Verbesserung von Oberleitungen für eine neue Ära des Schienenverkehrs

Das Eisenbahnnetz ist das Rückgrat des Verkehrssystems in Indien und verbindet abgelegene Dörfer und Städte mit Metropolen im ganzen Land. Jüngste Regierungsinitiativen zielen darauf ab, das gesamte Netz bis 2030 zu überarbeiten und zu modernisieren, und die letzten Jahre haben viele Änderungen im Schienensystem gebracht.

Aus technologischer Sicht sind bei den indischen Eisenbahnen zwei bemerkenswerte Veränderungen zu erwarten:die Einführung von elektrisch und solarbetriebenen Zügen und eine Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit der Züge von 100 km/h auf 160–220 km/h. Um diese Pläne zu unterstützen, müssen geeignete Änderungen an der bestehenden Infrastruktur und Komponenten wie der Oberleitungsausrüstung (OHE) einschließlich Oberleitung und Fahrleitungen sowie Stromabnehmerbaugruppen vorgenommen werden.

Raychem RPG, das Energielösungen für verschiedene Sektoren anbietet, verfügt über ein engagiertes Team, das an Produkten arbeitet, die den anspruchsvollen Anforderungen des sich entwickelnden Eisenbahnnetzes gerecht werden. Das Team von Wissenschaftlern und Forschern unter der Leitung von Ishant Jain verwendete eine Multiphysik-Simulation, um die Konstruktionen von automatischen Spannvorrichtungen (ATD) und modularen Auslegern (MC) zu verbessern – zwei der wichtigsten Komponenten der Oberleitungsausrüstung der Eisenbahn.

Schutz der OHE-Eisenbahnstrecken

Bei einem elektrischen Bahnsystem erfolgt die Stromversorgung über Oberleitungen, die über die gesamte Schienenlänge verlaufen. Diese Leistung wird über den Stromabnehmer, einen oben auf der Lokomotive montierten Stromabnehmer, auf den Zug übertragen. Der ATD (Abbildung 1, links) stellt einen Mechanismus zum automatischen Spannen bereit und dient als Endpunkt für die Kontaktleitungen. An den Fahrleitungen ist aufgrund ihrer unterschiedlichen Länge eine Spannung erforderlich:Fahrleitungen bestehen hauptsächlich aus Legierungen auf Kupferbasis, die aufgrund von Schwankungen der atmosphärischen Temperatur zu Ausdehnung und Kontraktion neigen.

Die Leiter von Freileitungen werden mit einem ganz bestimmten Spannungswert verlegt. Diese Spannung ist zeitlich veränderlich und hängt stark von der Umgebungstemperatur ab. Das Fehlen einer Spannung führt dazu, dass die Oberleitungen durchhängen oder sich straffen, was zu einem Verheddern des Stromabnehmers oder einem Reißen der Oberleitungen (OHE) führt.

In ähnlicher Weise sind Freileitungs-MCs so konzipiert, dass sie die Montage von Freileitungen zur Stromübertragung unterstützen – d. h. Oberleitungen (1000/1200 kgf Spannung), Kontakt (1000/1200 kgf Spannung) und Hänger – um die gesamten Biege-, Quer- und Vertikallasten zu übertragen über Isolatoren zum Mast (Abbildung 1, rechts). Die Quintessenz des Auslegers ist leicht und robust genug, um die stromführende Baugruppe mit Zuggeschwindigkeiten von bis zu 250 km/h zu tragen. Zusätzlich zu diesen funktionalen Anforderungen müssen auch Wartungsfreundlichkeit, Transport, Handhabung und Ästhetik berücksichtigt werden.

Designherausforderungen für Eisenbahnkomponenten

Um die Sicherheit von Bahnreisenden bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten, hat der ATD strenge Designanforderungen. Um die Korrektheit und Effizienz eines ATD-Designs experimentell zu bestimmen, wird ein Pull-Out-Test durchgeführt. Für einen solchen Test ist ein großer Versuchsaufbau erforderlich, der praktisch nicht immer durchführbar ist. Das Team von Raychem RPG, das vom Raychem Innovation Center (RIC) aus arbeitet, wurde beauftragt, einen ATD zu entwickeln, der sowohl leicht als auch sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist und gleichzeitig eine einfache Wartung, Montage und Wartung bietet.

Darüber hinaus sind die MCs, die von europäischen und amerikanischen Märkten importiert werden können, sperrig und enthalten viele Zusatzkomponenten. Als Teil der Regierungsinitiative „Make in India“ war es das Ziel des Raychem-Teams, ein neuartiges Design zu entwickeln, um diese Zusatzkomponenten zu eliminieren und gleichzeitig die strukturelle Integrität durch effizienten Materialeinsatz zu gewährleisten, was letztendlich Kosten spart und Gewicht reduziert. Um beide Designziele zu erreichen, nutzte das Raychem-Team TRIZ, eine Theorie zur Entwicklung innovativer Problemlösungen, um verschiedene Ideen zu generieren und zu konzipieren. Sie wandten sich dann zur Optimierung und Designvalidierung gemäß den Eisenbahnstandards an die COMSOL Multiphysics®-Software von COMSOL.

Auf Kurs bleiben:Analysen mit COMSOL Multiphysics durchführen

Unter Verwendung von COMSOL Multiphysics und seinen Zusatzmodulen optimierte das Raychem-Team die einzelnen Komponenten des ATD strukturell und führte gleichzeitig eine Mehrkörperanalyse durch, um die gekoppelte Bewegung dieser Komponenten für eine Analyse auf Systemebene zu untersuchen. Das Team importierte zunächst eine typische Baugruppe (Abbildung 2) und wendete dann die entsprechenden Randbedingungen an, um die Auswirkungen der dynamischen Belastung zu berücksichtigen. Sie führten eine Studie durch, um die Spannung im Außenkabel zusammen mit der Variation der Federkraft zu ermitteln. Die Ergebnisse der Analyse (Abbildung 3) repräsentieren die Kabelverschiebung und -spannung. Es ist deutlich zu sehen, dass die Spannung unverändert bleibt, wodurch eines der Ziele des Projekts erreicht wird.

Für den modularen Cantilever wurde ein erstes Modell in COMSOL Multiphysics importiert. Bei der Analyse des Cantilever-Modells stellte das Team schnell fest, dass der MC ziemlich sperrig war und die Spannungen ungleichmäßig verteilt waren. Anschließend führten sie eine strukturelle Optimierung des Designs und eine multivariable Optimierung durch, bei der die Minimierung der Gesamtspannungsenergie als Zielfunktion zusammen mit der Minimierung der Gesamtmasse als Kriterium festgelegt wurde.

Mittels Topologieoptimierung wurde die Masse des Systems um 75 % im Vergleich zur ursprünglichen Geometrie reduziert (Bild 4, links), ohne die Designvorgaben zu verletzen. Anschließend wurde mithilfe der Optimierungsstudie ein 3D-Modell erstellt und später sowohl statischer als auch dynamischer struktureller Belastung ausgesetzt (Abbildung 4, rechts), um den Aufprall eines mit 250 km/h fahrenden Zuges zu emulieren.

Fahrt vorwärts:Wie Strukturanalysen dem Team geholfen haben

Unter Verwendung der Beobachtungen aus den Simulationsanalysen wurde die gesamte ATD-Baugruppe vollständig umgestaltet, um ein faltbares Design mit einer 50-prozentigen Reduzierung der Baugruppengröße zu integrieren. Darüber hinaus ersetzte das Team auch die Metallfeder durch eine Polymerfeder, die mit dem Nonlinear Structural Materials Module, einem Add-on zum Structural Mechanics Module und COMSOL Multiphysics, konstruiert wurde. Alle diese Konstruktionsänderungen führten zu einer 80%igen Gewichtsreduzierung der gesamten Baugruppe. „Mit Hilfe der Struktur- und Mehrkörperanalysen, die wir am ATD durchgeführt haben, konnten wir die Anzahl der Komponenten von 20 im früheren Design auf nur acht reduzieren“, sagte Jain.

Darüber hinaus wurde ein Simulationsmodell erstellt, um den konventionellen modularen Cantilever mit Hilfe der Topologieoptimierung in COMSOL Multiphysics zu optimieren. Das resultierende Modell wurde verwendet, um ein vereinfachtes Konstruktionskonzept zu erstellen, und wurde später einer detaillierten strukturellen Analyse in Bezug auf Festigkeit und Vibrationsmodi unterzogen, um die optimierten Ergebnisse zu verifizieren. Die Simulation trug wesentlich zur Reduzierung der Konstruktionskomplexität bei, wobei die Anzahl der Komponenten von 12 auf 5 reduziert und das Gewicht um etwa 33 % reduziert wurde.

Von den beiden vorgeschlagenen Entwürfen hat das Indian Railways Board bereits einen Entwurf akzeptiert, während sich der andere in der Genehmigungsphase befindet. Laut Jain hat „die strukturelle Optimierung der modularen Cantilever-Baugruppe mit COMSOL es Raychem ermöglicht, vier Patente für unsere verschiedenen Designs zu sichern.“

Angesichts der in den nächsten zehn Jahren erwarteten Änderungen in der indischen Eisenbahninfrastruktur verwendet das Team von Raychem jetzt COMSOL Multiphysics, um weitere neue OHE-Produkte für die indische Eisenbahn zu entwickeln. Neben Projekten in den Sektoren Energieversorgung und Öl und Gas ist das Eisenbahnsystem nun ein weiterer spezialisierter Bereich, für den Raychem RPG weiterhin innovative Lösungen mit der Leistungsfähigkeit der Multiphysik-Simulation anbieten wird.

Dieser Artikel wurde von COMSOL, Inc., Burlington, MA, beigesteuert. Weitere Informationen finden Sie unter hier .