Aprimorando os dispositivos de equipamentos aéreos para uma nova era de transporte ferroviário

A rede ferroviária é a espinha dorsal do sistema de transporte na Índia, conectando vilarejos e cidades remotas com cidades metropolitanas em todo o país. Iniciativas recentes do governo visam renovar e modernizar toda a rede até 2030 e os últimos dois anos trouxeram muitas mudanças ao sistema ferroviário.

Do ponto de vista tecnológico, duas mudanças notáveis ​​podem ser esperadas nas ferrovias indianas:a introdução de trens elétricos e movidos a energia solar e um aumento nas velocidades de operação dos trens de 100 km/h para 160–220 km/h. Para apoiar esses planos, devem ser feitas modificações adequadas na infraestrutura e componentes existentes, como o equipamento aéreo (OHE), incluindo catenária e linhas de contato, bem como conjuntos de pantógrafos.

A Raychem RPG, que fornece soluções de energia para vários setores, possui uma equipe dedicada trabalhando em produtos que podem atender aos requisitos desafiadores da rede ferroviária em evolução. A equipe de cientistas e pesquisadores, liderada por Ishant Jain, usou simulação multifísica para melhorar os projetos de dispositivos de autotensionamento (ATD) e cantilevers modulares (MC) – dois dos componentes mais críticos do equipamento aéreo da ferrovia.

Protegendo linhas ferroviárias OHE

Em um sistema ferroviário elétrico, a energia é fornecida por linhas aéreas que percorrem toda a extensão da linha férrea. Essa energia é transferida para o trem por meio do pantógrafo, que é um coletor de corrente montado na parte superior da locomotiva. O ATD (Figura 1, esquerda) fornece um mecanismo de tensionamento automático e serve como ponto de terminação para as linhas de contato. O tensionamento é necessário nas linhas de contato devido à variação em seus comprimentos:As linhas de contato são feitas principalmente de ligas à base de cobre que são propensas à expansão e contração devido às variações da temperatura atmosférica.

Os condutores das linhas aéreas são instalados com um valor de tensão muito específico. Esta tensão é variável ao longo do tempo e está intimamente dependente da temperatura ambiente. A ausência de tensionamento faz com que as linhas aéreas cedam ou apertem, levando ao emaranhamento do pantógrafo ou ao rompimento das linhas de equipamentos aéreos (OHE).

Da mesma forma, os MCs aéreos são projetados para suportar a montagem de fios de transmissão de energia aéreos - ou seja, catenária (tensão de 1000/1200 kgf), contato (tensão de 1000/1200 kgf) e conta-gotas - para transferir as cargas gerais de flexão, transversais e verticais ao mastro através de isoladores (Figura 1, à direita). O cantilever por excelência é leve e robusto o suficiente para suportar o conjunto de transporte de corrente com velocidades de trem de até 250 km/h. Além desses requisitos funcionais, a facilidade de manutenção, transporte, manuseio e estética também precisam ser considerados.

Desafios de projeto para componentes ferroviários

Para garantir a segurança dos passageiros ferroviários em altas velocidades, o ATD possui requisitos de projeto rigorosos. Para determinar a exatidão e eficiência de um projeto ATD experimentalmente, é realizado um teste de arrancamento. Uma grande configuração experimental é necessária para tal teste, o que não é praticamente viável em todos os momentos. A equipe da Raychem RPG, trabalhando no Raychem Innovation Center (RIC), foi encarregada de projetar um ATD que seja leve e altamente sensível às flutuações de temperatura, proporcionando facilidade de serviço, montagem e manutenção.

Além disso, os MCs que podem ser importados dos mercados europeu e americano são volumosos e incluem muitos componentes auxiliares. Como parte da iniciativa do governo “Make in India”, o objetivo da equipe da Raychem era criar um novo design para eliminar esses componentes auxiliares, garantindo a integridade estrutural usando o material com eficiência, o que, em última análise, economiza custos e reduz o peso. Para atingir os dois objetivos do projeto, a equipe da Raychem usou o TRIZ, uma teoria para encontrar soluções inovadoras para problemas, para gerar e conceituar várias ideias. Eles então recorreram ao software COMSOL Multiphysics® da COMSOL para otimização e validação de projeto de acordo com os padrões da ferrovia.

Permanecendo no caminho certo:realizando análises com o COMSOL Multiphysics

Usando o COMSOL Multiphysics e seus módulos complementares, a equipe da Raychem otimizou estruturalmente os componentes individuais do ATD, enquanto também realizava uma análise multicorpos para estudar o movimento acoplado desses componentes para uma análise no nível do sistema. A equipe primeiro importou uma montagem típica (Figura 2) e depois aplicou as condições de contorno apropriadas para levar em conta os efeitos do carregamento dinâmico. Eles realizaram um estudo para encontrar a tensão no cabo externo junto com a variação na força da mola. Os resultados da análise (Figura 3) representam o deslocamento e a tensão do cabo. Pode-se ver claramente que a tensão permanece inalterada, o que cumpre um dos objetivos do projeto.

Para o cantilever modular, um modelo inicial foi importado para o COMSOL Multiphysics. Ao analisar o modelo cantilever, a equipe rapidamente percebeu que o MC era bastante volumoso e as tensões eram distribuídas de forma desigual. Eles então realizaram uma otimização estrutural do projeto e realizaram uma otimização multivariável, onde a minimização da energia de deformação total é definida como uma função objetivo juntamente com os critérios de minimização da massa total.

Usando otimização de topologia, a massa do sistema foi reduzida em 75% em comparação com a geometria inicial (Figura 4, esquerda) sem violar as especificações do projeto. Um modelo 3D foi então criado usando o estudo de otimização e posteriormente submetido a carregamento estrutural estático e dinâmico (Figura 4, à direita) para emular o impacto de um trem se movendo a 250 km/h.

Avançando:como as análises estruturais ajudaram a equipe

Usando as observações das análises de simulação, todo o conjunto ATD foi completamente redesenhado para incorporar um design dobrável com uma redução de 50% no tamanho do conjunto. Além disso, a equipe também substituiu a mola metálica por uma mola de polímero, que foi projetada usando o Nonlinear Structural Materials Module, um complemento do Structural Mechanics Module e do COMSOL Multiphysics. Todas essas mudanças no projeto levaram a uma redução de 80% no peso de todo o conjunto. “Com a ajuda das análises estruturais e multicorpos que realizamos no ATD, conseguimos reduzir o número de componentes de 20 no projeto anterior para apenas oito”, disse Jain.

Além disso, um modelo de simulação foi estabelecido para otimizar o cantilever modular suspenso convencional com a ajuda da otimização de topologia no COMSOL Multiphysics. O modelo resultante foi utilizado para criar um conceito de projeto simplificado e posteriormente foi submetido a uma análise estrutural detalhada em termos de resistência e modos de vibração para verificar os resultados otimizados. A simulação foi fundamental para reduzir a complexidade do projeto, com o número de componentes reduzido de 12 para 5 e o peso reduzido em aproximadamente 33%.

Dos dois projetos propostos, o Indian Railways Board já aceitou um projeto enquanto o outro está em fase de aprovação. De acordo com Jain, “a otimização estrutural da montagem modular do cantilever com o COMSOL permitiu à Raychem garantir quatro patentes para nossos diferentes projetos”.

Com as modificações esperadas na infraestrutura ferroviária indiana na próxima década, a equipe da Raychem agora está usando o COMSOL Multiphysics para desenvolver mais novos produtos OHE para as ferrovias indianas. Além de projetos nos setores de energia e petróleo e gás, o sistema ferroviário é agora outra área especializada para a qual a Raychem RPG continuará a fornecer soluções inovadoras com o poder da simulação multifísica.

Este artigo foi uma contribuição de COMSOL, Inc., Burlington, MA. Para mais informações, visite aqui .