HEŁKA Andrzej 1 MAŃKA Adam 2 Pomiary i analiza współpracy pantografu z siecią jezdną w trakcie eksploatacji WSTĘP W artykule przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów i analizę współpracy odbieraka prądu z siecią jezdną wykonywane w trakcie przejazdów lokomotywą elektryczną na określonych szlakach. Pomiary te były wykonywane z wykorzystaniem systemu pomiarowego PanDiag do badania współpracy ślizgacza pantografu z siecią jezdną opracowanego przez nasz zespół a opisanego szczegółowo w artykule pod tytułem: System pomiarowy do analizy współpracy ślizgacza pantografu z siecią jezdną [1]. Celem tych pomiarów było określenie stanu technicznego sieci trakcyjnej na wybranych szlakach pod kątem jej właściwej współpracy z nowego typu ślizgaczami i nakładkami stykowymi. 1. WYMOGI WZGLĘDEM SIECI TRAKCYJNEJ Właściwe utrzymanie stanu technicznego sieci trakcyjnej, szczególnie na szlakach dla dużych prędkości jest bardzo ważne w kontekście kilku aspektów. Po pierwsze, w Polsce z dniem 01.02.2011r. został wprowadzony przez PKP PLK S.A. 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. Wprowadzone nowe rozwiązania techniczne w odbierakach prądu miały wpływ na jakość współpracy z przewodem jezdnym. Stąd uzgodniono na odpowiednich spotkaniach pomiędzy poszczególnymi przewoźnikami a zarządcą infrastruktury, że sieć trakcyjna zostanie przystosowana do obecnych realiów. Po drugie, jak się okazało już w pierwszych miesiącach eksploatacji nowego typu ślizgaczy i nakładek, gwałtownie wzrosła liczba uszkodzeń i zdarzeń wynikających ze złej współpracy pantograf sieć jezdna. Niestety wprowadzenie w odbierakach prądu nowych nakładek stykowych wykazało ich dużą wrażliwość na stan techniczny sieci trakcyjnej. Sieć jezdna wywiera znaczny wpływ na współpracę z odbierakiem prądu. Zgodnie z literaturą przedmiotu [3,7,8] istnieje szereg parametrów sieci, które mają na celu osiągnięcie właściwej współpracy z pantografem. W celu równomiernego zużycia nakładek stykowych stosuje się zygzakowanie sieci jezdnej, czyli odchylenia przewodu jezdnego od osi toru. Tutaj jednak należy zwrócić uwagę aby odsuw sieci mieścił się we właściwych granicach, gdyż przekroczenie może spowodować zejście przewodu jezdnego z obszaru roboczego nakładki stykowej. Ma to bardzo duże znaczenie szczególnie w przypadku stosowanych obecnie nowych nakładek stykowych oraz nowych różnego rodzaju ślizgaczy. W zależności od rozwiązań konstrukcyjnych ślizgaczy, zejście przewodu poza obszar roboczy może skończyć się uszkodzeniem pantografu i zerwaniem sieci jezdnej. Kolejnym istotnym parametrem z punktu widzenia współpracy jest odpowiednia wysokość zawieszenia sieci jezdnej. Minimalna dopuszczalna wysokość zapewnia zachowanie minimalnej 1 Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Logistyki i Transportu Przemysłowego, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, Tel. +48 32 603-4304, email: Andrzej.Helka@polsl.pl 2 Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Technologii Lotniczych, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 13, Tel. +48 32 603-41-90, Fax: +48 32 603-40-58, email: Adam.Manka@polsl.pl 3664
odległości izolacyjnej między przewodem jezdnym a pojazdem trakcyjnym. Nieprawidłowa wysokość sieci trakcyjnej ponadto nie gwarantuje uzyskania dostatecznego nacisku stykowego potrzebnego do prawidłowej współpracy. Dlatego też zachowanie tego parametru w zalecanych przedziałach w przypadku obecnie stosowanych rozwiązań w odbierakach prądu jest bardzo ważne. Wykazano, że niedotrzymanie właściwej siły nacisku pomiędzy nakładkami a przewodem jezdnym może powodować znaczne wzrosty temperatur w punkcie styku [4]. Przyczynia się to do znacznej degradacji przewodu jezdnego i może powodować zerwania sieci trakcyjnej w wyniku przepalenia lub zmęczenia termicznego materiału (następuje rekrystalizacja). Ten problem był wielokrotnie mniejszy dla wcześniej stosowanych nakładek miedzianych. Także na chwilę obecną zapewnienie odpowiedniej siły docisku nakładek do przewodu jezdnego ma ogromne znaczenie. Jest to możliwe wtedy, gdy jest zachowana odpowiednia wysokość sieci trakcyjnej, która pozwala na pracę odbieraka prądu w przewidzianym dla niego zakresie roboczym. Tego typu nieprawidłowości wynikają głównie z różnego rodzaju uszkodzeń związanych z kotwieniem. Może się zdarzyć: zablokowanie ciężarków naprężających, ich niewystarczająca ilość (np. wskutek kradzieży), zablokowanie krążka ruchowego, stałego itd. Następne zagrożenia dotyczące prawidłowej współpracy pantografu z siecią jezdną związane są z tzw. trudnymi miejscami występującymi na sieci trakcyjnej a wynikającymi z jej budowy. Chodzi tutaj o miejsca nad rozjazdami. Prawidłowa konstrukcja rozjazdów sieciowych powinna zapewnić równomierne unoszenie wszystkich przewodów jezdnych w rozjeździe. Tutaj w przypadku nieprawidłowości skutkujących wystąpieniem różnic poziomów przewodów tworzących rozjazd, występuje nieprawidłowe wpisywanie się odbieraka, co doprowadza często do uszkodzenia odbieraka i sieci. Kolejnym trudnym miejscem w sieci trakcyjnej z punktu widzenia jej współpracy z odbierakami prądu jest miejsce zamontowania izolatora sekcyjnego. Izolatory sekcyjne służą jako elementy elektrycznego sekcjonowania sieci jezdnej. Najgorsze to izolatory sekcyjne starszego typu, wykonane z materiałów ceramicznych. Technologia wykonania takiego izolatora jest już przestarzała i dziś dąży się do zastępowania tych izolatorów przez nowsze konstrukcje. Nowszym typem jest izolator wykonany z tworzyw sztucznych - umożliwia swobodniejszy przejazd ślizgu po prowadnicy izolatora sekcyjnego. Mimo dobrych właściwości izolatora sekcyjnego nowszego typu podczas kontaktu ze ślizgiem pantografu, izolator to jednak wciąż tzw. twardy punkt na sieci trakcyjnej powoduje przypadki uszkodzenia pantografu podczas kontaktu z izolatorem. W momencie przejazdu pantografu po prowadnicy izolatora sekcyjnego może dojść do iskrzenia, co może spowodować nadpalenie węglowej nakładki stykowej. Dodatkowo w tym momencie przeważnie dochodzi do gwałtownego wzrostu sił co także nie jest korzystne z punktu widzenia współpracy odbieraka prądu z siecią jezdną. Przepisy TSI Energia [9] dopuszczają wzrost sił nacisku przy przejeździe przez sztywne elementy sieci takie jak izolatory sekcyjne do wartości maksymalnej 350 N (pkt 4.2.12 podpkt 3). 2. POMIARY SIECI TRAKCYJNEJ W TRAKCIE PRZEJAZDU Pomiary sieci trakcyjnej na wybranych szlakach odbywały się w trakcie przejazdów lokomotywą elektryczną typu ET22 z zainstalowanym systemem PanDiag do pomiaru i diagnostyki sieci jezdnej. Opracowany przez nasz Zespół system PanDiag testowany był wielokrotnie na sieci kolejowej głównie na terenie województwa śląskiego z udziałem przedstawicieli Przewoźników Kolejowych oraz Zarządcy Infrastruktury. System PanDiag umożliwia podgląd i rejestrację on-line wybranych ważnych parametrów sieci trakcyjnej opisanych powyżej. Poniżej przedstawiono przykładowe nieprawidłowości po stronie sieci trakcyjnej stwierdzone podczas przejazdu kontrolnego na wybranym szlaku. Na początku przed wyjazdem na szlak dokonano montażu urządzenia PanDiag na odbieraku prądu lokomotywy ET22 co pokazano na fotografii 1. Następnie zmierzono siłę nacisku ślizgacza na przewód jezdny aby stwierdzić czy mieści się w odpowiednim przedziale [5,6,7]. 3665
Fot. 1. Widok na zainstalowany system pomiarowy PanDiag na dachu lokomotywy W kabinie maszynisty zainstalowano laptop z odpowiednim oprogramowaniem umożliwiającym podgląd i rejestrację danych, które są przesyłane z wykorzystaniem bezprzewodowej komunikacji (fotografia 2). Fot. 2. Podgląd i rejestracja danych przesyłanych z systemu PanDiag Tak wyposażoną lokomotywą wyruszono na szlak. Celem wykonywanych w trakcie przejazdu pomiarów oraz analizy współpracy odbieraka prądu z siecią jezdną było wychwycenie wszelkich nieprawidłowości mających wpływ na tą współpracę a wynikających z występujących na sieci usterek. Niestety wykryto kilka nieprawidłowości po stronie sieci trakcyjnej wymienione w rozdziale 1. Ponieważ przejazd ten wykonywano wraz z przedstawicielami PKP Energetyka oraz PKP PLK wszelkie zarejestrowane usterki zostały przeanalizowane pod kątem przyczyn ich występowania i usunięte. W trakcie przejazdu stwierdzono m.in. nieprawidłową wysokość zawieszenia sieci trakcyjnej. Skutkowało to znacznym złożeniem pantografu i tym samym wyjściem poza obszar roboczy co spowodowało przekroczenie wartości siły nacisku (fotografia 3). 3666
Fot. 3. Widok na złożenie pantografu wskutek zbyt dużego obniżenia sieci Zarejestrowano także problemy wynikające z nieprawidłowego odsuwu (zygzakowania) sieci jezdnej. Spowodowało to zejście przewodu jezdnego z obszaru roboczego nakładki i tym samym niedopuszczalną współpracę tego przewodu z nabieżnikiem ślizgacza co widać na fotografii 4. Fot. 4. Zejście przewodu jezdnego z obszaru roboczego nakładek Ponadto w jednym miejscu w trakcie przejazdu pod izolatorem sekcyjnym odnotowano wzrost wartości siły nacisku. Jak wspomniano wcześniej izolatory sekcyjne będące sztywnymi elementami sieci trakcyjnej tworzą trudne miejsca z punktu widzenia współpracy z odbierakiem prądu, stąd tak ważne jest właściwe utrzymanie i kontrolowanie tego typu miejsc. Oczywiście należy zdawać sobie sprawę z tego, że do poprawnej współpracy ślizgacza z siecią jezdną także konieczne jest właściwe utrzymanie i diagnostyka odbieraków prądu. W tej kwestii także zaobserwowano szereg problemów i uchybień co zostało szczegółowo opisano we wcześniejszej publikacji [2]. WNIOSKI Opracowany system pomiarowy PanDiag do badania współpracy ślizgacza pantografu z siecią jezdną wykazał swoją przydatność w warunkach eksploatacyjnych. Dzięki niemu możliwe jest wychwycenie wszelkich nieprawidłowości w sieci trakcyjnej z punktu widzenia współpracy z odbierakami prądu. Jak wykazano właściwa diagnostyka i utrzymanie sieci ma duże znaczenie dla prawidłowej współpracy z pantografami, szczególnie od momentu wprowadzenia nowego typu ślizgaczy i węglowych nakładek stykowych. Niestety te nowe rozwiązania wprowadzone w odbierakach prądu są bardzo wrażliwe na stan techniczny sieci. Stosowanie nowoczesnych urządzeń diagnostycznych i zwrócenie uwagi na zagrożenia związane z nowymi nakładkami stykowymi może przynieść zmniejszenie zdarzeń spowodowanych uszkodzeniami odbieraka prądu bądź sieci trakcyjnej. 3667
Streszczenie W artykule przedstawiono wymogi stawiane sieci trakcyjnej pod kątem zapewnienia właściwej współpracy ze ślizgaczem i nakładkami stykowymi odbieraków prądu. Ten temat jest aktualny w związku z wprowadzeniem do eksploatacji nowego typu ślizgaczy wraz z węglowymi nakładkami stykowymi. Stwierdzono wzrost różnego rodzaju zdarzeń wynikających ze złej współpracy ślizgacza z siecią trakcyjną. Autorzy starali się przeanalizować przyczyny takich sytuacji, które powodowane są przez nieprawidłowości po stronie sieci trakcyjnej. W tym artykule wzięto pod uwagę tylko tą jedną grupę przyczyn po to aby w drugiej części artykułu przedstawić system pomiarowy PanDiag wraz z przeprowadzonymi pomiarami sieci jezdnej. System ten umożliwia wykonywanie pomiarów jakości współpracy ślizgacza pantografu z siecią jezdną i dzięki temu wychwycenie wszelkich nieprawidłowości. Na podstawie wykonanych badań systemem PanDiag zaprezentowano kilka rodzajów stwierdzonych uchybień leżących po stronie sieci trakcyjnej. Słowa kluczowe: PanDiag, sieć trakcyjna, odbieraki prądu, ślizgacz, węglowe nakładki stykowe, diagnostyka Measurement and analysis of the pantograph cooperation with the overhead contact line during operation Abstract The article presents the requirements for overhead contact line of appropriate cooperation with slider and and carbon plates of pantograph. This topic is timely due to the introduction into service of a new type of carbon plates. Also found an increase of all kinds of events that result from poor collaboration of slider with overhead contact line. We sought to examine the causes of such situations, which are caused by irregularities on overhead contact line. In the second part of the article present a measuring system PanDiag with results of measurements carried out with this system. This system allows conducting measurement of the quality of cooperation pantograph with overhead contact line and thus identify any irregularities. On the basis of research conducten with PanDiag system presents several types of identified failures caused by the overhead contact line. Keywords: PanDiag, overhead contact line, catenary, current collectors, pantograph, slider, carbon plates, diagnostics BIBLIOGRAFIA 1. Adam Mańka, Andrzej Hełka, Marek Sitarz, System pomiarowy PanDiag do badania współpracy ślizgacza pantografu z siecią jezdną, Logistyka 2015 nr 3. 2. Andrzej Hełka, Metody badań odbieraków prądu w warunkach eksploatacyjnych. Logistyka 2014 nr 6. 3. Dąbrowski T.: Sieci i podstacje trakcyjne, Wydanie drugie, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1986. 4. Marek Sitarz, Andrzej Hełka, Adam Mańka, Andrzej Adamiec.; Testing of Railway Pantograph, Archives of Transport, No 1-2/2013. 5. PN-K-91001. Elektryczne pojazdy trakcyjne. Odbieraki prądu. Wymagania i metody badań. 6. PN-EN 50206-1. Zastosowania kolejowe Tabor Pantografy: Charakterystyki i badania część 1: Pantografy pojazdów linii głównych. 7. PN-EN 50367. Zastosowania kolejowe Systemy odbioru prądu Kryteria techniczne dotyczące wzajemnego oddziaływania między pantografem a siecią jezdną górną. 8. Siemieński T., Jarosz T.: Odbieraki prądu i ich współpraca z siecią jezdną, Wydanie trzecie zmienione, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1993. 9. Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności, podsystem Energia. Rozporządzenie Komisji (UE) NR 1301/2014 Dz.U. z dnia 18 listopada 2014 r., Dz.U.UE.L.2014.356.179. 3668