczych, jak również uszkodzenia i awarie.


Odbieraki drążkowe - schematy


Odbieraki drążkowe łyżkowe, można spotkać na przykład w trolejbusach. Tam stosowane są odbieraki łyżwowe w wersji podwójnej z racji tego, że sieć jezdna jak i powrotna obwodu trakcyjnego jest napowietrzna ze względu na brak szyn toru.


 
Odbierak prądu łyżowy podwójny w trolejbusie

 
Łyżki ślizgowe

 
Zwrotnica sieciowa w sieci trolejbusowej



Łuk elektryczny ciągnięty przez łyżkę ślizgową odbieraka



Przekładanie odbieraka prądu drążkowego (łyżkowego) przy zmianie kierunku jazdy



Odbieraki pałąkowe to rozwiązanie w którym wyeliminowano problem konieczności stosowania zwrotnic sieciowych w celu jazdy w wybranym kierunku na rozjazdach torowych. Odbieraki pałąkowe zwane też odbierakami typu lira (ze względu na charakterystyczny kształt głównej części odbieraka), wyposażone zostały w poprzeczną listwę ślizgową, która styka się z przewodem trakcyjnym. Dzięki takiej formie ślizgu, przewód trakcyjny nie był obejmowany przez obrzeża krążka, czy krawędzie łyżwy ślizgowej. Przewód trakcyjny może swobodnie poruszać się po obszarze ślizgu, co przy zapewnieniu odpowiedniego docisku ślizgu do przewodu, wpłynęło na znacznie lepszą współpracę odbieraka z siecią i przepływ energii elektrycznej. Co ważne umożliwiło to jak wspomniałem wcześniej na bezproblemową jazdę pod rozgałęzieniami sieci, gdyż przewód dochodzący z bocznego kierunku wślizguje się samoczynnie na część ślizgową odbieraka prądu i analogicznie przewód samoczynnie ześlizguje się z listwy ślizgowej odchodząc na bok np. zgodnie z torem przebiegającym w innym kierunku.
Z racji sztywnego ramienia (pałąka) pozostała problematyczna dwukierunkowość jazdy. W celu jazd w dwóch kierunkach bez stosowania pętli, czyli zawracania pojazdu konieczne było zastosowanie specjalnej konstrukcji odbieraka, umożliwiającej jego obracanie o 180 stopni. Innym rozwiązaniem było wprowadzenie na końcówkach odcinka sieci ze zwiększającą się wysokością zawieszenia przewodu trakcyjnego, tak by odbierak prądu przekładał się odpowiednio do kierunku jazdy. Chodzi o to, aby jazda odbywała się zawsze z tzw. włosem, czyli położenie pałąka odbieraka było po skosie zgonie z kierunkiem jazdy. Jazda "pod włos" byłaby ryzykowna i doprowadziłaby do szybszego zużywania ślizgów oraz w efekcie uszkodzenia odbieraka jak również nawet zerwania sieci.


Odbieraki pałąkowe - schematy

 
Odbierak pałąkowy na tramwaju


Obrotowa podstawa pałąkowego odbieraka prądu umożliwiająca dwukierunkową jazdę trmawajem (opis na powiększeniu)

Omówiony sposób współpracy ślizgu z przewodem trakcyjnym jest obecnie powszechnie stosowanym rozwiązaniem w nowoczesnych odbierakach prądu omówionych w dalszej części rozdziału.


W obecnie eksploatowanych tramwajach powszechnie stosuje się odbieraki prądu oparte o działanie mechanizmu pantografowego. Rozróżnia się trzy rodzaje pantografów stosowanych w tramwajach:
a) czteroramienne - symetryczne (tzw. nożycowe) - starszego typu pantografy - mają kształt dwóch pięciokątów połączonych poprzeczkami,
b) dwuramienne - symetryczne (tzw. wiedeńskie) - starszego typu pantografy - mają kształt pięciokąta z pojedynczymi ramionami dolnymi,
c) jednoramienne - niesymetryczne (tzw. połówkowe) - najnowocześniejsza odmiana pantografów powszechnie stosowane w nowobudowanym i modernizowanym taborze - mają kształt tworzący kinematycznie dwa czworoboki.

Wymagania stawiane nowoczesnym odbierakom prądu:
- mały ciężar (masa),
- mała bezwładność,
- elastyczność konstrukcji,
- jednakowa siła docisku do przewodu jezdnego w każdej pozycji zakresu wysokości roboczej,
- wysoka stateczność poprzeczna,
- niskie opory aerodynamiczne,
- jednakowe parametry dynamiczne niezależnie od kierunku jazdy,
- niska rezystancja dla energii elektrycznej.



Schemat odbieraka prądu pantografowego



a) Odbieraki prądu czteroramienne (nożycowe)
Na początku XX wieku w stosowanych czteroramiennych odbierakach prądu stosowano ślizgacz typu sztywnego, czyli taki, który nie był zamontowany do ramy przegubowej w sposób elastyczny, a sama konstrukcja pantografów była ciężka. Powodowało to gorsze parametry eksploatacyjne w zakresie współpracy z siecią. Rozwój konstrukcji doprowadził do wprowadzenia podatnie zamontowanego ślizgacza oraz odchudzanie konstrukcji w celu redukcji masy.
W zakresie elastycznych ślizgaczy stosowano początkowo rozwiązania z układem pałąkowym lub ramkowym montowanym do ramy przegubowej. Zamocowanie ramki ze ślizgiem było wspomagane mechanizmem sprężynowym. Sprężyny zamontowane były między górnymi ramionami ramy przegubowej, a ramką ślizgacza. Poniższa fotografia przedstawia taki pantograf.



Odbierak czteroramienny ze ślizgaczem ramkowym

W późniejszych konstrukcjach stosowane już były ślizgacze odpowiadające tym obecnie stosowanym w nowoczesnych pantografach.
Poniższy schemat przedstawia czteroramienny odbierak prądu stosowany na starszego typu tramwajach.



Schemat odbieraka prądu czteroramiennego


 
Odbierak prądu czteroramienny (opis na powiększeniu)

Odbieraki czteroramienne cechuje niekorzystna wysoka masa konstrukcji oraz duża liczba miejsc, gdzie występuje tarcie. Te dwie główne wady powodują pogorszenie parametrów pracy odbieraka. Zaletą takich konstrukcji jest wysoka stateczność poprzeczna dzięki czteropunktowemu oparciu ramy przegubowej w podstawie. Im masa i tarcie są mniejsze tym mniejsza jest bezwładność, a więc lepsza współpraca z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej, co ma szczególne znaczenie przy większych prędkościach jazdy.



b) Odbieraki prądu dwuramienne (tzw. wiedeńskie)
Odbieraki prądu dwuramienne powstały w celu obniżenia masy konstrukcji w stosunku do pantografów nożycowych. Składają się z dwóch ram przegubowych w układzie symetrycznym.
Dolne ramiona są pojedyncze, natomiast górne podwójne w układzie "V". Wyeliminowanie ramion dolnych obniżyło masę lecz wpłynęło na większe ryzyko zmniejszenia stateczności poprzecznej.



Schemat odbieraka prądu dwuramiennego

  
Odbierak prądu dwuramienny (opis na powiększeniu)

W celu obniżenia masy i oporu aerodynamicznego projektanci dążą do konstruowania jak najlżejszych pantografów przy zachowaniu właściwych parametrów wytrzymałościowych i eksploatacyjnych. Prowadzone badania i eksperymenty doprowadziły do skonstruowania pantografów jednoramiennych – tak zwanych połówkowych (Faiveley'a).



c) Odbieraki prądu jednoramienne


Schemat odbieraka prądu jednoramiennego

  
Odbierak prądu jednoramienny (opis na powiększeniu)

Potoczna nazwa „połówkowe” wzięła się z wyglądu pantografów, a mianowicie że są one niesymetryczne, czyli stanowią „połówką” pantografu dwuramiennego. Zastosowano w nich jedną ramę przegubową wspomaganą prowadnikami, co znacznie obniżyło masę i uelastyczniło konstrukcję. Odbieraki te mimo wyeliminowania połowy konstrukcji zachowują zbliżone parametry przy jeździe do przodu i do tyłu.


Budowa współczesnych odbieraków prądu

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

   
Układ kinematyczny odbieraka prądu jednoramiennego (połówkowego)
A - ślizgacz
B - rama przegubowa
B1 - ramię dolne
B2 - rama górna
B3- prowadnik ramy górnej
B4 - prowadnik ślizgacza
C - podstawa
D - izolator wsporczy


ŚLIZGACZ zwany też potocznie kołyską to część odpowiadająca za bezpośrednią współpracę z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej. Bezpośredni styk z przewodem trakcyjnym realizują nakładki ślizgowe przymocowane do korpusu ślizgacza. Powszechnie obecnie stosowane są ślizgacze bliźniacze, czyli składające się z dwóch równoległych płóz z nakładkami ślizgowymi.

       
Ślizgacze bliźniacze (opis na powiększeniu)

Ślizgacz montowany jest do ramy przegubowej (ramion) elastycznie przez układy usprężynowania. Zamocowanie ślizgacza do ramy musi zapewniać odpowiednią podatność, zapewniającą elastyczność w celu prawidłowej współpracy z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej. Podczas jazdy występują intensywne drgania, przesunięcia, nawet uderzenia. Układ usprężynowania ślizgacza musi też tłumić drgania, tak by zapewnić ciągły styk z przewodem jezdnym w celu nieprzerwanego zasilania energią elektryczną w zakresie prędkości eksploatacyjnych, do których pantograf został zaprojektowany. W zakresie usprężynowania można spotkać np. układy ze sprężynami śrubowymi, czy też płytkami sprężystymi.
Poniższe fotografie przedstawiają wybrane sposoby mocowania usprężynowanego ślizgacza do ramy przegubowej.

           
Przykładowe rozwiązania zamocowania ślizgacza do ramy przegubowej

 
Wymiary ślizgacza
A - długość całkowita ślizgacza
B - długość części roboczej ślizgacza
C - wysokość ślizgacza
Dodatkowo podaje się również szerokość ślizgacza, czyli rozstaw płóz z nakładkami.

Nakładki ślizgowe to elementy bezpośrednio stykające się z przewodem jezdnym. Parametry nakładek muszą być wytrzymałe i oporne na dużą udarność oraz odporne na nagrzewanie i spełniać wymagania dotyczące obciążalności prądowej.
W pojazdach tramwajowych powszechnie stosuje się nakładki wykonywane jako kompozyty węglowo-metaliczne. Najczęściej są to spieki węgla w postaci grafitu z miedzią i innymi metalami jak cyna, antymon itp. Taki rodzaj nakładek nazywa się nakładkami elektrografitowymi (węglowymi).

     
Nakładki węglowe (elektrografitowe)

  
Styk przewodu trakcyjnego z nakładkami

Nakładki węglowe na skutek tarcia o przewód trakcyjny powodują ścierają się. W związku z tym nakładki muszą przechodzić regularnie oględziny w tym pomiary ich grubości. Gdy nakładka osiągnie minimalną grubość, konieczna jest jej wymiana na nową.
Współpraca cierna z przewodem trakcyjnym powoduje zabrudzenia pojazdów. Ścierany grafit rozbryzgiwany jest na skutek jazdy i osiada głównie na dachu pojazdu. Na poniższej fotografii widać dach pojazdu z zabrudzeniem za pantografem.

   
Zabrudzenie dachu od odbieraka prądu (opis na powiększeniu)

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

   
Nabieżniki ślizgacza

Nabieżniki zabezpieczają również przed wsunięciem się przewodu jezdnego pod ślizgacz, co doprowadziłoby do uszkodzenia pantografu i sieci trakcyjnej.

W celu zapewnienia równomiernego zużywania się nakładek ślizgowych przewody trakcyjne sieci jezdnej muszą być prowadzone nad torem z zastosowaniem tzw. zygzakowania. Zabieg ten powoduje, że przewody trakcyjne ślizgają się podczas jazdy po całym obszarze roboczym nakładek ślizgowych.

   
Zygzakowanie sieci jezdnej

Kliknij tutaj i zobacz opis zygzakowania sieci jezdnej.

Poniżej zamieszczony jest odnośnik do filmu, pokazującego współpracę przewodu trakcyjnego z nakładkami ślizgowymi (kamera zamontowana na ślizgaczu).




RAMA PRZEGUBOWA składa się z układu ramion połączonych przegubowo. Stanowi ona konstrukcję nośną dla ślizgacza i służy do regulacji pionowej wysokości ślizgacza oraz zapewnienia jego docisku na skutek działania układu napędowego.

   
Rama przegubowa - przegub (opis na powiększeniu)


PODSTAWA - to nieruchomy element konstrukcji pantografu, do której przymocowane są części ruchome i układ napędowy. Podstawa jest przymocowana do dachu tramwaju za pośrednictwem izolatorów wsporczych, izolujących elektrycznie pantograf od nadwozia. Elementy składowe ramy wykonane są najczęściej z profili metalowych odpowiednio spawanych. Połączenia przegubowe są łożyskowane.

       
Przykładowe podstawy (opis na powiększeniu)

   
Izolatory wsporcze podstawy do dachu

W podstawie znajdują się elementy układu napędowego odpowiedzialnego za realizację:
- podnoszenia i utrzymania go w pozycji podniesionej,
- opuszczania pantografu,
- dostosowania wysokości ślizgacza do aktualnej wysokości zawieszenia przewodów trakcyjnych,
- generowania odpowiedniej siły docisku ślizgacza do przewodów w celu zapewnienia nieprzerwanego odbioru energii,
- w pozycji opuszczonej generowania odpowiedniej siły utrzymującej odbierak w położeniu dolnym.


W tramwajach wyróżnia się dwa rodzaje napędów pantografów. W starego typu tramwajach stosowany jest napęd ręczny. Do ramy przegubowej przymocowana jest poprzez izolator lina, która biegnie do wnętrza kabiny tramwaju. Ciągnąc za linę powodujemy opuszczanie odbieraka prądu. Popuszczanie liny powoduje jego podnoszenie.

   
Lina zamontowana do odbieraka prądu

   
Przejście liny przez dach do kabiny

   
Lina zaczepiona w kabinie w celu utrzymania odbieraka prądu w dolnej pozycji

   
Lina w poręczy za kabiną (wagon typu E1) - lokalizacja wskazana na powiększeniu



Ruch liny napędu ręcznego na skutek zmiany wysokości odbieraka prądu.



W nowoczesnych jak i modernizowanych pojazdach stosuje się powszechnie napędy elektryczne pantografów. W podstawie odbieraka zamontowany jest mechanizm zwany ściągaczem elektrycznym.
Najczęściej zamontowany jest on pomiędzy wałem ramienia dolnego, a wspornikiem w podstawie.

           
Przykładowe ściągacze elektryczne (opis na powiększeniu)


Opuszczanie i podnoszenie odbieraka prądu z napędem elektrycznym


Pracą ściągacza steruje się z kabiny motorniczego poprzez manipulatory pulpitowe. Uruchomienie podnoszenia powoduje, że cięgno ściągacza przesuwa się przez co sprężyna (sprężyny) napędowa podnosi ramę przegubową. Uruchomienie procedury opuszczania powoduje, że ruch cięgna ściągacza generuje siłę przeciwstawiającą się sile sprężyny (sprężyn) napędowej w postawie przez co rama przegubowa zostaje opuszczona.
Ze względu na to, że pantograf podczas kontaktu z przewodem trakcyjnym jest cały pod napięciem, to ściągacz zamontowany jest na izolatorach, tak by był odizolowany od konstrukcji odbieraka. Ściągacz zasilany jest napięciem z baterii akumulatorów (sieci pokładowej).
W przypadku awarii ściągacza lub rozładowanych bateriach akumulatorów pantograf można podnieść ręcznie przez użycie ręcznej korby, która znajduje się na wyposażeniu tramwaju. Gniazdo dla korby znajduje się w suficie, w pobliżu miejsca lokalizacji pantografu. Moment obrotowy generowany przez korbę przenoszony jest do napędu pantografu przez tzw. wałek giętki. Około trzydziestu obrotów korbą powoduje podniesienie pantografu. Kręcąc korbą w przeciwną stronę następuje jego opuszczenie.

   
Gniazdo korby w suficie do awaryjnego sterowania odbierakiem prądu

       
Wałek giętki pomiędzy gniazdem w suficie, a ściągaczem odbieraka prądu (opis na powiękzeniu)

   
Korba w kabinie



Zakresy pracy odbieraków prądu
Pod względem zakresów wysokości pracy odbieraków prądu rozróżnia się wysokość konstrukcyjną oraz wysokość roboczą. Wysokość konstrukcyjna to zakres od położenia ślizgacza w najniższej pozycji dolnej (stan opuszczony) do położenia najwyższego w jakim może znaleźć się ślizgacz. W zakresie konstrukcyjnym mieści się wysokość robocza, czyli ta w której odbierak prądu może pracować podczas normalnej eksploatacji, zapewniając prawidłową współpracę z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej.

   
Zakresy pracy odbieraka prądu i siła docisku

Odbieraki prądu muszą być zamontowane na dachu pojazdu tak, aby prawidłowo współpracowały z przewodem trakcyjnym zawieszonym na wysokościach od 4,1 m do 6,0 m, licząc od poziomu główki szyny oraz odsuwu przewodu jezdnego od osi toru (zygzakowanie) w zakresie 0,3 m na prostej, 0,4 m na łuku.


   
Zakres roboczy

Zasadniczo odbieraki prądu montuje się bezpośrednio nad wózkami, bo wtedy pewne jest, że będą odpowiednio współpracować z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej. W aspekcie umiejscowienia pantografu na dachu pojazdu chodzi o prawidłową współpracę jego ślizgacza z przewodem trakcyjnym na łukach torów. Z punktu widzenia odcinków prostych lokalizacja odbieraka prądu w odniesieniu do długości pojazdu nie ma znaczenia. Na zakrętach prowadzenie przewodu trakcyjnego nad torem przybiera kształt wieloboku z wierzchołkami w miejscach jego podwieszenia do konstrukcji wsporczych. Z tego powodu lokalizacja odbieraka prądu nad wózkiem (wg zasady, że ślizgacz pantografu zlokalizowany jest w osi poprzecznej wózka lub w osi zestawu kołowego) powoduje, że współpraca odbieraka prądu z przewodem jezdnym będzie prawidłowa. Wynika to z tego, że wózek jadąc po torze, porusza się zawsze analogicznie względem jego osi oraz w stosunku do nadwozia. Względem osi toru zawieszony jest też przewód trakcyjny w kształcie wspomnianego wcześniej wieloboku. Zabudowa odbieraka prądu poza strefą wózka może doprowadzić do sytuacji, że przy jeździe po łuku, gdy nadwozie zachodzi, tworząc względem łuku torowego cięciwę, przewód trakcyjny może znaleźć się poza obszarem roboczym ślizgacza. Są jednak tramwaje (nieliczne), w których odbieraki prądu nie są nad wózkami, ale taka lokalizacja musi być potwierdzona analizami w zakresie współpracy ślizgacza z przewodem trakcyjnym. Lokalizacja pantografu w takim przypadku jest analizowana z punktu widzenia kinematyki ruchów nadwozia względem osi toru i zawieszenia przewodu trakcyjnego. Zasadniczo jednak najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest pantograf nad wózkiem. Z punktu widzenia prowadzenia tramwaju im odbierak prądu jest bliżej kabiny (nad pierwszym wózkiem), tym lepiej, gdyż łatwiej zlokalizować prowadzącemu pozycję ślizgacza względem np. izolatorów sekcyjnych (miejsc, w których powinien przejechać na wybiegu). Zdarza się jednak, że pantografy ze względu na układ aparatury na dachu są bliżej środka pojazdu, lub nawet na jego końcu, patrząc w kierunku jazdy.


   
Schemat współpracy z przewodem jezdnym w zależności od pozycji odbieraka prądu na dachu

   
Przykładowe lokalizacje odbieraków prądu

W zakresie wysokości roboczej ślizgacz musi wywierać jednakową siłę nacisku na przewód trakcyjny w celu zapewnienia nieprzerwanego dopływu energii elektrycznej.


   
Docisk do przewodu trakcyjnego

Odpowiednie wyregulowanie siły nacisku ślizgacza na przewód jezdny sieci trakcyjnej jest bardzo istotne z punktu widzenia prawidłowej eksploatacji pantografu. Zbyt duży nacisk będzie powodował zbytnie unoszenie (wypieranie) przewodu trakcyjnego, co przyczyni się do zwiększonego tarcia i szybszego zużywania się przewodu, ale przede wszystkim nakładek ślizgowych. Zbyt mały docisk spowoduje z kolei, że na skutek jazdy i występujących drgań, nakładki ślizgowe będą odrywać sie od przewodu trakcyjnego, co doprowadzi do przerw w zasilaniu pojazdu, ale również powstawania łuków elektrycznych (iskrzenia) pomiędzy nakładkami, a przewodami. Wyładowania łukowe są niebezpieczne z punktu widzenia możliwości powstawania uszkodzeń - wysoka temperatura doprowadza do wypaleń w nakładkach oraz przewodach. Ze względu na zbyt małą siłę docisku ślizgacz wpada w drgania, powodując, że nakładki uderzają o przewód trakcyjny, co również może być źródłem ich uszkodzeń (wykruszenia, a nawet pęknięcia). Dlatego materiał z którego wykonane są nakładki musi mieć dużą udarność, wytrzymałość termiczną oraz jednocześnie być dobrym przewodnikiem energii elektrycznej. Duże wartości prądu pobierane tramwaje w normalnej eksploatacji powodują nagrzewanie się nakładek ślizgowych podczas odbioru energii trakcyjnej.

Wymagane wartości docisku pantografów do przewodów trakcyjnych określone są przepisami, a zakresy regulacyjne określa dokumentacja techniczna danego modelu odbieraka prądu. Wartości docisku stosowane obecnie mieszczą się w granicach od ok. 55 do 120 N.

   
Docisk ślizgacza do przewodu trakcyjnego (opis na powiększeniu)

Docisk ślizgacza odbieraka prądu - widoczne unoszenie przewodu jezdnego sieci

Odbieraki prądu stosowane w tramwajach są skonstruowane tak, że konstrukcja jest tzw. normalnie podniesiona. Uruchomienie napędu czyli pociągnięcie z linę lub włączenie ściągacza elektrycznego powoduje opuszczanie odbieraka prądu (stad nazwa: ściągacz). Zadaniem ściągacza jest wygenerowanie siły utrzymującej pantograf w położeniu dolnym. W napędzie ręcznym zamocowanie liny w kabinie napędowej powoduje utrzymanie pantografu w pozycji opuszczonej.
Za wytwarzanie odpowiedniej siły dociskającej ślizgacz do przewodu jezdnego sieci trakcyjnej odpowiada napęd pantografu w tym sprężyna napędowa i odpowiednia krzywka.
Istotne jest, aby odbierak prądu utrzymywał właściwy docisk również przy maksymalnej prędkosci jazdy, gdy występuje największy opór areodynamiczny od pędu powietrza, napierającego na konstrukcję odbieraka. Szczególnie w odbierakach połówkowych, w zależności od kierunku jazdy pęd powietrza może wpływać na zmniejszanie lub zwiększanie siły docisku.


   
Wpływ oporu aerodynamicznego na siłę docisku połówkowego odbieraka prądu

Bardzo ważnym elementem w układzie napędowym pantografu jednoramiennego jest powszechnie stosowana krzywka, której zadaniem jest wymuszenie takiego momentu obrotowego, działajacego na ramię dolne ramy przegubowej, aby uzyskana była stała wartość nacisku statycznego w każdej pozycji wysokości roboczej. Kształt profilu krzywki jest indywidualne dobrany na etapie projektowania do konkretnego modelu odbieraka prądu. Promień krzywki w stosunku do osi obrotu wału napędowego ramion dolnych zmienia się wraz ze zmianą położenia ramion. Dzięki odpowiedniemu profilowi krzywki siła generowana przez sprężynę (sprężyny) przy podnoszeniu / opuszczaniu generuje odpowiedni moment obrotowy utrzymując tym samym jednakową siłę nacisku statycznego ślizgacza na przewód trakcyjny w stosunku do aktualnej pozycji pantografu.

   
Krzywka układu napędowego (opis na powiększeniu)

Powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest układ, w którym moment na wał napędowy ramienia dolnego ramy przegubowej przenoszony jest ze sprężyny napędowej przez łańcuch napędowy, który nawija się na krzywkę.
Schemat układu kinematycznego napędu pantografu połówkowego przedstawia poniższy rysunek.


   
Schemat kinematyki układu napędowego

Do mierzenia prawidłowej pracy odbieraka prądu, a więc też siły jego nacisku statycznego, czasu podnoszenia i opuszczania, itp. służą specjalne przyrządy ręczne. Można jednak spotkać również specjalistyczne stanowiska pomiarowe zlokalizowane w ramach obiektów utrzymaniowo - naprawczych taboru.
Przewód trakcyjny zawieszony jest nad torem na różnych wysokościach zgodnie z przebiegiem trasy i występującym na niej ukształtowaniu infrastruktury. Stąd pantograf musi cały czas dostosowywać swoją wysokość do aktualnej wysokości zawieszenia przewodu trakcyjnego, w tym utrzymywać ciągły docisk ślizgacza do niego, o czym była mowa wcześniej. Obniżający się przewód trakcyjny napiera na nakładki ślizgowe, co powoduje generowanie siły pionowej, która przeciwstawia się sile sprężyny (sprężyn) napędowej, powodując obniżanie pantografu. Wznios wysokości przewodu trakcyjnego powoduje, że ślizgacz pantografu poprzez siłę generowaną przez sprężynę (sprężyny) napędową podąża za podnoszącym się przewodem utrzymując do niego ciągły docisk.

Elektryczny ściągacz pantografu nie bierze udziału w procesie zmiany jego wysokości podczas jazdy. Służy on tylko do podnoszenia i opuszczania pantografu, gdy zachodzi potrzeba odłączenia pojazdu od zasilania lub przywrócenia zasilania. Z tego powodu cięgno ściągacza połączone jest z wałem ramienia dolnego przez dźwignię wahliwą. Dźwignia ta służy do sprzęgania cięgna ściągacza z ramą przegubową. Podczas jazdy dźwignia wahliwa umożliwia swobodny ruch pantografu zgodny z wysokością zawieszenia przewodu trakcyjnego bez oddziaływania na ściągacz.


 
Przykładowa dźwignia wahliwa w napędzie odbieraka prądu (opis na powiększeniu)


   
Schemat kinematyczny dźwigni wahliwej podczas pracy odbieraka prądu

Cykl podnoszenia i cykl opuszczenia odbieraka prądu z napedem elektrycznym (ściągaczem) musi mieścić się w określonym czasie. Przy podnoszeniu napęd pantografu powinien być ustawiony tak, aby nie nastąpiło gwałtowne uderzenie ślizgacza w przewód trakcyjny, gdyż mogłoby to doprowadzić do uszkodzenia nakładek ślizgowych. Przy opuszczaniu układ musi być tak skonfigurowany, aby oderwanie ślizgacza od przewodu trakcyjnego następowało jak najszybciej, by ograniczyć ryzyko wystąpienia pociągnięcia łuku elektrycznego przy odrywaniu nakładek od przewodu trakcyjnego. Zasadniczo odbieraki prądu opuszczane są w trybie bezprądowym, czyli przed opuszczeniem następuje automatyczne odłączenie zasalania aparatury tramwaju przez stosowne wyłączniki. Powyższe jest możliwe przy stosowaniu napędu elektrycznego, gdy system sterowania kontroluje proces podnoszenia i opuszczania pantografu. Przy napędzie ręcznym wszystko jest uzależnione od osoby, która steruje pracą pantografu przez napęd linowy.


Połączenia elektryczne w odbierakach prądu
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 połączenia wykonane z giętkiej linki lub taśmy miedzianej, które poprawiają przepływ energii elektrycznej przez odbierak z ominięciem połączeń podatnych i łożyskowań. 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 muszą być dobrane do wartości prądu, do których przystosowany jest odbierak.

   
Przykładowa lokalizacja łączników bocznikujących

       
Łączniki bocznikujące


Monitoring odbieraków prądu
Tramwaje (według zamówień operatora) mogą być wyposażone w system monitoringu wizyjnego pantografu. Kamery skierowane są na odbieraki prądu tak, by rejestrowały ich współpracę z siecią jezdną w całym zakresie pracy roboczej. Takie rozwiązanie pozwala na sprawniejsze ustalenie ewentualnych przyczyn uszkodzeń pantografów czy sieci.
Stosowane są kamery umożliwiające prawidłową rejestrację obrazu zarówno w dzień jak i w nocy.

 
Podgląd z kamery odbieraka prądu na pulpicie


Połamany odbierak prądu

CIEKAWOSTKA :-)
Autor strony objaśnia budowę odbieraka prądu podczas zajęć laboratoryjnych w MPK SA w Krakowie ze studentami specjalności Inżynieria Pojazdów Szynowych Politechniki Krakowskiej.

       
Autor strony podczas zajęć ze studentami przy tramwajowych odbierakach prądu