Mejora de los dispositivos de equipos aéreos para una nueva era del transporte ferroviario

La red ferroviaria es la columna vertebral del sistema de transporte en la India y conecta pueblos y ciudades remotas con ciudades metropolitanas en todo el país. Las iniciativas gubernamentales recientes apuntan a renovar y modernizar toda la red para 2030 y los últimos dos años han traído muchos cambios al sistema ferroviario.

Desde una perspectiva tecnológica, se pueden esperar dos cambios notables en los ferrocarriles indios:la introducción de trenes eléctricos y solares y un aumento en las velocidades operativas de los trenes de 100 km/h a 160–220 km/h. Para respaldar estos planes, se deben realizar las modificaciones adecuadas en la infraestructura y los componentes existentes, como el equipo aéreo (OHE), incluidas las líneas de catenaria y de contacto, así como los conjuntos de pantógrafos.

Raychem RPG, que proporciona soluciones energéticas para varios sectores, cuenta con un equipo dedicado que trabaja en productos que pueden cumplir con los desafiantes requisitos de la red ferroviaria en evolución. El equipo de científicos e investigadores, dirigido por Ishant Jain, utilizó simulación multifísica para mejorar los diseños de dispositivos de autotensado (ATD) y voladizos modulares (MC), dos de los componentes más críticos del equipo aéreo del ferrocarril.

Protección de líneas ferroviarias OHE

En un sistema ferroviario eléctrico, la energía es suministrada por líneas aéreas que recorren toda la longitud de la vía férrea. Esta potencia se transfiere al tren por medio del pantógrafo, que es un colector de corriente montado en la parte superior de la locomotora. El ATD (Figura 1, izquierda) proporciona un mecanismo de tensión automática y sirve como punto de terminación para las líneas de contacto. Es necesario tensar las líneas de contacto debido a la variación en sus longitudes:Las líneas de contacto están hechas principalmente de aleaciones a base de cobre que son propensas a la expansión y contracción debido a las variaciones en la temperatura atmosférica.

Los conductores de líneas aéreas se instalan con un valor de tensión muy específico. Esta tensión es variable en el tiempo y depende estrechamente de la temperatura ambiente. La ausencia de tensión hace que las líneas aéreas se comben o se tensen, lo que provoca que el pantógrafo se enrede o rompa las líneas de equipos aéreos (OHE).

De manera similar, los MC aéreos están diseñados para soportar el ensamblaje de cables aéreos de transmisión de energía, es decir, catenaria (tensión de 1000/1200 kgf), contacto (tensión de 1000/1200 kgf) y goteros, para transferir las cargas generales de flexión, transversales y verticales. al mástil a través de aisladores (Figura 1, derecha). El voladizo por excelencia es lo suficientemente liviano y robusto como para soportar el conjunto portador de corriente con velocidades de tren de hasta 250 km/h. Además de estos requisitos funcionales, también se debe considerar la facilidad de mantenimiento, transporte, manejo y estética.

Desafíos de diseño para componentes ferroviarios

Para garantizar la seguridad de los pasajeros ferroviarios a altas velocidades, el ATD tiene estrictos requisitos de diseño. Para determinar experimentalmente la corrección y la eficiencia de un diseño ATD, se realiza una prueba de extracción. Se requiere una gran configuración experimental para tal prueba, que no es factible en la práctica en todo momento. El equipo de Raychem RPG, que trabaja en el Centro de innovación de Raychem (RIC), se encargó de diseñar un ATD que fuera ligero y muy sensible a las fluctuaciones de temperatura, al mismo tiempo que facilitaba el servicio, el montaje y el mantenimiento.

Además, los MC que se pueden importar de los mercados europeos y estadounidenses son voluminosos e incluyen muchos componentes auxiliares. Como parte de la iniciativa gubernamental "Fabricar en India", el objetivo del equipo de Raychem era idear un diseño novedoso para eliminar estos componentes auxiliares y, al mismo tiempo, garantizar la integridad estructural mediante el uso eficiente del material, lo que finalmente ahorra costos y reduce el peso. Para lograr ambos objetivos de diseño, el equipo de Raychem utilizó TRIZ, una teoría para encontrar soluciones innovadoras a problemas, para generar y conceptualizar varias ideas. Luego recurrieron al software COMSOL Multiphysics® de COMSOL para la optimización y validación del diseño según los estándares del ferrocarril.

Mantenerse en el buen camino:Realización de análisis con COMSOL Multiphysics

Utilizando COMSOL Multiphysics y sus módulos complementarios, el equipo de Raychem optimizó estructuralmente los componentes individuales del ATD, al mismo tiempo que realizaba un análisis multicuerpo para estudiar el movimiento acoplado de estos componentes para un análisis a nivel de sistema. El equipo primero importó un ensamblaje típico (Figura 2) y luego aplicó las condiciones de contorno adecuadas para tener en cuenta los efectos de la carga dinámica. Realizaron un estudio para encontrar la tensión en el cable exterior junto con la variación en la fuerza del resorte. Los resultados del análisis (Figura 3) representan el desplazamiento y la tensión del cable. Se puede ver claramente que la tensión se mantiene sin cambios, lo que cumple uno de los objetivos del proyecto.

Para el voladizo modular, se importó un modelo inicial a COMSOL Multiphysics. Mientras analizaba el modelo en voladizo, el equipo rápidamente se dio cuenta de que el MC era bastante voluminoso y que las tensiones se distribuían de manera desigual. Luego realizaron una optimización estructural del diseño y llevaron a cabo una optimización multivariable, donde la minimización de la energía de deformación total se establece como una función objetivo junto con el criterio de minimización de la masa total.

Mediante la optimización topológica, la masa del sistema se redujo en un 75 % en comparación con la geometría inicial (Figura 4, izquierda) sin violar las especificaciones de diseño. A continuación, se creó un modelo 3D utilizando el estudio de optimización y luego se sometió a cargas estructurales tanto estáticas como dinámicas (Figura 4, derecha) para emular el impacto de un tren que se mueve a 250 km/h.

Hacia adelante:cómo los análisis estructurales ayudaron al equipo

Utilizando las observaciones de los análisis de simulación, se rediseñó por completo todo el ensamblaje del ATD para incorporar un diseño plegable con una reducción del 50 % en el tamaño del ensamblaje. Además, el equipo también reemplazó el resorte metálico con un resorte de polímero, que fue diseñado usando el Módulo de Materiales Estructurales No Lineales, un complemento del Módulo de Mecánica Estructural y COMSOL Multifísica. Todos estos cambios de diseño llevaron a una disminución del 80 % en el peso de todo el conjunto. "Con la ayuda de los análisis estructurales y multicuerpo que realizamos en el ATD, pudimos reducir la cantidad de componentes de 20 en el diseño anterior a solo ocho", dijo Jain.

Además, se estableció un modelo de simulación para optimizar el voladizo modular aéreo convencional con la ayuda de la optimización topológica en COMSOL Multiphysics. El modelo resultante se utilizó para crear un concepto de diseño simplificado y luego se sometió a un análisis estructural detallado en términos de resistencia y modos de vibración para verificar los resultados optimizados. La simulación fue fundamental para reducir la complejidad del diseño, ya que la cantidad de componentes se redujo de 12 a 5 y el peso se redujo en aproximadamente un 33 %.

De los dos diseños propuestos, la Junta de Ferrocarriles de la India ya ha aceptado un diseño mientras que el otro está en la etapa de aprobación. Según Jain, "la optimización estructural del ensamblaje modular en voladizo con COMSOL ha permitido a Raychem obtener cuatro patentes para nuestros diferentes diseños".

Con las modificaciones que se esperan en la infraestructura ferroviaria india durante la próxima década, el equipo de Raychem ahora utiliza COMSOL Multiphysics para desarrollar más productos OHE nuevos para los ferrocarriles indios. Además de los proyectos en los sectores de servicios públicos de energía y petróleo y gas, el sistema ferroviario es ahora otra área especializada para la que Raychem RPG continuará brindando soluciones innovadoras con el poder de la simulación multifísica.

Este artículo fue una contribución de COMSOL, Inc., Burlington, MA. Para obtener más información, visite aquí .