Wabtec wykorzystuje obliczeniową dynamikę płynów do optymalizacji projektu i wydajności w różnych warunkach.
Wciąż elektryzuje się po tych wszystkich latach: uznanie dla pantografu
Ponad 100 lat od swojej ewolucji Panto wciąż zaskakuje jako gorący punkt innowacji
Nie próbuj tego w domu
Gdyby ktoś kiedykolwiek był na tyle głupi, by wyrzucić rękę przez okno pociągu kulowego biegnącego po torach z maksymalną prędkością, prawdopodobnie posmakowałby sił występujących na innym rodzaju ramieniu, tym siedzącym na szczycie pociągu. Poznaj jeden z najbardziej cudownych, ale niedocenianych elementów kolei tranzytowej - pantograf.
Aerodynamika to tylko jedno wyzwanie, przed którym stoi ten wszechstronny element wyposażenia, gdy spełnia swoją kwintesencję funkcji, ciągnąc ładunek z przewodu zasilającego - tej długiej linii elektrycznej nad torami - i kierując go odpowiednio do zasilania pociągu.
Łącząc precyzję i zwinność baletnicy z brutalną siłą nosorożca ładującego, panto jest jednym z najbardziej wytrzymałych, dynamicznych i niezbędnych elementów nowoczesnego sprzętu kolejowego. W prawie nieograniczonych odmianach pantograf nadal inspiruje zbiorową wyobraźnię najlepszych inżynierów branży kolejowej, aby uczynić go lżejszym, mocniejszym, bardziej przewodzącym i jeszcze bardziej responsywnym niż kiedykolwiek wcześniej.
Wiek „pojedynczego ramienia”
Podczas gdy wynalezienie pantografu w kształcie diamentu sięga Johna Q. Smitha i podróży pociągiem podmiejskim w zatoce San Francisco w 1903 roku, doskonałość panto jest powszechnie przypisywana przodkowi Wabtec Louisowi Faiveleyowi. Nie tylko ulepszył panto w stylu diamentowym dzięki własnemu ulepszonemu projektowi na początku lat dwudziestych XX wieku, ale ostatecznie całkowicie złamał formę dzięki wynalezieniu jednoramieniowego panto. Stopniowa zmiana projektu Faiveley ustanowiła światowy rekord prędkości (331 kmh/206 mil na godzinę) dla pociągu z napędem elektrycznym w tym samym roku, 1955, i jest standardem branżowym do dziś.
A wraz z ciągłymi innowacjami w panto z jednym ramieniem, nastąpiły rekordowe osiągnięcia. Nowe modele panto Wabtec umożliwiły pociągom osiąganie maksymalnych prędkości 515 km/h 320 mph i 574 km/h 356 mph odpowiednio w 1990 i 2007 roku. Oprócz ustanowienia nowych rekordów prędkości, pantografy Wabtec osiągnęły wiele pierwszych osiągnięć w XX i XXI wieku, obejmując innowacje w zakresie projektowania materiałów, rozmiaru powierzchni, integracji dachu, zasięgu ramion i trybów mocy, przyczyniając się do proliferacji panto przekraczającej 150 typów i ponad 90 000 zainstalowanych na całym świecie.
Potrzeba szybkości
Ale wróćmy do szybkości. Pantos w kształcie rombu z początku XX wieku pasowały do sztywności i napięć przewodów napowietrznych tamtej epoki. Jednak ich nieporęczny kształt nie sprzyjał dużej prędkości i zwiększonemu napięciu na przewodach sieciowych. Faiveley wykorzystał okazję, aby opracować nowy i lepszy rodzaj pantografu — taki, który był lżejszy, bardziej aerodynamiczny i przewodzący oraz posiadał większą zręczność, aby utrzymać głowicę pantografu w stałym kontakcie z drutem.
Jak na ironię, projektanci i inżynierowie pantografów firmy Wabtec wciąż borykają się z tymi samymi wyzwaniami, dążąc do optymalnego panto.
„Rozwój pantografu sprowadza się głównie do osiągnięcia stabilnej dynamicznej wydajności, zapewnienia wysokiej jakości pobierania prądu oraz dostarczania zarówno w opakowaniach, jak i pomiarach wymaganych przez klienta” - mówi Matt Atkins, dyrektor ds. inżynierii kolekcji energii w Wabtec. „Przez dynamiczne osiągi mam na myśli, że panto musi pracować w rzeczywistych warunkach (pomyśl o pogodzie, wietrze, prędkości, odbiciu pociągu i ruchu drutu dla starterów); a w przypadku pobierania prądu ponownie weź pod uwagę te same czynniki oraz listę pojemności elektrycznej i zagadnień inżynierii mechanicznej. Ostatecznie potrzebujemy obu, aby skutecznie napędzać pociąg, ale istnieje wiele ograniczeń, które robią wszystko, co możliwe, aby stanąć na drodze i które naszym zadaniem jest pokonanie i pokonanie.
Innym sposobem zrozumienia projektu pantografu i wyzwania inżynierskiego jest rozważenie krótkiej listy pantos „must have”:
- Musi być lekki.
- Musi być silny.
- Musi być aerodynamiczny.
- Musi działać w dwóch kierunkach (do przodu i do tyłu, w przeciwieństwie do samolotu!)
- Musi przewodzić prąd.
- Musi zarządzać tarciem.
- Musi działać w ciągle zmieniającym się, dynamicznym środowisku.
- I musi być konfigurowalny do świata o różnych napięciach, wysokościach przewodów napowietrznych i typach pociągów, a także do wszystkiego, co nastąpi dalej (patrz poniżej).
Ta lista oczywiście nigdy się nie kończy. Nikt nie wie o tym lepiej niż zespół panto Wabtec lub jest bardziej zaangażowany w udoskonalanie i ulepszanie portfela pantografów firmy w ramach tych często konkurencyjnych wymagań.
Sen o doskonałym pantografie
Inżynierowie pantografów firmy Wabtec na całym świecie mają obsesję: opracowywanie idealnego panto. Więc jak to może wyglądać? Znowu, Matt Atkins ma kilka pomysłów.
„Myślę, że wszyscy możemy się zgodzić, że idealne panto będzie super lekkie, a to będzie wymagało innowacji w panhead, który jest z natury metalizowanym węglem. Dzisiaj, im gęstszy materiał głowicy, tym większa pojemność prądowa może obsłużyć. Ale to dodaje wagi, która jest wrogiem prędkości. Tak więc Święty Graal byłby bardzo lekkim pantografem o bardzo dużej pojemności prądowej” — powiedział Atkins.
„I to tylko połowa historii. Nie wspominaliśmy nawet o długościach, które pantografy muszą dosłownie iść, aby zaspokoić potrzeby naszych klientów. Nasi klienci zawsze naciskają na to, aby pantos miały bardzo duży zasięg fizyczny - zdolność ramienia panto do zręcznego przedłużania różnych odległości - dzięki czemu mogą używać swoich pociągów na różnych torach o różnych wysokościach drutu łańcuchowego. Doskonałym tego przykładem są Indie, gdzie Wabtec jest liderem na rynku pantos o wysokim zasięgu”.
Panto przyszłości
Oprócz zaangażowania się w fizykę, materiały oraz wyzwania elektryczne i mechaniczne, które wiążą się z innowacjami panto, Wabtec musi również zmierzyć się z bardziej ludzką zmienną: regulacjami rządowymi.
Obecnie jedną z największych rozmów w świecie pantografów jest to, jak najlepiej spełnić mandat ERJU dotyczący „bezpowietrznych” pociągów. Na papierze perspektywa bezpowietrznych pociągów wygląda świetnie. Dzięki usunięciu dużych sprężarek powietrza i rurociągów z lokomotyw i wagonów tranzytowych pociągi staną się lżejsze i bardziej wydajne.
Ale ta zmiana stanowi duże wyzwanie dla pantografów, ponieważ wiele z nich wymaga powietrza do działania. Cały ten dynamiczny ruch w czasie rzeczywistym, który utrzymuje głowicę ściśle do sieci łańcuchowej, jest zwykle umożliwiany przez cylindry lub mieszki panto pod ciśnieniem powietrza.
Odpowiedź ostatecznie może leżeć w całkowicie elektrycznym pantografie, znanym również jako „ePanto”, który Wabtec zaprojektował i obecnie prototypuje i wkrótce przygotowuje do walidacji. Wyzwania są liczne, w tym wprowadzenie 1) elektrycznego siłownika, który może poruszać ramieniem panto równie responsywnie jak systemy napędzane powietrzem, oraz 2) elektrycznego systemu automatycznego upuszczania, który może wyłączyć panto przy tych samych szybkościach reakcji poniżej sekundy, co obecne systemy, które zwiększają bezpieczeństwo pociągu. Ponadto istnieją problemy z izolacją elektryczną do rozwiązania między napięciami roboczymi na poziomie komponentu pantografu a napięciami zbierającymi w linii napowietrznej.
„ePantos to potencjalna zmiana gry dla Wabtec i całej branży, ponieważ eliminuje potrzebę stosowania wielu urządzeń, które są kosztowne dla producentów samochodów i dla klientów w utrzymaniu” - powiedział Philippe Geoffroy, lider w dziedzinie rozwoju produktów Power Collection Pantograph w Wabtec. „Ale będą wymagały znaczących innowacji, wyzwania, przed którym Wabtec nigdy nie unikał.
„Oceniając obecne granice innowacji pantografów, nie mogę nie spojrzeć wstecz na to, co osiągnął Faiveley i udany kurs, jaki wyznaczył dla tej firmy. To dla mnie zdumiewające, że ponad 100 lat po jego pierwszej wielkiej innowacji w projektowaniu pantografów wciąż walczymy z tymi samymi siłami fizycznymi i rzeczywistościami elektromechanicznymi, jak on - i że podobnie jak on, nasza pracowitość i kreatywność opłacają się namacalnym postępem dla naszych klientów, firmy i przemysłu.