Modelado de la interacción entre pantógrafo y catenaria rígida con técnicas de elementos finitos y validación con ensayos modales experimentales
- Autores: Montserrat Simarro Vega
- Directores de la Tesis: Sergio Postigo Pozo (dir. tes.), Juan Antonio Cabrera Carrillo (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Málaga ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Daniel García Vallejo (presid.), Javier Pérez Fernández (secret.), Borna Abramović (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y Eficiencia Energética por la Universidad de Málaga
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RIUMA
- Resumen
El trabajo de la presente tesis se enmarca en el sector ferroviario. Desde su invención, el ferrocarril trajo cambios importantes en las costumbres de las sociedades. A día de hoy, el ferrocarril tiene además un papel significativo en las políticas sociales, económicas, energéticas, etc. de todas las sociedades modernas.
En la actualidad, una de las soluciones más habituales para generar la tracción en los ferrocarriles es mediante motores eléctricos. De todos los sistemas de alimentación eléctrica de trenes existentes, este trabajo se centra en la catenaria rígida. Este sistema está actualmente en expansión, siendo muy valorado por los administradores ferroviarios, pues presenta algunas ventajas frente a los sistemas convencionales, como es el caso de la catenaria flexible. A pesar de sus cualidades, la alimentación mediante catenaria rígida aún no está lo suficientemente desarrollada, pues tiene pendiente mejorar algunos aspectos técnicos relevantes que permitan proporcionar un mejor funcionamiento. Uno de estos aspectos clave es la pobre transmisión de corriente y los problemas de desgaste prematuro en los materiales de contacto que se generan al aumentar la velocidad de explotación de los ferrocarriles.
Esta tesis se propone como objetivo ampliar el conocimiento acerca de la interacción entre pantógrafo y catenaria rígida con el fin de mejorar la transmisión de corriente y reducir los futuros desgastes de los materiales en contacto. Para alcanzar este objetivo se considera necesario disponer de modelos matemáticos validados de catenaria rígida y pantógrafo que permitan simular el comportamiento de la interacción en un amplio rango de configuraciones típicas de operación de este tipo de instalaciones. Los resultados de estas simulaciones permitirán proponer nuevas soluciones de diseño de ambos sistemas que contribuyan a una mayor explotación de las vías y a la reducción de costes de instalación y mantenimiento. Para ello se plantearon tres etapas principales que se enumeran a continuación:
I. Desarrollo de una herramienta basada en algoritmos evolutivos para automatizar el proceso de validación de modelos matemáticos a partir de resultados de ensayos modales experimentales en túnel y laboratorio.
II. Validación de modelos matemáticos de catenaria a partir de la caracterización dinámica con ensayos modales experimentales de un cantón de catenaria rígida realizados en una instalación real de la Red de Cercanías de Málaga en el túnel del Guadalhorce.
III. Estudio de la interacción entre el modelo de catenaria rígida previamente validado y modelos de pantógrafo seleccionados de bibliografía que han sido contrastados por otros equipos de investigación referentes en este campo de estudio.
El algoritmo genético basado en técnicas evolutivas empleado permitió automatizar y optimizar el procedimiento de validación de modelos matemáticos de catenaria rígida a partir de resultados de ensayos modales. Se plantearon un gran número de escenarios equivalentes a instalaciones reales de catenaria rígida. En todos los casos el algoritmo demostró su eficacia a la hora de proporcionar los parámetros del modelo desconocidos. Todos los casos analizados presentaron un error por debajo del 0.5% después de 200 iteraciones. De acuerdo con el análisis de resultados, la herramienta fue considerada efectiva para la validación de modelos matemáticos de catenaria rígida.
Con la ayuda del algoritmo, se procedió a validar un cantón de catenaria rígida real que previamente se había caracterizado mediante ensayos modales experimentales realizados en el laboratorio de la UMA (Universidad de Málaga) y en un tramo de túnel de la red de cercanías de Málaga. Los resultados permitieron obtener el comportamiento dinámico del cantón cubriendo un rango de frecuencia entre 0 y 10 Hz. Los errores cometidos entre el modelo de elementos finitos de catenaria rígida y el comportamiento dinámico real obtenido a través de las pruebas modales experimentales del tramo de catenaria fueron por debajo del 2% en las frecuencias naturales y por encima del 92 % en la correlación de las deformadas modales propias del sistema analizado. Estos resultados avalaban que el comportamiento dinámico del modelo de catenaria rígida era equivalente al comportamiento medido en la realidad.
Tras la validación del modelo de catenaria rígida de un cantón completo se procedió al estudio de la interacción entre pantógrafo y catenaria. Se realizó una selección amplia de pantógrafos con el objetivo de estudiar su influencia en la excitación de la catenaria y las fuerzas de contacto que se generan en la interacción entre ambos sistemas. En todos los casos se obtuvieron las fuerzas de contacto, considerada la magnitud más representativa para el estudio de este tipo de sistemas. El análisis de resultados reveló que las fuerzas de contacto estaban influenciadas por los defectos de montaje a velocidades del pantógrafo superiores a 100 km/h. Así, si la resonancia del pantógrafo no está presente, cuanto menor sea la dispersión de la longitud de vanos, más constantes serán las fuerzas de contacto que se producen durante la interacción entre ambos sistemas. A bajas velocidades la longitud de los vanos y los modelos de pantógrafo tenían poca influencia sobre las fuerzas de contacto. Además, las fuerzas de contacto aumentaban en el seccionamiento de la catenaria. Este fenómeno se volvía más notorio a medida que aumentaba la velocidad de funcionamiento del pantógrafo.
De los pantógrafos analizados se seleccionaron 3 para un estudio en mayor profundidad. Este nuevo estudio se centró en evaluar la influencia en la fuerza de contacto de la velocidad, la precarga aplicada en el pantógrafo y el efecto de diferentes longitudes de vano de la catenaria rígida. El análisis de resultados reveló que cuanto mayor es la velocidad y la longitud de vano, mayores son las fluctuaciones de la fuerza de contacto. Por el contrario el aumento de la precarga conduce a menores oscilaciones de la fuerza de contacto siempre que no estén presentes efectos de resonancia.
Las técnicas y metodología empleadas a lo largo de esta tesis para la caracterización de la superestructura de catenaria rígida y su interacción con el pantógrafo permitieron obtener resultados de alta fiabilidad. Los resultados y conclusiones extendieron el conocimiento en un amplio rango de configuraciones de este tipo de instalaciones y su funcionamiento. Estos resultados fueron contrastados con las entidades ferroviarias y son coincidentes con los principales problemas expuestos a lo largo de los últimos años. Gracias al trabajo realizado será posible abordar líneas futuras que converjan en la mejora de la calidad de las instalaciones y su funcionamiento.
