MATERIAA
Y KONFERENCYJNE MITEL 2010
Materiały nakładek ślizgowych pantografów
Artur Rojek, Wiesław Majewski
W artykule przedstawiono zagadnienia zwiÄ…zane z dostoso- Przewody jezdne
waniem nowego materiału na nakładki stykowe do panto-
Przewody jezdne produkowane sÄ… z miedzi elektrolitycznej w ga-
grafów krajowego taboru trakcyjnego. Stosowane nakładki
tunku CuETP, utwardzonej w fazie przeciągania. Użycie miedzi na
z miedzi elektrolitycznej postanowiono zastąpić nakładkami
przewody jezdne podyktowane zostało jej wysokimi własnościami
z kompozytu węglowego. Omówiono wyniki badań laborato-
elektrycznymi, dobrą wytrzymałością mechaniczną na zerwanie
ryjnych i terenowych nowego materiału oraz przedstawiono
oraz dużą odpornością korozyjną na wpływy atmosferyczne. Obec-
wnioski.
nie PKP wprowadzajÄ… do stosowania przewody z miedzi srebrowej
CuAg0,10 o lepszej odporności na ścieranie i wyższej temperaturze
Rozpowszechnionym rodzajem napędu kolejowych pojazdów
rekrystalizacji, produkowane zgodnie z wymaganiami normy [2].
szynowych są silniki elektryczne. Napęd ten jest ekonomiczny
Kształt i wymiary przewodu jezdnego pokazano na rysunku 2.
i przyjazny środowisku. Wskutek różnic w rozwoju historycznym
kolejnictwa w krajach europejskich ukształtowały się odmienne sy-
stemy zasilania trakcji elektrycznej. Powstały systemy trakcji prądu
stałego o napięciu 1,5 kV i 3 kV oraz systemy prądu przemiennego
15 kV, 16 2/3 Hz i 25 kV, 50 Hz. Dostarczanie energii elektrycznej
bezpośrednio do pojazdów szynowych następuje z sieci trakcyjnej
znajdujÄ…cej siÄ™ nad torami, przez ruchomy odbierak prÄ…du lokomo-
tywy. PrÄ…d powrotny od pojazdu do podstacji zasilajÄ…cej powraca
szynami kolejowymi. Konstrukcja odbieraków (nazywanych pan-
tografami z powodu kształtu) została dopasowana do współpracy
z siecią. Miernikiem jakości tej współpracy jest pewne, bez przerw
i zakłóceń dostarczanie energii do lokomotyw. Przykładowy wygląd
pantografu przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 2. Przekrój przewodu jezdnego DjpAC100
W systemach prÄ…du przemiennego stosuje siÄ™ do produkcji prze-
wodów jezdnych inne stopy miedzi, np. z magnezem lub cyną. Do-
mieszkowanie miedzi innymi metalami ma za zadanie poprawÄ™ jej
parametrów mechanicznych, jest to jednak okupione wzrostem re-
zystancji przewodów.
Nakładki stykowe pantografów
Rys. 1. Pantograf lokomotywy z próbnym ślizgaczem węglowym
Nakładki miedziane
Elementami sieci trakcyjnej stykającymi się bezpośrednio z pan-
tografami lokomotyw są przewody jezdne i nakładki ślizgowe. Nakładki stykowe, ze względu na warunki współpracy z przewo-
Tworzą one elektryczny zestyk przewodzący prąd trakcyjny w wa- dami, określane są też jako ślizgowe. Nakładki miedziane montowa-
runkach znacznie odbiegających od zestyków klasycznej aparatury ne są w trzech równoległych rzędach na ślizgaczach pantografów,
energetycznej. Aby pobór energii z sieci trakcyjnej był niezakłóco- pomiędzy którymi umieszczany jest smar grafitowy. Zadaniem sma-
ny, przewody jezdne muszą być naprężone (w sieci krajowej siłą ru jest zmniejszenie tarcia między nakładką i przewodami podczas
w granicach 10 kN). ÅšlizgajÄ…cy siÄ™ po przewodach pantograf powi- jazdy lokomotywy.
nien być dociśnięty do nich siłą ok. 110 N. Eksploatowane na pantografach kolejowych w Polsce nakładki
są wykonane z miedzianych listew według [4]. Wygląd ślizgacza
pantografu na lokomotywie pokazano na rysunku 3. O zastosowaniu
czystej miedzi również w tym przypadku decyduje dobra rezystyw-
Dr inż. Artur Rojek, mgr inż. Wiesław Majewski  Centrum Naukowo-
-Techniczne Kolejnictwa, Zakład Elektroenergetyki ność i odporność korozyjna na wpływy atmosfery.
Rok LXXVIII 2010 nr 4 45
 MATERIAA
Y KONFERENCYJNE MITEL 2010
Rys. 4. Kształt nakładki miedzianej Rys. 5. Wygląd powierzchni
ślizgowej nakładki węglowej
Rys. 3. Wygląd ślizgacza pantografu z nakładkami miedzianymi
Rys. 6. Budowa
Miedziane nakładki stykowe umożliwiają odbiór z sieci dużych
węglowej nakładki ślizgowej
prądów trakcyjnych, szczególnie podczas rozruchu lokomotyw
(prądy >1200 A), bez przegrzania przewodów jezdnych (tj. bez wy-
stąpienia rekrystalizacji miedzi i spadku wytrzymałości mechanicz-
nej na zerwanie). Kształt i zasadnicze wymiary skrajnej nakładki
stykowej pokazano na rysunku 4.
Wadą nakładek miedzianych jest stosunkowo duże zużycie ścierne Konstrukcja nakładek węglowych znanych producentów jest po-
(pomimo stosowania smaru) zarówno przewodów jezdnych, jak i ich dobna. Na kształtownik ze stopu aluminium naklejana jest listwa
samych. Wzajemne tarcie (i zużycie) obu elementów jest zwiększo- węglowa, następnie całość mocowana jest śrubami do pantografu.
ne ze względu na znane zjawisko złej współpracy elementów z tego Wygląd nakładki w przekroju pokazano na rysunku 6. Oferowane do
samego materiaÅ‚u. Współczynnik tarcia spoczynkowego czystych zastosowania w PKP nakÅ‚adki zawierajÄ… ok. 70÷85% wÄ™gla, resztÄ™
styków miedzianych w powietrzu wynosi 1,5. W przypadku styków stanowi miedz
oraz śladowe ilości innych pierwiastków. Stosowanie
pokrytych tlenkami i siarczkami miedzi oraz innymi zanieczyszcze- węgla jako składnika nakładek jest podyktowane jego bardzo dobry-
niami współczynnik ten zmniejsza się do wartości ok. 0,5. Spadek mi własnościami smarnymi i elektrycznymi. Rezystywność mate-
wartoÅ›ci współczynnika jest korzystny, gdyż wpÅ‚ywa na zmniejsze- riaÅ‚u wÄ™glowego wynosi 4÷12 ©mm2/m (dla porównania  czystej
nie zużycia. miedzi 0,0172 ©mm2/m).
Zanieczyszczenia powierzchni stykowych powodują natomiast Dobre własności smarne grafitu są wynikiem jego specyficznej
wzrost rezystancji przejścia zestyku, szczególnie istotnej w warun- struktury krystalicznej  atomy węgla w strukturze tworzą warstwo-
kach przepływu prądu podczas postoju taboru. Rezystancja przej- wą, heksagonalną siatkę. Charakter budowy przestrzennej grafitu
ścia między stykami zależy też od stanu powierzchni stykowej, siły powoduje powstawanie łusek z poślizgiem, nawet przy dużym roz-
docisku obu elementów i materiałów użytych do ich konstrukcji. drobnieniu, co jest przyczyną własności smarnych grafitu. Współ-
Na zużywanie się styków negatywny wpływ ma również przepływ czynnik tarcia miedz
-grafit wynosi 0,14.
prądów trakcyjnych. W Centrum Naukowo-Technicznym Kolejnictwa były podejmo-
Zapewnienie stabilnej siły docisku pantografu do przewodów wane w latach 80. badania nakładek. Stwierdzono jednak, że do-
jezdnych w rzeczywistych warunkach eksploatacji kolei jest nie- stępne wówczas materiały węglowe nie kwalifikowały się do zasto-
możliwe. Wynika to przede wszystkim z przestrzennej budowy sowania w krajowym taborze trakcyjnym. Obecnie badania zostały
sieci trakcyjnej (naprężone w powietrzu przewody, podwieszone ponowione, ze względu na postęp w dziedzinie produkcji materia-
co 65÷72 m do sÅ‚upów trakcyjnych) oraz drgaÅ„ Å›lizgacza i panto- łów wÄ™glowych i doÅ›wiadczenia eksploatacyjne nakÅ‚adek wÄ™glo-
grafu podczas ruchu lokomotyw. W warunkach jesienno-zimowych wych wynikajÄ…ce z ich stosowania w taborze zagranicznym.
występuje zjawisko oszronienia przewodów jezdnych i pantografu. Konieczność badań nakładek węglowych wynika z odmiennego
Przy całościowej ocenie kosztów eksploatacji znaczenie mają też krajowego systemu zasilania trakcji kolejowej. Aby dostarczyć po-
bieżące koszty wymiany nakładek i uzupełniania smaru. trzebną ilość energii do lokomotyw o mocach do 6,5 MW w syste-
mie 3 kV DC, prądy trakcyjne muszą mieć wartość powyżej 2500 A.
Nakładki węglowe
Tak znaczny prąd płynący przez zestyk nakładka  przewód w przy-
Alternatywą dla nakładek miedzianych są szeroko stosowane padku niesprawdzonych nakładek może doprowadzić do osiągnięcia
w pojazdach trakcyjnych zagranicznych zarządów kolejowych na- przez przewody temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji
kÅ‚adki z materiałów wÄ™glowych. MateriaÅ‚y te sÄ… kompozytami wÄ™- materiaÅ‚u miedzianego (200÷360°C). W konsekwencji przewody
glowo-metalicznymi. Najczęściej są to spieki węgla w postaci grafitu utracą wytrzymałość mechaniczną i ulegną zerwaniu.
z miedzią i innymi metalami, jak cyna, antymon itp. Dokładny skład W systemach prądu przemiennego problem ten występuje w znacz-
chemiczny i technologia produkcji stanowią tajemnicę producenta. nie mniejszym stopniu, gdyż przy napięciach pięcio-, a nawet oś-
Procentowa zawartość składników dobierana jest w zależności od miokrotnie wyższych, prądy robocze są mniejsze w tym samym
rodzaju stosowanej trakcji. Wygląd powierzchni ślizgowej nakładki stosunku. Wygląd nakładek węglowych na typowym pantografie
pokazano na rysunku 5. pokazano na rysunku 7.
46 Rok LXXVIII 2010 nr 4
 MATERIAA
Y KONFERENCYJNE MITEL 2010
Badania nakładek węglowych Podsumowanie
Badania nakładek węglowych w kraju były prowadzone w warun- W wyniku badań potwierdzono słuszność zamiarów zastosowania
kach laboratoryjnych i terenowych. Zakres badań laboratoryjnych nakładek węglowych na pantografach krajowego taboru trakcyjne-
obejmował: go. Zastąpienie używanych obecnie nakładek miedzianych nakład-
kami węglowymi wpłynie na zmniejszenie stopnia zużycia wskutek
 sprawdzenie przyrostów temperatury zestyku: przewody jezdne
ścierania  zarówno samych nakładek, jak i przewodów jezdnych.
 nakładki węglowe,
Warunkiem jest dobranie nakładek węglowych o odpowiednich
 badanie zużycia zestyków wskutek ścierania,
własnościach, dostosowanych do krajowego systemu zasilania trak-
 badanie odporności zestyków na przepływ prądów zwarciowych,
cji. Proces przejścia na nowe nakładki powinien być szybki: używa-
 sprawdzenie składu chemicznego kompozytów węglowych.
nie jednocześnie nakładek miedzianych i węglowych nie przynosi
korzyści w zużyciu zestyków.
LITERATURA
[1] Siemiński T., Jarosz T.: Odbieraki prądu i ich współpraca z siecią jezdną. Wydaw-
nictwa Komunikacji i A
ączności, Warszawa 1983
[2] PN EN 50149:2002 Zastosowania kolejowe  UrzÄ…dzenia kolejowe  Trakcja elek-
tryczna  Profilowane druty jezdne z miedzi i jej stopów
[3] PN-EN 50367:2006 Zastosowania kolejowe  Systemy odbioru prÄ…du  Kryteria
techniczne dotyczące wzajemnego oddziaływania między pantografem a siecią
jezdną górną (w celu uzyskania wolnego dostępu)
[4] BN-82/3086-16 Tabor kolejowy normalnotorowy. Elektryczne pojazdy trakcyjne.
Odbieraki prądu. Miedziane nakładki stykowe
[5] Majewski W., Rojek A.: Przeprowadzenie badań materiałów węglowych na ślizgi
odbieraków prądu i analiza ich przydatności. Praca CNTK nr 3084/12, Warszawa
2005
[6] Majewski W.: Badania laboratoryjne nakładek węglowych pantografów. Praca
Rys. 7. Nakładki węglowe założone na typowym pantografie
CNTK nr 2541/12, Warszawa 2007
Badania przyrostów temperatury przeprowadzono wykorzystu-
jąc specjalistyczne stanowisko pomiarowe, składające się z odcin-
ka sieci trakcyjnej, pantografu, zespołu zasilania prądem stałym
i układu pomiarowego. Wartość prądu stałego w obwodzie po-
miarowym wynosiła 200 A, średni docisk nakładek do przewo-
PRACA ROBOTÓW
dów jezdnych wynosił 110 N, temperatura otoczenia wynosiła
W PRZEMYÅšLE SAMOCHODOWYM
ok. 20°C. PrzyjÄ™to, że przyrost temperatury zestyku nie powinien
przekraczać 80°C. Badano cztery rodzaje nakÅ‚adek wÄ™glowych.
Przemysł samochodowy ma istotny wpływ na rozwój robotów przemy-
Stwierdzono, że przewody jezdne w miejscu styku z nakładkami
słowych. Roboty przemysłowe w przemyśle samochodowym umożli-
węglowymi nie uzyskiwały przyrostów temperatur wyższych od do-
wiają zwiększenie produkcji, elastyczności, niezawodności, podniesie-
puszczalnych.
nie jakości oraz obniżenie kosztów produkcji. Zastosowanie robotów
przemysłowych umożliwia pełną automatyzację procesu produkcyjne-
Badania terenowe prowadzone były w warunkach normalnej pra-
go biegnÄ…cego przez 24 godziny dziennie i przez 7 dni w tygodniu.
cy trakcyjnej lokomotyw. Badano nakładki oferowane przez kilku
(wb-25)
producentów. W tym celu kilkanaście lokomotyw serii EP09, EU07
ABB Review 2009 nr 1
i ET22 wyposażono w ślizgi węglowe na pantografach.
Badania polegały na pomiarze grubości nakładek i rejestracji prze-
biegu lokomotyw w regularnych odstępach czasowych. Po 10 mie-
siącach eksploatacji stwierdzono, że:
 zużycie nakładek węglowych wykazuje duży rozrzut wartości: od
0,2 do 2,1 mm na każde 1000 km przebiegu pojazdu,
 maksymalne zużycie występowało w okresie zimowym, przy po-
jawieniu siÄ™ sadzi,
 powierzchnie ślizgowe nakładek, w zależności od typu materiału
węglowego i okoliczności pogodowych, wykazywały różny poziom
chropowatości i zarysowań wzdłużnych, co wskazywało na niszczą-
ce działanie prądów trakcyjnych w postaci iskrzeń lub łuku,
 przebieg lokomotyw z jednym kompletem nakładek, głównie
w zależności od typu i warunków pogodowych, wynosił od ok. 5000
do 35 000 km.
Rok LXXVIII 2010 nr 4 47