Modernización de equipos aéreos para impulsar el futuro ferroviario de India

La red ferroviaria es la columna vertebral del sistema de transporte en India, conectando aldeas y pueblos remotos con ciudades metropolitanas en todo el país. Iniciativas gubernamentales recientes buscan revitalizar y modernizar toda la red para 2030 y los últimos 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 apoyar estos planes, se deben hacer modificaciones adecuadas a la infraestructura existente y componentes como el equipo aéreo (OHE) incluyendo líneas de catenaria y contacto, así como ensamblajes de pantógrafo.

Raychem RPG, que proporciona soluciones energéticas para varios sectores, tiene un equipo dedicado trabajando en productos que pueden cumplir los requisitos desafiantes de la red ferroviaria en evolución. El equipo de científicos e investigadores, liderado por Ishant Jain, usó simulación multifísica para mejorar los diseños de dispositivos de autotensión (ATD) y ménsulas modulares (MC) —dos de los componentes más críticos del equipo aéreo del ferrocarril.

Protección de líneas OHE ferroviarias

En un sistema ferroviario eléctrico, la energía se suministra por líneas aéreas que corren a lo largo de toda la vía férrea. Esta energía 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 para tensión automática y sirve como punto de terminación para las líneas de contacto. La tensión es necesaria en 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 expansión y contracción por 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 causa que las líneas aéreas se hundan o tensen, llevando a enredo del pantógrafo o rotura de líneas de equipo aéreo (OHE).

De manera similar, las ménsulas aéreas MC están diseñadas para soportar el ensamblaje de cables de transmisión de energía aérea —es decir, catenaria (tensión 1000/1200 kgf), contacto (tensión 1000/1200 kgf) y tensores— para transferir la carga total de flexión, transversal y vertical al mástil a través de aisladores (Figura 1, derecha). La ménsula quintessencial es ligera y lo suficientemente robusta para soportar el ensamblaje de conducción de corriente con velocidades de tren hasta 250 km/h. Además de estos requisitos funcionales, facilidad de mantenimiento, transporte, manejo y estética también deben considerarse.

Desafíos de diseño para componentes ferroviarios

Para garantizar la seguridad de pasajeros ferroviarios a altas velocidades, el ATD tiene requisitos de diseño estrictos. Para determinar la corrección y eficiencia de un diseño ATD experimentalmente, se realiza una prueba de extracción. Se requiere una gran configuración experimental para tal prueba, lo cual no es prácticamente factible en todo momento. El equipo de Raychem RPG, trabajando desde el Centro de Innovación Raychem (RIC), fue encargado de diseñar un ATD que sea ligero y altamente sensible a fluctuaciones de temperatura, mientras proporciona facilidad de servicio, ensamblaje y mantenimiento.

Además, las MCs que se pueden importar de mercados europeos y americanos son voluminosas e incluyen muchos componentes auxiliares. Como parte de la iniciativa gubernamental "Make in India", el objetivo del equipo de Raychem era idear un diseño novedoso para eliminar estos componentes auxiliares mientras asegura integridad estructural usando material eficientemente, lo que finalmente ahorra costos y reduce peso. Para lograr ambos objetivos de diseño, el equipo de Raychem usó TRIZ, una teoría para idear soluciones innovadoras a problemas, para generar y conceptualizar varias ideas. Luego recurrieron al software COMSOL Multiphysics® de COMSOL para optimización y validación de diseño según los estándares ferroviarios.

Manteniéndose en el camino: Realizando análisis con COMSOL Multiphysics

Usando COMSOL Multiphysics y sus módulos complementarios, el equipo de Raychem optimizó estructuralmente los componentes individuales del ATD, mientras también realizaba un análisis multibody 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 frontera apropiadas para tener en cuenta los efectos de 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 tensión del cable. Se puede ver claramente que la tensión permanece inalterada, lo que logra uno de los objetivos del proyecto.

Para la ménsula modular, se importó un modelo inicial a COMSOL Multiphysics. Al analizar el modelo de ménsula, el equipo rápidamente se dio cuenta de que la MC era bastante voluminosa y 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 función objetivo junto con la minimización de criterios de masa total.

Usando optimización de topología, la masa del sistema se redujo en un 75% comparado con la geometría inicial (Figura 4, izquierda) sin violar las especificaciones de diseño. Luego se creó un modelo 3D usando el estudio de optimización y más tarde se sometió a cargas estructurales estáticas y dinámicas (Figura 4, derecha) para emular el impacto de un tren moviéndose a 250 km/h.

Avanzando: Cómo los análisis estructurales ayudaron al equipo

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

Además, se estableció un modelo de simulación para optimizar la ménsula modular aérea convencional con la ayuda de optimización de topología en COMSOL Multiphysics. El modelo resultante se usó 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 instrumental en reducir la complejidad del diseño, con el número de componentes reducido de 12 a 5 y el peso reducido aproximadamente un 33%.

De los dos diseños propuestos, la Junta de Ferrocarriles Indios ya ha aceptado uno mientras el otro está en etapa de aprobación. Según Jain, "La optimización estructural del ensamblaje de ménsula modular con COMSOL ha permitido a Raychem asegurar cuatro patentes para nuestros diferentes diseños".

Con las modificaciones esperadas en la infraestructura ferroviaria india en la próxima década, el equipo de Raychem ahora está usando COMSOL Multiphysics para desarrollar más nuevos productos OHE para Ferrocarriles Indios. Además de proyectos en sectores de energía y petróleo y gas, el sistema ferroviario es ahora otra área especializada para la cual Raychem RPG continuará proporcionando soluciones innovadoras con el poder de la simulación multifísica.

Este artículo fue contribuido por COMSOL, Inc., Burlington, MA. Para más información, visite aquí .