KOWALSKI Jan (12pt) (styl Nazwisko)

MAŃKA Adam1,
HEŁKA Andrzej2,
SITARZ Marek3
System pomiarowy PanDiag do badania współpracy ślizgacza
pantografu z siecią jezdną
WSTĘP
W artykule przedstawiono budowę, sposób działania oraz możliwości wykorzystania systemu
PanDiag do pomiaru i diagnostyki sieci jezdnej. System PanDiag był już kilkakrotnie testowany w
warunkach eksploatacyjnych, co pozwoliło dostosować jego funkcjonalność i parametry pomiaru do
rzeczywistych wymagań polskich Przewoźników kolejowych oraz Zarządców infrastruktury.
Niewątpliwą zaletą systemu jest jego uniwersalność zastosowania w różnego typu odbierakach prądu,
pomiar siły działającej bezpośrednio na nakładki ślizgowe oraz bezproblemowy montaż i obsługa.
1 CEL BUDOWY SYSTEMU PANDIAG I MOŻLIWOŚCI JEGO WYKORZYSTANIA
Diagnostyka układu odbierak prądu – sieć trakcyjna stanowi element wielu prac badawczych i
wdrożeniowych prowadzonych przez czołowe ośrodki w kraju i na świecie. Potrzeba uzyskania
informacji o stanie sieci trakcyjnej oraz jakości odbieraków prądu leży w żywotnym interesie
przewoźników kolejowych oraz zarządców infrastruktury. Powstające stacjonarne terenowe odcinki
pomiarowe służą głównie do detekcji siły nacisku odbieraków prądu i stanowią element kontrolny dla
przewoźników kolejowych [1]. Systemy DST (Diagnostyki Sieci Jezdnej) budowane w latach 90-tych
ubiegłego wieku składają się z wagonów, w których pomiary oparte były o czujniki umieszczone w
pobliżu izolatorów na dachu lokomotywy lub czujniki udaru montowane na odbieraku prądu.
Ówczesna elektronika pomiarowa nie pozwalała na zastosowanie miniaturyzacji w zakresie
pozycjonowania GPS, transmisji danych pomiarowych poprzez GSM oraz pomiaru, analizy i cyfrowej
rejestracji danych bezpośrednio z czujników siły. Zaistniała zatem potrzeba opracowania
nowoczesnego systemu do diagnostyki sieci trakcyjnej, którego montaż i uruchomienie zajmowałoby
kilkanaście minut z wykorzystaniem dowolnej lokomotywy. Wyznaczenie sił w układzie odbierak
prądu – sieć trakcyjna wymagane jest również w trakcie badań dopuszczeniowych odbieraków prądu
dla kolei szybkich [4,5], dla których wymagane jest jedynie dostosowanie adaptera systemu PanDiag
do stosowanych w nich ślizgaczy. Eliminuje to konieczność ingerencji w nakładki ślizgowe,
konstrukcję samego odbieraka prądu czy prowadzenie pomiarów z wykorzystaniem technik
pośredniego wyznaczania siły a montaż polega na wprowadzeniu elementu pośredniczącego
pomiędzy mocowanie ślizgacza a ślizgacz pantografu. Konieczność wyznaczenia sił działających na
odbierak prądu w trzech wzajemnie prostopadłych osiach, informacja o wysokości sieci trakcyjnej
wraz z jednoczesnym pozycjonowaniem uzyskanych wyników pomiaru systemem GPS wynikała w
pierwszej kolejności z potrzeby uzyskania danych o stanie sieci trakcyjnej, ewentualnych
przeszkodach dla ślizgaczy pantografu i jej położeniu przestrzennym oraz wartościach sił wzdłużnych,
w tym siły tarcia, pionowych i poprzecznych sił działających na odbieraki prądu przewoźników
kolejowych. W trakcie pierwszych pomiarów rejestrowano również obraz z wykorzystaniem trzech
kamer cyfrowych o rozdzielczości HD, z których dwie umieszczone były na dachu lokomotywy a
jedna bezpośrednio na ślizgaczu dla obserwacji współpracy drutu jezdnego z nakładkami ślizgacza –
rysunek 1.
1
2
3
Politechnika Śląska Wydział Transportu Katedra Technologii Lotniczych, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 13, Tel. 32 603-41-90,
email: [email protected]
Politechnika Śląska Wydział Transportu Katedra Logistyki i Transportu Przemysłowego, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, Tel. 32 6034304,
email: [email protected]
Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej, Katedra Transportu Szynowego, 41-300 Dąbrowa Górnicza, ul. Cieplaka 1C, Tel. 32 295-93-54,
email: [email protected]
4731
Pomiar
wysokości
sieci jezdnej
Bezprzewod.
transmisja
danych:
GSM, WiFi,
Bouetooth
Detekcja
zejścia
przewodu z
nakładek
Lokalizacja
pomiarów
GPS
Pomiar
prędkości
przejazdu i
czasu wg
GPS
Pomiar siły
w 6 osiach
(detekcja
przeszkody)
Wyświetlanie
wyników na
Google Maps
Autorskie
oprogramow
anie - analiza
Kamery HD i
transmisja
online
i raportowanie
Łatwy
montaż i
uniwersalność
Rys. 1. Możliwości pomiarowe i diagnostyczne systemu PanDiag
Rys. 2. System PanDiag podczas przejazdów diagnostycznych na sieci – lokomotywa ET22-695 PKP Cargo S.A. Śląski Zakład Spółki w Tarnowskich Górach
Przeprowadzone badania wykazały możliwość wykorzystania systemu nie tylko do celów
badawczych, ale również do cyklicznej diagnostyki stanu sieci jezdnej. Jednoczesne sprzężenie
wyników pomiaru z precyzyjnie wyznaczonym położeniem (GPS) pozwala na szybką lokalizację i
usunięcie ewentualnych nieprawidłowości sieci oraz stanowi dowód badania stanu sieci trakcyjnej na
danym odcinku, co może być szczególnie ważne w przypadku kosztownych uszkodzeń odbieraków
prądu i sieci trakcyjnej.
4732
Kolejnym zastosowaniem systemu jest możliwość jego bezpośredniego wykorzystania na etapie
badań dopuszczeniowych odbieraków prądu dla kolei konwencjonalnych i pociągów szybkich.
Producentowi a następnie jednostce prowadzącej badania wykorzystanie tego systemu pozwala na
uzyskanie podstawowych informacji i wyników wymaganych w trakcie badań certyfikacyjnych oraz
testów wpływu poszczególnych parametrów funkcjonalnych oraz prędkości i nacisku na własności
użytkowe w tym wpływ sił aerodynamicznych. Pozwala to na dostosowanie odbieraka prądu w taki
sposób, aby siły działające na djp (drut jezdny profilowany) mieścił się w wymaganym zakresie
90÷120 N niezależnie od prędkości przejazdu, ciśnienia w układzie sterowania oraz profilu sieci [4,5].
Zaznaczyć należy, że system ten z powodzeniem wykorzystywany był dla różnych typów
odbieraków prądu i ślizgaczy w różnych warunkach pogodowych (ujemne temperatury, deszcz itd.)
oraz dla różnych zakresów prędkości w tym dla 120 km/h – rysunek 2.
2 MOŻLIWOŚCI POMIAROWE SYSTEMU
System PanDiag testowany był wielokrotnie na sieci kolejowej głównie na terenie województwa
śląskiego z udziałem przedstawicieli Przewoźników kolejowych oraz Zarządcy infrastruktury. W
kolejnych wersjach systemu modyfikowano system pomiarowy uwzględniając uwagi dotyczące
wydłużenia czasu pracy na baterii oraz zwiększenia szybkości przejazdu. Dlatego też w kolejnych
wersjach system wyposażono w zestaw nowoczesnych akumulatorów Li-ION. Zmieniono również
elektronikę pomiarową wykorzystując mikrokontroler z wydajnym mikroprocesorem o niskim
poborze prądu praz specjalizowanym układzie do analizy i kondycjonowania sygnału pomiarowego z
12 i 16 bitowym przetwornikiem AC o częstotliwości pomiaru do 600 Hz. Z analiz wynika, że
zastosowany system pomiarowy pozwala na ponad dziesięciokrotny pomiar siły i pozostałych
wielkości na każdym metrze sieci jezdnej dla prędkości 200 km/h. Z uwagi na fakt prowadzenia
testów dla prędkości 120 km/h w dalszych etapach prac planuje się weryfikację nowych rozwiązań w
warunkach eksploatacyjnych dla wysokich prędkości przejazdu.
Rys. 3. Oprogramowanie do analizy, archiwizacji i wizualizacji wyników na mapie Google Maps
W ostatnich pomiarach eksploatacyjnych system PanDiag wyposażony był w 6 czujników siły
pozwalających na precyzyjny pomiar sił wzdłużnych (wraz z siłami tarcia), sił poprzecznych oraz
docisku odbieraka prądu do drutu jezdnego w warunkach dynamicznych. Pomiary te realizowane były
po obu stronach mocowania co pozwalało również na wyznaczenie położenia drutu jezdnego
4733
wynikające z tzw. wężykowania i prawidłowości jego instalacji. Wyniki pomiaru były rejestrowane
wraz z odpowiadającymi im współrzędnymi GPS i wysyłane przez sieć Bluetooth (wersja
przemysłowa) do komputera obrazującego wyniki na mapach Google Maps (rysunek 3) pobieranych
online poprzez sieć GSM z możliwością bieżącej analizy i powiadamiania o zaistniałych
nieprawidłowościach.
System dokonywał automatycznej weryfikacji przekroczenia założonych wartości dopuszczalnych
sił. Niezależnie od pomiaru sił i usytuowania sieci współpraca odbieraka prądu z siecią jezdną
rejestrowana była z wykorzystaniem trzech małogabarytowych kamer HD w tym jednej umieszczonej
bezpośrednio na ślizgaczu pantografu. Obraz z kamer przesyłany był również na żywo do kamery
maszynisty.
Z uwagi na bezpośredni kontakt odbieraka z wysokim napięciem oraz faktem występowania
silnych zakłóceń elektromagnetycznych zastosowano bezprzewodową transmisję danych w
standardzie Bluetooth w wersji przemysłowej.
Aktualną wersję systemu wyposażono w dodatkowe elementy pomiarowe jednak testowano je
jedynie w warunkach laboratoryjnych. Z uwagi na zgłaszaną potrzebę pomiaru wysokości sieci
jezdnej wprowadzono bieżący pomiar tego parametru z wykorzystaniem przemysłowych czujników
ultradźwiękowych. Wprowadzono również czujniki zejścia przewodu jezdnego z roboczej części
ślizgacza. W warunkach laboratorium testowano z pozytywnym skutkiem czujniki ultradźwiękowe
oraz czujniki optyczne. W celu wydłużenia czasu pracy na akumulatorze zastosowano akumulatory
Li-ION i testowano dodatkowe wyposażenie systemu w układ zasilania z wykorzystaniem panelu
fotowoltaicznego. Z uwagi jednak na niewielki odzysk energetyczny szczególnie w warunkach
zimowych i trudność w montażu panelu o większych gabarytach wycofano się z tego układu na rzecz
zwiększenia pojemności akumulatora i jego montażu bezpośrednio na dolnej części ramy odbieraka
prądu. Układ prowadzi stały pomiar napięcia zasilania z uwagi na potrzebę zapewnienia wymaganych
poziomów napięć dla zastosowanych czujników i przetworników oraz konieczność dodatkowego
zabezpieczenia akumulatorów przed ich nadmiernym rozładowaniem. Dodatkowo wysyłanie ego
parametru do kabiny maszynisty pozwala na ocenę stopnia załadowania akumulatorów systemu i
ocenę czasu jego dalszej pracy. Z uwagi na chęć wykorzystania układu pomiarowego dla dużych
prędkości zdecydowano się na takie rozmieszczenie masy układu pomiarowego aby jedynie czujniki,
układy stabilizujące napięcie zasilające i przetworniki analogowo-cyfrowe znajdowały się
bezpośrednio w pobliżu ślizgacza natomiast pozostała część układów w tym akumulatory, układ GPS,
GSM, Bluetooth oraz rejestrator znajdowały się na dolnej części ramy. Takie rozmieszczenie masy
pozwala na minimalizację wpływu na własności dynamiczne układu odbierak prądu – sieć trakcyjna
również dla dużych prędkości przejazdu. Dla pomiarów przemysłowych zdecydowano się na
usunięcie czujników mierzących siły poprzeczne. Decyzja ta wynikała z analizy uzyskanych we
wcześniejszych pomiarach sił poprzecznych i możliwości wykorzystania uzyskanych danych jedynie
dla analizy zjawisk dynamicznych i weryfikacji budowanych modeli numerycznych układu odbierak
prądu - sieć trakcyjna bez możliwości bezpośredniego wykorzystania tych danych dla diagnostyki
samej sieci jezdnej. Pozwala to nie tylko na redukcję kosztów ale również masy elementów
usytuowanych w pobliżu ślizgacza. Zabiegi te pozwoliły na możliwość wykorzystania systemu
PanDiag bez konieczności znacznych regulacji sił docisku odbieraka do sieci jednej po jego
zainstalowaniu na lokomotywie. Należy zaznaczyć, że montaż systemu polega wyłącznie na
odkręceniu czterech śrub mocujących dotychczasowy ślizgacz pantografu i montaż w to miejsce
ślizgacza z systemem pomiarowych oraz montaż na dole ramy odbieraka części zawierającej
akumulator i mikrokontroler. W kabinie maszynisty można wykorzystać komputer przenośny do
monitorowania aktualnych danych pomiarowych jednak nie jest to już warunek niezbędny do
przeprowadzenia pomiaru z uwagi na zapis danych bezpośrednio w pamięci systemu zainstalowanego
na odbieraku prądu. Aktualnie testowane jest automatyczne przekazywanie danych pomiarowych po
powrocie lokomotywy do macierzystego zakładu poprzez transmisję z wykorzystaniem sieci WiFi, tak
aby wyeliminować potrzebę wchodzenia na dach lokomotywy po kartę pamięci i umieszczania jej w
komputerze PC z zainstalowanym programem do wizualizacji i analizy uzyskanych danych
pomiarowych – rysunek 4.
4734
Rys. 4. Okno do wizualizacji aktualnych wyników pomiarów systemu PanDiag
Wykorzystanie w systemie autorskiego oprogramowania napisanego w systemie Delphi pozwala
na dostosowanie funkcjonalności programu oraz formatu raportu bezpośrednio do wymagań
użytkowników.
WNIOSKI I KIERUNKI DALSZYCH PRAC
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów laboratoryjnych oraz testów eksploatacyjnych
prowadzonych [3] na terenie należącym do PKP Energetyka S.A. Zakład Górnośląski stwierdzono
przydatność systemu PanDiag do pomiarów i diagnostyki sieci jezdnej. Wyniki przeprowadzonych
pomiarów parametrów sieci w czasie testów wykazały ich prawidłowość z wyjątkiem kilku miejsc w
których wykryto nieprawidłowości, w tym potrzebę korekty odsuwu czyli odchylenia przewodu
jezdnego od osi toru z uwagi na przekroczenie wartości maksymalnych oraz zbyt nisko zawieszoną
sieć, co zarejestrowane zostało nie tylko przez kamery, ale głownie przez oba czujniki siły nacisku
(pionowy kierunek). Po przeprowadzonych badaniach stwierdzone odstępstwa zostały niezwłocznie
usunięte. Szczegółowe wyniki pomiarów zawarto w publikacji [2].
Przeprowadzone badania eksploatacyjne systemu PanDiag wykazały również potrzebę naniesienia
modyfikacji w samym systemie. Użytkownicy wskazali na potrzebę zwiększenia czasu pracy na
jednym ładowaniu akumulatora z 4 do 10 a najlepiej 12 godzin, co zostało uwzględnione w aktualnej
konstrukcji. Stwierdzono również potrzebę wprowadzenia izolacji termicznej akumulatora, gdyż
narażenie go na niskie temperatury i wysokie prędkości strugi powietrza spowodowało spadek jego
pojemości o 40% w stosunku do testów laboratoryjnych. Użytkownicy wskazali również na potrzebę
zainstalowania dodatkowych czujników, co również zostało uwzględnione w aktualnej wersji w
postaci czujników zejścia przewodu z nakładki ślizgowej oraz czujnika wysokości sieci jezdnej.
W ramach kierunków dalszych prac szczególną uwagę zwraca się na możliwość dostosowania
funkcji systemu do aktualnych wymagań użytkowników. Od pierwszej wersji systemu PanDiag
minęło kilka lat podczas których wprowadzono wiele zmian w systemie. Jak już wspomniano w
aktualnie testowanej w warunkach laboratoryjnych wersji PanDiag2 z jednej strony znacznie
zwiększono czas pracy na akumulatorze, wprowadzono precyzyjny pomiar wysokości sieci, dodano
4735
czujniki zejścia djp poza część roboczą nakładki ślizgowej. Z drugiej strony zlikwidowano zbędne
czujniki sił bocznych, które nie wnosiły istotnych informacji o stanie sieci, co jednak pozwoliło na
dodatkową redukcję masy. Do głównych zmian należy wliczyć również zmianę elektroniki
pomiarowej i zmianę rozmieszczenia masy, tak aby zmniejszyć bezwładność elementów
umieszczonej na ślizgaczu odbieraka prądu.
Autorzy pragną w tym miejscu złożyć podziękowania firmie PKP Cargo S.A. Śląski Zakład
Spółki w Tarnowskich Górach, firmie Polskie Linie Kolejowe S.A. Biuro Energetyki oraz
przedstawicielom przewoźników za pomoc i wsparcie w realizacji badań eksploatacyjnych oraz
okazane zainteresowanie.
Streszczenie
W artykule przedstawiono system do diagnostyki kolejowej sieci jezdnej. Opisano jego, podstawowe
parametry oraz możliwości pomiarowe. Wskazano również na aktualne kierunki modyfikacji systemu dla
zaspokojenia nowych wymagań stawianych dla systemu PanDiag w tym wynikających z potrzeby badań
realizowanych dla pociągów szybkich. Przedstawiono również uwagi użytkowników systemu PanDiag, które
stanowiły podstawę dalszej modyfikacji systemu diagnostycznego. W artykule przedstawiono możliwości
pomiarowe aktualnie testowanego w warunkach laboratoryjnych systemu PanDiag2, którego celem jest
spełnienie wymagań nie tylko dla diagnostyki sieci trakcyjnej kolei konwencjonalnej ale również dla pociągów
kolei szybkich, dla których oprócz zakładanej dokładności pomiaru niezbędna jest bardzo wysoka
częstotliwość próbkowania czujników i za tym idące ograniczenia starszych mikrokontrolerów, układów
kondycjonujących sygnał pomiarowy i samych czujników.
Słowa kluczowe: PanDiag, sieć trakcyjna, odbieraki prądu, pantograf, ślizgacz, węglowe nakładki stykowe,
system do diagnostyki sieci trakcyjnej
PanDiag measurement system to research the cooperation of the pantograph head of the
overhead contact line
Abstract
This paper presents a system for the diagnosis of a railway catenary. Describes the basic parameters and
measurement capabilities. Also points to the current improvements of the system to meet new requirements for
the system PanDiag including those resulting from the need to research conducted for the high-speed trains.
It also presents user feedback, which formed the basis for further modification of the diagnostic system. The
paper presents the measurement capabilities of currently being tested in laboratory conditions of PanDiag2
system, which aims to meet the requirements not only for network diagnostics conventional rail traction but
also for high-speed railways trains, which in addition to the assumed accuracy requirements is very high
sampling frequency of sensors and for the reaching limitations of older microcontrollers, signal conditioning
circuits and measurement sensors themselves.
Keywords: PanDiag, overhead contact line, current collectors, pantograph, slider, carbon plates, the overhead
contact line diagnostics system
BIBLIOGRAFIA
1. Giętkowski Z., Judek S., Karwowski K., Mizan M.: Diagnostyka i monitoring odbioru prądu z
sieci trakcyjnej, XXXV Konferencja Naukowo – Techniczna Gdańskie Dni Elektryki’ 2010.
2. Hełka A. Mańka A., Pomiary i analiza współpracy pantografu z siecią jezdną w trakcie
eksploatacji, Czasopismo Logistyka, 03.2015.
3. Marek Sitarz, Andrzej Hełka, Adam Mańka, Andrzej Adamiec.; Testing of Railway Pantograph,
Archives of Transport, No 1-2/2013.
4. PN-K 91001:1997 Elektryczne pojazdy trakcyjne – Odbieraki prądu – Wymagania i metody
badań.
5. PN-EN 50206-1:2009 Zastosowania kolejowe – Tabor – Pantografy: Charakterystyki i badania –
Część 1: Pantografy pojazdów linii głównych.
4736