Szczegółowy opis rozwiązań technicznych taboru > Odbieraki prądu

Odbieraki prądu pojazdów szynowych to aparaty służące do ruchomego połączenia stykowego 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. Odmianą odbieraków górnych są odbieraki boczne, stosowane gdy sieć jezdna znajduje się w pobliżu bocznej krawędzi dachu pojazdu.
Na przestrzeni lat powstało wiele rodzajów i odmian odbieraków prądu. Poniżej wymienione są przykłady odbieraków stosowanych w trakcji elektrycznej.

Odbieraki prądu górne 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 prądu - 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 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 łyżwą (odbierak łyżkowy /ślizgowy/). W pierwszym przypadku krążek (rolka) dociskany jest do przewodu trakcyjnego. W rozwiązaniu łyżkowym, odpowiednio ukształtowana głowica ślizgowa 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


 
Głowice ślizgowe


 
Zwrotnica sieciowa w sieci trolejbusowej




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


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




Odbieraki prętowe to rzadkie rozwiązanie w zakresie sposobu odbierania energii. Polega ono na zamontowaniu na dachu pojazdu, poprzecznie do jego osi wzdłużnej odpowiednio ukształtowanego pręta w formie kabłąku, który dociskany jest do przewodu trakcyjnego. Rozwiązanie to było mimo swojej prostoty dosyć zawodne szczególnie w zakresie uzyskania prawidłowej współpracy z przewodem trakcyjnym w odniesieniu do zapewnienia odpowiedniego docisku pręta do przewodu. Poza tym jednostronne zamocowanie pręta, powodowało częste jego uszkodzenia. Ostatni pojazd kolejowy z takim układem odbioru energii zakończył eksploatację w latach pięćdziesiątych XX wieku.


Odbierak prętowy - schemat



Odbieraki ramkowe składają się z dwóch części. Pierwsza z nich to rama główna zamontowana na dachu pojazdu, do której przymocowana jest ruchoma ramka, wyposażona w listwę ślizgową. Ramka zamontowana jest do głównej ramy sprężyście. Sprężyny zapewniają docisk ramki do przewodu trakcyjnego. Układ ten stał się bazą do pierwszych rozwiązań odbieraków nożycowych (pantografowych).


Odbierak ramkowy - schemat

Odbieraki ramkowe stosowane są do dziś na trasach, w których w do zasilania wykorzystywana jest trójfazowa sieć trakcyjna (rzadkość). W takich rozwiązaniach zastosowana jest odpowiednia ilość niezależnych mechanicznie i elektrycznie ramek zlokalizowanych jednym rzędzie i stykających się odpowiednio z przewodami fazowymi, rozwieszonymi nad torami.
Trójfazowe zasilanie w urządzeniach transportowych można spotkać na przykład w suwnicach i przesuwnicach. Energia elektryczna jest do takich urządzeń dostarczana przez przewody fazowe, a odbiór energii do poruszającej się suwnicy / przesuwnicy następuje przez mały odbierak prądu np. ramkowy, czy pantografowy.



W obecnie eksploatowanych pojazdach trakcyjnych stosowane są odbieraki prądu oparte o działanie mechanizmu pantografowego.


Ciekawostka - odbierak prądu pantografowy rolkowy w dźwignicy przesuwnej (suwnicy) na hali produkcyjnej

Starszego typu pantografy typu nożycowego mają kształt dwóch pięciokątów połączonych poprzeczkami. Nowoczesne odbieraki prądu to tak zwane pantografy jednoramienne (połówkowe).

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 typu AKP-4E powszechnie stosowany na polskich elektrycznych pojazdach trakcyjnych



Schemat odbieraka prądu czteroramiennego

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


Odbieraki czteroramienne cechuje je 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 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).



b) Odbieraki prądu jednoramienne


Schemat odbieraka prądu jednoramiennego


  
Odbierak prądu jednoramienny (opis na pow.)


Poniższa fotografia przedstawia pierwszy zaprojektowany i wyprodukowany w Polsce półkowy pantograf - typ 55ZW, który opracowano w latach osiemdziesiątych XX wieku. Warto zwrócić uwagę, że posiada on inną lokalizację prowadnika ramy górnej, który znajduje się za ramieniem dolnym, a nie jak w większości przypadków przed nim.


Schemat odbieraka prądu jednoramiennego serii 55ZW


 
Odbierak prądu jednoramienny typu 55ZW 

Potoczna nazwa „połówkowe” wzięła się z wyglądu pantografów, a mianowicie że są one „połówką” pantografu czteroramiennego (nożycowego). Zastosowano w nich jedno ramię przegubowe wspomagane prowadnikami, co znacznie obniżyło masę 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 350 km/h.

Jednoramienne odbieraki prądu nazywane są też pantografami niesymetrycznymi ze względu na asymetrię ich konstrukcji w stosunku do symetrycznych pantografów czteroramiennych.

           
Przykładowe odbieraki prądu jednoramienne (połówkowe)



Budowa współczesnych odbieraków prądu

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

   
Układ kinematyczny pantografu 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 bezpośrednia współpracę z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej. Bezpośredni styk z przewodem trakcyjnym realizują nakładki ślizgowe przymocowane do korpusu ślizgacza. Rozróżnia się ślizgacze pojedyncze i bliźniacze.
Ślizgacz pojedynczy składa się z korpusu w formie poprzecznej płozy, do której zamontowane są nakładki ślizgowe.

   
Ślizgacz pojedynczy (opis na powiększeniu)


Ślizgacz bliźniaczy składa się z korpusu, który stanowią dwie lub więcej poprzecznych płóz, do których zamontowane są nakładki ślizgowe.

       
Ślizgacze bliźniacze - podwójne (opis na powiększeniu)


Ślizgacz montowany jest do ramy przegubowej (ramion) elastycznie poprzez zastosowanie tzw. małego pantografu (w starszych konstrukcjach) lub układu sprężystego (w nowoczesnych konstrukcjach). 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.
Poniższe fotografie przedstawiają wybrane sposoby mocowania usprężynowanego ślizgacza do ramy przegubowej.



           

           

           
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. 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 (środek smarny).

   
Nakładki miedziane

   
Nakładki miedziane pokryte samrem grafitowym


Zastosowanie nakładek miedzianych pokrytych smarem grafitowym wpływa na bardzo duże zabrudzenia pojazdów. Podczas jazdy na skutek prędkości następuje rozbryzgiwanie smaru grafitowego od tarcia pomiędzy przewodem trakcyjnym i nakładkami. Rozbryzgiwany smar osadza się na pojazdach ale również infrastrukturze otaczającej. Zabrudzenia od smaru są czasem mylone z korozją pojazdów i elementów infrastruktury.

     
Zabrudzenia na pojazdach od smaru grafitowego


Od 2011 roku na liniach kolejowych zarządzanych przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. został wprowadzony zakaz eksploatacji elektrycznych pojazdów trakcyjnych z odbierakami prądu wyposażonymi w nakładki ślizgowe miedziane. PKP PLK S.A. były ostatnim zarządcą infrastruktury kolejowej w Unii Europejskiej, który dopuszczał stosowanie nakładek miedzianych.
Eksploatacja pantografów z nakładkami węglowymi (elektrografitowymi) zmniejsza zużycie przewodu jezdnego sieci trakcyjnej o około 20-35% oraz wpływa na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych przewoźników kolejowych. Co również ważne redukuje zabrudzenia taboru i infrastruktury.

   
Nakładka węglowa (elektrografitowa)

   
Ślizgacz bliźniaczy z nakładkami węglowymi (elektrografitowymi)


Nakładki węglowe również powodują zabrudzenia pojazdów poprzez ścierany i rozbryzgiwany z nich grafit na skutek tarcia przewodu trakcyjnego o nakładkę. Ilość zabrudzeń z tego wynikająca jest jednak zdecydowanie mniejsza niż przy omawianych wcześniej nakładkach węglowych.


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

   
Nabieżnik ślizgacza pojedynczego

   
Nabieżniki ślizgacza bliźniaczego


Nabieżniki zabezpieczają również przed wsunięciem się przewodu jezdnego pod ślizgacz, co doprowadziłoby do uszkodzenia pantografu i sieci trakcyjnej. Nakładki ślizgowe podlegają okresowej wymianie na nowe w miarę zużycia.


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

Zobacz opis sieci trakcyjnej - tutaj.

Według wymagań rozporządzenia TSI Loc&Pass (Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności) dotyczących lokomotyw i pojazdów pasażerskich obecne pojazdy homologowane jako zgodne z TSI muszą być wyposażone w odbieraki prądu posiadające systemy zabezpieczające przed uszkodzeniem pantografu i sieci jezdnej w przypadku uszkodzenia nakładki ślizgowej.
Takim systemem jest układ ADD (Automatic Drop Device), który automatycznie opuszcza pantograf, gdy dojdzie do uszkodzenia nakładki, lub jej grubość jest zbyt mała by móc bezpiecznie realizować jazdę.
Omawiany układ wymaga zastosowania w pantografie dodatkowego wyposażenia w tym specjalnych nakładek. Przez całą długość nakładki przebiega kanał powietrzny, który przy właściwym stanie nakładki wypełniony jest sprężonym powietrzem z układu pneumatycznego zasilania pantografu. W sytuacji gdy dojdzie do uszkodzenia nakładki, ktore spowoduje, że kanał ten się rozszczelni (będzie następował ubytek powietrza), to nastąpi automatyczne opuszczenie odbieraka prądu.

   
Schematyczny przekrój nakładki ślizgowej z ADD
- kolor niebieski - sprężone powietrze w kanale powietrznym nakładki



Nakładka ślizgowa z ADD (opis na powiększeniu)

       
Instalacja powietrzna układu ADD połączona z nakładkami

   
Instalacja układu ADD na podstawie odbieraka (opis na pow.)

Jeżeli zajdzie potrzeba wyłączenia układu ADD (sytuacje awaryjne, nietypowe) można to uczynić, przez ręczny zawór kulowy zamontowany przy zaworze ADD (powyższa fotografia), lub z wnętrza pojazdu trakcyjnego przez odpowiedni zawór na tablicy sterującej danego pantografu lub z kabiny maszynisty. Funkcjonalności te są zależne od konkretnego rozwiązania zastosowanego w pojeździe.


Pęknięta nakładka ślizgowa węglowa (elektrografitowa)

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




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 nadwozia pojazdu trakcyjnego. Elementy składowe ramy wykonane są najczęściej z profili metalowych odpowiednio spawanych. Połączenia przegubowe są łożyskowane.

     
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 pojazdach kolejowych zasadniczo stosuje się napęd pneumatyczny wykorzystujący ciśnienie sprężonego powietrza z instalacji pneumatycznej pojazdu trakcyjnego. Napęd ręczny i elektryczny można spotkać głównie w tramwajach.
W pantografach czteroramiennych (nożycowych) stosowany był skomplikowany układ napędowy, w którego skald wchodzi siłownik pneumatyczny oraz układ przekładni mechanicznych i sprężyn. Na poniższej fotografii przedstawiona jest podstawa z układem napędowym odbieraka prądu AKP-4E. Siłownik pneumatyczny poprzez układ przekładni mechanicznych i współpracujących z nią sprężyn połączony jest z wałami ramion dolnych ramy przegubowej odbieraka, powodując ich ruch obrotowy, a więc odpowiednio podnoszenie / opuszczanie ślizgacza.

   
Podstawa i napęd odbieraka czteroramiennego (AKP) - na powiększeniu opis opuszczania

   
Podstawa i napęd odbieraka jednoramiennego (opis na pow.)

W nowoczesnych konstrukcjach rolę cylindra zastępuje siłownik mieszkowy w postaci tzw. pneumatycznej sprężyny fałdowej.

     
Sprężyna fałdowa w podstawie

  
Napęd odbieraka jednoramiennego (opis na pow.)



Zakresy pracy odbieraków prądu
Pod względem zakresów wysokości pracy odbieraków prądu rozróżnia się wysokość konstrukcyjna oraz wysokość roboczą. Wysokość konstrukcyjna to zakres od położenia ślizgacza w najniżej 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

   
Odbierak prądu w najwyższym ppołożeniu konstrukcyjnym


Odbieraki prądu muszą być zamontowane na dachu pojazdu tak, aby prawidłowo współpracowały z przewodem trakcyjnym zawieszonym na wysokościach od 4,5 m do 6,5 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 oraz do 0,5 m w warunkach naporu wiatru na sieć jezdną.
Zasadniczo odbieraki prądu montuje się bezpośrednio nad wózkami, bo wtedy pewne jest, że będą odpowiednio współpracować z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej. W aspekcie umiejscowienia pantografów na dachu pojazdu chodzi o prawidłową współpracę jego ślizgacza z przewodem trakcyjnym na łukach torów. Z punktu widzenia odcinków prostych lokalizacja odbieraków 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.
Według wymagań określonych w rozporządzeniach TSI (Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności) wymagane jest zachowanie odpowiednich odległości między pantografiami w stosunku do prędkości eksploatacyjnej pojazdu.


   
Zakres roboczy


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 się 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 przez pojazdy trakcyjne w normalnej eksploatacji powodują nagrzewanie się nakładek ślizgowych podczas odbioru energii trakcyjnej.

Wymagane wartości docisku pantografów do przewodów trakcyjnych określone są przepisami zarządców kolejowych, a zakresy regulacyjne określa dokumentacja techniczna danego modelu odbieraka prądu. Wartości docisku stosowane obecnie mieszczą się w granicach od ok. 55 do 120 N dla systemów prądu stałego i od 45 do 105 N dla systemów prądu przemiennego.

Odbieraki prądu stosowane w pojazdach kolejowych są skonstruowane tak, że gdy układ napędowy pantografu jest niezałączony, to pantograf jest pozycji opuszczonej (tzw. konstrukcja normalnie opuszczona). Zasilenie napędu sprężonym powietrzem powoduje podniesienie odbieraka prądu. Wypuszczenie powietrza z cylindra powoduje opuszczanie pantografu na skutek działania siły grawitacji (ciężaru własnego ślizgacza i ramy przegubowej). W niektórych rozwiązaniach opuszczanie może być wspomagane działaniem siły generowanej przez sprężynę opuszczającą.
Za wytwarzanie odpowiedniej siły dociskającej ślizgacz do przewodu jezdnego sieci trakcyjnej odpowiada napęd pantografu w tym regulator ciśnienia zabudowany w układzie pneumatycznym zasilania pantografu. Istotne jest, aby odbierak prądu utrzymywał właściwy docisk również przy maksymalnej prędkości jazdy, gdy występuje największy opór aerodynamiczny 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, na co układ regulacyjny musi odpowiednio reagować.


   
Wpływ oporu aerodynamicznego na siłę docisku połówkowego odbieraka prądu


Bardzo ważnym elementem w układzie napędowym pantografu są powszechnie stosowane krzywki, których zadaniem jest wymuszenie takiego momentu obrotowego, działającego na ramię dolne ramy przegubowej, aby uzyskana była stała wartość nacisku statycznego. Kształt profilu krzywek 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 krzywek siła generowana przez siłownik pneumatyczny napędu generuje odpowiedni moment obrotowy, utrzymując tym samym jednakową siłę nacisku statycznego ślizgacza na przewód trakcyjny w stosunku do aktualnej pozycji pantografu.
Powszechnie stosowanym rozwiązaniem w nowoczesnych odbierakach połówkowych jest układ, w którym, trzpień siłownika mieszkowego napędu (sprężyny fałdowej) przenosi moment na wał napędowy ramienia dolnego ramy przegubowej przez linkę napędową, która przebiega przez zagłębienia wyprofilowane w omówionych wcześniej krzywkach.

       
   
Krzywki układu napędowego (opis na powiększeniu)

Krzywki na wale ramienia dolnego przed zamontowaniem linek


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.
Poniżej pokazane są przykładowe stanowiska z urządzeniami pomiarowymi sterowanymi komputerowo.

   
Przyrząd pomiarowy pracy pantografu

   
ET22-2000 na stanowisku pomiarowym

   
Nowoczesne stanowisko diagnostyczne nacisku statycznego pantografu w Zakładzie Południowym PKP INTERCITY SA w Krakowie


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

     
Opis stacji prób odbieraków prądu w Gdyni Grabówku - ZOBACZ OPIS


Cykl podnoszenia i cykl opuszczenia odbieraka prądu musi mieścić się w określonym czasie. Przy podnoszeniu należy tak ustawić parametry wzniosu, 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. Zasadniczo odbieraki prądu opuszcza się w trybie bezprądowym, czyli po wcześniejszym odłączeniu zasilania wyposażenia pojazdu np. przez wyłącznik szybki. Dla bezpieczeństwa jednak stosuje się taki zabieg, aby przy opuszczaniu nie doszło do pociągnięcia łuku elektrycznego. Chodzi o jak najszybsze oderwanie nakładek ślizgowych od przewodu trakcyjnego.
Za sterowanie podnoszeniem i opuszczaniem oraz regulację siły docisku odpowiadają odpowiednie zawory w układzie pneumatycznym odbieraków prądu.

 
Tablice z aparaturą sterowania odbieraków prądu (opis na 2 powiększeniu)




Połączenia elektryczne odbieraków 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 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 może być pod napięciem. Połączenie elektryczne pantografów realizują sztywne szyny lub przewody prowadzone po dachu.

   
Szyna prądowa odbieraków na dachu - ET22


Istnieje możliwość elektrycznego odłączania pantografów np. w sytuacji uszkodzenia jednego z nich. Do tego celu służą odłączniki, które mogą być otwierane ręcznie (starsze pojazdy) lub automatycznie (nowobudowane pojazdy).

   
Odłącznik nożowy pantografu (opis na pow.)


Poniższa fotografia przedstawia nowoczesny, automatycnzy odłącznik nożowy, sterowany przez system sterownaia pojazdu.

   
Automatyczny odłącznik nożowy pantografu (opis na pow.)

   
Napęd odłącznika automatycznego



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.

     
Lokomotywy czterosystemowe - dwa pantografy systemów AC (15 kV i 25 kV) i dwa systemów DC (1,5 kV i 3 kV)


Najnowocześniejszym rozwiązaniem w aspekcie pojazdów wielosystemowych są odbieraki prądu uniwersalne wielosystemowe. Zastosowanie takich pantografów umożliwia zredukowanie ilości pantografów na dachu (dwa zamiast czterech), a co za tym idzie, również zmniejszenie masy pojazdu.

   
Odbierak prądu wielosystemowy

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 wytworzone przez sprężarkę. Do uruchomienia sprężarki głównej w pojazdach potrzebne jest napięcie sieciowe, którego przy opuszczonym pantografie w pojeździe nie ma.
W celu podniesienia odbieraków prądu przy uruchamianiu pojazdu, w sytuacji braku ciśnienia, w zbiorniku głównym, pantografy posiadają niezależny układ pneumatyczny, który składa się ze sprężarki pomocniczej i zbiornika pneumatycznego.
Sprężarka pomocnicza (pantografów) zasilana jest z baterii akumulatorów przez co do jej uruchomienia nie jest potrzebne zasilanie z sieci trakcyjnej. Po załączeniu sprężarki i wytworzeniu przez nią ciśnienia w układzie pneumatycznym pantografów, maszynista podnosi pantograf. Gdy ślizgacz dotknie przewodu trakcyjnego, możliwe jest uruchomienie pojazdu w tym sprężarki głównej. Gdy zbiorniki głównego układu pneumatycznego zostaną napełnione znamionową wartością ciśnienia układ pneumatyczny pantografów zostaje przełączony na zasilanie z głównego układu pneumatycznego pojazdu.

   
Przykładowe sprężarki odbieraków prądu

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

Zobacz opis tramwajowych odbieraków prądu - tutaj.


Monitoring odbieraków prądu
Obecnie powszechnym rozwiązaniem stosowanym w taborze kolejowym jest system monitoringu wizyjnego pantografów. 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 (np. z funkcją podczerwieni, czy też z dodatkowymi doświetlaczami).

   
Kamera pantografu i lampa doświetlająca

 
Podgląd z kamery pantografu na pulpicie

   
Uszkodzony odbierak prądu w wyniku nieprawidłowej współpracy z siecią



Konfiguracja podnoszenia odbieraków prądu podczas jazdy i postoju
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, jego części nie spadną na pantograf złożony przez co będzie możliwa jazda awaryjna na pantografie przednim. Poza tym następuje zużycie nakładek ślizgowych tylko jednego ślizgacza. Drugi pantograf pełni funkcję rezerwową.


 
EU07 z podniesionym tylnym pantografem


Występują jednak sytuacje, gdy pojazd trakcyjny powinien mieć podniesione obydwa pantografy:
1) podczas postoju, by ograniczyć punktowe przeciążanie sieci trakcyjnej, szczególnie gdy załączone jest ogrzewanie / klimatyzacja wagonów. Sytuację 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 z dwoma podniesionymi 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 rozkłada się na dwa pantografy.

 
ET22 z ciężkimi węglarkami

3) podczas jazdy w mrozie, gdy przewody jezdne sieci trakcyjnej są oszronione może wystąpić problem z prawidłowym odbiorem energii z przewodu jezdnego, gdyż warstwa lodu 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.
Nowoczesne pojazdy posiadają funkcjonalność jazdy w trybie tzw. "szczotki". W takiej sytuacji przedni pantograf jest odłączony elektrycznie przez dachowy odłącznik nożowy i służy tylko do zdzierania lodu.

W przypadku lokomotyw dwuczłonowych z czterema pantografami jazda powinna odbywać się na dwóch odbierakach prądu - drugim 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 połamania pantografu, jego części mogłyby spaść na okna kabiny drugiej lokomotywy, przez co mimo sprawnych pantografów musiałaby zostać wyłączona z eksploatacji. Dodatkowo gdyby przebywał tam maszynista byłby tym samym narażony na uszczerbek na zdrowiu.

Analogicznie jak w elektrowozach sytuacja wygląda w elektrycznych zespołach trakcyjnych.

 
EN57 - jazda na drugim pantografie

 
EN71 - jazda na drugich pantografach

 
EN57 podczas postoju (2 pantografy)






2) Odbieraki prądu - 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 łyżwowego dociskanego do szyny za pośrednictwem sprężyn. Odbieraki dolne montowane są do podłużnic ramy wózka (belek ostojnicowych), na specjalnym wsporniku do kadłuba łożyska (maźnicy) zestawu kołowego lub za pośrednictwem specjalnej belki międzymaźniczej, która przymocowana jest do kadłubów 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 kadłubie łożyska lub zastosowaniu belki międzymaźniczej odbieraki mają zawsze wysokość uzależnioną tylko od zestawu kołowego, bez wpływu ugięcia usprężynowania I-ego stopnia na wysokość ślizgacza.
Istnieją trzy rodzaje szyn prądowych. Pierwszy rodzaj 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. Można również spotkać szyny, w których część ślizgowa znajduje się po ich bocznej stronie.
Do konkretnych rodzajów szyn zasilających oczywiście dostosowane są odpowiednio odbieraki prądu, które posiadają ślizgi odpowiednio od górnej, dolnej lub bocznej strony ślizgacza.

 
Szyna prądowa z częścią roboczą od dołu

 
Szyna prądowa z częścią roboczą od góry

 
Podwozie pojazdu z kołami ogumionymi i odbierakami bocznymi (opis na powiększeniu)

 
Wózek jadący wzdłuż 3 szyny

 
Szyny prądowe wzdłuż torów