Bovengrondse apparatuur verbeteren voor een nieuw tijdperk van spoorwegvervoer

Het spoorwegnetwerk vormt de ruggengraat van het transportsysteem in India en verbindt afgelegen dorpen en steden met grootstedelijke steden in het hele land. Recente overheidsinitiatieven hebben tot doel het hele netwerk tegen 2030 te vernieuwen en te moderniseren en de afgelopen jaren hebben veel veranderingen in het spoorwegsysteem teweeggebracht.

Vanuit technologisch perspectief zijn er twee opmerkelijke veranderingen te verwachten voor de Indiase spoorwegen:de introductie van elektrische treinen en treinen op zonne-energie en een verhoging van de rijsnelheid van treinen van 100 km/u naar 160-220 km/u. Om deze plannen te ondersteunen, moeten passende aanpassingen worden gedaan aan de bestaande infrastructuur en componenten zoals de bovenleiding (OHE), inclusief bovenleidingen en contactlijnen, evenals stroomafnemerassemblages.

Raychem RPG, dat energieoplossingen levert voor verschillende sectoren, heeft een toegewijd team dat werkt aan producten die kunnen voldoen aan de uitdagende eisen van het evoluerende spoorwegnetwerk. Het team van wetenschappers en onderzoekers, geleid door Ishant Jain, gebruikte multifysica-simulatie om de ontwerpen van autotensioning devices (ATD) en modulaire cantilevers (MC) te verbeteren - twee van de meest kritische componenten van de bovengrondse uitrusting van de spoorweg.

Bescherming van OHE-spoorlijnen

Bij een elektrisch railsysteem wordt stroom geleverd door bovenleidingen die over de gehele lengte van het spoor lopen. Dit vermogen wordt op de trein overgedragen door middel van de stroomafnemer, een stroomafnemer die bovenop de locomotief is gemonteerd. De ATD (Figuur 1, links) biedt een mechanisme voor automatisch spannen en dient als eindpunt voor de rijdraden. Spanning is nodig op de contactlijnen vanwege de variatie in lengte:contactlijnen zijn voornamelijk gemaakt van legeringen op koperbasis die gevoelig zijn voor uitzetting en krimp als gevolg van variaties in de atmosferische temperatuur.

De geleiders van bovenleidingen worden geïnstalleerd met een zeer specifieke trekwaarde. Deze spanning is variabel in de tijd en is sterk afhankelijk van de omgevingstemperatuur. De afwezigheid van spanning zorgt ervoor dat de bovenleiding doorhangt of strakker wordt, wat leidt tot pantograafverstrengeling of het breken van de bovenleiding (OHE) leidingen.

Evenzo zijn MC's boven het hoofd ontworpen om de montage van bovengrondse krachtoverbrengingsdraden te ondersteunen - d.w.z. bovenleiding (1000/1200 kgf spanning), contact (1000/1200 kgf spanning) en droppers - om de algehele buig-, dwars- en verticale belastingen over te dragen via isolatoren naar de mast (Figuur 1, rechts). De typische cantilever is lichtgewicht en robuust genoeg om de stroomvoerende assemblage te ondersteunen met treinsnelheden tot 250 km/u. Naast deze functionele vereisten moet ook rekening worden gehouden met onderhoudsgemak, transport, handling en esthetiek.

Ontwerpuitdagingen voor spoorwegcomponenten

Om de veiligheid van treinreizigers bij hoge snelheden te waarborgen, stelt de ATD strenge ontwerpeisen. Om de juistheid en efficiëntie van een ATD-ontwerp experimenteel te bepalen, wordt een uittrektest uitgevoerd. Voor zo'n test is een grote experimentele opstelling nodig, wat niet altijd praktisch haalbaar is. Het team van Raychem RPG, dat werkt vanuit het Raychem Innovation Center (RIC), kreeg de taak om een ​​ATD te ontwerpen die zowel licht van gewicht is als zeer gevoelig voor temperatuurschommelingen, terwijl het service-, montage- en onderhoudsgemak biedt.

Bovendien zijn de MC's die van Europese en Amerikaanse markten kunnen worden geïmporteerd omvangrijk en bevatten ze veel hulpcomponenten. Als onderdeel van het overheidsinitiatief "Make in India" was het doel van het Raychem-team om met een nieuw ontwerp te komen om deze hulpcomponenten te elimineren en tegelijkertijd de structurele integriteit te waarborgen door efficiënt materiaal te gebruiken, wat uiteindelijk kosten bespaart en gewicht vermindert. Om beide ontwerpdoelen te bereiken, gebruikte het Raychem-team TRIZ, een theorie voor het bedenken van innovatieve oplossingen voor problemen, voor het genereren en conceptualiseren van verschillende ideeën. Vervolgens wendden ze zich tot COMSOL Multiphysics®-software van COMSOL voor optimalisatie en ontwerpvalidatie volgens de spoorwegnormen.

Op koers blijven:analyses uitvoeren met COMSOL Multiphysics

Met behulp van COMSOL Multiphysics en zijn add-on-modules heeft het Raychem-team de afzonderlijke componenten van de ATD structureel geoptimaliseerd, terwijl het ook een multibody-analyse heeft uitgevoerd om de gekoppelde beweging van deze componenten te bestuderen voor een analyse op systeemniveau. Het team importeerde eerst een typische assemblage (Figuur 2) en paste vervolgens de juiste randvoorwaarden toe om rekening te houden met de effecten van dynamische belasting. Ze voerden een onderzoek uit om de spanning in de buitenkabel te vinden, samen met de variatie in veerkracht. De resultaten van de analyse (Figuur 3) vertegenwoordigen de verplaatsing en spanning van de kabel. Het is duidelijk te zien dat de spanning onveranderd blijft, wat een van de doelstellingen van het project bereikt.

Voor de modulaire cantilever werd een eerste model geïmporteerd in COMSOL Multiphysics. Bij het analyseren van het cantilevermodel realiseerde het team zich al snel dat de MC nogal omvangrijk was en dat de spanningen ongelijk verdeeld waren. Vervolgens voerden ze een structurele optimalisatie van het ontwerp uit en voerden ze een multivariabele optimalisatie uit, waarbij de minimalisering van de totale rekenergie wordt ingesteld als een objectieve functie, samen met de minimalisering van de criteria voor de totale massa.

Met behulp van topologie-optimalisatie werd de massa van het systeem met 75% verminderd in vergelijking met de oorspronkelijke geometrie (Figuur 4, links) zonder de ontwerpspecificaties te schenden. Vervolgens werd een 3D-model gemaakt met behulp van de optimalisatiestudie en later onderworpen aan zowel statische als dynamische structurele belasting (Figuur 4, rechts) om de impact na te bootsen van een trein die met 250 km/u rijdt.

Vooruit rijden:hoe structurele analyses het team hebben geholpen

Met behulp van de observaties van de simulatie-analyses werd de gehele ATD-assemblage volledig opnieuw ontworpen om een ​​opvouwbaar ontwerp te bevatten met een reductie van 50% in de montage-afmetingen. Bovendien heeft het team ook de metalen veer vervangen door een polymeerveer, die is ontworpen met behulp van de niet-lineaire module voor structurele materialen, een aanvulling op de module voor structurele mechanica en COMSOL Multiphysics. Al deze ontwerpwijzigingen hebben geleid tot een vermindering van 80% van het gewicht van het gehele samenstel. "Met behulp van de structurele en multibody-analyses die we op de ATD hebben uitgevoerd, konden we het aantal componenten in het eerdere ontwerp terugbrengen van 20 naar slechts acht", aldus Jain.

Verder werd een simulatiemodel opgesteld om de conventionele overhead modulaire cantilever te optimaliseren met behulp van topologie-optimalisatie in COMSOL Multiphysics. Het resulterende model werd gebruikt om een ​​vereenvoudigd ontwerpconcept te creëren en werd later onderworpen aan een gedetailleerde structurele analyse in termen van sterkte en trillingsmodi om de geoptimaliseerde resultaten te verifiëren. Simulatie speelde een belangrijke rol bij het verminderen van de ontwerpcomplexiteit, waarbij het aantal componenten werd teruggebracht van 12 naar 5 en het gewicht met ongeveer 33% werd verminderd.

Van de twee voorgestelde ontwerpen heeft de Indian Railways Board het ene ontwerp al geaccepteerd, terwijl het andere zich in de goedkeuringsfase bevindt. Volgens Jain:"Structurele optimalisatie van de modulaire cantileverconstructie met COMSOL heeft Raychem in staat gesteld om vier patenten voor onze verschillende ontwerpen te verkrijgen."

Met de verwachte wijzigingen in de Indiase spoorweginfrastructuur in het komende decennium, gebruikt het team van Raychem nu COMSOL Multiphysics om meer nieuwe OHE-producten voor de Indian Railways te ontwikkelen. Naast projecten in de energiesector en de olie- en gassector, is het spoorwegsysteem nu een ander gespecialiseerd gebied waarvoor Raychem RPG innovatieve oplossingen zal blijven bieden met de kracht van multifysica-simulatie.

Dit artikel is een bijdrage van COMSOL, Inc., Burlington, MA. Ga voor meer informatie naar hier .