Пойыздар мен жеңіл рельсті көліктерінің электр энергиясын жинау құрылғысы

Кіріспе

Пойыздар мен жеңіл рельстік көліктерде қолданылатын электр қуатын жинау аппараты, көшіру құралы.

Пантограф (немесе "пан" немесе "панто") – электр пойызының, трамвайдың немесе электр автобусының шатырына орнатылып, жоғары сымдармен тікелей жанасу арқылы электр қуатын жинауға арналған құрылғы. Бұл терминнің шығуы кейбір үлгілердің қолжазба мен суреттерді көшіруге арналған механикалық пантографтарға ұқсас болуымен байланысты. Пантограф – ток жинағыштың ең көп таралған түрі; әдетте, бір немесе екі сым қолданылады, ал кері ток рельстер арқылы жүзеді. Ток жинағыштардың басқа түрлеріне қас коллекторы және троллейбус бағанасы жатады.

Өнертабыс

Пантограф, төмен үйкелісті, алмастырылатын графиттен жасалған байланыс жолағы немесе "тілше" байланыс сымына түсетін бүйірлік күшті азайту мақсатында, алғаш рет 19 ғасырдың соңында пайда болды. Алғашқы үлгілеріне 1889 жылы Германиядағы Siemens & Halske компаниясының бас инженері Уолтер Райхель ойлап тапқан доға жинағышы және 1895 жылы Балтимор және Огайо темір жолы алғаш рет қолданған жалпақ сырғымалы пантограф кіреді. Белгілі бір алмаз тәрізді ролик пантографты Джон Кью. Браун «Кей Системі» дүкендерінде Сан-Франциско мен Калифорниядағы Сан-Франциско шығанағының Шығыс бөлігі арасындағы қалалық пойыздар үшін ойлап тапты және патент алды. Олар 1903 жылдың 26 қазанындағы қызметтің бірінші күнінің суреттерінде көрсетілген. Содан кейін көптеген ондаған жылдар бойы осы алмаз пішіні әлемдегі электрлік теміржол жүйелерінде қолданылды және бүгінгі күнге дейін кейбіреулері қолданылуда. Пантограф – бұл сол кезге дейін қолданылып келген қарапайым троллейлік бағананың жетілдірілген түрі, себебі пантограф электрлік теміржол көлігіне жоғары жылдамдықпен жүруге, мысалы, троллейлік бағананың сымнан үзілуіне байланысты жоғарыдағы желілермен байланысын жоғалтпай мүмкіндік берді. Бұл қарамастан, троллейлік бағана арқылы ток жинау Чикаго Солтүстік Жағалау және Милуоки темір жолының (Солтүстік Жағалау желісі деп те аталады) Electroliner көліктерінде сәтті пайдаланылды.

Қазіргі заманғы қолданысы

Бүгінгі таңда пантографтың ең көп таралған түрі – жарты пантограф (кейде Z пішіндес), ол пойыздардың жылдамдығы артқан сайын, жоғары жылдамдықтарда ықшам және жылдам әрекет ететін бір қолды конструкцияны қамтамасыз ету үшін дамыды. Луи Фейвли бұл типті пантографты 1955 жылы ойлап тапты. Жарты пантографты өте жоғары жылдамдықты пойыздарда (мысалы, TGV) және төмен жылдамдықты қалалық трамвай жүйелерінде де қолдануға болады. Бұл конструкция қозғалыс бағытына қарамастан бірдей тиімділікпен жұмыс істейді, бұл швейцариялық және австриялық темір жолдарының ең жаңа, жоғары өнімді локомотивтері – Re 460 және Taurus – оларды қарама-қарсы бағытта пайдаланатынынан көрінеді. Еуропада пантографтардың геометриясы мен пішінін CENELEC, Еуропалық электротехникалық стандарттау комитеті белгілейді.

Техникалық мәліметтер

Қазіргі заманғы электрлік теміржол жүйелерінің электрлік тарату жүйесі жоғарғы, салмақ көтергіш сымнан (катенер деп аталады), одан байланыс сымы ілінеді. Пантограф серіппелі болып келеді және пойызды қозғалысқа келтіруге қажетті токты алу үшін контактілік аяқ киімді байланыс сымының астыңғы жағына итеріп жібереді. Теміржол рельстері электрлік қайтарым қызметін атқарады. Пойыз қозғалғанда, контактілік аяқ киім сым бойымен сырғанап өтеді және сымдарда тұрақты толқындар пайда болуы мүмкін, бұл байланысты үзуге және ток жинауды нашарлауға әкеледі. Осы себепті, кейбір жүйелерде жапсарлас пантографтарға рұқсат берілмейді. Пантографтар – бұрынғы трамвай жүйелерінде кеңінен қолданылған троллейбустардың ізбасары. Троллейбустар әлі де троллейбустарды пайдаланады, олардың кең қозғалыс еркіндігі және екі сымды тізбекке қажеттілігі пантографтарды тиімсіз етеді, ал Торонто трамвай жүйесі сияқты кейбір трамвай желілерінде жиі кездесетін өткір бұрылыстар, үздіксіз байланысты қамтамасыз ету үшін тоқ жинауда қосымша еркіндік қажеттілігін тудырады. Дегенмен, осы желілердің көптеген бөліктері, Торонтодағыдай, пантографты пайдалануға мүмкіндік беру үшін жаңартудан өтуде. Пантографтар, жоғары сымдармен бірге, қазіргі заманғы электр пойыздарында тоқ жинаудың басым түрі болып табылады, себебі олар үшінші рельсті жүйеге қарағанда нәзік болғанымен, жоғары кернеуді пайдалануға мүмкіндік береді. Пантографтар көбінесе көліктің тежегіш жүйесінен алынған қысылған ауамен басқарылады, бірлікті көтеру және оны өткізгішке ұстап тұру үшін, немесе серіппелер қолданылса, оны төмендету үшін. Екінші жағдайда, қысымның төмендеуіне қарсы сақтық шарасы ретінде қол тұтқамен төменгі күйде ұсталады. Жоғары кернеулі жүйелерде, шатырға орнатылған автоматтық ажыратқыштар қолданылғанда, электр доғасын сөндіру үшін дәл сол ауамен қамтамасыз етіледі.

Бір және екі pantographs

Пантографтар бір немесе екі қолды болуы мүмкін. Екі қолды пантографтар әдетте ауыр болады, көтеру және түсіру үшін көбірек қуат қажет, бірақ олар бұзуға төзімдірек болуы мүмкін. Бұрынғы КСРО елдерінің темір жолдарында ең көп қолданылатын пантографтар – екі қолды ("екі ромбтан тұратын") пантографтар, бірақ 1990 жылдардың соңынан бері Ресей темір жолдарында да бірнеше бір қолды пантографтар пайда болды. Кейбір трамвайлар екі қолды пантографтарды пайдаланады, олардың ішінде ресейлік KTM 5, KTM 8, LVS 86 және көптеген басқа ресейлік трамвайлар, сондай-ақ Бельгиядағы кейбір Euro PCC трамвайлары бар. Америкалық трамвайлар троллейбустық сымдарды немесе бір қолды пантографтарды қолданады.

Метро жүйелері мен әуе желілері

Жедел көлік жүйелерінің көпшілігі үшінші рельспен жұмыс істейді, бірақ кейбіреулері пантографтарды қолданады, әсіресе жолдың үлкен бөлігі жер үстімен өтетін жағдайларда. Гибридті метро-трамвай немесе «пре-метро» желілерінің көпшілігі, мысалы, (бұрынғы) Амстердам метросының 51-жолы, MBTA Green Line, Кливлендтегі RTA Rapid Transit, Франкфурт-на-Майндағы U-Bahn және Сан-Францискодағы Muni Metro қала көшелерінде немесе басқа да көпшілікке қолжетімді аймақтардағы рельстерді пайдаланады. Себебі, стандартты үшінші рельс көлік қозғалысына кедергі келтіріп, электр тогының соғу қаупін тудыруы мүмкін. Мұндай ерекшеліктердің ішінде бірнеше трамвай жүйелері бар, мысалы, Бордо, Анжер, Реймс және Дубайдағы жүйелер Alstom компаниясы әзірлеген APS деп аталатын, трамваймен толық жабылмаған рельс сегменттеріне ғана қуат беруге арналған, эксклюзивті жер асты жүйесін пайдаланады. Бұл жүйе Бордоның тарихи орталығында қолдануға арналған, себебі, жоғары сымдардың болуы көрініске бұрмалаушылық әкелуі мүмкін еді. Bombardier, AnsaldoBreda, CAF және басқа да компаниялар жоғары сымдарды болдырмайтын ұқсас жүйелерді жасады. Бұл жүйелерде жердегі физикалық инфрақұрылым болуы мүмкін немесе қысқа қашықтықтарда сымсыз жүру үшін аккумуляторларда сақталған энергияны пайдалануға болады. Кейде үшінші рельске қарағанда пантографтарды балама ретінде қолданады, себебі, үшінші рельстер қысқы ауа райында мұзға айналуы мүмкін. MBTA Blue Line желісінің жер үсті бөлігінде пантографты қуаттандыруды пайдаланады, ал жер асты бөлігіне кірмес бұрын үшінші рельске ауысады. Сидней, Мадрид, Барселона, Шанхай, Гонконг, Сеул, Кобе, Фукуока, Сендай, Джайпур, Ченнаи, Мумбаи және Дели метроларының барлық жүйелері жоғары сымдар мен пантографтарды пайдаланады (сондай-ақ Пекин, Чунцин, Нойда, Хайдарабад, Джакарта, Токио, Осака, Нагоя, Сингапур, Саппоро, Будапешт және Мехико қалаларындағы метро жүйелерінің кейбір желілері). Пантографтар Париждегі Nord Sud компаниясының жедел көлік желілерінде де қолданылды, бірақ Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris компаниясы оны сатып алып, барлық жоғары сымдарды басқа желілерде қолданылатын стандартты үшінші рельс жүйесімен алмастырғанға дейін. Көптеген теміржол желілері тарихи себептерге байланысты өз маршруттарының әртүрлі бөліктерінде үшінші рельс пен жоғары сымдарды қуат жинау үшін қолданады. Оларға Лондондық Overground желілерінің Солтүстік және Батыс Лондон желілері, Great Northern желісінің Northern City Line, Роттердам метро желісінің бес желісінің үшеуі, Metro-North Railroad желісінің New Haven Line және Чикаго транзиттік басқармасының Yellow Line кіреді. Соңғы жағдайда, жоғары сымдар Чикагоның Солтүстік жағалауы мен Милуоки теміржолының жоғары жылдамдықты Skokie Valley Route желісінің қалдығы болды және Чикаго метро жүйесінде пантографты жинауды пайдаланған жалғыз желі болды. Сондықтан, желіде пантографтармен және үшінші рельс аяқ киімдерімен жабдықталған вагондар қажет болды, ал жоғары сымдар жүйенің өте шағын бөлігі болғандықтан, тек бірнеше вагондар ғана осымен жабдықталды. Ауысу Шығыс Преридегі деңгейлі өткелде, бұрынғы Crawford East Prairie станциясында болды. Dempster Skokie бағытына баратын пойыздар пантографтарын көтеріп, ал Howard бағытына баратын пойыздар төмендетіп, екі жағдайда да жылдамдықпен орындады. 2005 жылы, жүйенің өте шағын бөлігін құрайтын шығындар мен ерекше техникалық қызмет көрсету қажеттіліктеріне байланысты, жоғары сымдар алынып тасталды және жүйенің қалған бөлігінде қолданылатын үшінші рельс қуатына ауыстырылды, бұл Чикагоның барлық вагондарының желіде жұмыс істеуіне мүмкіндік берді. Skokie жабдықталған барлық вагондардан пантографтар алынып тасталды. 2010 жылға дейін Осло метросының 1-желісі үшінші рельстен Frøen станциясында жоғары сымдарға ауысты. Көптеген деңгейлі өткелдерге байланысты ескі желінің қалған бөлігіне үшінші рельс орнату қиын деп есептелді. 2010 жылдан кейін үшінші рельстер деңгейлі өткелдерге қарамастан қолданылатын болды. Үшінші рельстерде үзілістер бар, бірақ екі контактілік аяқ киім бар.

Most rapid transit systems are powered by a third rail, but some use pantographs, particularly ones that involve extensive above ground running. Most hybrid metro tram or 'pre metro' lines whose routes include tracks on city streets or in other publicly accessible areas, such as (formerly) line 51 of the Amsterdam Metro, the MBTA Green Line, RTA Rapid Transit in Cleveland, Frankfurt am Main U Bahn, and San Francisco's Muni Metro, use overhead wire, as a standard third rail would obstruct street traffic and present too great a risk of electrocution. Among the various exceptions are several tram systems, such as the ones in Bordeaux, Angers, Reims and Dubai that use a proprietary underground system developed by Alstom, called APS, which only applies power to segments of track that are completely covered by the tram. This system was originally designed to be used in the historic centre of Bordeaux because an overhead wire system would cause a visual intrusion. Similar systems that avoid overhead lines have been developed by Bombardier, AnsaldoBreda, CAF, and others. These may consist of physical ground level infrastructure, or use energy stored in battery packs to travel over short distances without overhead wiring. Overhead pantographs are sometimes used as alternatives to third rails because third rails can ice over in certain winter weather conditions. The MBTA Blue Line uses pantograph power for the entire section of its route that runs on the surface, while switching to third rail power before entering the underground portion of its route. The entire metro systems of Sydney, Madrid, Barcelona, Shanghai, Hong Kong, Seoul, Kobe, Fukuoka, Sendai, Jaipur, Chennai, Mumbai and Delhi use overhead wiring and pantographs (as well as certain lines of the metro systems in Beijing, Chongqing, Noida, Hyderabad, Jakarta, Tokyo, Osaka, Nagoya, Singapore, Sapporo, Budapest, and Mexico City). Pantographs were also used on the Nord Sud Company rapid transit lines in Paris until the other operating company of the time, Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris, bought out the company and replaced all overhead wiring with the standard third rail system used on other lines. Numerous railway lines use both third rail and overhead power collection along different portions of their routes, generally for historical reasons. They include the North London line and West London lines of London Overground, the Northern City Line of Great Northern, three of the five lines in the Rotterdam Metro network, Metro North Railroad's New Haven Line, and the Chicago Transit Authority's Yellow Line. In this last case, the overhead portion was a remnant of the Chicago North Shore and Milwaukee Railroad's high speed Skokie Valley Route, and was the only line on the entire Chicago subway system to utilize pantograph collection for any length. As such, the line required railcars that featured pantographs as well as third rail shoes, and since the overhead was a very small portion of the system, only a few cars would be so equipped. The changeover occurred at the grade crossing at East Prairie, the former site of the Crawford East Prairie station. Here, trains bound for Dempster Skokie would raise their pantographs, while those bound for Howard would lower theirs, doing so at speed in both instances. In 2005, due to the cost and unique maintenance needs for what only represented a very small portion of the system, the overhead system was removed and replaced with the same third rail power that was used throughout the rest of the system, which allowed all of Chicago's railcars to operate on the line. All the pantographs were removed from the Skokie equipped cars. Until 2010, the Oslo Metro line 1 changed from third rail to overhead line power at Frøen station. Due to the many level crossings, it was deemed difficult to install a third rail on the rest of the older line's single track. After 2010 third rails were used in spite of level crossings. The third rails have gaps, but there are two contact shoes.

Үш фазалы жабдықтау

Үш фазалы қуат көзін пайдаланатын кейбір жүйелерде локомотивтер мен электр вагондары екі пантографқа ие, ал үшінші фаза тізбегі жүріп тұрған рельстер арқылы қамтамасыз етіледі. 1901 жылы Siemens & Halske компаниясында Уолтер Райхель жасаған тағы бір тәжірибелік жоғары жылдамдықты орналым, коллекторлары көлденең созылған пантографтарға орнатылған үш тік орнатылған жоғары кернеу сымдарын қолданды.

Бұралған пантографтар

Ашық вагондар жоғарыдан жүктелген участақтарда, контактілік желі қажеттілікке орай ығыстырылуы мүмкін; пантографтар тік сызықтан бұрышпен орнатылады.

Кемшіліктері

Пантограф пен әуе желісінің байланысы әдетте графит блогы арқылы қамтамасыз етіледі. Бұл материал майлаушы ретінде жұмыс істеп тұрған кезде электр тоғын өткізеді. Графиттың нашарлығына байланысты, жұмыс кезінде одан бөлшектер үзіліп түсуі мүмкін. Жаман пантографтар әуе сымын ұстап алып, жыртып тастауы мүмкін, сондықтан екі жақты әсер бар: нашар сымдар пантографты, ал нашар пантографтар сымдарды зақымдауы мүмкін. Мұны болдырмау үшін пантографты бақылау станциясын пайдалануға болады. Ұзақ уақыт бойы жоғары жылдамдықпен қозғалғанда, байланыс жолағы қызып, қызыл түске енуі мүмкін, бұл шамадан тыс доғалануға және соңында істен шығуға әкелуі мүмкін. Ұлыбританияда көлік құралдарының пантографтары (Brecknell Willis және Stone Faiveley) ауа қысымымен көтеріледі, ал графит байланыс "көміртектері" пантограф басында ауа галереясын құрайды. Графит жолағы жоғалған жағдайда, ауа шығарылып, автоматты түсіру құрылысы іске қосылып, пантографты түсіріп, зақымданудың алдын алады. Жаңа электрлік жетекті құрылымдар графит жолақтары зақымдалған кезде, түйіскен жерде доғаланудан туындаған бұзылыстарды анықтайтын күрделі әдістерді қолдануы мүмкін. Электрлік көп бірліктерде әрдайым екі пантограф болмайды, бірақ егер болса, біреуі зақымданған жағдайда екіншісін пайдалануға болады. Мұндай жағдайдың мысалы – 390 сыныпты Pendolino. Қозғалыс бағытына қатысты артқы пантограф көбінесе қолданылады, себебі егер сымдарға ілініп қалса, екі пантографты да зақымдамау үшін: егер алдыңғы пантограф қолданылса, сымдардың қалдықтары артқы пантографты зақымдап, екі пантографты да және көлікті де істен шығаруы мүмкін.

Автоматты түсіру құрылғысы

Автоматты түсіру құрылғысы (АҚҚ) – электр пойыздарында пантографты автоматты түрде төмендетіп, кедергілер немесе төтенше жағдайларда апаттарды болдырмауға арналған қауіпсіздік құрылғысы. Ол пантографты түсіру құрылғысы деп те аталады. АҚҚ 160 км/сағ және одан жоғары жылдамдықпен жүретін пойыздар үшін міндетті болып табылады. Әйтпесе, пойыз операторлары осы құрылғыларды орнатуға құқылы. Пантографтың түсуіне себеп болатын зақымдарға жолақтың ұшы, пантографтың басы және басқа да бөліктер жатады. АҚҚ көбінесе зақымды анықтау үшін пневматикалық жүйені пайдаланады. Мысалы, үзілген тоқ өткізгіш жолақ ішкі ауа түтігіндегі қысымның төмендеуіне алып келеді.