Double pantograph configuration in high speed train applications : study on the influence of the distance between pantographs on the current collection quality

As the railway industry keeps pushing towards higher and higher trains speeds and lengths, the double collection configuration for high speed trains applications is becoming a priority in the field. Due to the powers required by engines and utilities, in fact, single pantograph arrengements are not sufficient anymore. By introducing another mechanical system in the context, nontheless, new detrimental phenomena related to the mechanical wave interference between pantographs and catenaries arose. Those could lead to very harmful effects such as electrical arcing, implicating abnormal wear rates of both contact wires of the line and carbon strips mounted on the pantographs, electromagnetic field interferences with other instrumentations and loss of contact with the railway overline. All these phenomena are the object of the study of the present paperwork. In particular, it will be mainly assessed the free motion induced by the pantograph to the catenary and how it can affect the collection and the contact quality with the pantographs. It will be shown that the most crucial situation belongs to the rear pantograph and that the phenomenon is highly dependant on the overhead line system natural frequencies. Possible solutions to the problem would be also proposed, among which, above all, it will be described in details how simply an appropiate choice of the distance between the pantographs could result in very satisfying scenarios. Depending on this parameter, in fact, wave propagation superimposition effects may take place in a positive or detrimental way, as the pantograph may act as a dumper for the catenaries wires, dissipating their kinetic energy, or, on the contrary, it could introduce further energy in the system, increasing its waving motion. This conditions are strictly related to relative displacements of catenaries points and pantographs in the instants they meet and to how their motions are synchronized. Nontheless, not all catenaries behave the same way: depending on some of their features, it will be shown that certain natural frequencies will be more important than others in describing the phenomenon. Therefore, a detailed study of how and how much each system characteristics would contribute to the resulting behaviour will be proposed too. Common Italian raiway overhead lines would be specifically considered, and a dedicated formula to compute favourable distances between pantographs would be derived for them. Furthermore, some guidelines to understand whatever catenary behaviour will be also discussed and a possible general method of approaching the matter will be presented. Finally, in order to check the veridicity of what said so far, some words will be spent presenting some in line acquisition methods and the related results.

Dal momento che l’industria ferroviaria sta via via spingendo verso sempre maggiori velocita’ di percorrenza e veicoli sempre piu’ lunghi, la necessita’ di approfondire lo studio della configurazione di doppia captazione per treni ad alta velocita’ sta diventando un argomento centrale per lo sviluppo di questo tipo di applicazioni. A causa della richiesta di potenze sempre maggiori da parte dei motori e delle utenze di tali mezzi, infatti, un singolo pantografo non e’ piu’ sufficiente a garantirne il corretto funzionamento. Introducendo tuttavia un ulteriore sistema meccanico, sono sorte nuove problematiche, prima non esistenti, riguardanti le interferenze delle onde vibrazionali introdotte dai pantografi sul filo di contatto delle catenarie. Tali interazioni possono portare, per la sovrapposizione degli effetti, a fenomeni di interferenza costruttiva o distruttiva, determinando rispettivamente un peggioramento o un miglioramento della qualita’ del contatto. Il fenomeno analizzato riguardera’ in particolar modo il secondo pantografo essendo il piu’ soggetto a tali alterazioni. Nel caso di un peggioramento nella captazione, il rischio e’ quello di incorrere in un arco elettrico, fenomeno che verra’ discusso dettagliatamente e che puo’ portare ad un’ usura anormale sia delle strisce di contatto sul pantografo, sia dei fili della catenaria stessa. Inoltre, l’elevata dissipazione di potenza durante una situazione cosi’ critica puo’ determinare fenomeni di interferenza elettromagnetica con altre apparecchiature del veicolo, nonche’ portare ad un vero e proprio distacco del pantografo dalla linea aerea. Tutti questi effetti e le loro cause verranno trattati nel seguente lavoro. In particolare, verra’ mostrato che il punto cruciale sta nell’analisi del moto libero della catenaria, rispetto le cui frequenze proprie verra’ mostrata una correlazione diretta con l’indice di captazione. Verra’ inoltre indicata la distanza tra i pantografi come un parametro fondementale al fine di determinare un miglioramento dei suddetti fenomeni dal momento che il fulcro della dissertazione riguardera’ il moto oscillatorio reciproco sia dei pantografi che della catenaria e di come questi siano rispettivamente sincronizzati l’un l’altro. Nel caso infatti questa distanza sia tale da permettere al secondo pantografo di potersi sincronizzare perfettamente con la catenaria, in modo da assecondarla e smorzarne il moto grazie al suo sistema di sospensioni, il sistema risultera’ beneficiare degli effetti di interferenza tra le onde meccaniche generate dai pantografi. Al contrario, per certe distanze critiche, pantografi e filo di contatto si troveranno in contro fase e cio’ determinera’ aumenti anomali della forza di contatto che accorceranno la vita utile di striscianti e filo, o, al contrario, diminuzioni tali da portare al distacco tra i due. Verra’ inoltre mostrato come in realta’ non tutte le catenarie si comportano allo stesso modo, bensi’ esse presentano un andamento differente dell’indice di captazione in dipendenza dalle caratteristiche del sistema della linea aerea stessa. In relazione al tipo, numero e lunghezza di pendini, ai tiri dei fili di contatto ed alla geometria in generale infatti, le catenarie mostreranno una predilezione nel loro moto libero rispetto solo ad una o alcune delle frequenze proprie e non a tutte. Verranno quindi studiate tutte le catenarie del panorama ferroviario italiano, per le quali verra’ proposta una speci- fica formula per il calcolo delle distanze ottimali tra i pantografi, date velocita’ e frequenze proprie del sistema. Verranno tuttavia altresi’ fornite delle linee guida per lo studio di qualsivoglia generica catenaria al fine di capirne il probabile comportamento a partire dalle caratteristiche su citate. Infine, come riprova di cio’ che e’ stato finora detto, alcuni metodi di misurazione sperimentale in linea verranno discussi ed i relativi risultati verranno comparati con quelli delle simulazioni effettuate.