Metody badań odbieraków prądu w warunkach eksploatacyjnych

Transkrypt

1 HEŁKA Andrzej 1 Metody badań odbieraków prądu w warunkach eksploatacyjnych WSTĘP W Polsce z dniem r. został wprowadzony przez PKP PLK S.A. zgodnie z przepisami TSI [6] (Techniczne Specyfikacje Interooperacyjności) obowiązek stosowania przez pojazdy trakcyjne nakładek stykowych wykonanych z materiału węglowego. Wymóg stosowania nowych nakładek stykowych w pantografach starszego typu (AKP-4E oraz 5ZL) czyli stosowanych w większości eksploatowanych pojazdów szynowych wiązał się z zastosowaniem specjalnego adapteru ślizgacza. Opracowano kilka nowych konstrukcji ślizgaczy, które umożliwiały montaż dwóch nakładek węglowych w miejsce ślizgacza miedzianego. Zostały zastosowane konstrukcje ślizgaczy tzw. pojedyncze (zgodnie z definicją w PN-K-91001), ale wyposażone w dwie nakładki węglowe. Skutkowało to m.in. koniecznością przeprowadzenia szeregu badań certyfikacyjnych nowych elementów. Jednym z etapów takich badań były badania przeprowadzane w warunkach eksploatacyjnych. Ponadto wprowadzenie wymaganych zmian przez poszczególnych przewoźników wymusiło także dostosowanie przez nich odpowiednich badań i pomiarów odbieraków prądu do nowych warunków. Dotyczy to metodyki badań i parametrów pomiarów przeprowadzanych w trakcie poszczególnych przeglądów pojazdów trakcyjnych. W niniejszym artykule przedstawiono wybrane zagadnienia i uwagi dotyczące sposobu przeprowadzania takich badań. 1 WYMOGI NORMATYWNE Istnieje szereg norm i regulacji związanych z badaniami odbieraków prądu i ich elementów. W niniejszym artykule skupiono się na wybranych dokumentach normatywnych dotyczących zarówno metodyki jak i dopuszczalnych wartości pomiarów dla odbieraków prądu, są to - polska norma: PN- K [3] oraz norma europejska: PN-EN [4]. Na ich podstawie zostały opracowane metodyki badań certyfikacyjnych oraz pozostałe dokumenty i instrukcje związane z badaniami i pomiarami pantografów. Na zawartych w nich wytycznych bazują instrukcje dotyczące eksploatacji odbieraków prądu, z których korzystają poszczególni przewoźnicy. W rozdziałach poniżej przedstawiono pewne spostrzeżenia i uwagi związane z dwoma rodzajami pomiarów odbieraków prądu: sprawdzeniem układu usprężynowania ślizgacza oraz sprawdzeniem charakterystyki nacisku statycznego. Wynikają one z obserwacji poczynionych w trakcie wykonywania wielu pomiarów odbieraków prądu przeprowadzanych podczas badań eksploatacyjnych. Dotyczy to zwłaszcza okresu od momentu wprowadzenia do eksploatacji nowego typu nakładek stykowych i nowych rozwiązań ślizgaczy. 2 POMIARY USPRĘŻYNOWANIA Jak wspomniano we wstępie, stosowanie nowych węglowych nakładek stykowych w starszych konstrukcjach odbieraków prądu wymagało zastosowania specjalnych adapterów ślizgaczy. W Polsce na większości pojazdów trakcyjnych wykorzystuje się odbieraki prądu dwóch typów: AKP-4E oraz 5ZL. Różnią się one układem usprężynowania ślizgacza, co pokazano na fotografii 1. Przedstawione różnice w budowie obu odbieraków prądu skutkowały koniecznością stosowania dwóch różnych konstrukcji nowego ślizgacza dla węglowych nakładek stykowych. Zastosowane nowe typy ślizgaczy w miejsce starego, niezależnie od konkretnego rozwiązania (dopuszczonych jest kilka konstrukcji różnych producentów) powodują jednak inne warunki pracy układu usprężynowania ślizgacza odbieraka prądu. 1 dr inż. Andrzej Hełka, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, andrzej.helka@polsl.pl 4468

2 Stąd właśnie bardzo ważne jest aby zarówno podczas badań eksploatacyjnych jak i podczas normalnych przeglądów wykonywanych na pojazdach dokonywać sprawdzenia tego układu usprężynowania. Norma przewiduje, że sprawdzenie to ma polegać na obciążeniu odpowiednią siłą ślizgacza i pomiarze przemieszczenia. Ponadto dokonuje się pomiaru kąta obrotu ślizgacza w obie strony. W przypadku wyeksploatowanych odbieraków prądu z założonymi nowymi ślizgaczami często są problemy z utrzymaniem odpowiedniego kąta obrotu. Niestety w takim przypadku szczególnie dla odbieraków 5ZL poprawa tego parametru w warunkach warsztatowych często jest utrudniona. Utrzymanie parametru dotyczącego kąta obrotu w odpowiednich tolerancjach jest ważne także ze względu na to, że jest to wielkość często sprawdzana podczas różnego rodzaju komisji powypadkowych. Fot. 1. Różnice w usprężynowaniu ślizgacza pomiędzy AKP-4E a 5ZL 3 POMIARY NACISKU STATYCZNEGO Jednym z podstawowych parametrów odbieraka jest jego nacisk statyczny wywierany na przewód jezdny. Jest on bardzo ważny, gdyż jako jeden z czynników bezpośrednio wpływa na jakość współpracy odbieraka z siecią jezdną. Jego wartość zgodnie z wymaganiem polskiej normy PN-K dla odbieraków wyposażonych w węglowe nakładki stykowe powinna mieścić się dla zakresu roboczego w granicach N. Natomiast według normy europejskiej PN-EN [5] oraz zgodnie z instrukcją PKP PLK S.A. Iet-4[1] statyczna siła nacisku powinna wynosić 110 N Dodatkowo odchyłki wartości średniego nacisku statycznego dla zakresu roboczego odbieraka nie powinny przekraczać tolerancji ± 5N - mierzone co 200 mm. Dla odbieraków prądu wyposażonych w węglowe nakładki stykowe bardzo ważne jest, aby utrzymywać siłę nacisku statycznego w dopuszczalnych granicach. Wynika to z tego, że temperatury osiągane w styku nakładka przewód jezdny dla tych materiałów są znacznie wyższe niż w przypadku stosowania miedzi. Stąd łatwiej jest w przypadku stosowania takich nakładek o przekroczenie dopuszczalnych wartości temperatur. Jak to wykazano w trakcie badań [2], nawet niewielkie zmniejszenie wartości siły nacisku powoduje znaczny wzrost temperatury i przekroczenie jej dopuszczalnych wartości w strefie kontaktu nakładka stykowa - drut jezdny. Szczególnie duże znaczenie ma to w przypadku trudnych warunków eksploatacyjnych wtedy, gdy lokomotywa pobiera większe prądy np. w trakcie postoju (gdy w zimie grzany jest skład pociągu) lub podczas rozruchu lokomotywy z ciężkim składem. Stąd tak istotne jest odpowiednie wykonywanie pomiarów nacisku statycznego odbieraka prądu i właściwa jego regulacja. 4469

3 Częstym błędem, który zaobserwowano jest wykonywanie pomiarów nacisku statycznego tylko dla jednej wysokości pomiarowej. Zgodnie z przedstawionymi powyżej normami należy wykonywać te pomiary w całym zakresie roboczym odbieraka prądu co 200 mm. Dodatkowo jak to zostało określone w normie PN-K-91001, pomiary te należy wykonywać w czasie wymuszonego opuszczania i podnoszenia odbieraka, z prędkością jednostajną równą 0,05 m/s. Kolejną informację o warunkach przeprowadzania tego typu pomiarów przynosi norma PN-EN , która mówi, że dopuszczalna tolerancja prędkości ruchu odbieraka (0,05 m/s) nie powinna przekroczyć ±10 %. Zachowanie takiego reżimu badań nie jest możliwe przy ręcznym wymuszeniu ruchu odbieraka prądu, co jest kolejnym częstym błędem w tego typu badaniach. Dlatego też został opracowany specjalny system pomiarowy, który umożliwia wykonywanie tego typu pomiarów zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i eksploatacyjnych. System ten składa się z dynamometru elektronicznego, który dzięki połączeniu z komputerem umożliwia rejestrację wartości mierzonej siły w czasie rzeczywistym. Odpowiedni program umożliwia podgląd, rejestrację mierzonej siły oraz tworzy wykres siły w funkcji czasu trwania pomiaru. Dynamometr ten w celu wykonania pomiaru mocuje się do górnej poprzeczki odbieraka prądu i mierzy siłę działającą na nią. Bardzo istotnym elementem tego systemu pomiarowego jest układ mechaniczny składający się ze zbloczy oraz wciągnika elektrycznego. Jest on tak zaprojektowany, że po podpięciu linką do dynamometru, umożliwia on osiągnięcie w trakcie wykonywania pomiaru wymaganej przez normę jednostajnej prędkości z dopuszczalną tolerancją. Taki system pomiarowy sprawdza się zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i w terenie. Na fotografii 2 pokazano widok na urządzenie pomiarowe zamontowane na dachu lokomotywy. Fot.2. Widok na system pomiarowy zainstalowany na dachu lokomotywy Sama metodyka wykonywania pomiarów, przedstawia się następująco: podniesienie odbieraka prądu do jego maksymalnej wysokości roboczej, montaż dynamometru z jednej strony do poprzeczki odbieraka prądu a z drugiej do linki wciągnika, podłączenie dynamometru do komputera, 4470

4 umiejscowienie wciągnika w odpowiedniej odległości od odbieraka, uruchomienie odpowiedniej aplikacji do rejestracji danych, uruchomienie wciągnika a tym samym wymuszenie ruchu ślizgacza w dół do najmniejszej wysokości roboczej odbieraka, po osiągnięciu minimalnej wysokości roboczej, wymuszenie ruchu ślizgacza w górę. Przykładowy wykres zarejestrowanych sił nacisku statycznego dla odbieraka prądu przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Przykładowy wykres siły nacisku statycznego w funkcji czasu Z przedstawionego powyżej wykresu można wyciągnąć kilka bardzo interesujących wniosków. Widzimy tutaj dwa przebiegi sił dla ruchu ślizgacza: w dół (pierwsza górka ) oraz w górę (druga górka ) oddzielone poziomą linią odpowiadającą przerwie w ruchu. Przebiegi te pokazują dosyć duży rozrzut wartości siły nacisku w obszarze roboczym odbieraka prądu. Potwierdza to tym samym konieczność wykonywania pomiarów w całym obszarze roboczym a nie w jednym czy dwóch miejscach. Następnie widać tu wyraźnie, że zakres sił w czasie ruchu ślizgacza do góry jest przesunięty w dół w stosunku do zakresu sił w czasie ruchu w dół. Jest to oczywiście sygnałem, że coś jest nie tak z funkcjonowaniem tego odbieraka prądu. I oczywiście pozostaje kwestia samych wartości sił statycznych nacisku, które to nie mieszczą się w dopuszczalnym zakresie dla ruchu ślizgacza w górę. Jak widać tylko w ten sposób przeprowadzone badania nacisku statycznego odbieraka prądu dają właściwy obraz jego stanu technicznego i pozwalają wyciągnąć właściwe wnioski. WNIOSKI Odbieraki prądu starszego typu (AKP-4E i 5ZL) są zainstalowane na większości lokomotyw eksploatowanych w Polsce i w związku z tym tak samo długo funkcjonują pewne metodyki ich pomiarów. Jednakże jak starano się to przedstawić w artykule, wraz z wprowadzeniem nowych węglowych nakładek stykowych mocowanych z użyciem nowego typu ślizgaczy, należy 4471

5 zweryfikować pewne zasady przeprowadzania tych pomiarów. Wynika to także m.in. z pojawienia się nowych norm i przepisów dotyczących odbieraków prądu (norma PN-EN w 2010 roku). Jeżeli chodzi o pomiary odbieraków prądu, szczególnie te wykonywane w trakcie eksploatacji to ważne jest, aby w sposób prawidłowy przeprowadzać pomiary siły nacisku statycznego. Dopiero badanie siły nacisku zgodnie z obowiązującymi normami (w sposób przedstawiony powyżej), pozwala ustalić faktyczny stan techniczny odbieraka prądu (szczególnie jeśli jest już długo eksploatowany). Dodatkowo w trakcie badań odbieraka należy zwrócić uwagę i w sposób prawidłowy sprawdzić usprężynowanie ślizgacza. Dzięki temu można skuteczniej zapobiegać różnego rodzajom wypadków z udziałem odbieraków prądu, których liczba niestety wraz z wprowadzeniem nowych elementów znacznie wzrosła. Streszczenie W artykule na początku przedstawiono stan prawny - wymogi normatywne dotyczące badań i pomiarów odbieraków prądu. Następnie skupiono się na wybranych rodzajach pomiarów, które to powinny być szczególnie dokładnie wykonywane zgodnie z nowymi przepisami. Przedstawiono prawidłową metodykę wykonywania pomiarów siły nacisku statycznego oraz sprawdzenia stanu usprężynowania ślizgacza. Dokonano analizy najczęściej popełnianych błędów w trakcie wykonywania tego typu badań. Przeanalizowano przykładowe wyniki pomiarów siły nacisku statycznego. Właściwa metodyka tych pomiarów ma duże znaczenie, gdyż dzięki temu można w sposób właściwy ocenić stan techniczny odbieraka prądu i zapobiec różnego rodzaju uszkodzeniom i wypadkom. Jest to bardzo ważne zagadnienie, gdyż od trzech lat stosowane są nowe nakładki stykowe wraz z nowymi konstrukcjami ślizgaczy. Od tego też momentu zaobserwowano znaczny wzrost uszkodzeń i różnego rodzaju wypadków związanych z odbierakami prądu. Dlatego wydaje się, że właściwa metodyka wykonywania przedstawionych pomiarów może istotnie wpłynąć na zmniejszenie liczby uszkodzeń odbieraków prądu a tym samym na stan bezpieczeństwa. Pantographs research methods under operating conditions Abstract At the beginning of the article is shown the legal status normative requirements for testing and measuring pantographs. Then focuses on selected types of measurements, which should be particularly carefully carried out in accordance with the new provisions. Here is shown the proper methodology of static contact force measuring and check the collector shoe. An analysis of the most common mistakes in carrying out this type of research were made. Was analyzed examples of the results of measurements of the static contact force. Proper methodology of these measurements is important because this allows you to properly assess the technical condition of the pantograph and prevent various types of damage and accidents. This is a very important issue, since the last three years are used new fishplates with new constructions of collector shoes. From that moment it was seen a significant increase in damage and various types of accidents related to the pantographs. Therefore, it seems that the proper methodology for performing these measurements can substantially affect the reduction of damage to the current collector and thus on the security situation. BIBLIOGRAFIA 1. Iet-4. Wymagania dla materiałów węglowych nakładek ślizgowych pantografów dopuszczonych do współpracy z siecią trakcyjną zarządzaną przez PKP Polskie Linie kolejowe S.A., Warszawa Marek Sitarz, Andrzej Hełka, Adam Mańka, Andrzej Adamiec.; Testing of Railway Pantograph, Archives of Transport, No 1-2/ PN-K Elektryczne pojazdy trakcyjne. Odbieraki prądu. Wymagania i metody badań. 4. PN-EN Zastosowania kolejowe Tabor Pantografy: Charakterystyki i badania część 1: Pantografy pojazdów linii głównych. 5. PN-EN Zastosowania kolejowe Systemy odbioru prądu Kryteria techniczne dotyczące wzajemnego oddziaływania między pantografem a siecią jezdną górną. 6. Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności, podsystem Energia. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 7 stycznia 2008 r. Dz.U. z 2008 r. nr