Modernisierung der Oberleitungen für Indiens zukünftige Eisenbahnen

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

Aus technologischer Sicht sind zwei bemerkenswerte Veränderungen bei indischen Eisenbahnen zu erwarten: die Einführung elektrischer und solarbetriebener Züge sowie eine Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeiten von 100 km/h auf 160–220 km/h. Um diese Pläne zu unterstützen, müssen geeignete Anpassungen an der bestehenden Infrastruktur und Komponenten wie der Oberleitung (OHE) einschließlich Fahrdrähten und Kontaktleitungen sowie Stromabnehmerbaugruppen vorgenommen werden.

Raychem RPG, das Energielösungen für verschiedene Sektoren bereitstellt, hat ein dediziertes Team, das an Produkten arbeitet, die den anspruchsvollen Anforderungen des sich entwickelnden Eisenbahnnetzes gerecht werden. Das Team aus Wissenschaftlern und Forschern, geleitet von Ishant Jain, nutzte Multiphysik-Simulation zur Verbesserung der Designs von Automatischen Spannvorrichtungen (ATD) und Modularen Auslegern (MC) – zwei der kritischsten Komponenten der Eisenbahn-Oberleitung.

Schutz der Eisenbahn-OHE-Leitungen

In einem elektrischen Schienensystem wird Strom durch Oberleitungen geliefert, die sich über die gesamte Länge der Schienenstrecke erstrecken. Dieser Strom wird über den Stromabnehmer, einen Stromabnehmer auf dem Dach der Lokomotive, auf den Zug übertragen. Die ATD (Abbildung 1, links) bietet einen Mechanismus für automatische Spannung und dient als Endpunkt für die Kontaktleitungen. Spannung ist an den Kontaktleitungen erforderlich aufgrund der Variation ihrer Längen: Kontaktleitungen bestehen hauptsächlich aus Kupferlegierungen, die aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur zur Ausdehnung und Kontraktion neigen.

Die Leiter der Oberleitungen werden mit einem sehr spezifischen Spannungswert installiert. Diese Spannung ist zeitlich variabel und stark abhängig von der Umgebungstemperatur. Das Fehlen von Spannung führt dazu, dass die Oberleitungen durchhängen oder sich straffen, was zu Stromabnehmer-Verwicklungen oder zum Reißen der OHE-Leitungen führt.

Ebenso sind modulare Ausleger (MCs) darauf ausgelegt, die Montage von Oberleitungs-Stromübertragungsdrähten – also Fahrdrähte (1000/1200 kgf Spannung), Kontaktleitungen (1000/1200 kgf Spannung) und Hänger – zu tragen, um die Gesamtbiegung, Quer- und Vertikallasten über Isolatoren auf den Mast zu übertragen (Abbildung 1, rechts). Der wesentliche Ausleger ist leicht und robust genug, um die stromführende Montage bei Zuggeschwindigkeiten bis zu 250 km/h zu tragen. Neben diesen funktionalen Anforderungen müssen auch Wartungsfreundlichkeit, Transport, Handhabung und Ästhetik berücksichtigt werden.

Designherausforderungen für Eisenbahnkomponenten

Um die Sicherheit der Bahnreisenden bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten, hat die ATD strenge Designanforderungen. Um die Richtigkeit und Effizienz eines ATD-Designs experimentell zu bestimmen, wird ein Ausziehversuch durchgeführt. Ein großer Versuchsaufbau ist für einen solchen Test erforderlich, was nicht immer praktisch durchführbar ist. Das Team bei Raychem RPG, das aus dem Raychem Innovation Centre (RIC) arbeitet, wurde beauftragt, eine ATD zu entwerfen, die sowohl leicht als auch hochsensibel auf Temperaturschwankungen reagiert, während sie Wartungsfreundlichkeit, Montage und Instandhaltung bietet.

Zusätzlich sind die MCs, die aus europäischen und amerikanischen Märkten importiert werden können, sperrig und beinhalten viele Zusatzkomponenten. Im Rahmen der „Make in India“-Regierungsinitiative war das Ziel des Raychem-Teams, ein neuartiges Design zu entwickeln, um diese Zusatzkomponenten zu eliminieren, während die strukturelle Integrität durch effiziente Materialnutzung gewährleistet wird, was letztlich Kosten spart und Gewicht reduziert. Um beide Designziele zu erreichen, nutzte das Raychem-Team TRIZ, eine Theorie für innovative Lösungsfindung, zur Generierung und Konzeption verschiedener Ideen. Anschließend wandten sie sich der COMSOL Multiphysics® Software von COMSOL zur Optimierung und Designvalidierung gemäß Eisenbahnstandards zu.

Auf Kurs bleiben: Analysen mit COMSOL Multiphysics

Mit COMSOL Multiphysics und seinen Add-on-Modulen optimierte das Raychem-Team die einzelnen Komponenten der ATD strukturell, während es auch eine Mehrkörperanalyse durchführte, um die gekoppelte Bewegung dieser Komponenten für eine Systemebenen-Analyse zu untersuchen. Das Team importierte zunächst eine typische Montage (Abbildung 2) und wendete dann die entsprechenden Randbedingungen an, um die Effekte dynamischer Belastung zu berücksichtigen. Sie führten eine Studie durch, um die Spannung im Außenkabel zusammen mit der Variation der Federkraft zu finden. Die Ergebnisse der Analyse (Abbildung 3) zeigen die Kabelverschiebung und Spannung. Man kann deutlich sehen, dass die Spannung unverändert bleibt, was eines der Projektziele erreicht.

Für den modularen Ausleger wurde ein initiales Modell in COMSOL Multiphysics importiert. Bei der Analyse des Auslegermodells erkannte das Team schnell, dass der MC eher sperrig war und die Spannungen ungleichmäßig verteilt waren. Sie führten dann eine strukturelle Optimierung des Designs durch und führten eine mehrvariable Optimierung durch, bei der die Minimierung der Gesamtdehnungsenergie als Zielfunktion zusammen mit der Minimierung der Gesamtmasse festgelegt wurde.

Mithilfe von Topologieoptimierung wurde die Systemmasse im Vergleich zur initialen Geometrie (Abbildung 4, links) um 75 % reduziert, ohne die Designspezifikationen zu verletzen. Ein 3D-Modell wurde dann mithilfe der Optimierungsstudie erstellt und später sowohl statischer als auch dynamischer struktureller Belastung (Abbildung 4, rechts) unterzogen, um die Auswirkung eines mit 250 km/h fahrenden Zuges zu emulieren.

Vorwärts fahren: Wie Strukturanalysen dem Team halfen

Mithilfe der Beobachtungen aus den Simulationsanalysen wurde die gesamte ATD-Montage vollständig neu gestaltet, um ein faltbares Design mit 50 % Reduzierung der Montagegröße zu integrieren. Zudem ersetzte das Team die Metallfeder durch eine Polymerfeder, die mit dem Nonlinear Structural Materials Module, einem Add-on zum Structural Mechanics Module und COMSOL Multiphysics, entworfen wurde. All diese Designänderungen führten zu einer 80 %igen Gewichtsreduzierung der gesamten Montage. „Mit Hilfe der strukturellen und Mehrkörperanalysen, die wir an der ATD durchführten, konnten wir die Anzahl der Komponenten vom früheren Design mit 20 auf nur acht reduzieren“, sagte Jain.

Weiterhin wurde ein Simulationsmodell etabliert, um den konventionellen modularen Oberleitungsausleger mit Hilfe von Topologieoptimierung in COMSOL Multiphysics zu optimieren. Das resultierende Modell wurde verwendet, um ein vereinfachtes Designkonzept zu erstellen und später einer detaillierten Strukturanalyse in Bezug auf Festigkeit und Schwingungsmoden zu unterziehen, um die optimierten Ergebnisse zu verifizieren. Simulation war entscheidend für die Reduzierung der Designkomplexität, wobei die Anzahl der Komponenten von 12 auf 5 reduziert und das Gewicht um ca. 33 % verringert wurde.

Von den beiden vorgeschlagenen Designs hat das Indian Railways Board bereits eines akzeptiert, während das andere in der Genehmigungsphase ist. Laut Jain: „Die strukturelle Optimierung der modularen Auslegerbaugruppe mit COMSOL hat es Raychem ermöglicht, vier Patente für unsere verschiedenen Designs zu sichern.“

Mit den erwarteten Modifikationen in der indischen Eisenbahninfrastruktur in den nächsten zehn Jahren nutzt das Team bei Raychem nun COMSOL Multiphysics, um weitere neue OHE-Produkte für die indischen Eisenbahnen zu entwickeln. Neben Projekten im Energieversorgungs- und Öl- und Gassektor ist das Eisenbahnsystem nun ein weiterer spezialisierter Bereich, für den Raychem RPG weiterhin innovative Lösungen mit der Kraft der Multiphysik-Simulation bereitstellen wird.

Dieser Artikel wurde von COMSOL, Inc., Burlington, MA, beigesteuert. Für weitere Informationen besuchen Sie hier .