الباندوغراف وأسلاك العلوي: كيف تحصل القطارات على الطاقة

الاتصال غير المرئي الذي يحافظ على تشغيل القطارات الكهربائية

كل قطار كهربائي يسافر على سكك حديدية أوروبا واليابان والصين يعتمد على اتصال ميكانيكي بين سلك ممدود فوق المسار وذراع محملة بنابض على سقف القطار. هذا النظام — السلك الكاتاني أعلاه والمدقة (أو الكاتسو، اليابانية) أدناه — هو واحد من أكثر أجزاء الهندسة السكة الحديدية أناقة الموجودة، وواحد من الأقل لاحظتها من قبل ملايين المسافرين الذين تخدمهم كل يوم.

نظام الكاتيناري

نظام السلك العلوي يسمى كاتيناري، مصطلح مستعار من الرياضيات: كاتيناري هي المنحنى الطبيعي الذي تأخذه سلسلة معلقة أو كابل. في هندسة السكك الحديدية، الكاتيناري هي في الواقع نظام مركب من سلكين على الأقل يعملان معاً.

السلك الرسول — أحيانا تسمى سلك الدعم — عادة ما يكون أفقياً وممدود بين الأبراج. هذا السلك يفسد أحمال الشد والانحناء من حركة القطار.

سلك التلامس — السلك الذي تلمسه المدقة فعلياً — معلق من السلك الرسول عبر نقاط تدلي دورية. السلك عادة ما يكون في شكل V — على عكس السلك الأفقي المتوقع.

الشكل V وسبب أهميته

الشكل V يبدو غريباً حتى نفهم ماذا يفعل. سلك التلامس ليس أفقياً بسيطة معلقة لأن هذا سيكون غير مستقر. بدلاً من ذلك، يتم سحبه إلى شكل V عريض. هذا يجعل التلامس مع المدقة أكثر اتساقاً كما يتحرك القطار على طول الخط — بدلاً من المدقة التي تضرب نقطة واحدة على سلك أفقي، فإنها تتحرك على طول السلك V.

الضغط والتوتر

يتم الحفاظ على السلك بتوتر ثابت عبر نظام من الأوزان والبكرات. يجب أن يكون التوتر قوياً بما يكفي لدعم وزن المدقة وقوى الاتصال — لكن ليس قوياً جداً لأن هذا سيؤدي إلى تعليق غير مستقر والحد من مرونة النظام.

جودة الاتصال والاهتزاز

عند السرعات العالية، يجب أن يكون الاتصال بين المدقة والسلك مستقراً تقريباً تماماً. أي اهتزاز أو فصل طفيف يقلل من نقل الطاقة ويمكن أن يسبب أضراراً للسلك والمدقة. هذا هو السبب في أن السكك الحديدية عالية السرعة لها متطلبات صيانة صارمة للكاتيناري — أي انحناء أو تعليق غير صحيح يجب إصلاحه على الفور.

الكفاءة والقوة

الكاتيناري والمدقة نقل عالي الكفاءة للقوة. معظم الأنظمة الكهربائية الأخرى تكون كفاءة أقل. ولأن التلامس مباشر وميكانيكي، فإن الفشل الكهربائي نادر بشكل عام. المدقة قد ترتد أو تضر في ظروف الطقس الشديد أو السرعات الشديدة الانحدار، لكن النظام قد صمم ليتحمل الكثير.

متغيرات محلية وقياسية

بينما مبدأ الكاتيناري والمدقة عالمي، تختلف التنفيذات الدقيقة حسب الدول والسكك الحديدية. الجهد الكهربائي مختلف (15 كيلو فولت في أوروبا الغربية، 25 كيلو فولت في فرنسا واليابان). قطر السلك مختلف. ارتفاع السلك مختلف. كل هذا يؤثر على تصميم المدقة والقوة المنقولة.

لماذا لا نستخدم سلك ثالث؟

بعض السكك الحديدية — خاصة الترام والقطارات الخفيفة — تستخدم سلك ثالث بدلاً من الكاتيناري. هذا سلك موصل ممدود على طول المسار الذي تلتقطه المدقة من الجانب. هذا يبسط من جانب السلك لكنه يضيف مخاطر السلامة (السلك كهربائي محكى منخفض وقريب من الأرض) ويحد من السرعة.

الصيانة والفحص

الكاتيناري والمدقة تتطلب فحصاً دوري. مفتشو السكك الحديدية يفحصون السلك بحثاً عن التآكل والانحناء وعدم التوازن. يتم فحص المدقات وتدويرها دورياً. الصيانة البسيطة هي ما يحافظ على النظام يعمل بشكل موثوق لعقود.