Mrek Sitrz, Andrzej Admiec, Adm Mńk Uszkodzeni węglowych nkłdek stykowych pntogrfów kolejowych stosownych w Polsce W rtykule przedstwiono klsyfikcję i przyczyny njczęściej występujących uszkodzeń węglowych nkłdek stykowych pntogrfów eksplotownych n polskich linich kolejowych wrz z identyfikcją przyczyn ich występowni. W rtykule wskzno n njrdziej istotne elementy utrzymni odierków prądu, które są njczęstszą przyczyną nie tylko usterek odierków prądu i sieci trkcyjnej, le również przyspieszonego zużyci współprcujących elementów i wysokich kosztów eksplotcji pojzdów trkcyjnych. Słow kluczowe: sieć trkcyjn, odierki prądu, pntogrf, ślizgcz, węglowe nkłdki stykowe, system do dignostyki sieci trkcyjnej. Uszkodzeni w pntogrfch kolejowych [6] (odierkch prądu trkcyjnego [7]) związne są głównie z uszkodzenimi węglowych nkłdek stykowych (WNS) ślizgcz i występują w trnsporcie szynowym od smego początku ich eksplotcji. Możliwości ich wystąpieni mogą yć związne z procesmi: 1. Projektowni. 2. Wytwrzni. 3. Eksplotcji. Szczególnie wżny jest etp projektowni pntogrfu, popełnione podczs niego łędy mogą mieć konsekwencje nie tylko eksplotcyjne i ekonomiczne, le również mogą mieć wpływ n ezpieczeństwo ludzi i towrów. Celem rtykułu jest przedstwienie i sklsyfikownie uszkodzeń WNS wrz z podniem przyczyn ich wystąpieni, zując n doświdczenich eksplotcyjnych w przedsięiorstwie PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., wynikjących z ich stosowni od 2011 r. Nleży mieć n uwdze, że skutki uszkodzeń WNS podczs eksplotcji, w konsekwencji również pntogrfów, odczuwją przewoźnicy kolejowi, zrządcy infrstruktury kolejowej, jk również psżerowie (np. opóźnieni orz spóźnieni pociągów). Powyższe uszkodzeni T. 1. Wykz mteriłów stosownych n nkłdki stykowe eksplotowne w Polsce [16] Lp. Symol mteriłu Ogrniczeni 1. MY7A2 Bez ogrniczeń 2. M131 Bez ogrniczeń 3. S4202 Typ mteriłu może yć stosowny n sieci PLK z zstrzeżeniem, że podczs postoju pod siecią jednoprzewodową muszą yć podniesione i złączone dw pntogrfy 4. SK-162 Bez ogrniczeń 5. P8511 Bez ogrniczeń 6. P5696 Bez ogrniczeń 7. RH83 M6 Bez ogrniczeń 8. SK85ACu Bez ogrniczeń 9. SK07Cu Bez ogrniczeń 10. SK01Cu Typ mteriłu może yć stosowny n sieci PLK z zstrzeżeniem, że podczs postoju pod siecią jednoprzewodową 11. SK85Cu muszą yć podniesione i złączone dw pntogrfy 70 1 2 /2016 powodują wzrost kosztów trnsportu, pogorszenie jkości usług orz oniżenie poziomu ezpieczeństw psżerów i towrów. Mteriły nkłdek ślizgowych eksplotownych w Polsce Polsk do styczni 2011 r. ył jedynym krjem w Unii Europejskiej, w którym elektryczne pojzdy trkcyjne mogły jeździć z pntogrfmi wyposżonymi w miedzine nkłdki stykowe. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. zgodnie z przepismi zwrtymi w Technicznych Specyfikcjch Interopercyjności (TSI) [8, 9], wprowdził z dniem 01.02.2011 r. oowiązek używni przez pojzdy trkcyjne nkłdek stykowych wykonnych z mteriłu węglowego. Według punktu 4.2.8.2.9.4 [2], skłdnikiem interopercyjności jest nkłdk węglow. Ocenę zgodności skłdnik interopercyjności przeprowdz się według wymgń określonych w pkt. 5.2.2 do 5.2.4, 5.2.6 i 5.2.7 normy [6]. Jednocześnie mterił, z którego wykonn jest nkłdk stykow, powinien yć mechnicznie i elektrycznie dostosowny do włściwości fizykochemicznych mteriłu przewodu jezdnego (zgodnie z punktem 4.2.18 TSI [8, 9]), y uniknąć między innymi ndmiernego ścierni powierzchni przewodów jezdnych i smych nkłdek stykowych. W przypdku nkłdek stykowych stosownych wyłącznie n linich DC, zsilnie pojzdów trkcyjnych prądem przemiennym, dozwolone są nkłdki węglowe. Górn część WNS może yć wykonn z nstępujących mteriłów, które zostły przedstwione n rysunku 1. Przepisy [2] w punkcie 4.2.8.2.9.4.2 jednozncznie określją procentowy udził związków metlicznych w kompozycie węglowym. W Polsce możn stosowć kompozyt węglowy impregnowny domieszkmi metlicznymi, których zwrtość metlu w węglowych nkłdkch stykowych nie może przekrczć 40% msy. Wykz komponentów różnych firm, z których mogą yć wykonywne nkłdki stykowe pntogrfu w pojzdch trkcyjnych, służące do kontktu z siecią trkcyjną w Polsce, przedstwi tel 1 [16]. Wżnym spektem zstosowni nowego mteriłu n nkłdki stykowe do pntogrfów strego typu yło dostosownie Rys. 1. Mterił stosowny w węglowych nkłdkch stykowych
Fot. 1. Odierk prądu wyposżony w nowe nkłdki węglowe ) typu 5-ZL, ) typu AKP-4E Fot. 2. Pntogrf: ) typu EC-160 ze ślizgczem pojedynczym i otwrtym nieżnikiem; ) typu WBL-85 DC ze ślizgczem podwójnym (liźniczym) i otwrtym nieżnikiem msy nowego ślizgcz w tki sposó, y umożliwić uzysknie siły ncisku sttycznego wywiernego n przewód jezdny sieci trkcyjnej w zkresie od 90 do 120 N. Zminie uległy przede wszystkim konstrukcje ślizgczy (dptery) pntogrfu strszego typu, tj. 5ZL orz AKP-4E, (fot. 1), które yły eksplotowne w zdecydownej większości pojzdów kolejowych w Polsce. W związku z decyzją PKP PLK S.A. [14, 15] odnośnie oowiązku używni węglowych nkłdek stykowych w pntogrfch pojzdów trkcyjnych dl potrze przewoźników oprcowno nowe konstrukcje ślizgczy pntogrfów. Ślizgcze pntogrfów występują w wersji pojedynczej np. ślizgcze z nkłdkmi węglowymi, w której nkłdki połączone są ze soą w sposó sztywny n jednej rmie (fot. 2) orz w wersji podwójnej (fot. 2). Ślizgcze podwójne, zwne również liźniczymi, nie są połączone ze soą w sposó sztywny i mją możliwość niezleżnej współprcy z przewodem jezdnym. Klsyfikcj uszkodzeń węglowych nkłdek stykowych N podstwie wieloletniej oserwcji eksplotcyjnej, uczestnictw w miejscowych orz zkłdowych komisjch związnych z uszkodzenimi pntogrfów i ich elementów tkich jk: ślizgcze, węglowe nkłdki stykowe orz przeprowdzonych dń dopuszczeniowych [13, 12] zproponowno klsyfikcję występujących uszkodzeń, które przedstwiono n rysunku 2. Z nlizy tego schemtu wynik, że uszkodzeni WNS są związne z etpmi ich,,życi, tj: 4. Projektowniem. 5. Wytwrzniem. 6. Eksplotcją. Uszkodzeni węglowych nkłdek stykowych wynikjące z defektów powstłych podczs projektowni Jednym z njczęstszych uszkodzeń nkłdek stykowych są odspojeni (rozwrstwienie) zncznej części mteriłu ślizgcz od listwy wsporczej fot. 3. Prolem ten wynik z zstosowni niewłściwie dornej technologii mteriłu nkłdek stykowych w formie oddzielnych loków zespjnych do listwy wsporczej poprzez klejenie. W celu zpewnieni jk njmniejszego oporu elektrycznego w miejscu Fot. 3. Odspojenie frgmentu nkłdki stykowej wynikjące z niewłściwego procesu wytwrzni ślizgcz 1 2 /2016 71
Rys. 2. Klsyfikcj uszkodzeń nkłdek stykowych w pntogrfch połączeni mteriłu (kompozytu węglowego) z podstwą luminiową nkłdek stykowych umieszcz się miedziną sitkę jko element pośredni. Zespolenie to musi jednocześnie zpewnić prwidłowy przepływ prądu od profilownego przewodu jezdnego (djp) do nkłdki stykowej ślizgcz pntogrfu. Fot. 4. Wyłuszczenie mteriłu nkłdki stykowej wynikjące z wewnętrznej wdy mteriłowej Uszkodzeni węglowych nkłdek stykowych wynikjące z defektów powstłych podczs wytwrzni Istnieje również potrze zchowni podstwowych wymogów technologicznych odnośnie wytwrzni mteriłu n węglowe nkłdki stykowe. Z uwgi n stosowne w Polsce zsilnie prądem stłym o npięciu znmionowym 3 kv, wszelkie próy zstosowni mteriłu użytkownego np. w Niemczech, Szwjcrii (~15 kv) lu Anglii (~25 kv), gdzie występuje zsilnie prądem przemiennym, skończyły się niepowodzeniem. Wynik to z fktu, że przy tk wysokich npięcich nie jest możliwe stosownie nkłdek węglowych ze zncznie mniejszą ilością miedzi ( zrzem tńszych) ez owy o przekroczenie dopuszczlnej normy [14, 5] dotyczącej mksymlnego przyrostu tempertury o 80ºC dl prądu 1 200 A podczs trzyminutowej próy termicznej. Niezędne jest jednk równomierne rozmieszczenie miedzi w ojętości nkłdki węglowej orz trwłe jej zespolenie z kompozytem węglowym. Niedotrzymnie tego rygoru technologicznego skutkuje, oprócz przegrzni, wyłuszczenimi przedstwionymi n fot. 4. Wyłuszczenie związne jest z nieciągłością mteriłu (pęcherz powietrz), któr powstł podczs procesu technologicznego zncznie wcześniej niż smo wyłuszczenie mteriłu (kolor żółty). Odspojenie mteriłu, w tym wypdku miedzi, widoczne jest w dolnej części zgłęieni przedstwionej wdy. W tym przypdku możn jednozncznie wykluczyć przyczynę związną z siecią jezdną z uwgi n znikome ociążeni mechniczne tej części nkłdki stykowej. Uszkodzeni węglowych nkłdek stykowych powstłe podczs eksplotcji Sm montż nkłdek stykowych m istotne znczenie dl ich prwidłowej eksplotcji orz kosztów ich użytkowni. Oprócz przedstwionego n fot. 5 przykłdu niewłściwie zmocownego elstycznego łącznik ocznikującego, nleży zwrócić szczególną uwgę n prwidłowe dolegnie nkłdek stykowych do podstwy ślizgcz w pntogrfie. Tki, nieprwidłowy montż spowoduje rk współosiowości górnych powierzchni ou nkłdek fot. 6. Błąd ten powoduje punktowy styk nkłdek z przewodem jezdnym i przyspieszone zużycie nie tylko nkł- 72 1 2 /2016
Fot. 5. Niewłściwie zudowny, elstyczny łącznik ocznikujący dek stykowych, le również przewodu jezdnego, co może doprowdzić do jego przepleni podczs ruszni ciężkim skłdem. N podstwie doświdczeń utorów możn stwierdzić, że efekty nie zchowni równoległości powierzchni styku ou nkłdek, nstępnie ich liniowego styku z przewodem jezdnym wykluczją możliwość spełnieni wymgń normtywnych w zkresie ngrzewni się nkłdek i przewodu jezdnego [7, 5] podczs pró stnowiskowych orz eksplotcyjnych. Dltego też, przed prómi prądowymi luzuje się ślizgcze, umieszcz n ou linił lu poziomicę i dopiero wtedy skręc, zpewnijąc przylegnie ou nkłdek. Nierównomierne zużycie nkłdek stykowych przedstwione n fot. 6 wynik często również z smej konstrukcji, utrzymni stnu technicznego mechnizmu docisku ślizgczy liźniczych orz tzw. młego pntogrfu przy pntogrfch wyposżonych w ślizgcz pojedynczy. Widć ztem, że włściwe utrzymnie pntogrfu, w szczególności elementów ślizgcz m znczący wpływ n trwłość i koszty eksplotcji węglowych nkłdek stykowych, tym smym sieci trkcyjnej. Przyczynmi uszkodzeń nkłdek stykowych, w nstępstwie również cłych odierków prądu trkcyjnego, mogą yć nie tylko nieprwidłowości w sieci jezdnej, le również w smych pntogrfch. Podczs eksplotcji ujwniją się wdy powstłe n etpie projektowni, wytwrzni orz związne z eksplotcją (dotyczy przewoźnik orz zrządcy infrstruktury), które zostły przedstwione n rysunku 2. Jedną z częstych przyczyn uszkodzeń węglowych nkłdek stykowych, w trkcie eksplotcji są ndpleni mteriłu (kompozytu węglowego). Jest to ezpośredni efekt powstwni rdzo wysokich tempertur po utworzeniu się łuku elektrycznego (fot. 7). Powstwnie lu ciągnięcie łuku elektrycznego powstje w złych wrunkch pogodowych tj. podczs olodzeni, opdów deszczu, śniegu, le również przy zyt młym ncisku pntogrfu n przewód jezdny sieci trkcyjnej [4]. Powyższe uszkodzeni powstją również w wyniku oderwni się ślizgcz od drutu jezdnego (szczególnie w kolejch szykich), jk i podnoszeni i opuszczni pntogrfu przy zdnym zyt dużym ociążeniu n nstwniku jzdy przez mszynistę. Nleży zznczyć, że mteriły, których przewodność elektryczn jest nisk ędą sprzyjły powstwniu łuku elektrycznego, w nstępstwie przepleniu przewodu jezdnego sieci trkcyjnej. Uszkodzeni przedstwione n fot. 8 przedstwiją efekt długotrwłego użytkowni odierk prądu po odspojeniu się frgmentu nkłdki węglowej. Przyczyną pierwotną tego stnu Fot. 6. Niewłściwie zmontowne nkłdki stykowe w ślizgczu liźniczym rzeczy może yć niewłściwe zespolenie nkłdki węglowej z listwą, uszkodzenie powstłe podczs trnsportu lu montżu, ndmierne lu przyspieszone zużycie eksplotcyjne lu uderzenie w przeszkodę usytuowną n sieci trkcyjnej, w tym np. uderzenie w niewłściwie zmontowny izoltor sekcyjny, elementy wieszk, elementy uszkodzonego odierk prądu, lód lu elementy otoczeni zewnętrznego infrstruktury, które nie nleżą do systemu kolejowego. Njrdziej dotkliwe skutki tkich nieprwidłowości powodują uszkodzenie odierk prądu, którego poszczególne elementy konstrukcji powinny dziłć jko ezpiecznik i nie powodowć dlszej degrdcji pntogrfu lu sieci trkcyjnej. W dlszym ciągu występują jednk zdrzeni powodujące nie tylko uszkodzenie pojedynczego odierk prądu, le również uszkodzenie sieci trkcyjnej, słupów i kolejnych odierków prądu ndjeżdżjących pojzdów trkcyjnych. Wnioski i kierunki dlszych prc Przedstwione i sklsyfikowne w rtykule njczęstsze uszkodzeni węglowych nkłdek stykowych orz zidentyfikowne przyczyny ich wystąpieni wskzują n potrzeę dlszych prc nd zchowniem odpowiednich prmetrów mteriłu i konstrukcji n etpie projektowni, produkcji orz wysokiej kultury technicznej związnej z eksplotcją odierków prądu. Przyczyny uszkodzeń wskzują również n konieczność ciągłej dignostyki stnu sieci trkcyjnej urządzenimi do pomiru sił i umiejscowieni djp względem pojzdu np. system PnDig [3, 11]. Fot. 7. Uszkodzeni węglowych nkłdek stykowych spowodowne wydzielniem się ciepł w czsie powstni łuku elektrycznego 1 2 /2016 73
Fot. 8. Uszkodzeni węglowych nkłdek stykowych spowodowne odspojeniem się nkłdek stykowych Ndrzędnym celem rtykułu yło usystemtyzownie ktulnej wiedzy i doświdczeń wynikjących ze stosowni nkłdek węglowych w Polsce. Włściw wiedz, znjomość temtu, tzw.,,kultur ezpieczeństw może przyczynić się do stopniowej redukcji przyczyn wrii, których n sieci PKP zrządznej przez Polskie Linie Kolejowe S.A. jest ok. 800 rocznie, których skutki odczuwją nie tylko przewoźnicy kolejowi i podmioty odpowiedzilne z utrzymnie sieci kolejowej, le również psżerowie trnsportu kolejowego. Biliogrfi 1. Borsik J., Stnowisko do dń pntogrfów przeznczone do eksplotcji w procesie produkcji orz utrzymni toru kolejowego i trmwjowego, Technik Trnsportu Szynowego 2011, nr 1-2. 2. Decyzj Komisji 2008/232/WE z dni 26 kwietni 2011 r. dotycząc Technicznej Specyfikcji Interopercyjności (TSI) podsystemu Tor trnseuropejskiego systemu kolei dużych prędkości: Dz. Urz. L 84 z 26.03.2008 r., s. 132-392. 3. Hełk A., Mńk A., Pomiry i nliz współprcy pntogrfu z siecią jezdną w trkcie eksplotcji, Logistyk 2015, nr 3. 4. Mjewski W., Zstosownie nkłdek węglowych w odierkch prądu, Prezentcj Instytutu Kolejnictw, 5 mrc 2013 r. 5. PN-EN 50206-1:2009 Zstosowni kolejowe Tor Pntogrfy: Chrkterystyki i dni Część 1: Pntogrfy pojzdów linii głównych. 6. PN-EN 50405:2006 Systemy odioru prądu Pntogrfy, metody dń węglowych nkłdek stykowych. 7. PN-K 91001:1997 Elektryczne pojzdy trkcyjne Odierki prądu Wymgni i metody dń. 8. Rozporządzenie Ministr Infrstruktury z dni 7 styczni 2008 r. zmienijące rozporządzenie w sprwie zsdniczych wymgń dotyczących interopercyjności kolei orz procedur oceny zgodności dl trnseuropejskiego systemu kolei konwencjonlnej: Dz. U. Nr. 11 z 2008 r., poz. 65. 9. Rozporządzenie Ministr Trnsportu, Budownictw i Gospodrki Morskiej z dni 2 mj 2012 r. w sprwie interopercyjności systemu kolei: Dz. U. z 2012 r., poz. 492. 10. Sitrz M., Chruzik K., Wchnik R., Groń M., Ocen ryzyk opercyjnego orz monitorownie pojzdów kolejowych, Technik Trnsportu Szynowego 2014, nr 3. 11. Sitrz M., Hełk A., Mńk A., Admiec A., Testing of Rilwy Pntogrph, Archives of Trnsport 2013, No 1 2. 12. U641RT4/2011 Bdni mteriłowe węglowych nkłdek ślizgowych wg wymogów PKP PLK S.A. Let-4, Ktedr Trnsportu Szynowego Politechniki Śląskiej, Ktowice, 2010 r. 13. U694RT4/2010 Bdni nkłdek węglowych MY131 S4202 Morgn Cron, Ktedr Trnsportu Szynowego Politechniki Śląskiej, Ktowice, 2011 r. 14. Uchwł nr 20/2010 Zrządu PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dni 8 styczni 2010 r. w sprwie stosowni w PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Wymgni dl mteriłów węglowych nkłdek ślizgowych pntogrfów dopuszczonych do współprcy z siecią trkcyjną zrządzną przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. - Iet-4. 15. Woźnik K., Wprowdzenie oowiązku stosowni węglowych nkłdek ślizgowych n pntogrfch pojzdów trkcyjnych przewoźników korzystjących z sieci trkcyjnej zrządznej przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., www.sirts.pl (dostęp 18.01.2016). 16. Wykz mteriłów, z których mogą yć wykonne nkłdki stykowe odierk prądu (pntogrfu) pojzdu trkcyjnego do kontktu z siecią trkcyjną PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., wyciąg z PKP PLK z dni 11.12.2015 roku. Autorzy: prof. dr h. inż. Mrek Sitrz Wyższ Szkoł Biznesu w Dąrowie Górniczej, Ktedr Trnsportu Szynowego mgr inż. Andrzej Admiec PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Centrl, Biuro Energetyki dr inż. Adm Mńk Politechnik Śląsk, Wydził Trnsportu, Ktedr Technologii Lotniczych Clssifiction of dmges of plin cron cps nd pntogrphheds The rticle presents the clssifiction nd the most common cuses of pntogrphs cron pltes dmge operted on Polish rilwys with identifiction of the cuses of their occurrence. The rticle pointed out the most importnt elements of the mintennce of current collectors, which re the most common cuse of not only the fult current collector nd ctenry, ut they lso cuse ccelerted wer of components nd generte high operting costs of rilwy trnsport. Keywords: overhed contct line, current collectors, pntogrph, slider, cron pltes, the overhed contct line dignostics system. 74 1 2 /2016