Modernização de Equipamentos Aéreos para Impulsionar o Futuro das Ferrovias da Índia

A rede ferroviária é a espinha dorsal do sistema de transporte na Índia, conectando vilas e cidades remotas com metrópoles por todo o país. Iniciativas recentes do governo visam revigorar e modernizar toda a rede até 2030 e os últimos 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 operacionais dos trens de 100 km/h para 160–220 km/h. Para suportar esses planos, modificações adequadas devem ser feitas na infraestrutura existente e componentes como equipamentos aéreos (OHE) incluindo linhas catenárias e de contato, bem como conjuntos de pantógrafo.

Raychem RPG, que fornece soluções de energia para vários setores, tem 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 designs de dispositivos de auto-tensionamento (ATD) e cantilevers modulares (MC) — dois dos componentes mais críticos do equipamento aéreo da ferrovia.

Protegendo Linhas OHE Ferroviárias

Em um sistema ferroviário elétrico, a energia é suprida por linhas aéreas que correm ao longo de todo o comprimento da via ferroviária. Esta energia é transferida para o trem por meio do pantógrafo, que é um coletor de corrente montado no topo da locomotiva. O ATD (Figura 1, esquerda) fornece um mecanismo para tensionamento automático e serve como ponto de terminação para as linhas de contato. Tensionamento é necessário nas linhas de contato devido à variação em seus comprimentos: Linhas de contato são feitas principalmente de ligas à base de cobre que são propensas a expansão e contração devido a variações na temperatura atmosférica.

Os condutores de linhas aéreas são instalados com um valor de tensão muito específico. Esta tensão é variável ao longo do tempo e é estreitamente dependente da temperatura ambiente. A ausência de tensionamento causa flacidez ou aperto excessivo das linhas aéreas, levando a emaranhamento do pantógrafo ou rompimento dos equipamentos aéreos (OHE).

Similarmente, MCs aéreos são projetados para suportar a montagem de fios de transmissão de energia aérea — ou seja, catenária (tensão 1000/1200 kgf), contato (tensão 1000/1200 kgf) e droppeadores — para transferir as cargas totais de flexão, transversais e verticais para o mastro via isoladores (Figura 1, direita). O cantilever quintessencial é leve e robusto o suficiente para suportar a montagem de condução de corrente com velocidades de trem até 250 km/h. Além desses requisitos funcionais, facilidade de manutenção, transporte, manuseio e estética também precisam ser considerados.

Desafios de Design para Componentes Ferroviários

Para garantir a segurança de passageiros ferroviários em altas velocidades, o ATD tem requisitos de design rigorosos. Para determinar a correção e eficiência de um design ATD experimentalmente, um teste de pull-out é realizado. Uma grande configuração experimental é requerida para tal teste, o que não é praticamente viável em todos os momentos. A equipe da Raychem RPG, trabalhando no Centro de Inovação Raychem (RIC), foi encarregada de projetar um ATD que seja leve e altamente sensível a flutuações de temperatura, enquanto fornece facilidade de serviço, montagem e manutenção.

Além disso, os MCs que podem ser importados de mercados europeus e americanos são volumosos e incluem muitos componentes auxiliares. Como parte da iniciativa governamental "Make in India", o objetivo da equipe Raychem era criar um design inovador para eliminar esses componentes auxiliares enquanto garante integridade estrutural usando material eficientemente, o que finalmente economiza custos e reduz peso. Para alcançar ambos os objetivos de design, a equipe Raychem usou TRIZ, uma teoria para criar soluções inovadoras para problemas, para gerar e conceitualizar várias ideias. Eles então recorreram ao software COMSOL Multiphysics® da COMSOL para otimização e validação de design conforme padrões ferroviários.

Mantendo-se nos Trilhos: Realizando Análises com COMSOL Multiphysics

Usando COMSOL Multiphysics e seus módulos complementares, a equipe Raychem otimizou estruturalmente os componentes individuais do ATD, enquanto também realizava uma análise multi-corpo para estudar o movimento acoplado desses componentes para uma análise de nível de sistema. A equipe primeiro importou uma montagem típica (Figura 2) e então aplicou as condições de contorno apropriadas para contabilizar os efeitos de carregamento dinâmico. 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 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 do 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 design e realizaram uma otimização multivariável, onde a minimização da energia de deformação total é definida como função objetivo junto com a minimização de critérios de 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 de design. Um modelo 3D foi então criado usando o estudo de otimização e posteriormente submetido a carregamento estrutural estático e dinâmico (Figura 4, direita) para emular o impacto de um trem movendo-se a 250 km/h.

Avançando: Como Análises Estruturais Ajudaram a Equipe

Usando as observações das análises de simulação, a montagem ATD inteira foi completamente redesenhada para incorporar um design dobrável com redução de 50% no tamanho da montagem. Além disso, a equipe também substituiu a mola metálica por uma mola de polímero, que foi projetada usando o Módulo de Materiais Estruturais Não Lineares, um complemento ao Módulo de Mecânica Estrutural e COMSOL Multiphysics. Todas essas mudanças de design levaram a uma diminuição de 80% no peso de toda a montagem. "Com a ajuda das análises estruturais e multi-corpo que realizamos no ATD, fomos capazes de reduzir o número de componentes de 20 no design anterior para apenas oito", disse Jain.

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

Dos dois designs propostos, o Conselho Ferroviário Indiano já aceitou um design enquanto o outro está na fase de aprovação. Segundo Jain, "A otimização estrutural da montagem do cantilever modular com COMSOL permitiu à Raychem garantir quatro patentes para nossos diferentes designs."

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

Este artigo foi contribuído pela COMSOL, Inc., Burlington, MA. Para mais informações, visite aqui.