Модернизация контактной сети для питания будущих железных дорог Индии

Железнодорожная сеть является основой транспортной системы в Индии, связывая удаленные деревни и города с мегаполисами по всей стране. Недавние правительственные инициативы направлены на перестройку и модернизацию всей сети к 2030 году, и за последние пару лет в железнодорожную систему пришло много изменений.

С технологической точки зрения, в индийских железных дорогах можно ожидать двух заметных изменений: внедрение электрических и солнечных поездов и увеличение эксплуатационных скоростей поездов с 100 км/ч до 160–220 км/ч. Для поддержки этих планов должны быть сделаны соответствующие модификации существующей инфраструктуры и компонентов, таких как контактная сеть (OHE), включая контактные и подвесные линии, а также пантографные сборы.

Raychem RPG, предоставляющая энергетические решения для различных секторов, имеет выделенную команду, работающую над продуктами, которые могут удовлетворить сложные требования развивающейся железнодорожной сети. Команда ученых и исследователей, возглавляемая Ишантом Джайном, использовала мультифизическое моделирование для улучшения дизайнов автонатяжных устройств (ATD) и модульных консолей (MC) — двух самых критических компонентов контактной сети железной дороги.

Защита линий контактной сети железной дороги

В электрической рельсовой системе питание обеспечивается контактными линиями, проходящими вдоль всей длины железнодорожного пути. Эта мощность передается поезду посредством пантографа, который является токосъемником, смонтированным на вершине локомотива. ATD (Рисунок 1, слева) обеспечивает механизм автоматического натяжения и служит точкой завершения для контактных линий. Натяжение необходимо на контактных линиях из-за вариации их длин: контактные линии в основном сделаны из медиальных сплавов, склонных к расширению и сокращению из-за вариаций атмосферной температуры.

Проводники контактных линий устанавливаются с очень специфическим значением натяжения. Это натяжение переменно во времени и тесно зависит от окружающей температуры. Отсутствие натяжения вызывает провисание или чрезмерное натяжение контактных линий, ведущее к запутыванию пантографа или разрыву линий контактной сети (OHE).

Аналогично, навесные модульные консоли (MC) спроектированы для поддержки сборки проводов надголовной линии электропередачи — то есть контактной (1000/1200 кгс натяжения), контактной (1000/1200 кгс натяжения) и подвесок — для передачи общего изгиба, поперечных и вертикальных нагрузок на столб через изоляторы (Рисунок 1, справа). Квинтэссенциальная консоль легка и достаточно надежна, чтобы поддерживать токонесущую сборку со скоростями поездов до 250 км/ч. Помимо этих функциональных требований, легкость обслуживания, транспортировки, манипулирования и эстетика также должны учитываться.

Конструкционные вызовы для железнодорожных компонентов

Для обеспечения безопасности пассажиров на высоких скоростях ATD имеет строгие конструкционные требования. Для определения правильности и эффективности дизайна ATD экспериментально выполняется тест на вытягивание. Для такого теста требуется большой экспериментальный сетап, который не всегда практически выполним. Команда Raychem RPG, работающая из Raychem Innovation Centre (RIC), была задана проектировать ATD, который является и легким, и высокочувствительным к температурным колебаниям, обеспечивая легкость сервиса, сборки и обслуживания.

Кроме того, модульные консоли, которые можно импортировать с европейских и американских рынков, громоздки и включают много вспомогательных компонентов. Как часть правительственной инициативы "Make in India", целью команды Raychem было придумать новый дизайн для устранения этих вспомогательных компонентов, обеспечивая структурную целостность эффективным использованием материала, что в конечном счете экономит затраты и снижает вес. Для достижения обеих целей дизайна команда Raychem использовала ТРИЗ, теорию для придумывания инновационных решений проблем, для генерации и концептуализации различных идей. Затем они обратились к программному обеспечению COMSOL Multiphysics® от COMSOL для оптимизации и валидации дизайна в соответствии со стандартами железной дороги.

Оставаясь на пути: выполнение анализов с COMSOL Multiphysics

Используя COMSOL Multiphysics и его дополнительные модули, команда Raychem структурно оптимизировала отдельные компоненты ATD, одновременно выполняя мультибодий анализ для изучения связанного движения этих компонентов для системного анализа. Команда сначала импортировала типичную сборку (Рисунок 2) и затем применила соответствующие граничные условия для учета эффектов динамической нагрузки. Они выполнили исследование для нахождения натяжения во внешнем кабеле вместе с вариацией силы пружины. Результаты анализа (Рисунок 3) представляют перемещение кабеля и натяжение. Четко видно, что натяжение остается неизменным, что достигает одной из целей проекта.

Для модульной консоли начальная модель была импортирована в COMSOL Multiphysics. При анализе модели консоли команда быстро поняла, что MC была довольно громоздкой, и напряжения распределялись неравномерно. Затем они выполнили структурную оптимизацию дизайна и провели многопараметрическую оптимизацию, где минимизация общей энергии деформации установлена как целевая функция вместе с минимизацией критерия общей массы.

Используя топологическую оптимизацию, масса системы была снижена на 75% по сравнению с исходной геометрией (Рисунок 4, слева) без нарушения конструкционных спецификаций. Затем 3D-модель была создана с использованием исследования оптимизации и позже подверглась как статическому, так и динамическому структурному нагружению (Рисунок 4, справа) для эмуляции влияния поезда, движущегося на 250 км/ч.

Еду вперед: как структурные анализы помогли команде

Используя наблюдения из анализов симуляции, вся сборка ATD была полностью перепроектирована для включения складного дизайна с 50% снижением размера сборки. Более того, команда также заменила металлическую пружину на полимерную пружину, которая была спроектирована с использованием модуля Nonlinear Structural Materials, дополнения к модулю Structural Mechanics и COMSOL Multiphysics. Все эти изменения дизайна привели к 80% снижению веса всей сборки. "С помощью структурных и мультибодий анализов, которые мы выполнили на ATD, мы смогли снизить количество компонентов с 20 в более раннем дизайне до всего восемь", — сказал Джайн.

Далее, симуляционная модель была установлена для оптимизации обычной навесной модульной консоли с помощью топологической оптимизации в COMSOL Multiphysics. Полученная модель была использована для создания упрощенного концептуального дизайна и позже подверглась детальному структурному анализу в терминах прочности и мод вибрации для верификации оптимизированных результатов. Симуляция была инструментальна в снижении сложности дизайна, с количеством компонентов, сниженным с 12 до 5, и весом, сниженным примерно на 33%.

Из двух предложенных дизайнов, Совет Индийских железных дорог уже принял один дизайн, пока другой находится на стадии одобрения. Согласно Джайну, "Структурная оптимизация модульной консольной сборки с COMSOL позволила Raychem обеспечить четыре патента на наши разные дизайны".

С модификациями, ожидаемыми в индийской железнодорожной инфраструктуре в следующем десятилетии, команда Raychem теперь использует COMSOL Multiphysics для разработки более новых продуктов OHE для Индийских железных дорог. Помимо проектов в энергетическом секторе и нефтегазовом секторе, железнодорожная система теперь еще одна специализированная область, для которой Raychem RPG будет продолжать предоставлять инновационные решения с мощью мультифизического моделирования.

Эту статью предоставила COMSOL, Inc., Берлингтон, MA. Для дополнительной информации посетите здесь .