Совершенствование устройств подвесного оборудования для новой эры железнодорожного транспорта

Железнодорожная сеть является основой транспортной системы Индии, соединяющей отдаленные деревни и города с крупными городами по всей стране. Недавние правительственные инициативы направлены на реконструкцию и модернизацию всей сети к 2030 году, и за последние пару лет в железнодорожной системе произошли многочисленные изменения.

С технологической точки зрения на индийских железных дорогах можно ожидать два заметных изменения:введение поездов на электротяге и солнечной энергии и увеличение скорости движения поездов со 100 км/ч до 160–220 км/ч. Для поддержки этих планов необходимо внести соответствующие изменения в существующую инфраструктуру и компоненты, такие как подвесное оборудование (OHE), включая контактную сеть и контактные линии, а также узлы пантографа.

Raychem RPG, которая предоставляет энергетические решения для различных секторов, имеет специальную команду, работающую над продуктами, которые могут удовлетворить сложные требования развивающейся железнодорожной сети. Группа ученых и исследователей под руководством Ишана Джайна использовала мультифизическое моделирование для улучшения конструкции устройств автоматического натяжения (ATD) и модульных консолей (MC) — двух наиболее важных компонентов подвесного оборудования железной дороги.

Защита железнодорожных линий OHE

В системе электрического рельса электроэнергия подается по воздушным линиям, которые проходят по всей длине железнодорожного пути. Эта мощность передается поезду с помощью пантографа, который представляет собой токосъемник, установленный на верхней части локомотива. ATD (рис. 1, слева) обеспечивает механизм автоматического натяжения и служит точкой окончания контактных линий. Натяжение необходимо на контактных линиях из-за разной длины:контактные линии в основном изготавливаются из сплавов на основе меди, которые склонны к расширению и сжатию из-за колебаний атмосферной температуры.

Провода воздушных линий устанавливаются с очень определенной величиной натяжения. Это напряжение изменяется во времени и тесно зависит от температуры окружающей среды. Отсутствие натяжения приводит к провисанию или затягиванию воздушных линий, что приводит к запутыванию пантографа или обрыву линий контактного оборудования (OHE).

Аналогично, подвесные МК предназначены для поддержки сборки проводов ВЛ — контактных (натяжение 1000/1200 кгс), контактных (натяжение 1000/1200 кгс) и капельниц — для передачи габаритных изгибающих, поперечных и вертикальных нагрузок. к мачте через изоляторы (рис. 1, справа). Типичный кантилевер легкий и достаточно прочный, чтобы поддерживать токоведущий узел при скорости поезда до 250 км/ч. В дополнение к этим функциональным требованиям также необходимо учитывать простоту обслуживания, транспортировки, обращения и эстетику.

Проблемы проектирования железнодорожных компонентов

Для обеспечения безопасности железнодорожных пассажиров на высоких скоростях к АТД предъявляются строгие требования к конструкции. Для экспериментального определения правильности и эффективности конструкции АТД проводится испытание на выдергивание. Для такого теста требуется большая экспериментальная установка, что практически не всегда возможно. Перед командой Raychem RPG, работающей в Инновационном центре Raychem (RIC), была поставлена ​​задача разработать ATD, который был бы одновременно легким и высокочувствительным к колебаниям температуры, а также простым в обслуживании, сборке и обслуживании.

Кроме того, МС, которые можно импортировать с европейских и американских рынков, громоздки и включают множество вспомогательных компонентов. В рамках правительственной инициативы «Сделано в Индии» команда Raychem поставила перед собой цель разработать новый дизайн, исключающий эти вспомогательные компоненты и обеспечивающий структурную целостность за счет эффективного использования материалов, что в конечном итоге снижает затраты и снижает вес. Для достижения обеих целей команда Raychem использовала ТРИЗ, теорию для поиска инновационных решений проблем, для генерации и концептуализации различных идей. Затем они обратились к программному обеспечению COMSOL Multiphysics® от COMSOL для оптимизации и проверки конструкции в соответствии со стандартами железной дороги.

Не сбиться с пути:выполнение анализа с помощью COMSOL Multiphysics

Используя COMSOL Multiphysics и его дополнительные модули, команда Raychem структурно оптимизировала отдельные компоненты ATD, а также выполнила анализ нескольких тел для изучения связанного движения этих компонентов для анализа на уровне системы. Команда сначала импортировала типичную сборку ( рис. 2 ), а затем применила соответствующие граничные условия для учета эффектов динамической нагрузки. Они провели исследование, чтобы найти натяжение внешнего троса вместе с изменением силы пружины. Результаты анализа (рис. 3) представляют собой смещение и натяжение троса. Хорошо видно, что напряжение остается неизменным, что решает одну из задач проекта.

Исходная модель модульного кантилевера была импортирована в COMSOL Multiphysics. При анализе консольной модели команда быстро поняла, что МК довольно громоздкий и напряжения распределяются неравномерно. Затем они выполнили структурную оптимизацию конструкции и многопараметрическую оптимизацию, в которой минимизация общей энергии деформации задана как целевая функция наряду с минимизацией критерия общей массы.

Благодаря оптимизации топологии масса системы была снижена на 75 % по сравнению с исходной геометрией (рис. 4, слева) без нарушения проектных спецификаций. Затем с помощью оптимизационного исследования была создана 3D-модель, которая позже подверглась как статической, так и динамической нагрузке на конструкцию (рис. 4, справа), чтобы имитировать удар поезда, движущегося со скоростью 250 км/ч.

Впереди:как структурный анализ помог команде

Используя результаты анализа моделирования, вся сборка ATD была полностью переработана, чтобы включить складную конструкцию с уменьшением размера сборки на 50%. Кроме того, команда также заменила металлическую пружину на полимерную, которая была разработана с использованием модуля «Нелинейные конструкционные материалы», надстройки к модулю «Механика конструкций» и COMSOL Multiphysics. Все эти конструктивные изменения привели к снижению веса всего узла на 80%. «С помощью структурного анализа и анализа нескольких тел, которые мы выполнили на ATD, мы смогли сократить количество компонентов с 20 в более ранней конструкции до восьми», — сказал Джейн.

Кроме того, была создана имитационная модель для оптимизации обычного подвесного модульного кантилевера с помощью оптимизации топологии в COMSOL Multiphysics. Полученная модель использовалась для создания упрощенной концепции конструкции, а затем была подвергнута подробному структурному анализу с точки зрения прочности и режимов вибрации для проверки оптимизированных результатов. Моделирование помогло снизить сложность конструкции:количество компонентов сократилось с 12 до 5, а вес уменьшился примерно на 33%.

Из двух предложенных проектов Совет индийских железных дорог уже принял один проект, а другой находится на стадии утверждения. По словам Джейна, «структурная оптимизация модульной консольной сборки с помощью COMSOL позволила компании Raychem получить четыре патента на наши различные конструкции».

В связи с тем, что в следующем десятилетии в железнодорожной инфраструктуре Индии ожидаются изменения, команда Raychem теперь использует COMSOL Multiphysics для разработки новых продуктов OHE для индийских железных дорог. В дополнение к проектам в энергетическом и нефтегазовом секторах железнодорожная система теперь является еще одной специализированной областью, для которой Raychem RPG продолжит предлагать инновационные решения с помощью мультифизического моделирования.

Эта статья подготовлена ​​компанией COMSOL, Inc., Берлингтон, Массачусетс. Для получения дополнительной информации посетите здесь .