Wabtec maakt gebruik van computationele vloeistofdynamica om het ontwerp en de prestaties onder verschillende omstandigheden te optimaliseren.
Na al die jaren nog steeds opwindend: een waardering van pantografen
Meer dan 100 jaar na zijn evolutie verrast de Panto nog steeds als een hotspot van innovatie
Probeer dit niet thuis
Als iemand ooit zo dom zou zijn om zijn arm uit het raam te steken van een kogeltrein die op topsnelheid over het spoor raast, zou hij waarschijnlijk een voorproefje krijgen van de krachten die spelen op een ander soort arm, degene die bovenop de trein zit. Maak kennis met een van de meest wonderbaarlijke maar nog onbezongen onderdelen van de transitrail: de pantograaf.
En de aerodynamica is slechts één uitdaging waar dit veelzijdige apparaat voor staat, aangezien het zijn belangrijkste functie vervult: het trekt de lading uit een bovenleiding — die lange elektrische leiding boven de sporen — en deze op de juiste manier stuurt om de trein aan te drijven.
De panto combineert de precisie en behendigheid van een ballerina met de brute kracht van een razende neushoorn en is daarmee een van de meest duurzame, dynamische en essentiële onderdelen van het moderne spoorwegmaterieel. De pantograaf is verkrijgbaar in bijna onbeperkte varianten en blijft de collectieve verbeelding van de beste ingenieurs in de spoorwegsector inspireren om hem lichter, sterker, geleidender en zelfs responsiever te maken dan ooit tevoren.
De eeuw met één arm
Hoewel de uitvinding van de „ruitvormige” pantograaf teruggaat tot John Q. Smith en het reizen met de forenzentrein in de Baai van San Francisco in 1903, wordt de perfectie van de panto algemeen toegeschreven aan de voorvader van Wabtec, Louis Faiveley. Niet alleen verbeterde hij de panto in diamantstijl met zijn eigen verbeterde ontwerp in het begin van de jaren twintig, hij brak uiteindelijk volledig met de uitvinding van de enkelarmige panto. Het stapsgewijze ontwerp van Faiveley vestigde datzelfde jaar, 1955, het wereldsnelheidsrecord (331 kmh/206 mph) voor een elektrisch aangedreven trein en is tot op de dag van vandaag de industriestandaard.
En dankzij de voortdurende innovatie van de enkelarmige panto volgden recordprestaties. Met de nieuwe Wabtec panto-modellen konden treinen in 1990 en 2007 topsnelheden van respectievelijk 515 km/u en 320 mph en 574 km/u halen. Naast het behalen van nieuwe snelheidsrecords hebben Wabtec-pantografen in de 20e en 21e eeuw vele primeurs behaald, waaronder innovaties op het gebied van materiaalontwerp, afmetingen van de voetafdruk, integratie op het dak, armbereik en vermogensmodi, wat heeft bijgedragen aan een panto-proliferatie van meer dan 150 soorten en meer dan 90.000 wereldwijd geïnstalleerd.
De behoefte aan snelheid
Maar laten we teruggaan naar de snelheid. De ruitvormige panto's uit het begin van de 20e eeuw pasten bij de stijfheid en spanningen van de bovenleidingen van die tijd. Toch was hun omvangrijke vorm niet bevorderlijk voor hoge snelheden en de verhoogde spanning op de bovenleidingen. Faiveley maakte van de gelegenheid gebruik om een nieuw en beter soort pantograaf te ontwikkelen — een pantograaf die lichter, aerodynamischer en geleidender was en meer behendig was om de panhead voortdurend in contact te houden met de draad.
Ironisch genoeg worstelen de pantograafontwerpers en ingenieurs van Wabtec vandaag de dag nog steeds met dezelfde uitdagingen bij het streven naar de optimale panto.
„De ontwikkeling van pantografen komt voornamelijk neer op het bereiken van stabiele dynamische prestaties; het garanderen van een hoogwaardige stroomophaling; en het leveren van zowel de verpakking als de meting die de klant nodig heeft”, zegt Matt Atkins, Power Collection Engineering Director bij Wabtec. „Met dynamische prestaties bedoel ik dat de panto onder reële omstandigheden moet werken (denk aan weer, wind, snelheid, het stuiteren van de trein en de beweging van de draad om te beginnen); en bij de huidige inzameling moet u opnieuw rekening houden met dezelfde factoren, plus een waslijst van elektrische capaciteit en machinebouwkundige problemen. Uiteindelijk hebben we beide nodig om een trein effectief aan te drijven, maar er zijn tal van beperkingen die al het mogelijke doen om in de weg te staan, en het is onze taak om ze te omzeilen en te overwinnen.”
Een andere manier om het ontwerp en de technische uitdaging van pantografen te begrijpen, is door een korte lijst te bekijken van de „must haves” van een pantograaf:
- Het moet licht zijn.
- Het moet sterk zijn.
- Het moet aerodynamisch zijn.
- Het moet in twee richtingen werken (vooruit en achteruit, in tegenstelling tot een vliegtuig!)
- Het moet elektriciteit geleiden.
- Het moet de wrijving beheersen.
- Het moet werken in een steeds veranderende, dynamische omgeving.
- En het moet kunnen worden geconfigureerd voor een wereld van verschillende spanningen, bovenleidinghoogtes en treintypes, maar ook voor wat er daarna komt (zie hieronder).
Deze lijst eindigt natuurlijk nooit. En niemand weet dit beter dan het Wabtec panto-team of is meer toegewijd aan het verfijnen en verbeteren van het pantograafportfolio van het bedrijf om tegemoet te komen aan deze vaak concurrerende eisen.
De droom van de perfecte pantograaf
De pantograafingenieurs van Wabtec over de hele wereld delen een obsessie: het ontwikkelen van de perfecte panto. Dus hoe zou dat eruit kunnen zien? Nogmaals, Matt Atkins heeft enkele ideeën.
„Ik denk dat we het er allemaal over eens zijn dat de perfecte panto superlicht zal zijn, en dat vereist innovatie in de panhead, die inherent uit gemetalliseerde koolstof bestaat. Tegenwoordig geldt dat hoe dichter het panhead-materiaal is, hoe meer stroomcapaciteit het aankan. Maar dat voegt gewicht toe, wat de vijand is van snelheid. De heilige graal zou dus een zeer lichte pantograaf met een zeer hoge stroomcapaciteit zijn,” zei Atkins.
„En dat is nog maar de helft van het verhaal. We hebben het nog niet eens gehad over de lengte die pantografen letterlijk nodig hebben om aan de behoeften van onze klanten te voldoen. Onze klanten streven er altijd naar dat panto's een zeer groot fysiek bereik hebben — een mogelijkheid voor de panto-arm om behendig verschillende afstanden uit te breiden — zodat ze hun treinen op verschillende sporen met verschillende bovenleidinghoogtes kunnen gebruiken. Een goed voorbeeld hiervan is in India, waar Wabtec marktleider is in panto's met een hoog bereik.”
Panto van de toekomst
Naast de uitdagingen op het gebied van fysica, materialen en elektrische en mechanische uitdagingen die gepaard gaan met panto-innovatie, krijgt Wabtec ook te maken met een meer menselijke variabele: overheidsregulering.
Zoals het er nu voor staat, is een van de belangrijkste gesprekken in de wereld van pantografen hoe het beste kan worden voldaan aan het ERJU-mandaat van „luchtloze” treinen. Op papier ziet het vooruitzicht van luchtloze treinen er geweldig uit. Door grote luchtcompressoren en leidingen van locomotieven en transitwagons te verwijderen, worden treinen lichter en efficiënter.
Maar deze verschuiving vormt een grote uitdaging voor pantografen, omdat veel van hen lucht nodig hebben om te kunnen werken. Al die dynamische, realtime bewegingen die de panhead strak tegen de bovenleiding houden, worden meestal mogelijk gemaakt door de luchtdrukcilinders of balgen van de panto.
Het antwoord zou uiteindelijk kunnen liggen in een volledig elektrische pantograaf, ook bekend als de „ePanto”, die Wabtec heeft ontworpen en die momenteel aan het prototypen is en binnenkort klaar is voor validatie. De uitdagingen zijn talrijk, waaronder de introductie van 1) een elektrische actuator die de panto-arm net zo responsief kan bewegen als luchtgedreven systemen, en 2) een elektrisch automatisch drop-systeem dat een panto kan uitschakelen met dezelfde responspercentages van minder dan een seconde als de huidige systemen die de treinveiligheid verbeteren. Daarnaast zijn er problemen met de elektrische isolatie die moeten worden opgelost tussen bedrijfsspanningen op het niveau van de stroomafnemer en het verzamelen van spanningen in de bovenleiding.
„ePantos zijn een potentiële doorbraak voor Wabtec en de industrie in het algemeen, omdat ze de behoefte aan veel apparatuur overbodig maken die voor autobouwers duur is om te produceren en voor klanten om te onderhouden”, aldus Philippe Geoffroy, Power Collection Pantograph Product Development Domain Leader bij Wabtec. „Maar ze zullen aanzienlijke innovatie vergen, een uitdaging waar Wabtec nooit voor terugdeinsde.
„Bij het beoordelen van de huidige grenzen van pantograafinnovatie kan ik niet anders dan terugkijken op wat Faiveley heeft bereikt en de succesvolle koers die hij voor dit bedrijf heeft uitgestippeld. Ik vind het verbazingwekkend dat we meer dan 100 jaar na zijn eerste grote innovatie op het gebied van pantograafontwerp nog steeds te maken hebben met dezelfde fysieke krachten en elektromechanische realiteiten als hij — en dat, net als hij, onze toewijding en creativiteit vruchten afwerpen met tastbare vooruitgang voor onze klanten, het bedrijf en de industrie.”