Modernisation des équipements aériens pour alimenter les chemins de fer du futur en Inde

Le réseau ferroviaire indien : colonne vertébrale du transport

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

D'un point de vue technologique, deux changements notables sont attendus pour les chemins de fer indiens : l'introduction de trains électriques et solaires et une augmentation des vitesses de fonctionnement 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) incluant les lignes de caténaire et 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 chercheurs, dirigée par Ishant Jain, a utilisé la simulation multiphysique pour améliorer les conceptions des dispositifs d'auto-tension (ATD) et des consoles modulaires (MC) — deux des composants les plus critiques de l'équipement aérien ferroviaire.

Protection des lignes OHE ferroviaires

Dans un système ferroviaire électrique, l'alimentation est fournie par des lignes aériennes qui courent le long de toute la longueur de la voie ferrée. Cette énergie 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, gauche) fournit un mécanisme de tension automatique et sert de point de terminaison pour les lignes de contact. La tension est nécessaire sur les lignes de contact en raison de la variation de leurs longueurs : les lignes de contact sont principalement fabriquées à partir d'alliages à base de cuivre qui sont sujets à l'expansion et à la contraction dues aux variations de température atmosphérique.

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

De même, les consoles modulaires aériennes sont conçues pour supporter l'assemblage des fils de transmission de puissance aérienne — c'est-à-dire caténaire (tension 1000/1200 kgf), contact (tension 1000/1200 kgf) et brins de suspension — pour transférer les charges de flexion, transversales et verticales globales au mât via des isolateurs (Figure 1, droite). La console quintessentielle est légère et assez robuste pour supporter l'assemblage porteur de courant avec des vitesses de train jusqu'à 250 km/h. En plus de ces exigences fonctionnelles, la facilité de maintenance, de transport, de manutention et l'esthétique doivent également être considérées.

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 la correction et l'efficacité d'une conception ATD expérimentalement, un test de traction est effectué. Une grande installation expérimentale est requise pour un tel test, ce qui n'est pas pratiquement réalisable en tout temps. L'équipe de Raychem RPG, travaillant depuis le Raychem Innovation Centre (RIC), a été chargée de concevoir un ATD à la fois léger et hautement sensible aux fluctuations de température, tout en offrant une facilité de service, d'assemblage et de maintenance.

De plus, les consoles modulaires qui peuvent être importées des marchés européens et américains sont volumineuses et incluent de nombreux composants auxiliaires. Dans le cadre de l'initiative gouvernementale « Make in India », l'objectif de l'équipe Raychem était de proposer une conception novatrice pour éliminer ces composants auxiliaires tout en assurant l'intégrité structurelle en utilisant efficacement le matériau, ce qui permet ultimement d'économiser les coûts et de réduire le poids. Pour atteindre ces deux objectifs de conception, l'équipe Raychem a utilisé TRIZ, une théorie pour trouver des solutions innovantes aux problèmes, pour générer et conceptualiser diverses idées. Ils se sont ensuite tournés vers le logiciel COMSOL Multiphysics® de COMSOL pour l'optimisation et la validation de conception selon les standards ferroviaires.

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

En utilisant COMSOL Multiphysics et ses modules complémentaires, l'équipe Raychem a structurellement optimisé les composants individuels de l'ATD, tout en effectuant une analyse multi-corps pour étudier le mouvement couplé de ces composants pour une analyse au niveau système. L'équipe a d'abord importé un assemblage typique (Figure 2) et a ensuite appliqué les conditions aux limites appropriées pour tenir compte des effets de chargement dynamique. Ils ont effectué une étude pour trouver la tension dans le câble externe 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 peut voir clairement que la tension reste inchangée, ce qui accomplit l'un des objectifs du projet.

Pour la console modulaire, un modèle initial a été importé dans COMSOL Multiphysics. En analysant le modèle de console, l'équipe a rapidement réalisé que la console était plutôt volumineuse et que les contraintes étaient réparties de manière inégale. Ils ont ensuite effectué une optimisation structurelle de la conception et réalisé une optimisation multivariée, où la minimisation de l'énergie de déformation totale est définie comme fonction objective ainsi que la minimisation de la masse totale.

En utilisant l'optimisation topologique, la masse du système a été réduite de 75 % par rapport à la géométrie initiale (Figure 4, gauche) sans violer les spécifications de conception. Un modèle 3D a ensuite été créé à partir de l'étude d'optimisation et soumis ultérieurement à des chargements structurels statiques et dynamiques (Figure 4, droite) pour émuler l'impact d'un train se déplaçant à 250 km/h.

Avancer : Comment les analyses structurelles ont aidé l'équipe

En utilisant les observations des analyses de simulation, l'assemblage ATD entier a été complètement redessiné 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 en utilisant le module Matériaux Structurels Non-linéaires, un module complémentaire du module Mécanique Structurelle et de COMSOL Multiphysics. Tous ces changements de conception ont conduit à une diminution de 80 % du poids de l'ensemble de l'assemblage. « Grâce aux analyses structurelles et multi-corps 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 la console modulaire aérienne conventionnelle avec l'aide de l'optimisation topologique 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 résistance et de modes de vibration pour vérifier les résultats optimisés. La simulation a été déterminante pour réduire la complexité de la conception, le nombre de composants étant réduit de 12 à 5 et le poids réduit d'environ 33 %.

Sur les deux conceptions proposées, le Conseil des Chemins de Fer Indiens en a déjà accepté une tandis que l'autre est en phase d'approbation. Selon Jain, « L'optimisation structurelle de l'assemblage de console modulaire avec COMSOL a permis à Raychem de sécuriser quatre brevets pour nos différentes conceptions. »

Avec les modifications attendues dans l'infrastructure ferroviaire indienne au cours de la prochaine décennie, l'équipe de Raychem utilise maintenant COMSOL Multiphysics pour développer plus de nouveaux produits OHE pour les Chemins de Fer Indiens. En plus des projets dans les secteurs de l'énergie et du pétrole et gaz, le système ferroviaire est maintenant 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 contribué par COMSOL, Inc., Burlington, MA. Pour plus d'informations, visitez ici.