Modernisering bovenleidingsuitrusting voor Indiase toekomstige spoorwegen

Het spoorwegnetwerk is de ruggengraat van het vervoerssysteem in India, verbindt afgelegen dorpjes en steden met metropolitane steden door het hele land. Recente regeringinitiatieven hebben als doel het gehele netwerk te herbouwen en moderniseren voor 2030 en de afgelopen paar jaren hebben veel veranderingen aan het railsysteem gebracht.

Van technologisch perspectief kunnen twee opvallende veranderingen verwacht worden aan Indiase spoorwegen: de introductie van elektrische en zonne-energie aangedreven treinen en een toename in de operationele snelheden van treinen van 100 km/u tot 160–220 km/u. Om deze plannen te ondersteunen, moeten geschikte wijzigingen worden aangebracht aan de bestaande infrastructuur en componenten zoals de bovenleidingsuitrusting (OHE) inclusief catenary- en contactlijnen alsook pantografen-assemblages.

Raychem RPG, die energioplossingen levert voor diverse sectoren, heeft een toegewijd team dat werkt aan producten die aan de uitdagende eisen van het evoluerende spoorwegnetwerk kunnen voldoen. Het team van wetenschappers en onderzoekers, geleid door Ishant Jain, gebruikte multiphysica-simulatie om de ontwerpen van autospanningsapparaten (ATD) en modulaire kragarmen (MC) te verbeteren — twee van de meest kritieke componenten van de spoorweg-bovenleidingsuitrusting.

Bescherming van spoorweg OHE lijnen

In een elektrisch railsysteem wordt stroom geleverd door bovenlijnen die langs de gehele lengte van het spoorwegspoor lopen. Deze stroom wordt overgedragen aan de trein door middel van de pantograaf, die een stroomverzamelaar is gemonteerd op de locomotief. De ATD (Figuur 1, links) biedt een mechanisme voor automatische spanning en fungeert als eindpunt voor de contactlijnen. Spanning is nodig op de contactlijnen vanwege de variatie in hun lengtes: Contactlijnen zijn voornamelijk gemaakt van koperlegeringen die vatbaar zijn voor uitdijging en krimp door variaties in atmosferische temperatuur.

De geleiders van bovenlijnen worden geïnstalleerd met een heel specifieke spanningswaarde. Deze spanning is variabel in de tijd en hangt nauw af van de omgevingstemperatuur. Het ontbreken van spanning zorgt ervoor dat de bovenlijnen doorhangen of strak trekken, wat leidt tot verstrengeling van de pantograaf of breuk van de bovenleidingsuitrusting (OHE) lijnen.

Op dezelfde manier zijn overhead MC's ontworpen om de assemblage van overhead stroomoverdrachtdraden te ondersteunen — namelijk catenary (1000/1200 kgf spanning), contact (1000/1200 kgf spanning), en droppers — om de totale buiging, dwars- en verticale lasten over te dragen aan de mast via isolatoren (Figuur 1, rechts). De essentiële kragarm is lichtgewicht en robuust genoeg om de stroomdragerende assemblage te ondersteunen met treinsnelheden tot 250 km/u. Naast deze functionele eisen, moeten ook gemak van onderhoud, transport, handling en esthetiek overwogen worden.

Ontwerpuitdagingen voor spoorwegcomponenten

Om de veiligheid van railpassagiers bij hoge snelheden te garanderen, heeft de ATD strenge ontwerpeisen. Om de correctheid en efficiëntie van een ATD-ontwerp experimenteel te bepalen, wordt een pull-out test uitgevoerd. Een grote experimentele opstelling is vereist voor zo'n test, wat niet altijd praktisch haalbaar is. Het team bij Raychem RPG, werkend vanuit het Raychem Innovation Centre (RIC), kreeg de opdracht om een ATD te ontwerpen dat zowel lichtgewicht als hoog gevoelig is voor temperatuursfluctuaties, terwijl het gemak van service, assemblage en onderhoud biedt.

Daarnaast zijn de MC's die geïmporteerd kunnen worden uit Europese en Amerikaanse markten bulk en bevatten veel accessoirecomponenten. Als onderdeel van de "Make in India" regeringinitaatief, was het doel van het Raychem-team om een nieuw ontwerp te bedenken om deze accessoirecomponenten te elimineren terwijl structurele integriteit gewaarborgd wordt door efficiënt materiaal te gebruiken, wat uiteindelijk kosten bespaart en gewicht reduceert. 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 diverse ideeën. Vervolgens keken ze naar COMSOL Multiphysics® software van COMSOL voor optimalisatie en ontwerpvalidatie volgens de standaarden van de spoorweg.

Op de rails blijven: Analyses uitvoeren met COMSOL Multiphysics

Met behulp van COMSOL Multiphysics en zijn add-on modules, structureel geoptimaliseerd het Raychem-team de individuele componenten van de ATD, terwijl ook een multibody-analyse werd uitgevoerd om de gekoppelde beweging van deze componenten te bestuderen voor een systeemniveau-analyse. 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 studie uit om de spanning in de buitenste kabel te vinden samen met de variatie in veerkracht. De resultaten van de analyse (Figuur 3) vertegenwoordigen de kabelverplaatsing en spanning. Het is duidelijk te zien dat de spanning onveranderd blijft, wat een van de doelstellingen van het project bereikt.

Voor de modulaire kragarm werd een initiëel model in COMSOL Multiphysics geïmporteerd. Terwijl de kragarm geanalyseerd werd, realiseerde het team zich snel dat de MC tamelijk bulk was en de spanningen onevenredig verdeeld waren. Ze voerden vervolgens een structurele optimalisatie van het ontwerp uit en voerden een multivariabele optimalisatie uit, waarbij de minimalisatie van de totale strain-energie ingesteld is als objectief-functie samen met de minimalisatie van de totale massa-criteria.

Met behulp van topologie-optimalisatie werd de systeemmassa met 75% verlaagd ten opzichte van de initiële geometrie (Figuur 4, links) zonder de ontwerpspecificaties te schenden. Een 3D-model werd vervolgens gecreëerd met behulp van de optimalisatiestudie en later aan zowel statische als dynamische structurele belasting (Figuur 4, rechts) onderworpen om de impact van een trein die met 250 km/u rijdt, na te bootsen.

Vooruit rijden: Hoe structurele analyses het team hielpen

Met behulp van de observaties uit de simulaties, werd de gehele ATD-assemblage volledig herontworpen om een vouwbaar ontwerp te incorporeren met een 50% reductie in assemblagegrootte. Bovendien verving het team ook de metalen veer door een polymere veer, die ontworpen was met de Nonlinear Structural Materials Module, een add-on aan de Structural Mechanics Module en COMSOL Multiphysics. Al deze ontwerpwijzigingen leidden tot een 80% afname in het gewicht van de gehele assemblage. "Met de hulp van de structurele en multibody-analyses die we op de ATD hebben uitgevoerd, waren we in staat om het aantal componenten te reduceren van 20 in het eerdere ontwerp tot slechts acht," zei Jain.

Verder werd een simulatiemodel opgezet om de conventionele overhead modulaire kragarm te optimaliseren met de hulp van topologie-optimalisatie in COMSOL Multiphysics. Het resulterende model werd gebruikt om een vereenvoudigd ontwerpconcept te creëren en werd later aan een gedetailleerde structurele analyse onderworpen in termen van sterkte en trillingsmodi om de geoptimaliseerde resultaten te verifiëren. Simulatie was instrumentaal in het reduceren van de ontwerpprocessing, met het aantal componenten gereduceerd van 12 tot 5 en het gewicht gereduceerd met ongeveer 33%.

Van de twee voorgestelde ontwerpen heeft het Indiase Spoorwegbestuur er al één geaccepteerd terwijl de andere in de goedkeuringsfase is. Volgens Jain, "Structurele optimalisatie van de modulaire kragarm-assemblage met COMSOL heeft Raychem in staat gesteld om vier octrooien te verwerven voor onze verschillende ontwerpen."

Met de verwachte wijzigingen in de Indiase spoorweginfrastructuur over het komende decennium, gebruikt het team bij Raychem nu COMSOL Multiphysics om meer nieuwe OHE-producten te ontwikkelen voor de Indiase Spoorwegen. Naast projecten in de energie-infrastructuur- en olie- en gassectoren, is het spoorwegsysteem nu een andere gespecialiseerde gebied waarvoor Raychem RPG innovatieve oplossingen zal blijven leveren met de kracht van multiphysica-simulatie.

Dit artikel is bijgedragen door COMSOL, Inc., Burlington, MA. Voor meer informatie, bezoek hier .