Трамвайный токосъёмник: история и устройство

Введение

Устройство, позволяющее трамваю собирать ток из контактной сети.

Троллейный штанга – это конический цилиндрический стержень из дерева или металла, используемый для передачи электроэнергии от "живого" (электрифицированного) провода контактной сети в систему управления и тяговые электродвигатели трамвая или троллейбуса. Это тип токосъёмника. Считается, что использование контактной сети в системе токосъёма было изобретено Фрэнком Дж. Спрагом в 1880 году, однако первый рабочий троллейный штанга был разработан и продемонстрирован Чарльзом Ван Депоэлем осенью 1885 года. Ранняя экспериментальная трамвайная линия в Торонто, Онтарио, была построена в 1883 году Джоном Джозефом Райтом, братом афериста Уитакера Райта. Хотя Райт, возможно, помогал в установке электрических железных дорог на Канадской национальной выставке (CNE), и, возможно, даже использовал систему штанг, нет никаких доказательств этого. Кроме того, Райт никогда не подавал заявку на патент и не получал его. Признание за разработку первого рабочего троллейного штанга принадлежит Чарльзу Джозефу Ван Депоэлю, бельгийскому инженеру, переехавшему в Соединенные Штаты в 1869 году. Ван Депоэль совершил первую публичную демонстрацию пружинного устройства на временной трамвайной линии, установленной на Торонтской промышленной выставке (ныне CNE) осенью 1885 года. Спраг использовал токосъём с помощью троллейного штанга в электрической трамвайной системе, которую он установил в Ричмонде, штат Вирджиния, в 1888 году, а также усовершенствовал конструкцию колеса и самой штанги. Эта система, известная как Richmond Union Passenger Railway, была первой крупномасштабной троллейной линией в мире, открывшейся с большим успехом 12 февраля 1888 года. Шлейфовое колесо троллейного штанга использовалось во многих крупных городских системах в 1940-х и 1950-х годах; обычно оно применялось в системах с контактной сетью "старого" типа с круглым поперечным сечением. Колесо троллейного штанга было, в лучшем случае, проблематичным; окружной контакт шлейфового колеса, опирающегося на нижнюю сторону провода контактной сети, обеспечивал минимальный электрический контакт и имел тенденцию к чрезмерному искрению, увеличивая износ провода. Более современная скользящая углеродная "башмачка" троллейного штанга обычно использовалась с новой вырезной контактной сетью примерно "восьмиобразной" формы в поперечном сечении. Скользящая "башмачка" обеспечивала лучший электрический контакт (с уменьшением искрения) и значительно снижала износ контактной сети. Многие системы начали переходить на скользящую "башмачку" в 1920-х годах; Милуоки, штат Висконсин, переоборудовал свою крупную систему в конце 1920-х годов. Филадельфия не переоборудовала шлейфовые колеса на своих сохранившихся трамваях до 1978 года. Хотя трамвай с шлейфовым колесом может создавать впечатление старины, скользящая "башмачка" является более современной, практичной и экономичной.

A trolley pole is a tapered cylindrical pole of wood or metal, used to transfer electricity from a "live" (electrified) overhead wire to the control and the electric traction motors of a tram or trolley bus. It is a type of current collector. The use of overhead wire in a system of current collection is reputed to be the 1880 invention of Frank J. Sprague, but the first working trolley pole was developed and demonstrated by Charles Van Depoele, in autumn 1885. An early development of an experimental tramway in Toronto, Ontario, was built in 1883, having been developed by John Joseph Wright, brother of swindler Whitaker Wright. While Wright may have assisted in the installation of electric railways at the Canadian National Exhibition (CNE), and may even have used a pole system, there is no evidence about this. Likewise, Wright never filed or was issued a patent. Credit for development of the first working trolley pole is given to Charles Joseph Van Depoele, a Belgian engineer who moved to the United States in 1869. Van Depoele made the first public demonstration of the spring loaded device on a temporary streetcar line installed at the Toronto Industrial Exhibition (now the CNE) in autumn 1885. and Sprague employed trolley pole current collection on an electric streetcar system he installed in Richmond, Virginia, in 1888, also improving the trolley pole wheel and pole designs. Known as the Richmond Union Passenger Railway, this 12 mile (19 km) system was the first large scale trolley line in the world, opening to great fanfare on February 12, 1888. The grooved trolley wheel was used on many large city systems through the 1940s and 1950s; it was generally used on systems with "old" style round cross sectional overhead wire. The trolley wheel was problematic at best; the circumferential contact of the grooved wheel bearing on the underside of the overhead wire provided minimal electrical contact and tended to arc excessively, increasing overhead wire wear. The newer sliding carbon trolley shoe was generally used with a newer grooved overhead trolley wire of a roughly "figure 8" cross section. The sliding trolley shoe provided better electrical contact (with a reduction in arcing), and it dramatically reduced overhead wire wear. Many systems began converting to the sliding trolley shoe in the 1920s; Milwaukee, Wisconsin converted its large system in the late 1920s. Philadelphia did not convert its trolley wheels on its remaining streetcars until 1978. Although a streetcar with a trolley wheel may evoke an antique look, the trolley shoe is modern and more practical as well as economical.

Описание устройства

Троллейный штангодержатель не прикреплен к контактному проводу. Штанга установлена на пружинящем основании на крыше транспортного средства, а пружины обеспечивают необходимое давление для поддержания контакта токосъемного ролика или башмака с проводом. Если штанга выполнена из дерева, электрический ток по кабелю подается на транспортное средство. Металлическая штанга может использовать такой кабель, либо сама быть под напряжением, что требует изоляции основания от кузова транспортного средства. На системах с двусторонними вагонами, способными двигаться в обоих направлениях, штангодержатель всегда должен тянуться за вагоном, а не толкаться, иначе очень вероятен сход штанги с провода ("девайринг"), что может привести к повреждению контактной сети. В конечных пунктах проводник должен повернуть штангодержатель в нужном направлении, отсоединив его от провода с помощью веревки или шеста и переместив на противоположный конец. В некоторых случаях устанавливаются два штангодержателя, по одному для каждого направления: в этом случае достаточно поднять один и опустить другой. Поскольку машинист мог поднимать штангу с одного конца, а проводник опускать с другого, это экономило время и облегчало работу проводнику. Необходимо было сначала поднять опущенную штангу, чтобы избежать повреждений, вызванных электрической дугой между штангой и проводом. В США система с двумя штангами была наиболее распространенной конструкцией для двусторонних вагонов. Однако толкание штанги (называемое "back poling" в США или "spear poling" в Австралии) было довольно распространено при движении трамваев на низкой скорости, например, на треугольных разворотных петлях (также известных как реверсивные петли) и при въезде в депо задним ходом. Штангодержатели обычно поднимаются и опускаются вручную с помощью веревки, расположенной сзади транспортного средства. Веревка проходит через механизм пружинного барабана, называемый "trolley catcher" (улавливатель штанги) или "trolley retriever" (возвращатель штанги). Улавливатель штанги содержит храповой механизм, аналогичный используемому в автомобильных ремнях безопасности, который фиксирует веревку, предотвращая неконтролируемый подъем штанги в случае ее схода с провода. Возвращатель штанги (см. фото) имеет пружинный механизм, который резко опускает штангу, если она сойдет с провода, отводя ее от элементов контактной сети. Улавливатели обычно используются на трамваях, работающих на низких скоростях, например, в городе, в то время как возвращатели используются на пригородных и междугородних линиях для минимизации повреждений контактной сети на высокой скорости. На некоторых старых системах штанги поднимались и опускались с помощью длинного шеста с металлическим крюком. При наличии такие шесты могли быть изготовлены из бамбука благодаря его длине, естественной прямолинейности и прочности, а также относительно небольшому весу и изоляционным свойствам. Троллейбусы обычно перевозили один такой шест с собой для использования в случае схода штанги с провода, а трамвайные системы обычно размещали их вдоль маршрута в местах, где требовалось разворачивать штангодержатель. Штанги, используемые на троллейбусах, как правило, длиннее, чем на трамваях, что позволяет автобусу в большей степени использовать свою свободу от фиксированного пути (рельсов), обеспечивая некоторую степень боковой маневренности и позволяя троллейбусу принимать пассажиров непосредственно у обочины.

A trolley pole is not attached to the overhead wire. The pole sits atop a sprung base on the roof of the vehicle, with springs providing the pressure to keep the trolley wheel or shoe in contact with the wire. If the pole is made of wood, a cable brings the electric current down to the vehicle. A metal pole may use such a cable, or may itself be electrically "live", requiring the base to be insulated from the vehicle body. On systems with double ended tram cars capable of running in both directions, the trolley pole must always be pulled behind the car and not pushed, or "dewiring" is very likely, which can cause damage to the overhead wires. At terminus points, the conductor must turn the trolley pole around to face the correct direction, pulling it off the wire either with a rope or a pole and walking it around to the other end. In some cases, two trolley poles are provided, one for each direction: in this case it is a matter of raising one and lowering the other. Since the operator could raise the pole at one end whilst the conductor lowered the other, this saved time and was much easier for the conductor. Care had to be taken to raise the downed pole first, to eliminate the damage caused by arcing between the pole and wire. In the US, the dual pole system was the most common arrangement on double ended vehicles. However, pushing of the pole (called "back poling" in the US or "spear poling" in Australia), was quite common where the trams were moving at slow speeds, such as at wye terminals (also known as reversers) and whilst backing into the sheds. Trolley poles are usually raised and lowered manually by a rope from the back of the vehicle. The rope feeds into a spring reel mechanism, called a "trolley catcher" or "trolley retriever". The trolley catcher contains a detent, like that in an automotive shoulder safety belt, which "catches" the rope to prevent the trolley pole from flying upward if the pole is dewired. The similar looking retriever (see photo) adds a spring mechanism that yanks the pole downward if it should leave the wire, pulling it away from all overhead wire fittings. Catchers are commonly used on trams operating at lower speeds, as in a city, whilst retrievers are used on suburban and interurban lines to limit damage to the overhead at speed. On some older systems, the poles were raised and lowered using a long pole with a metal hook. Where available, these may have been made of bamboo due to its length, natural straightness and strength, combined with its relative light weight and the fact that it is an insulator. Trolleybuses usually carried one with the vehicle, for use in the event of dewirement, but tram systems usually had them placed along the route at locations where the trolley pole would need reversing. The poles used on trolleybuses are typically longer than those used on trams, to allow the bus to take fuller advantage of its not being restricted to a fixed path in the street (the rails), by giving a degree of lateral steerability, enabling the trolleybus to board passengers at curbside.

Использование однополюсного и двуполюсного двигателя

При использовании на трамвае или троллейбусе (то есть, на рельсовом транспортном средстве) один токосъёмник обычно собирает ток с контактной сети, а стальные рельсы служат обратным проводником. Для снижения электролитической коррозии подземных труб и металлических конструкций, на большинстве трамвайных линий контактная сеть делается положительной относительно рельсов. Троллейбусы, напротив, должны использовать два токосъёмника и две контактные сети – один токосъёмник и сеть для подачи положительного "живого" тока, а другой – для отрицательного или нейтрального возврата. Трамвайная система Гаваны (Куба), а также трамвайная система Цинциннати (Огайо) также использовали систему с двумя контактными сетями.

Снижение использования на железных дорогах

Все троллейбусы используют троллейбусные штанги, и поэтому троллейбусные штанги остаются в эксплуатации во всем мире, где бы ни работали троллейбусы (около 315 городов по состоянию на 2011 год), и несколько производителей продолжают их выпускать, включая Kiepe, Škoda и Lekov. Однако на большинстве железнодорожных транспортных средств, использующих контактную сеть, троллейбусная штанга уступила место токоприемнику (или, позднее, пантографу) – складывающемуся металлическому устройству, которое прижимает широкую контактную пластину к контактному проводу. Хотя пантограф сложнее троллейбусной штанги, он практически не подвержен срыву контакта, более стабилен на высоких скоростях и его легче автоматически поднимать и опускать. Кроме того, на двухкабинных трамваях они устраняют необходимость ручного поворота штанги при смене направления движения (хотя этот недостаток можно в некоторой степени компенсировать использованием реверсоров штанги). Исключительное использование пантографов (или токоприемников) также устраняет необходимость в переключающих устройствах контактной сети, обеспечивающих правильное направление штанги на перекрестках. Троллейбусная штанга с токосъемником на конце представляет собой проблему для более длинных современных трамваев, потребляющих больше электроэнергии, чем старые модели. В Торонто токосъемник штанги содержит угольную вставку для обеспечения электрического контакта с контактным проводом и опускания токосъемника для освобождения от подвесных элементов контактной сети. Угольные вставки изнашиваются и требуют периодической замены. Токосъемники современных трамваев Flexity Outlook в Торонто быстро изнашиваются в дождливую погоду, работая всего восемь часов вместо ожидаемых одного-двух дней для более коротких старых трамваев. Увеличенный ток сокращает срок службы угольной вставки. Изношенная угольная вставка может повредить контактный провод, что приведет к остановке трамвайного движения. Помимо исторических трамвайных линий, очень немногие трамвайные системы в мире продолжают использовать троллейбусные штанги на транспортных средствах, используемых в регулярной эксплуатации. Крупнейшими исключениями являются трамвайные системы Нового Орлеана (штат Луизиана), Торонто (провинция Онтарио), Филадельфии (линии "Subway Surface" и маршрут 15), Риги (Латвия) (однако новые трамваи Škoda в Риге оснащены пантографами), Калькутты (ранее Калькутта, Индия) и Александрии (Египет). К небольшим системам, которые до сих пор используют троллейбусные штанги для регулярного обслуживания, относятся трамваи Гонконга, система Даугавпилса (Латвия) и трамвай Санта-Тереза в Рио-де-Жанейро. Система MBTA в Бостоне до сих пор использует троллейбусные штанги с трамваями PCC, обслуживающими скоростную линию Ashmont–Mattapan.

All trolleybuses use trolley poles, and thus trolley poles remain in use worldwide, wherever trolleybuses are in operation (some 315 cities as of 2011), and several manufacturers continue to make them, including Kiepe, Škoda and Lekov. However, on most railway vehicles using overhead wire, the trolley pole has given way to the bow collector or, later, the pantograph, a folding metal device that presses a wide contact pan against the overhead wire. While more complex than the trolley pole, the pantograph has the advantage of being almost free from dewiring, being more stable at high speed, and being easier to raise and lower automatically. Also, on double ended trams, they eliminate the need to manually turn the trolley pole when changing direction (although this disadvantage can be overcome to some extent through the use of trolley reversers). The use of pantographs (or bow collectors) exclusively also eliminates the need for wire frogs (switches in the overhead wiring) to make sure the pole goes in the correct direction at junctions. The trolley pole with a shoe at its tip is problematic for longer modern streetcars that draw more electricity than older streetcars. In Toronto, the trolley pole shoe contains a carbon insert to provide electrical contact with the overhead wire and to lower the shoe to clear overhead wire hangers. Carbon inserts wear out and must be periodically replaced. The trolley shoe inserts on Toronto's modern Flexity Outlook streetcars quickly wear out in rainy conditions, lasting as little as eight hours instead of the expected one to two days for shorter older streetcars. The extra current draw shortens the life of the carbon insert. A worn out carbon insert would damage the overhead wire, stopping streetcar service. Apart from heritage streetcar lines, very few tram/streetcar systems worldwide continue to use trolley poles on vehicles used in normal service. Among the largest exceptions are the streetcar systems of New Orleans, Louisiana; Toronto, Ontario; Philadelphia (the "Subway Surface" lines and Route 15); Riga, Latvia (however, new Škoda trams in Riga have pantographs); Kolkata (formerly Calcutta), India; and Alexandria, Egypt. Smaller systems still using trolley poles for regular service include Hong Kong Tramways, the Daugavpils, Latvia system, and Rio de Janeiro's Santa Teresa Tramway. The MBTA system of Boston still uses trolley poles with the PCC streetcars it uses to serve the Ashmont–Mattapan High Speed Line.

Совместимость с пантографами

Трамваи или вагоны легкорельсового транспорта, оснащенные пантографами, как правило, не могут эксплуатироваться на линиях с контактной сетью, предназначенной для питания через токосъемные штанги. По этой причине эти системы и еще несколько в мире продолжают использовать токосъемные штанги, даже на новых трамваях, чтобы избежать сложностей и расходов, связанных с модификацией протяженных участков существующей контактной сети для работы с пантографами. Однако Транспортная комиссия Торонто, в связи с планируемой заменой устаревших CLRV и ALRV на новые вагоны Flexity Outlook, временно переоборудует свою систему электроснабжения для обеспечения совместимости как с токосъемными штангами, так и с пантографами, поскольку CLRV и ALRV используют исключительно токосъемные штанги, а парк Flexity оснащен для работы как с токосъемными штангами, так и с пантографами. С 12 сентября 2017 года трамваи маршрута 509 Harbourfront начали использовать пантографы, в то время как на маршруте 510 Spadina продолжали использовать токосъемные штанги на одном и том же участке пути на Queens Quay West. (14 мая 2018 года маршрут 510 Spadina перешел на пантографы.) Значительная часть наземной сети Сан-Франциско также настроена на работу как с токосъемными штангами, так и с пантографами, чтобы обеспечить совместимость как с текущим парком легкорельсового транспорта Muni (только пантограф), так и с историческим парком трамваев Muni (только токосъемные штанги).