Nach all den Jahren immer noch elektrisierend: Eine Würdigung des Pantographen

Über 100 Jahre nach seiner Entwicklung überrascht der Panto immer noch als Hotspot der Innovation

Versuche das nicht zu Hause

Wenn jemals jemand töricht genug wäre, seinen Arm aus dem Fenster eines Hochgeschwindigkeitszuges zu strecken, der mit Höchstgeschwindigkeit die Gleise hinunterrast, würde er wahrscheinlich einen Vorgeschmack auf die Kräfte bekommen, die an einem anderen Arm im Spiel sind, nämlich dem, der auf dem Zug sitzt. Lernen Sie eines der wunderbarsten, noch unbesungenen Bauteile der Transitbahn kennen — den Stromabnehmer.

Und die Aerodynamik ist nur eine Herausforderung, vor der dieses vielseitige Gerät steht, wenn es seine grundlegende Funktion erfüllt: Er zieht die Ladung aus einer Oberleitung — der langen Stromleitung über den Gleisen — und leitet sie so, dass sie den Zug antreibt.

Der Panto kombiniert die Präzision und Agilität einer Ballerina mit der brutalen Kraft eines heranstürmenden Nashorns und ist eines der langlebigsten, dynamischsten und unverzichtbarsten Teile moderner Schienenausrüstung. Der Pantograph ist in nahezu unbegrenzten Varianten erhältlich und beflügelt weiterhin die kollektive Fantasie der besten Ingenieure der Bahnindustrie, um ihn leichter, stärker, leitfähiger und noch reaktionsschneller als je zuvor zu machen.

Das Jahrhundert der „Einarmigkeit“

Die Erfindung des „rautenförmigen“ Pantographen geht zwar auf John Q. Smith und das Fahren mit der S-Bahn in der Bucht von San Francisco im Jahr 1903 zurück, doch die Perfektion des Pantos wird weithin dem Wabtec-Vorfahren Louis Faiveley zugeschrieben. In den frühen 1920er Jahren verbesserte er nicht nur den Panto im Diamantstil mit seinem eigenen, verbesserten Design, sondern brach schließlich mit der Erfindung des einarmigen Pantos völlig neue Wege. Faiveley stellte im selben Jahr, 1955, den Geschwindigkeitsweltrekord (331 km/206 mph) für einen elektrisch angetriebenen Zug auf und ist bis heute der Industriestandard.

Und mit der kontinuierlichen Innovation des einarmigen Pantos folgten Rekordleistungen. Die neuen Panto-Modelle von Wabtec ermöglichten es Zügen, 1990 bzw. 2007 Höchstgeschwindigkeiten von 515 kmh/320 mph bzw. 574 kmh/356 mph zu erreichen. Die Pantographen von Wabtec stellten nicht nur neue Geschwindigkeitsrekorde auf, sondern erreichten im Laufe des 20. und 21. Jahrhunderts auch viele Premieren. Dazu gehörten Innovationen in den Bereichen Materialdesign, Grundfläche, Dachintegration, Armreichweite und Antriebsmodi. Sie trugen zu einer Verbreitung von Pantographen bei, die mehr als 150 Typen umfasst und weltweit über 90.000 installiert wurden.

Das Need for Speed

Bild

Aber kommen wir zurück zur Geschwindigkeit. Die rautenförmigen Pantos des frühen 20. Jahrhunderts entsprachen der Steifigkeit und den Spannungen der damaligen Oberleitungen. Ihre sperrige Form war jedoch nicht für hohe Geschwindigkeiten und die erhöhte Spannung an den Oberleitungen geeignet. Faiveley nutzte die Gelegenheit, um einen neuen und besseren Pantografen zu entwickeln — einen, der leichter, aerodynamischer und leitfähiger war und über mehr Fingerbeweglichkeit verfügte, um den Pantograph in ständigem Kontakt mit dem Kabel zu halten.

Ironischerweise müssen sich die Konstrukteure und Ingenieure von Wabtec auch heute noch mit denselben Herausforderungen auseinandersetzen, um den optimalen Pantographen zu finden.

„Bei der Entwicklung von Pantographen geht es in erster Linie darum, eine stabile dynamische Leistung zu erzielen, eine hohe Qualität der Stromabnahme sicherzustellen und sowohl in der Verpackung als auch in der vom Kunden gewünschten Größe zu liefern“, sagt Matt Atkins, Power Collection Engineering Director bei Wabtec. „Mit dynamischer Leistung meine ich, dass der Panto unter realen Bedingungen funktionieren muss (denken Sie zunächst an Wetter, Wind, Geschwindigkeit, das Aufprallen des Zuges und die Bewegung des Kabels); und bei der Stromaufnahme sollten Sie dieselben Faktoren noch einmal berücksichtigen sowie eine lange Liste der elektrischen Kapazität und mechanischer Bedenken. Letztlich brauchen wir beide, um einen Zug effektiv anzutreiben, aber es gibt eine Vielzahl von Einschränkungen, die alles Mögliche tun, um uns in die Quere zu kommen, und es ist unsere Aufgabe, sie zu umgehen und zu überwinden.“

Eine weitere Möglichkeit, die Herausforderungen bei der Konstruktion und Konstruktion von Stromabnehmern zu verstehen, besteht darin, eine kurze Liste der „Must-haves“ eines Pantographen zu erstellen:

1. Es muss leicht sein.
2. Es muss stark sein.
3. Es muss aerodynamisch sein.
4. Es muss in zwei Richtungen funktionieren (vorwärts und rückwärts, im Gegensatz zu einem Flugzeug!)
5. Es muss Elektrizität leiten.
6. Es muss Reibung bewältigen.
7. Es muss in einem sich ständig verändernden, dynamischen Umfeld funktionieren.
8. Und es muss für eine Welt mit unterschiedlichen Spannungen, Oberleitungshöhen und Zugtypen sowie für alles, was als Nächstes kommt (siehe unten), konfigurierbar sein.

Diese Liste endet natürlich nie. Und niemand weiß das besser als das Panto-Team von Wabtec oder es widmet sich mehr der Verfeinerung und Verbesserung des Pantografen-Portfolios des Unternehmens, um diesen oft konkurrierenden Anforderungen gerecht zu werden.

Der Traum vom perfekten Pantographen

Die Pantographen-Ingenieure von Wabtec auf der ganzen Welt teilen eine gemeinsame Leidenschaft: den perfekten Panto zu entwickeln. Wie könnte das also aussehen? Auch hier hat Matt Atkins einige Ideen.

„Ich denke, wir sind uns alle einig, dass der perfekte Panto superleicht sein wird, und das erfordert Innovationen beim Panhead, der von Natur aus metallisiertem Kohlenstoff besteht. Heute gilt: Je dichter das Panhead-Material ist, desto mehr Strombelastbarkeit kann es aushalten. Aber das erhöht das Gewicht, was der Feind der Geschwindigkeit ist. Der Heilige Gral wäre also ein sehr leichter Pantograph mit sehr hoher Stromkapazität „, so Atkins.

„Und das ist nur die halbe Wahrheit. Wir haben noch nicht einmal erwähnt, welche Längen Pantographen buchstäblich benötigen, um die Bedürfnisse unserer Kunden zu erfüllen. Unsere Kunden drängen immer darauf, dass Pantos eine sehr große physische Reichweite haben — die Fähigkeit des Pantoarms, unterschiedliche Entfernungen geschickt auszudehnen —, sodass sie ihre Züge auf verschiedenen Gleisen mit unterschiedlichen Fahrdrahthöhen einsetzen können. Ein gutes Beispiel dafür ist Indien, wo Wabtec ein Marktführer für Pantos mit hoher Reichweite ist.“

Panto der Zukunft

Neben der Bewältigung der physikalischen, materiellen sowie elektrischen und mechanischen Herausforderungen, die mit Panto-Innovationen einhergehen, muss sich Wabtec auch mit einer menschlicheren Variablen auseinandersetzen: der staatlichen Regulierung.

Aus heutiger Sicht geht es bei einer der größten Diskussionen in der Welt der Pantographen darum, wie das ERJU-Mandat für „luftlose“ Züge am besten erfüllt werden kann. Auf dem Papier sieht die Aussicht auf luftlose Züge großartig aus. Durch den Wegfall großer Luftkompressoren und Rohrleitungen von Lokomotiven und Transitwagen werden Züge leichter und effizienter.

Bild

Diese Umstellung stellt jedoch eine große Herausforderung für Pantographen dar, da viele von ihnen für ihren Betrieb Luft benötigen. All diese dynamischen Bewegungen in Echtzeit, die dafür sorgen, dass der Pankopf fest an der Oberleitung anliegt, werden in der Regel durch die druckluftbeaufschlagten Zylinder oder Faltenbälge des Pantos ermöglicht.

Die Antwort könnte letztlich in einem vollelektrischen Pantographen, auch bekannt als „ePanto“, liegen, den Wabtec entworfen hat und der derzeit an der Prototypenentwicklung arbeitet und demnächst zur Validierung bereit ist. Die Herausforderungen sind vielfältig, darunter die Einführung 1) eines elektrischen Aktuators, der den Pantoarm genauso reaktionsschnell bewegen kann wie luftbetriebene Systeme, und 2) eines elektrischen automatischen Drop-Systems, das einen Panto mit derselben Reaktionsrate von weniger als einer Sekunde abschalten kann wie aktuelle Systeme, die die Zugsicherheit erhöhen. Darüber hinaus müssen Probleme mit der elektrischen Isolierung zwischen den Betriebsspannungen auf der Ebene der Stromabnehmerkomponenten und den Sammelspannungen in der Oberleitung gelöst werden.

„ePantos sind ein potenzieller Wendepunkt für Wabtec und die gesamte Branche, da sie viele Geräte überflüssig machen, deren Herstellung für Autohersteller und für Kunden für die Wartung teuer ist“, sagte Philippe Geoffroy, Leiter des Bereichs Power Collection Pantograph Product Development bei Wabtec. „Aber sie werden erhebliche Innovationen erfordern, eine Herausforderung, vor der sich Wabtec nie gescheut hat.

„Bei der Bewertung der aktuellen Grenzen der Pantographen-Innovation kann ich nicht anders, als auf das zurückzublicken, was Faiveley erreicht hat und welchen erfolgreichen Kurs er für dieses Unternehmen eingeschlagen hat. Ich finde es erstaunlich, dass wir mehr als 100 Jahre nach seiner ersten großen Innovation im Pantographendesign immer noch mit denselben physikalischen Kräften und elektromechanischen Realitäten zu kämpfen haben wie er — und dass sich, wie er, unser Fleiß und unsere Kreativität in greifbaren Fortschritten für unsere Kunden, unser Unternehmen und die Branche auszahlen.“