Metodología y desarrollo de herramientas para el estudio de la interacción pantógrafo catenaria a través de modelos virtuales y su aplicación a sistemas de catenaria rígida

• Autores: Alvaro Calvo Hernandez
• Directores de la Tesis: Juan de Dios Sanz Bobi (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Félez Mindán (presid.), María Luisa Martínez Muneta (secret.), Ernesto García Vadillo (voc.), Juan Carlos García Prada (voc.), César Otero González (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de los ferrocarriles
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen
  • español

    El principal objetivo que se ha planteado para el desarrollo de esta tesis es la generación de una base de conocimientos sobre sistemas de catenaria, en concreto sobre catenaria rígida, a través de la generación de una herramienta de simulación que reproduzca la interacción entre el pantógrafo de un tren y la infraestructura de catenaria. Se ha orientado el desarrollo de este documento a la aportación de pilares de utilidad, principalmente teóricos, metodológicos y prácticos. La principal aportación teórica, al margen de la unificación en un mismo texto de las descripciones generalistas de los sistemas de catenaria, es la identificación de los parámetros necesarios para el desarrollo de la simulación del contacto de dos componentes que se encuentran en movimiento relativo a altas velocidades. Respecto a la metodología aplicada, la ausencia de normativa específica sobre sistemas de catenaria rígida ha obligado a la generación de procedimientos alternativos basados en procesos físicos similares y su extrapolación al problema concreto de la catenaria rígida. De este modo se ha producido una herramienta de gran versatilidad y que ofrece resultados ajustados a la realidad de los diferentes sistemas de electrificación. Por último, y fruto de los estudios realizados durante los primeros años, se ha generado una aportación tecnológica de aplicación práctica sobre sistemas de catenaria rígida, que ha obtenido la concesión de patente mediante examen sustantivo, demostrándose que el entendimiento del proceso físico permite desarrollar alternativas de utilidad para la mejora de la explotación. El análisis de la normativa existente en relación a sistemas de catenaria evidencia una falta de normalización sobre sistemas de catenaria rígida, cuyo uso se ha extendido con los años, especialmente en infraestructura subterránea. Esto ha vinculado la catenaria rígida principalmente a sistemas de metro en el interior de las ciudades, pero existen excepciones en las que los sistemas de catenaria rígida se utilizan al aire libre o sobre infraestructura de Alta Velocidad. La ausencia de textos normativos en el momento de iniciar los estudios es demostración suficiente de la necesidad de desarrollo de una herramienta que proporcione un sistema de cálculo de la interacción entre componentes de catenaria, independientemente de que esta sea flexible o rígida. Para lograr todo ello, y partiendo de las descripciones de los sistemas de catenaria existentes y de sus componentes, se han realizado dos modelos de simulación basados en tecnologías significativamente diferentes. Por un lado, se ha utilizado un software CAD, extensamente empleado para el estudio del comportamiento físico de mecanismos y componentes, y por otro lado se ha realizado un modelo simplificado en base Matlab aplicando la teoría de estructuras y los estudios multicuerpo de mecanismos. Ambos modelos han requerido de la aplicación de simplificaciones enfocadas principalmente a reducir el volumen de cálculos necesarios para la resolución del problema dinámico. También en ambos casos ha existido la posibilidad de aplicar la teoría de elementos finitos, lo que ha permitido establecer una serie de comparativas de calidad de simulación, tanto para procesos estáticos como dinámicos. En este sentido, se ha contado además con la posibilidad de acceder a las instalaciones de ADIF en el Centro de Tecnologías Ferroviarias que se encuentra en Málaga, donde se dispone de una reproducción de un tramo de catenaria rígida instalado en el túnel que une las estaciones de Atocha y Chamartín en la ciudad de Madrid. Sobre este banco de ensayo se han realizado pruebas de carácter estático y dinámico. El primer conjunto de pruebas se ha enfocado a la caracterización de la estructura formada por la viga principal de la catenaria y los soportes que anclan la misma al techo o dovelas. Estos ensayos han permitido evaluar la deformación del conjunto por su propio peso y establecer la mejor caracterización de la unión entre componentes posible. El principal resultado obtenido es en lo referente a los soportes y a la rigidez vertical de los mismos frente a esfuerzos ascendentes, permitiendo simplificar la acción de los mismos dentro del conjunto a un esfuerzo de carácter lineal. El segundo conjunto de pruebas, de carácter dinámico, ha permitido evaluar las deformaciones de la viga principal de la catenaria ante diferentes tipos de excitación. Estos ensayos han permitido identificar los principales modos de resonancia del sistema, conociéndose así las frecuencias de vibración a las que se producen mayores desplazamientos. El aumento del desplazamiento vertical de la viga de catenaria se traduce como inestabilidades a la hora de mantener el contacto entre el pantógrafo y la infraestructura de catenaria, produciendo despegues e impactos no deseables. Considerando globalmente el conjunto de pruebas desarrolladas y los resultados obtenidos de las mismas, se procede a la reproducción del escenario de ensayo en forma de modelos virtuales tanto dentro del software CAD como en la herramienta de Matlab que se ha desarrollado. Se reproducen sobre estos modelos los mismos ensayos que se han realizado sobre las instalaciones de ADIF, de forma que se pueda crear una matriz de comparación de resultados conforme a lo que se recoge en el siguiente esquema. Se crea con esta metodología un modelo de validación mutua que permite evaluar la calidad de los modelos generados frente a una estructura real. La última aportación y comprobación de la calidad de los métodos de simulación desarrollados ha sido gracias a la colaboración en proyectos de investigación de la Universidad Politécnica de Madrid junto a los Ferrocarriles Federales Suizos, proporcionando esta última organización los datos de explotación de un tramo de catenaria rígida en los que se emplea una configuración del sistema de las mismas características que la que se ha empleado como referencia accesible en las instalaciones de ADIF. Por su parte, tanto la necesidad de trabajar en plazos temporales manejables dentro del periodo de desarrollo de la tesis, como la calidad de los resultados obtenidos con la herramienta de simulación de desarrollo propio en base Matlab, han condicionado el uso de esta para su aplicación de forma más concreta. El principal bloque de pruebas de aplicación realizadas, se ha enfocado al estudio de la velocidad máxima de circulación a la que se puede conservar la calidad del contacto entre pantógrafo y catenaria, considerando como variables la distancia entre soportes consecutivos, la distancia entre pantógrafos consecutivos y el tipo de pantógrafo. Como resultado se tienen las siguientes tablas, la primera de ellas para el modelo de pantógrafo de masas reducidas de la norma EN 50318:2003 y la segunda para el modelo de pantógrafo WBL85. La calidad de los resultados recogidos en estas tablas se evidencia al haber sido consideradas para las recomendaciones de velocidad máxima de circulación recogidas en la IRS 70020 de la UIC. Una vez conocido el comportamiento y dinámica del proceso de captación de corriente se ha elaborado una extensión de la herramienta enfocada al mantenimiento predictivo. Con ello se ha conseguido evaluar los perfiles de desgaste que pueden aparecer en las pletinas de contacto que se instalan en los pantógrafos en función de las características geométricas de la instalación de catenaria, incluyendo el descentramiento característico de estos sistemas. Esta extensión ha permitido evaluar diferentes tipos de descentramiento y el efecto que los mismos tienen sobre la vida útil de los componentes. La flexibilidad de la herramienta de cálculo desarrollada, así como los análisis realizados sobre la dinámica del sistema de catenaria rígida, han permitido desarrollar y patentar bajo el número de reserva ES2683778 los compensadores de rigidez que se muestran en este mismo documento. El desarrollo de estos sistemas, capaces de amortiguar las oscilaciones que se producen en la viga principal de catenaria, han sido fruto del desarrollo de la idea de aunar en un mismo sistema de distribución de corriente eléctrica los beneficios que aportan los sistemas de catenaria flexible y rígida. De este modo, separando la viga principal del hilo de cobre a través de un dispositivo elástico, se separa el movimiento del cuerpo de mayor peso del cuerpo de contacto permanente con el pantógrafo, permitiendo una fuerza de contacto estable a lo largo de la circulación y mejorando las previsiones de vida útil. En todo su conjunto, y como puede observarse a través de la lectura de este documento, se ha logrado, partiendo del conocimiento recogido en multitud de bases de información, aunar dicha información y aplicarla de forma práctica a la generación de herramientas de simulación que han permitido a su vez el desarrollo de patrones de explotación en función de las instalaciones de infraestructura y, adicionalmente, propuestas tecnológicas alternativas de instalación que permitirán mejorar las condiciones de explotación, tanto en durabilidad como en capacidad de transporte y velocidad de circulación

  • English

    Main objective that has been set for the development of this thesis is the generation of a knowledge base on catenary systems. Most of the effort will be focused on overhead contact rails through the generation of a simulation tool that reproduces the interaction between the pantograph of a train and overhead catenary infrastructure. The development of this document has been oriented towards the contribution of three pillars: theoretical, methodological and practical. The theoretical contribution aside from the unification in the same text of the general descriptions of catenary systems is the identification of the necessary parameters for the development of simulations of the contact of two components that are in relative movement at high speeds. Regarding the applied methodology, the absence of specific regulations on overhead contact rail systems has forced the generation of alternative procedures based on similar physical processes and their extrapolation to the specific problem of the overhead contact rail. In these terms, a highly versatile tool has been produced. This tool offers results that are proven to be adjusted to different electrification systems. Finally, and as a result of the studies carried out during the first years, a technological contribution of practical application on overhead contact rail systems has been generated, which has obtained the granting of a patent through objective examination, demonstrating that the understanding of the physical process allows the development of technological alternatives that may improve the operation. The analysis of the existing regulations in relation to catenary systems shows a lack of standardization on overhead contact line systems. Its use has spread over the recent years especially in underground infrastructure. This has linked the overhead contact rail systems mainly to underground infrastructure inside cities, but there are exceptions in which the overhead contact rail systems are used outdoors or on High Speed infrastructure. The absence of regulatory texts at the time of starting the studies is sufficient proof of the need to develop a tool that provides a system for calculating the interaction between catenary components, regardless of whether it is flexible or rigid. Starting from the descriptions of the existing catenary systems and their components two simulation models based on significantly different technologies have been developed. On the one hand, a CAD software has been used, widely used for the study of the physical behavior of mechanisms and components. On the other hand, a simplified model has been developed based on Matlab applying the theory of structures and multibody studies of mechanisms. Both models have required the application of simplifications focused mainly on reducing the volume of calculations necessary to solve the dynamic problem. In both cases FEM has been applied, which has made it possible to establish a series of comparisons in terms of simulation quality, both for static and dynamic processes. In this sense, there has also been possible to access to the ADIF facilities at the Center for Railway Technologies located in Malaga, where there is a reproduction of an overhead contact rail section just like the one installed in the tunnel that joins the stations of Atocha and Chamartín in the city of Madrid. Static and dynamic tests have been carried out on this test bench. The first set of tests has been focused on the characterization of the structure formed by the main beam of the catenary and the supports that anchor it to the roof or voussoirs. These tests have made it possible to evaluate the deformation of the assembly under its own weight and to establish the best possible characterization of the joint between components. Main result obtained is related to the supports and their vertical stiffness against upward forces, allowing to simplify their action within the set to a linear force. The second set of tests, of a dynamic nature, are focused on evaluating the deformations of the main beam of the catenary under different force patterns. These tests have made it possible to identify the main resonance modes of the system, thus knowing the vibration frequencies at which the greatest displacements occur. The increase in the vertical displacement of the catenary beam translates into instabilities when maintaining contact between the pantograph and the catenary infrastructure, producing undesirable losses of contact and impacts. Globally considering the set of tests developed and the results obtained from them, the test scenario is reproduced in the form of virtual models both within the CAD software and in the Matlab tool that has been developed. The same tests that have been carried out on the ADIF facilities are reproduced on these models, so that a results comparison matrix can be created in accordance with what is shown in the following diagram. With this methodology, a parallel validation model is created allowing to evaluate the quality of the generated models against a real structure. The latest contribution and verification of the quality of the simulation methods developed has been possible thanks to the collaboration in research projects of the Polytechnic University of Madrid together with the Swiss Federal Railways. Latter organization has provided the project with exploitation data of an overhead contact rail section with a system configuration of the same characteristics as the one used as a reference located in ADIF facilities. Both the need to work within manageable time frames within the development period of the thesis and the quality of the results obtained with the self-developed simulation tool based on Matlab have conditioned the final research results. The main block of application tests carried out has been focused on the study of the maximum running speed at which the quality of the contact between pantograph and catenary can be preserved, considering as variables the distance between consecutive supports, the distance between consecutive pantographs and the type of pantograph. As a result, the following tables are obtained. First one is for the pantograph model described in EN 50318:2003 standard and the second for the WBL85 pantograph model. The quality of the results collected in these tables is evidenced by the fact that they have been considered for the maximum running speed recommendations included in IRS 70020 of the UIC. Once the behavior and dynamics of the current collection process are known, an extension of the tool focused on predictive maintenance has been developed. It has been possible to evaluate the wear profiles that may appear in the contact platens that are installed in the pantographs depending on the geometric characteristics of the catenary installation, including the characteristic offset of these systems. This extension has allowed the evaluation of different types of stagger and the effect they may have on lifecycle of components. The flexibility of the calculation tool developed, as well as the analyzes carried out on the dynamics of the overhead contact rail system, have allowed the stiffness compensators shown in this document to be developed and patented under reservation number ES2683778. The development of this system, focused on the management of the oscillations that occur in the main catenary beam, has been the result of the development of the idea of combining in the same electrical current distribution system the benefits provided by flexible catenary systems and rigid ones. By separating the main beam from the copper wire through an elastic device, the movement of the body with the greatest weight is isolated from the body in permanent contact with the pantograph, allowing a stable contact force throughout the displacement and improving useful life forecasts. As a whole, it has been possible to combine many knowledge sources and apply them in a practical way to the generation of simulation tools that have in turn allowed the development of operating patterns based on the infrastructure facilities.