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改进铁路运输新时代的高架设备设备

作为印度政府振兴该国铁路系统的计划的一部分，Raychem RPG的研究人员设计了一种自动厚度设备和模块化悬臂，用于使用结构建模和优化，用于链式和接触线。

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作者：阿迪蒂·卡兰迪卡（Aditi Karandikar）
2020年10月

铁路网络是印度运输系统的骨干，将偏远村庄和城镇与全国大都市联系起来。政府最近的举措旨在在2030年之前对整个网络进行改造和现代化，过去几年已经为铁路系统带来了许多变化。从技术的角度来看，我们可以期望印度铁路的两个显着变化：引入电动和太阳能火车，以及火车的运营速度从100 km/h到160–220 km/h。为了支持这些计划，必须对现有的基础架构和组件进行适当的修改，例如高架设备（OHE），包括链式和接触线以及电视仪组件。

Raychem RPG是针对各个领域的创新能源解决方案的先驱，拥有一个专门的团队，致力于满足不断发展的铁路网络的挑战性要求。乐动体育app无法登录由Ishant Jain先生领导的科学家和研究人员团队改善了使用多物理学模拟的铁路高架设备中最关键的两个组件的自动构成设备（ATD）和模块化悬臂（MC）的设计。

使用自动厚度设备和模块化悬臂保护铁路OHE线路

在电轨系统中，电源由沿着铁路轨道的整个长度运行的高架线提供。该电源通过电牌仪转移到火车上，这是一个安装在机车顶部的电流收集器。ATD（图1，左）提供了一种自动张力的机制，并用作接触线的终止点。由于其长度的变化，需要在接触线上进行张紧：接触线主要由基于铜的合金制成，由于大气温度的变化，它们容易膨胀和收缩。间接费线的导体安装了非常具体的张力值。随着时间的流逝，这种张力是可变的，并且密切取决于环境温度。缺乏张力会导致高架线下垂或拧紧，导致蒙面纠缠或折断顶部设备（OHE）线。

同样，高架MC旨在支持高架电动传输线的组装，即Catenary（1000/1200 kgf张力），触点（1000/1200 kgf张力）和滴管，以转移整体弯曲，横向，横向和垂直载荷通过绝缘子到桅杆（图1，右）。典型的悬臂轻巧且健壮，足以支持高达250 km/h的火车速度的电流组件。除了这些功能要求外，还需要考虑维护，运输，处理和美学的易用性。

铁路组件的设计挑战

为了确保高速轨道乘客的安全，ATD具有严格的设计要求。为了在实验上确定ATD设计的正确性和效率，进行了拔出测试。这种测试需要大量的实验设置，这在任何时候实际上都不可行。在Raychem Innovation Center（RIC）中工作的Raychem RPG的团队的任务是设计ATD，该ATD既重量又对温度波动高度敏感，同时提供易于服务，组装和维护。

此外，可以从欧美市场进口的MC笨重，包括许多辅助组件。作为印度政府“印度制造”计划的一部分，Raychem团队的目标是提出一种新颖的设计，以消除这些辅助组件，同时通过有效地使用材料来确保结构完整性，从而最终节省成本并降低体重。

为了实现这两个设计目标，Raychem团队使用了Triz，这是一种为问题提供创新解决方案的理论，以产生和概念化各种思想。然后他们转向comsol多物理学^®根据铁路标准进行优化和设计验证的软件。

保持步入正轨：使用COMSOL多物理进行分析^®

使用comsol多物理学^®及其附加模块，Raychem团队在结构上优化了ATD的各个组件，同时还进行了多体分析以研究这些组件的耦合运动以进行系统级分析。团队首先导入典型的组件（图2），然后应用适当的边界条件来说明动态载荷的影响。他们进行了一项研究，以发现外电缆中的张力以及弹簧力的变化。

分析结果（图3）表示电缆位移和张力。可以清楚地看出，紧张局势保持不变，这实现了项目的目标之一。

对于模块化悬臂，将初始模型导入到comsol多物理学中^®。在分析悬臂模型的同时，团队很快意识到MC相当笨重，压力分布不均。然后，他们对设计进行了结构优化，并进行了多变量优化，其中将总应变能的最小化设置为目标函数，并最小化总质量标准。

使用拓扑优化，与初始几何形状相比，系统的质量减少了75％（图4，左），而不会违反设计规格。然后使用优化研究创建了一个3D模型，后来又进行了静态和动态结构载荷（图4，右），以模仿以250 km/h的速度移动的火车的影响。

向前骑：结构分析和优化如何帮助Raychem团队

使用来自仿真分析的观察结果，对整个ATD组件进行了完全重新设计，以结合可折叠设计，并减少了组装尺寸50％。此外，Jain的团队还用聚合物弹簧代替了金属弹簧，该聚合物弹簧是使用非线性结构材料模块设计的，该模块是结构力学模块和COMSOL多物理学的附加组件^®。所有这些设计变化导致整个组件的重量减少80％。Jain说：“在我们在ATD上执行的结构和多体分析的帮助下，我们能够将组件的数量从早期设计中的20个减少到仅8个。”

此外，建立了模拟模型，以优化常规的间接费用模块化悬臂，借助于Comsol多物理学的拓扑优化^®。所得模型用于创建简化的设计概念，后来在强度和振动模式下进行详细的结构分析，以验证优化的结果。仿真对降低设计复杂性具有重要作用，而组件的数量从12减少到5，而重量减少了约33％。在提议的两种设计中，印度铁路委员会已经接受了一种设计，而另一个则处于批准阶段。根据Jain的说法：“与Comsol的模块化悬臂组件的结构优化^®使Raychem能够为我们的不同设计获得四项专利。”

2020年6月，Raychem团队因其模块化悬臂系统的可折叠设计而获得了工程领域的Golden Peacock创新产品奖（GPIPSA）。

未来的曲目：Raychem的未来计划

随着未来十年印度铁路基础设施预期的修改，Raychem Innovation Center的团队现在正在使用Comsol Multiphysics^®为印度铁路开发更多新的OHE产品。乐动体育app无法登录除了能源公用和石油和天然气行业的项目外，铁路系统现在是Raychem RPG的另一个专业区域，将继续为其提供创新的解决方案，并具有多物理模拟的力量。

致谢

Ishant Jain要在本文中描述的研究中感谢以下人员的帮助：Ganesh Bhoye，Nitin Pandey，Raghav Upasani和Hamza Saiger。