Jednym z najważniejszych aparatów elektrycznych stosowanych na elektrycznych pojazdach trakcyjnych jest odbierak prądu zwany pantografem. Odbierak prądu przenosi prąd z sieci trakcyjnej do pojazdu trakcyjnego. W zależności od rodzaju sieci trakcyjnej odbierak może przenosić prąd z napowietrznej sieci trakcyjnej lub też z trzeciej szyny. Trzecia szyna stosowana jest zazwyczaj w metrze i dlatego nie będę opisywał tego typu odbieraków. Najbardziej powszechnym sposobem zasilania elektrycznych pojazdów trakcyjnych jest zasilanie poprzez napowietrzną sieć trakcyjną.
Pantograf na pozór wydaje się być konstrukcyjnie prosty, jednak musi on spełniać wiele wymagań aerodynamicznych, które są niezmiernie ważne przy współpracy z siecią jezdną (opis tutaj). Pantograf musi być odpowiednio wyważony, aby nie powodował uszkodzeń sieci jezdnej jak i aby sam się nie uszkodził podczas normalnej pracy.
Budowa pantografu
Na PKP w większości pojazdów stosowane są pantografy AKP - 4E, dlatego zostanie on opisany.
Pantograf ten składa się z trzech zasadniczych części: podstawy osadzonej na izolatorach, mechanizmu podnoszącego i opuszczającego (w tym ramion), które osadzone są na podstawie pantografu, oraz małego pantografu, na którym umieszczony jest ślizgacz bezpośrednio współpracujący z przewodem jezdnym.
Konstrukcja wsporcza pantografu składa się dwóch ram (podłużnych) opartych na czterech izolatorach, do nich przykręcone są pod kątem 90o ramy poprzeczne. Na ramach poprzecznych umieszczony jest siłownik pneumatyczny, który po stronie zasilającej posiada zawór redukcyjny. Z końca zaworu wyprowadzona jest rurka, do której mocuje się wąż, którym tłoczone jest sprężone powietrze do siłownika. Wąż ten wykonany jest z gumy, posiada więc dobre właściwości dielektryczne i nie ma obawy o zwarcie poprzez wąż. Siłownik wewnątrz posiada tłok, którego koniec połączony jest na zewnątrz z drążkiem mechanizmu podnoszącego. Ten z kolei połączony jest z dźwignią oraz ze sprężyną opuszczającą, która drugi koniec ma zamocowany na ramie poprzecznej pantografu.
Mechanizmem unoszącym pantograf i opuszczającym są dwa wały główne umieszczone na przeciw siebie i obustronnie ułożyskowane w podstawach odbieraka za pomocą łożysk tocznych. Do wałów przyspawane są dolne ramiona odbieraka, które się zwężają w kierunku mocowania z ramionami górnymi. Oba wały połączone są sprężynami podnoszącymi oraz cięgnami. Górne ramiona są połączone przegubowo z dolnymi za pomocą przegubów. Ramiona górne wykonane są z rur. Wszystkie cztery górne ramiona zbiegają się u podstawy ślizgacza, zwanego małym pantografem. Górne ramiona są połączone ze sobą za pomocą ukośnej poprzeczki zapewniającej sztywność konstrukcji.
Ślizgacz, który bezpośrednio współpracuje z przewodem jezdnym jest osadzony w miejscach zbiegania się górnych ramion za pomocą czterech sprężyn (na małym pantografie). Dwa przeguby łączące górne ramiona ze ślizgaczem są połączone ze sobą poprzeczną rurką. Ślizgacz wykonany jest z cynkowej blachy odpornej na korozję. Na niego przykręcony jest cienki płaskownik z miedzi elektrolitycznej, który bezpośrednio współpracuje z przewodem jezdnym. Pokrywa się go smarem grafitowym, który dodatkowo zmniejsza rezystancję przejścia między przewodem jezdnym a ślizgaczem. Końce ślizgacza zagięte są do dołu, co umożliwia łagodne zejścia i wejścia sieci na powierzchnie roboczą ślizgacza. Mały pantograf wykonany jest z przegubów co umożliwia jego pionowe ruchy.
Wszystkie ruchome elementy pantografu wyposaża się w urządzenia smarujące. Przeguby pomiędzy ramionami dolnymi i górnymi bocznikuje się miedzianą taśmą, która stanowi właściwą drogę dla prądu. W ten sposób zabezpiecza się przeguby przed szkodliwym działaniem prądu, oraz dodatkowo zmniejsza się rezystancję przejścia pomiędzy ramionami. Miejsce łączenia się górnych ramion odbieraka ze ślizgaczem także bocznikuje się taśmą miedzianą.
Działanie pantografu
Zasadniczym położeniem pantografu jest pantograf opuszczony. Wówczas w siłowniku (3) nie ma sprężonego powietrza. Sprężyna opuszczająca (5) jest ściśnięta, natomiast sprężyny podnoszące (6) są naprężone. Siła naprężenia sprężyn podnoszących (6) jest równoważna sile sprężyny opuszczającej (5). Sprężyny podnoszące (6) nadają wałom (2) moment obrotowy, skierowany do środka pantografu. Moment ten jest jednak hamowany przez moment wywołany działaniem siły sprężyny opuszczającej (5), która przenosi się na drążek mechanizmu podnoszącego (7) oraz dźwignię (8), która połączona jest z jednym wałem głównym.
Podnoszenie pantografu
W momencie zasilenia siłownika (3) sprężonym powietrzem jego tłok wysuwa się pchając drążek (7). Ten przesuwa się do przodu i napręża sprężynę opuszczającą (5). Drążek jednocześnie ciągnie dźwignię (8). Siła pochodząca od sprężyny opuszczającej (5) maleje i staje się słabsza od siły, którą wywołują naprężony sprężyny podnoszące (6). Sprężyny podnoszące (6) ściskają się nadając moment obrotowy wałom (2), skierowany do środka pantografu. Moment ten nie jest już hamowany przez moment pochodzący od sprężyny opuszczającej (5). Powoduje to obrót wałów (2) a wraz z nimi ramion dolnych (9). Te są połączone za pomocą przegubów z ramionami górnymi (10). Pantograf unosi się do góry i dociska ślizgacz (12) do przewodu jezdnego z określoną siłą.
Opuszczenie pantografu
Opuszczenie pantografu nastąpi, gdy z siłownika (3) zostanie wypuszczone powietrze. Wówczas siła naprężenia sprężyny opuszczającej (5) powoduje cofnięcie drążka (7) do zasadniczego położenia, oraz dźwigni (8). Ciężar układu ramion (9) i (10) oraz siłą naprężenia sprężyny opuszczającej (5) przezwyciężają siłę sprężyn podnoszących (6) i powodują opuszczenie pantografu. Jednocześnie sprężyny podnoszące (6) się napinają.
Czas podnoszenia i opuszczania pantografu zależy od napełnienia siłownika oraz od naciągu sprężyn. Naciąg sprężyn można regulować podobnie jak czas napełniania cylindra siłownika. Pantograf powinien się podnosić wolniej, szczególnie w ostatniej fazie, aby nie uderzał o sieć. Z kolei odrywanie się od sieci podczas opuszczania powinno nastąpić szybko. Druga faza opuszczania powinna być przeprowadzana wolno, aby pantograf opadając nie uderzał w konstrukcję wsporczą. Jest to realizowane poprzez zawór regulacyjny siłownika o odpowiedniej budowie. Podczas podnoszenia powietrze jest wtłaczane do cylindra siłownika przez mały otwór i cylinder napełnia się wolno, dzięki temu pantograf podnosi się wolniej. Przy opadaniu, gdy cylinder jest napełniony jeszcze powietrzem otwiera się grzybek o większej średnicy co powoduje szybsze opróżnianie cylindra. W końcowej fazie, gdy powietrza jest już mało i spada ciśnienie grzybek się zamyka, a reszta powietrza wylatuje poprzez mały otwór. Powoduje to wolniejsze wydostawanie się powietrza, co wydłuża czas opadania. Dzięki temu w końcowej fazie opadania pantograf opada wolno i osiada spokojnie na gumowych odbijakach.
Różnica w nacisku ślizgacza na przewód jezdny w zależności od wysokości zawieszenia sieci nie powinna być zbyt duża. Bardzo ważne jest odpowiednie wyregulowanie sprężyn, gdyż ma to wpływ na docisk ślizgacza do przewodu jezdnego. Słaby docisk może powodować odrywanie się ślizgacza od przewodu jezdnego i powodować łuk elektryczny, który szkodliwie działa zarówno na sieć jak i na powierzchnię ślizgacza. Z kolei zbyt mocny docisk ślizgacza do przewodu może powodować unoszenie się przewodu jezdnego, a to może spowodować uszkodzenie sieci.
Oprócz pantografów typu AKP-4E stosowane na PKP są jeszcze pantografy jednopołówkowe. Pantografy te charakteryzują się lepszymi właściwościami aerodynamicznymi i lepiej współpracują z przewodem jezdnym. Odbieraki te stosowane są na niektórych lokomotywach elektrycznych serii EP09, wszystkich lokomotywach EM10, na lokomotywie ET22-2000, na niektórych jednostkach elektrycznych ED72, a także na jednostce ED73.
Odbieraki jednopołówkowe składają się z jednego ramienia dolnego, który połączony jest przegubowo z dwoma ramionami górnymi, drążków regulujących położenie ślizgacza i ramion, napędu oraz ślizgacza. Niekiedy stosuje się ślizgacze dwupłozowe, niezależnie odsprężynowane co zmniejsza ryzyko przerw w odbiorze prądu. Na PKP stosuje się pantografy jednopołówkowe typu DSA 200 przystosowane do obciążeń znamionowych 1800 A oraz prędkości ruchu pojazdu 200 km/h.
Na lokomotywach elektrycznych umieszczane są zazwyczaj po dwa pantografy, wyjątek stanowią lokomotywy elektryczne serii EM10, na których znajduje się jeden odbierak, oraz lokomotywy dwuczłonowe serii ET40 i ET41, które posiadają po cztery odbieraki prądu, po dwa na każdym członie (ET40 posiadają cztery odbieraki od numeru 31).
Podczas jazdy pojazdu trakcyjnego podniesiony powinien być tylni pantograf patrząc w kierunku jazdy. W przypadku jazdy na przednim pantografie i ewentualnego uszkodzenia mogło by się zdarzyć, że elementy uszkodzonego pantografu spadłyby na drugi pantograf i uszkodziły go. W takim przypadku lokomotywa wyposażona w dwa pantografy zostaje wyeliminowana z jazdy. Dwa pantografy powinny być podniesione podczas jazdy zimą, gdy sieć jest mocno oblodzona i zwiększona jest rezystancja przejścia przewód jezdny - ślizgacz. Pierwszy pantograf wówczas ma za zadanie strącać sadź, a drugi odbierać prawidłowo prąd. Od każdego pantografu są wyprowadzone przewody, które umieszcza się w rurkach prowadzonych po dachu pojazd. W miejscu, gdzie zbiegają się rurki przewody wyprowadza się na zewnątrz i przyłącza do odłącznika pantografów. Czasem zamiast przewodów montuje się na izolatorach szyny prowadzące do odłącznika. Siłownik pneumatyczny jest zasilany poprzez przewód gumowy, który jest przykręcony następnie do metalowej rurki. Ta prowadzi do wnętrza pojazdu, gdzie znajduje się główny zawór elektropneumatyczny pantografu.
Zastosowanie odbieraków prądu
Odbieraki prądu (pantografy) służą do przenoszenia energii elektrycznej z sieci trakcyjnej do pojazdu trakcyjnego.
Jeżeli chcesz poznać dane odbieraka prądu typu AKP-4E kliknij tutaj.
![[Rozmiar: 13478 bajtów]](tla i obrazki/pantograf.gif)