Raylı sistemlerde pantograf-katener sisteminin modellenmesi, simülasyonu ve arıza teşhis yöntemlerinin geliştirilmesi

Günümüzde temiz enerji kullanan, hızlı ve güvenilir bir ulaşım aracı olan elektrikli trenlerde, elektrik enerjisini taşıyan katener hattı ile bu enerjiyi lokomotife ileten pantograf sistemi arasındaki etkileşimin izlenmesi güvenlik açısından oldukça önemlidir. Özellikle yüksek hızlı trenlerin yaygınlaşması ile yüksek akım ve gerilim altında çalışan pantograf ve katener sistemi arasındaki temas kuvvetinin, pantograf yüzeyinin aşınma durumunun ve oluşabilecek arkların periyodik olarak kontrol edilmesi gerekir. Çevresel şartlar, çalışma koşulları ve sistem parametreleri gibi faktörlerden etkilenen pantograf ile katener arasındaki enerji iletiminin kalitesi için durum izleme, aktif pantograf kontrolü ve olası arızaların tespiti, raylı sistemlerin güvenilirliği açısından zorunlu olarak yapılması gereken işlemlerdir. Bu tez çalışmasında, bir pantograf-katener sisteminin modellenmesi ve sistem parametrelerinin etkilerinin analizi, pantograf ve katener arasındaki temas kuvvetinin aktif olarak kontrolü ve pantograf yüzeyi ile genel pantograf-katener sistemi üzerinde oluşacak arızaların teşhisine yönelik üç yeni yöntem önerilmiş ve bunlara ait doğrulama sonuçları deneysel veriler üzerinden sunulmuştur. İlk olarak pantograf-katener sistemi matematiksel olarak modellenerek transfer fonksiyonu elde edilmiş, bu modelde bulunan kütle, yay sabiti ve sönümleme katsayıları gibi altı parametrenin değişimi sonucunda genel sistemin nasıl davranacağı analiz edilmiştir. Sistem parametrelerinin olası herhangi bir nedenle değişmesi durumunda modelin simülasyonu sonucu sistemde salınımların oluştuğu, pantograf-katener etkileşiminin olumsuz etkilendiği ve enerji iletim kalitesinin azaldığı ortaya konulmuştur. İkinci çalışma pantograf-katener sistemlerinde sistem parametrelerinin değişmesi durumunda, sistemin kararlı, sağlam ve verimli çalışmasını sağlayacak aktif pantograf kontrolü için yapılmıştır. Tezde bu amaçla pantografın katenere temas kuvvetini tren hareket halinde iken koşullara göre sürekli ayarlayan yeni ve etkili bir yöntem sunulmaktadır. Bunun için geliştirilen adaptif bulanık kontrolör ve pantografın pozisyon bilgisini bulan görüntü işleme algoritması ile pantografın çevrimiçi kontrol edilmesine dayanan bu yeni yöntem literatüre önemli bir katkı sağlayacaktır. Önerilen yaklaşımda, bir kamera ile alınan pantograf-katener görüntüsünden, görüntü işleme teknikleriyle elde edilen konum bilgisi kullanılarak adaptif bir bulanık kontrolör ile pantografın aktif kontrolü sağlanmaktadır. Sonraki çalışma, katener hattının pantograf yüzeyine temas ettiği noktanın pantografın güvenli bölgesinde olup olmadığını belirlemek, pantograf yüzeyindeki bölgelerin aşınma oranını bulmak ve buna bağlı oluşabilecek arızalar için bir analiz yaklaşımı önermektedir. Bunun için ilk olarak katener hattının pantograf üzerinde kayarken oluşturduğu yörünge modellenmiş, daha sonra kamera ile katener hattının pantografa temas ettiği nokta görüntü işleme algoritmaları ile sürekli tespit edilerek gerçek veriler üzerinden arıza analizi gerçekleştirilmiştir. Böylece pantograf yüzeyinin her noktasının istatistiksel kullanım durumu ve ömrü konusunda tespit ve tahmin yapabilme imkanı oluşmuştur. Tezdeki son çalışma ise pantograf-katener sisteminden alınan akım verilerine S-dönüşümü uygulanarak elde edilen özellikler üzerinden bulanık sınıflandırıcı ile arkların tespitine yönelik bir yöntemdir. Öncelikle Mayr ark modeli ile simülasyon üzerinden elde edilen akım verileri kullanılmış, daha sonra bir trenden alınan gerçek akım verileri kullanılarak S-dönüşümü ve buna ait özellikler üzerinden arkların tespit edilmesi için yeni bir yöntem geliştirilmiş ve çeşitli senaryolar ile doğrulanmıştır. Sonuç olarak bu tez kapsamında, elektrikli trenlerde elektrik hattından lokomotife enerji iletimini sağlayan pantograf-katener sistemleri için yeni, etkili, yüksek doğruluklu, sağlam, gerçek zamanlı uygulanabilir ve temassız olarak durum izleme, analiz, kontrol ve arıza teşhis yöntemleri sunulmuştur. Elektrikli trenlerde güvenlik, enerji iletimi kalitesi, verimlilik ve periyodik izleme açısından büyük önem taşıyan bu yeni yöntemler için, bu alandaki çalışmalara ivme kazandıracak sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca temassız izleme çalışmalarının yapılmış olması, yüksek hızlarda bile tren hareket halinde iken, etkili sonuçların alınabilmesini sağlayacak görüntü işleme tekniklerinin bu alanda kullanılmasının avantajlı olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, bu tezde yapılan çalışmalar Tübitak-1001 programında yürütülen 112E067 numaralı araştırma projesi ile desteklenmiştir. Anahtar Kelimeler: Elektrikli demiryolu sistemleri, Pantograf-Katener sistemleri, Enerji iletimi, Aktif pantograf kontrolü, Durum izleme, Arıza teşhisi, Görüntü işleme, Ark tespiti.