Amélioration des équipements aériens pour une nouvelle ère du transport ferroviaire

Le réseau ferroviaire est l'épine dorsale du système de transport en Inde, reliant les villages et les villes éloignés aux villes métropolitaines à travers le pays. Les récentes initiatives gouvernementales visent à réorganiser et à moderniser l'ensemble du réseau d'ici 2030 et les deux dernières années ont apporté de nombreux changements au système ferroviaire.

D'un point de vue technologique, on peut s'attendre à deux changements notables pour les chemins de fer indiens :l'introduction de trains électriques et solaires et une augmentation de la vitesse d'exploitation des trains de 100 km/h à 160-220 km/h. Pour soutenir ces plans, des modifications appropriées doivent être apportées à l'infrastructure existante et aux composants tels que l'équipement aérien (OHE), y compris la caténaire et les lignes de contact ainsi que les assemblages de pantographe.

Raychem RPG, qui fournit des solutions énergétiques pour divers secteurs, dispose d'une équipe dédiée travaillant sur des produits capables de répondre aux exigences difficiles du réseau ferroviaire en évolution. L'équipe de scientifiques et de chercheurs, dirigée par Ishant Jain, a utilisé la simulation multiphysique pour améliorer la conception des dispositifs de tension automatique (ATD) et des porte-à-faux modulaires (MC), deux des composants les plus critiques de l'équipement aérien du chemin de fer.

Protéger les lignes ferroviaires OHE

Dans un système ferroviaire électrique, l'électricité est fournie par des lignes aériennes qui parcourent toute la longueur de la voie ferrée. Cette puissance est transférée au train au moyen du pantographe, qui est un collecteur de courant monté sur le dessus de la locomotive. L'ATD (Figure 1, à gauche) fournit un mécanisme de tension automatique et sert de point de terminaison pour les lignes de contact. Une tension est nécessaire sur les lignes de contact en raison de la variation de leurs longueurs :les lignes de contact sont principalement constituées d'alliages à base de cuivre qui sont sujets à la dilatation et à la contraction en raison des variations de température atmosphérique.

Les conducteurs des lignes aériennes sont installés avec une valeur de tension bien spécifique. Cette tension est variable dans le temps et dépend étroitement de la température ambiante. L'absence de tension provoque l'affaissement ou le resserrement des lignes aériennes, entraînant un enchevêtrement du pantographe ou la rupture des lignes de l'équipement aérien (OHE).

De même, les MC aériens sont conçus pour prendre en charge l'assemblage de câbles de transmission d'énergie aériens - c'est-à-dire caténaire (tension 1000/1200 kgf), contact (tension 1000/1200 kgf) et droppers - pour transférer les charges globales de flexion, transversales et verticales au mât via des isolateurs (Figure 1, à droite). Le porte-à-faux par excellence est suffisamment léger et robuste pour supporter l'ensemble porteur de courant avec des vitesses de train allant jusqu'à 250 km/h. En plus de ces exigences fonctionnelles, la facilité d'entretien, le transport, la manipulation et l'esthétique doivent également être pris en compte.

Défis de conception pour les composants ferroviaires

Pour assurer la sécurité des passagers ferroviaires à grande vitesse, l'ATD a des exigences de conception strictes. Pour déterminer expérimentalement l'exactitude et l'efficacité d'une conception ATD, un test d'arrachement est effectué. Une grande configuration expérimentale est nécessaire pour un tel test, ce qui n'est pratiquement pas réalisable à tout moment. L'équipe de Raychem RPG, travaillant au Raychem Innovation Center (RIC), a été chargée de concevoir un ATD à la fois léger et très sensible aux fluctuations de température, tout en offrant une facilité d'entretien, d'assemblage et de maintenance.

De plus, les MC pouvant être importés des marchés européens et américains sont volumineux et comprennent de nombreux composants auxiliaires. Dans le cadre de l'initiative gouvernementale "Make in India", l'objectif de l'équipe Raychem était de proposer une nouvelle conception pour éliminer ces composants auxiliaires tout en garantissant l'intégrité structurelle en utilisant efficacement le matériau, ce qui permet en fin de compte de réduire les coûts et le poids. Pour atteindre ces deux objectifs de conception, l'équipe de Raychem a utilisé TRIZ, une théorie permettant de trouver des solutions innovantes aux problèmes, de générer et de conceptualiser diverses idées. Ils se sont ensuite tournés vers le logiciel COMSOL Multiphysics® de COMSOL pour l'optimisation et la validation de la conception selon les normes ferroviaires.

Rester sur la bonne voie :effectuer des analyses avec COMSOL Multiphysics

À l'aide de COMSOL Multiphysics et de ses modules complémentaires, l'équipe Raychem a optimisé structurellement les composants individuels de l'ATD, tout en effectuant une analyse multicorps pour étudier le mouvement couplé de ces composants pour une analyse au niveau du système. L'équipe a d'abord importé un assemblage type (Figure 2), puis a appliqué les conditions aux limites appropriées pour tenir compte des effets du chargement dynamique. Ils ont effectué une étude pour trouver la tension dans le câble extérieur ainsi que la variation de la force du ressort. Les résultats de l'analyse (Figure 3) représentent le déplacement et la tension du câble. On voit clairement que la tension reste inchangée, ce qui accomplit l'un des objectifs du projet.

Pour le porte-à-faux modulaire, un modèle initial a été importé dans COMSOL Multiphysics. Lors de l'analyse du modèle en porte-à-faux, l'équipe s'est rapidement rendu compte que le MC était plutôt volumineux et que les contraintes étaient réparties de manière inégale. Ils ont ensuite effectué une optimisation structurelle de la conception et effectué une optimisation multivariable, où la minimisation de l'énergie de déformation totale est définie comme une fonction objective avec la minimisation des critères de masse totale.

Grâce à l'optimisation de la topologie, la masse du système a été réduite de 75 % par rapport à la géométrie initiale (Figure 4, à gauche) sans violer les spécifications de conception. Un modèle 3D a ensuite été créé à l'aide de l'étude d'optimisation, puis soumis à des charges structurelles statiques et dynamiques (Figure 4, à droite) pour simuler l'impact d'un train se déplaçant à 250 km/h.

Aller de l'avant :Comment les analyses structurelles ont aidé l'équipe

En utilisant les observations des analyses de simulation, l'ensemble de l'assemblage ATD a été entièrement repensé pour incorporer une conception pliable avec une réduction de 50 % de la taille de l'assemblage. De plus, l'équipe a également remplacé le ressort métallique par un ressort polymère, qui a été conçu à l'aide du module de matériaux structurels non linéaires, un module complémentaire du module de mécanique structurelle et de COMSOL Multiphysics. Toutes ces modifications de conception ont entraîné une diminution de 80 % du poids de l'ensemble. "Avec l'aide des analyses structurelles et multicorps que nous avons effectuées sur l'ATD, nous avons pu réduire le nombre de composants de 20 dans la conception précédente à seulement huit", a déclaré Jain.

En outre, un modèle de simulation a été établi pour optimiser le porte-à-faux modulaire aérien conventionnel à l'aide de l'optimisation de la topologie dans COMSOL Multiphysics. Le modèle résultant a été utilisé pour créer un concept de conception simplifié et a ensuite été soumis à une analyse structurelle détaillée en termes de modes de résistance et de vibration pour vérifier les résultats optimisés. La simulation a contribué à réduire la complexité de la conception, le nombre de composants étant passé de 12 à 5 et le poids réduit d'environ 33 %.

Sur les deux conceptions proposées, l'Indian Railways Board a déjà accepté une conception tandis que l'autre est en phase d'approbation. Selon Jain, "L'optimisation structurelle de l'assemblage modulaire en porte-à-faux avec COMSOL a permis à Raychem d'obtenir quatre brevets pour nos différentes conceptions."

Avec les modifications attendues de l'infrastructure ferroviaire indienne au cours de la prochaine décennie, l'équipe de Raychem utilise désormais COMSOL Multiphysics pour développer davantage de nouveaux produits OHE pour les chemins de fer indiens. En plus des projets dans les secteurs des services publics d'énergie et du pétrole et du gaz, le système ferroviaire est désormais un autre domaine spécialisé pour lequel Raychem RPG continuera à fournir des solutions innovantes avec la puissance de la simulation multiphysique.

Cet article a été rédigé par COMSOL, Inc., Burlington, MA. Pour plus d'informations, visitez ici .