Wind effects on the dynamic interaction between pantograph and overhead contact lines

Abstract

La función del sistema catenaria-pantógrafo es aportar de forma continua y fiable energía al tren. La respuesta temporal de la fuerza de contacto entre el hilo de contacto y las bandas del pantógrafo es crítica para evaluar la calidad del contacto y, por lo tanto, la calidad de la energía transmitida. Debido a que el sistema catenaria-pantógrafo conlleva una importante inversión económica, este sistema debería ser diseñado para asegurar una larga duración de servicio con un mínimo coste de mantenimiento y una calidad de energía satisfactoria.

Los desarrollos recientes en el transporte ferroviario permiten competir con la aviación (cubre más de 700 km en un tiempo competente y entre los centros de las ciudades) pero también se enfrenta con problemas que eran irrelevantes para bajas velocidades de servicio. En particular, los efectos de las cargas de viento sobre la catenaria ferroviaria han adquirido tal importancia en los últimos años que las principales compañías europeas fijan límites en la velocidad del tren en función de la velocidad del viento. Además, el efecto del viento es uno de los aspectos principales de diseño para asegurar la interoperabilidad ya que no cualquier pantógrafo se ajusta a los requerimientos de contacto en las diferentes localizaciones.

En este marco, las técnicas de simulación pueden aportar beneficions tecnológicos y económicos, especialmente considerando la precisión que los métodos numéricos pueden alcanzar actualmente. Por tanto, el objetivo de esta tesis es el desarrollo de un modelo de simulación que incorpore las cargas de viento y tenga en cuenta las no-linealidades del sistema. Este objetivo implica la consecución de dos hitos principales:

1. El desarrollo de un modelo tridimensional de la dinámica de la interacción catenaria-pantógrafo: se ha implementado un modelo de elementos finitos basado en la formulación co-rotacional para esta aplicación en particular lo que supone el sistema de la catenaria y el contacto con el pantógrafo, basado en el método del penalti. Las simulaciones dinámicas del modelo con una velocidad del vehículo de 250 km/h y 300 km/h satisfacen los requisitos de la norma europea EN50318.

2. La caracterización de las cargas de viento: considerando la naturaleza estocástica de la velocidad del viento, distintos modelos de simulación se han analizado para obtener señales de viento que reproduzcan su velocidad de forma realista. A partir de ésta, la carga de viento se calcula de forma que su definición sea coherente con la formulación co-rotacional.

Una vez completados estos dos puntos es possible obtener conclusiones sobre el efecto del viento en la interacción catenaria-pantógrafo bajo distintas condiciones de ángulo de ataque y velocidades del viento y del vehículo. Este efecto se ha evaluado sobre la fuerza de contacto y el desplazamiento vertical en los postes y lateral en el hilo de contacto tal que los resultados obtenidos permiten establecer criterios prácticos de cara a la interoperabilidad.

The function of the catenary-pantograph system is providing continuously and reliably the energy supply for the train. The temporal response of the contact force between the strips of the pantograph and the contact wire is critical to assess the quality of the contact and thus the quality of the transmitted energy. Due to the fact that the catenary-pantograph system involves a high economic investment, this system should be designed to ensure a long service life with minimal maintenance cost and satisfactory quality of the contact.

Recent developments in railway transport allow competing with aviation (it covers more than 700km in good times and between city centers) but also lead into the appearance of new problems that were irrelevant at lower train speeds but cause operability problems in high speed performances. In particular, wind load effects on overhead catenary line have acquired more importance in recent years such that the main European railways companies establish limits on the velocity of the train fed through this system depending on wind speed. Moreover, wind effect is one of the most important aspects of design to ensure the interoperability such that not every width of the pantograph fits contact requirements in the different countries.

In these respects simulation techniques can yield technological and economical benefits, specially taking into account the precision that numerical methods can achieve nowadays. Thus, this thesis aims at developing a simulation model which considers wind load and is capable of gathering the whole set of non-linearities involved in the problem and this target entails two main milestones:

1. The development of a 3D model of the dynamics involved in the catenary-pantograph interaction: a finite element model based on corotational formulation has been developed for this particular application which involves the catenary line and a penalty contact element. Dynamic simulations of the model at a train speed of 250 km/h and 300 km/h fulfill the requirements of the European Standard EN50318.

2. The characterization of wind loads: Due to the stochastic nature of wind speed, different simulation models of wind have been analyzed in order to obtain wind speed signals that reproduce realistic wind velocity. From this variable, wind load is computed such that its definition is coherent with co-rotational formulation.

The achievement of these two points allows drawing conclusions about the effect of wind on catenary-pantograph interaction under different conditions of angle of attack and wind and train speeds. This effect has been evaluated on the contact force, uplift at the masts and lateral displacement and the obtained results permit practical criteria to be established.