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¿Es un requisito imprescindible para Ud. una larga vida útil de la catenaria y del frotador?

Un frotador de carbón para líneas de 3 kVDC sustituye a los tradicionales frotadores de cobre

Homero Romero Pastor, Ingeniero Industrial del departamento de Ingeniería/Pantógrafos de Schunk Ibérica

06/11/2013

El material motor eléctrico de 3 KV en España, tradicionalmente, está dotado de un sistema de captación de corriente mediante pantógrafo cuyo contacto, con la línea aérea eléctrica de alimentación, se realiza a través de frotadores de cobre electrolítico y CuCr Zr. En el resto de Administraciones Europeas, salvo en una parte de 1,5 kVDC en Francia se suele utilizar frotadores con bandas de contacto de carbón. La evolución y el desarrollo técnico de los frotadores de carbón, y sobre todo su capacidad de captación, han provocado que las administraciones ferroviarias en países como Francia e Italia hayan procedido a su implantación.

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1. Frotadores

El carbón se utiliza debido a su bajo coeficiente de fricción para la transmisión de corriente entre la catenaria y el pantógrafo. El efecto autolubricante permite reducir y minimizar las vibraciones de fricción, así como las interrupciones de contacto y la formación de arco eléctrico. Al utilizar el carbón como material de contacto se va formando una capa protectora —pátina— en el hilo de contacto que logra estabilizar a bajo nivel el coeficiente de fricción protegiendo así la superficie del hilo de contacto. Esta material, el carbón, no se funde con las temperaturas del arco voltaico. En el plasma del arco voltaico no se acumulan los vapores de los metales por los que éste se apaga antes y su duración es mensurablemente menor.

El frotador de carbón mixto consiste en una vaina de carbón engarzada mediante un sistema de cola de milano a un perfil de chapa de cobre. Consiguiendo con esto ‘una duración del hilo de contacto hasta 2,5 veces superior’ al logrado con frotadores de cobre.

1.1. Frotador mixto (Kasperowski)

El frotador de carbón mixto consiste en una vaina de carbón engarzada mediante un sistema de cola de milano a un perfil de chapa de cobre, consiguiendo con esto, una duración del hilo de contacto de hasta 2,5 veces superior al conseguido con frotadores de cobre. La camisa de Cu llega hasta el canto superior del cuerpo de carbón por lo que el hilo de contacto roza tanto en el carbón como en la camisa de cobre. La transmisión de corriente no sólo tiene lugar a través del carbón sino que gran parte de ella lo hace a través de la camisa de Cu.

La combinación carbón/cobre conlleva a una fuerte reducción de la formación de chispas en comparación con el uso de frotadores metálicos.

Si se produce un desgaste uniforme la transmisión de corriente tiene mayoritariamente lugar a través de la camisa de Cu mientras que el carbón cumple prácticamente sólo una función lubricante.
Esta función lubricante compensa el coeficiente de fricción a pesar del contacto metal-metal de la camisa de Cu, alisa el hilo de contacto y evita así el principal inconveniente de un frotador totalmente metálico.
Estas construcciones mixtas se utilizan como elementos de contacto sobre todo para cargas de alto amperaje y de reposo, así como bajo condiciones de carga invertida, heladas, etc.

También se utilizan para la limpieza  y eliminación de rugosidades del hilo de contacto en la transición del cambio de frotadores de cobre a frotadores de carbón.

1.2. Frotador de carbón

El frotador de carbón consiste en una vaina de carbón engarzada mediante un sistema de cola de milano a un perfil de chapa de cobre o aluminio. En este caso solo carbón roza con el hilo de contacto de la catenaria, obteniéndose mayores ventajas para el hilo de contacto que con los frotadores mixtos.

Los frotadores de carbón pueden ser de solo carbón o carbón impregnado de cobre para intensidades elevadas.
También existen otras variantes de carbón más abrasivo para utilizarse sobre todo en la transición del cobre a carbón.

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A la izquierda, un frotador mixto. A la derecha, un frotador de carbón.

Ventajas de los frotadores mixtos y de carbón:

  • Mayor duración
  • Mantenimiento reducido
  • Reducción del desgaste del hilo de contacto
  • Auto lubricación sin necesidad de utilizar grasa adicional.
  • Gastos de montaje reducidos
  • Reducción de los tiempos de parada
  • Baja emisión de ruidos en el tráfico
  • Optimización del reparto de corriente

2. Ensayos: nuestra experiencia en España

El planteamiento inicial fue realizar ensayos en el peor escenario posible:

Instalación de frotadores mixtos en locomotoras de alta potencia con un elevado consumo de corriente en una explotación exigente y que el recorrido permita circular a la velocidad máxima de los trenes de mercancías (100 km/h). Posteriormente instalación de frotadores mixtos en unidades de pasajeros de medio recorrido con el objeto de obtener resultados en la serie de material con la velocidad tipo más elevada en esa área de Explotación.

Fase I de ensayos

Los primeros ensayos se realizaron montando frotadores mixtos en locomotoras de 4.250 C.V. de potencia. El resultado de los ensayos: vida de aproximadamente 60.000 km. Se considera un éxito y provoca que se inicie de inmediato la siguiente fase de pruebas.

Fase II de ensayos

Se montaron frotadores mixtos en unidades de pasajeros de 1.600 C.V. de potencia. Los ensayos fueron realizados entre octubre de 2005 y febrero de 2006. Se obtuvo una vida esperada de los frotadores de 100.000 km.

Fase III de ensayos

Se montaron frotadores mixtos en unidades de pasajeros de 1700 C.V. a 2.990 C.V. de potencia. Los ensayos se realizaron entre junio de 2006 y febrero de 2007.

El magnífico resultado de los ensayos, que arrojaron una vida esperada de los frotadores de 200.000 km, provoca que se inicie de inmediato la siguiente fase de pruebas.

Continuación de los ensayos

En abril de 2008 se inicia la instalación de los frotadores mixtos en unidades de pasajeros de media distancia con potencias comprendidas entre 1.720 y 2.990 CV. El objetivo de las pruebas, al margen de conocer los datos de desgaste tanto de frotador como de catenaria, fue limpiar la línea aérea de contacto para comprobar que los datos de desgaste van mejorando a medida que la catenaria se va limpiando con una duración estimada de los frotadores mixtos de 410.000 km.

El éxito de estos resultados provoca que en julio de 2009 se instalen los frotadores de carbón.

3. Resultados:

El resultado final de los ensayos efectuados se puede considerar un éxito.

El espectro de los ensayos abarcó todo tipo de condiciones: material rodante de todas las potencias; material rodante de mercancías y pasajeros; recorridos de alta, media y corta distancia; y múltiples densidades de tráfico. Abarcamos todas las localizaciones geográficas y en todas las estaciones climatológicas y se realizaron ensayos en toda la gama de velocidades.

Por tanto podemos afirmar que el nuevo desarrollo de SCHUNK es el futuro de las líneas de 3 kV.

Ensayos a alta velocidad

En diciembre de 2010 se realizaron ensayos dinámicos en unidades de pasajeros de larga distancia a velocidades de 160 a 200 km/h. Los resultados obtenidos fueron óptimos con los que estas unidades se pueden equipar con frotadores mixtos y posteriormente de carbón.

4. Ensayos de desgaste de catenaria

Se han realizado en laboratorios independientes externos ensayos y estudios comparativos para obtener información acerca de la influencia que tienen los frotadores de carbón y mixtos sobre el desgaste de los hilos de contacto de la líneas aéreas de contacto.

Para evaluar la influencia del frotador sobre el desgaste del hilo de contacto se realizaron los siguientes ensayos de laboratorio:

  • Medidas con frotador CuCrZr (CW106C) y engrase con grasa grafitada hasta conseguir rugosidad constante.
  • Medidas con frotador mixto sin engrase hasta llegar a rugosidad constante.
  • Medidas con frotador de carbón sin engrase hasta llegar a rugosidad constante.

Las variables de los ensayos fueron:

  • Velocidad: 160 km/h
  • Engrase con grasa grafitada cada 200 km para frotadores de CuCrZr
  • Hilo de contacto: Cobre-Plata 120 mm2
  • Fuerza de contacto: 140N
  • Intensidad: 300A

Los resultados demuestran que la naturaleza del frotador afecta al desgaste del hilo de contacto.

El desgaste que experimenta el hilo de contacto cuando roza con frotadores de cobre electrolítico, cobre refinado al fuego y cobre polimicroaleado crece si la dureza de los frotadores aumenta, estos resultados se pueden explicar por medio de la ley de Archard.

Los desgastes experimentados por los hilos de contacto al emplear frotadores mixtos o de carbón son 10 veces menores que los provocados por el frotador de CuCrZr y 5 veces inferiores que los provocados por el cobre electrolítico.

Este hecho se debe al carácter abrasivo del polvo de carbón que se desprende del frotador, el cual provoca el alisamiento de la superficie de contacto. Cuanto mayor sea la regularidad de la superficie, mayor es el área de contacto efectiva entre el frotador y el hilo de contacto, lo cual provoca que los esfuerzos mecánicos disminuyan y que el contacto eléctrico mejore reduciéndose de forma notable la creación de arcos eléctricos.

Estos resultados no son sólo favorables desde el punto de vista de la infraestructura sino que el mismo fenómeno se produce en la superficie de contacto del frotador, con lo que se limita el desgaste de los frotadores.

Este efecto es predominante incluso en ausencia de engrase, pues los coeficientes de rozamiento que se han medido en los ensayos para frotadores mixtos o de carbón pueden doblar a los obtenidos con frotadores de cobre engrasados y a pesar de ello los desgastes son menores cuando se utilizan frotadores mixtos o de carbón.

El análisis de los resultados de los ensayos demuestra que la sustitución de los frotadores de cobre o aleaciones de cobre por frotadores mixtos o de carbón —disminuye el desgaste del hilo de contacto en un factor que está comprendido entre 5 y 10 a igualdad del resto de los parámetros del ensayo— además que la disminución está ligada a la mayor regularidad del contacto consecuencia del carácter abrasivo del polvo de carbón y que estas condiciones de trabajo también son favorables de cara a reducir el desgaste de los frotadores.

Intelligent Carbon, último desarrollo de Schunk Ibérica en tecnología de frotadores de carbón

Con los frotadores Intelligent Carbon Schunk asegura una mayor eficiencia y logra reducir las frecuentes inspecciones visuales y los costosos intervalos de mantenimiento de los pantógrafos en funcionamiento. Los frotadores Intelligent Carbon para pantógrafos de Schunk combinan seguridad y eficiencia. Instalados en el pantógrafo, informan de cuándo tienen de ser cambiados. Pero, además, con ellos el usuario podrá vigilar de manera centralizada el desgaste de los mismos. El sistema reconoce al pasar por una estación de medición, si el frotador llega al límite de desgaste, y así el responsable de mantenimiento dispone de suficiente tiempo para su sustitución. El sistema se puede implementar en cuestión de horas e, inmediatamente, ahorrar dinero. La parte estacionaria del sistema es extremadamente compacta, y se puede instalar fácilmente en la vía o en el depósito de trenes. Lo mismo ocurre con los retransmisores RFID que se instalan en el vehículo.

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Los sistemas para transmisión de corriente de Schunck se encuentran en miles de vehículos de tracción: desde el ICE Europeo a la IORE, la locomotora eléctrica más potente del mundo, que circula por las anchuras heladas del círculo polar con sus 10.800 kW arrastrando más de 8.000 toneladas de mineral.

5. Conclusiones

Todos los ensayos han sido realizados con las líneas aéreas de contacto en situación normal de mantenimiento. La implantación masiva del frotador de carbón es totalmente viable, en situaciones de líneas aéreas de contacto y pantógrafos normales, a la vista de los resultados del desgaste medio obtenido en los diferentes núcleos donde se ha ensayado. De acuerdo con la experiencia obtenida tanto en explotación como en laboratorio, podemos concluir que en casos de catenarias donde se utilizan frotadores de cobre, se puede realizar la transición a frotadores de carbón, mediante frotadores mixtos (cuando la intensidad de captación es muy elevada) o bien con frotadores de carbón de elevada abrasividad (calidades SK95Cu y SK01Cu), para posteriormente cuando se haya suavizado la rugosidad del hilo de contacto de la catenaria, pasar al uso del carbón normalizado.

Los desgastes experimentados por los hilos de contacto al emplear frotadores mixtos o de carbón son 10 veces menores que los provocados por el frotador de CuCrZr y 5 veces inferiores que los provocados por el cobre electrolítico.

Schunk desarrolla y fabrica, desde hace 100 años, productos de alta tecnología para el sector del ferrocarril

Schunk desarrolla y fabrica, desde hace 100 años, productos de alta tecnología para el sector del ferrocarril, suministrando escobillas de tracción, portaescobillas, coronas de portaescobillas, contactos toma de tierra y contactos eléctricos así como frotadores para pantógrafos, pantógrafos completos y sistemas de tercer carril. Con más de 30 fábricas en todo el mundo, ofrecemos nuestra probada tecnología y pioneras innovaciones a los fabricantes más importantes de trenes de Alta Velocidad, ferrocarriles de Cercanías y Largo Recorrido, y diversos tipos de vehículos de raíl y carretera.

Empresa puntera en el mercado en la fabricación de frotadores de carbón tanto embridados, soldados como pegados, los frotadores de Schunk se caracterizan por una fiabilidad máxima en servicio y se adaptan óptimamente a las condiciones de cada servicio. Además de tener una muy buena capacidad de carga eléctrica y una larga vida útil, nuestros clientes valoran especialmente el bajo mantenimiento y el carácter filo ambiental de nuestros frotadores. Proveedor habitual de frotadores de carbón para líneas de 25 kVAC, tras años de investigación ha conseguido el tan ansiado y requerido frotador de carbón para líneas de 3 kVDC. Ya sean soldados, pegados o embridados, los frotadores de carbón de Schunk garantizan la más alta seguridad de funcionamiento, incluso bajo las condiciones más adversas. Schunk suministra frotadores de carbón y carbón impregnado de cobre para pantógrafos de techo, para aplicaciones de tercer y cuarto carril, y para trolebuses y fabrica frotadores de carbón optimizados que permiten su uso en todos los sistemas de corriente. Frotadores que ofrecen numerosas ventajas como desgaste extremadamente bajo y buena resistencia a la formación de arco eléctrico.

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