鉄道輸送の新時代に向けた架空設備装置の改善

鉄道網はインドの交通システムのバックボーンであり、遠隔地の村や町と全国の大都市を結んでいます。最近の政府のイニシアチブは、2030年までにネットワーク全体を刷新して近代化することを目指しており、過去2年間で、鉄道システムに多くの変化がもたらされました。

技術的な観点から、インドの鉄道には2つの注目すべき変化が予想されます。それは、電気および太陽光発電の列車の導入と、列車の運行速度の100 km / hから160〜220 km/hへの増加です。これらの計画をサポートするには、既存のインフラストラクチャと、カテナリー線や連絡線などの架空設備（OHE）、パンタグラフアセンブリなどのコンポーネントに適切な変更を加える必要があります。

さまざまなセクターにエネルギーソリューションを提供するRaychemRPGには、進化する鉄道ネットワークの困難な要件を満たすことができる製品に取り組んでいる専任チームがいます。 Ishant Jainが率いる科学者と研究者のチームは、マルチフィジックスシミュレーションを使用して、鉄道の架空設備の最も重要なコンポーネントの2つであるオートテンションデバイス（ATD）とモジュラーカンチレバー（MC）の設計を改善しました。

鉄道OHE線の保護

電気鉄道システムでは、電力は線路の全長に沿って走る架空線によって供給されます。この電力は、機関車の上部に取り付けられた集電装置であるパンタグラフによって列車に伝達されます。 ATD（図1、左）は、自動張力のメカニズムを提供し、接触線の終端点として機能します。接触線の長さは変動するため、張力が必要です。接触線は主に、気温の変動により膨張および収縮しやすい銅ベースの合金で作られています。

架空送電線の導体は、非常に特定の張力値で設置されます。この張力は時間とともに変化し、周囲温度に密接に依存します。張力がないと、架空線がたるんだり引き締まったりして、パンタグラフが絡まったり、架空設備（OHE）線が折れたりします。

同様に、架空送電線MCは、架空送電線（つまり、カテナリー（1000/1200 kgf張力）、接触（1000/1200 kgf張力）、およびスポイト）のアセンブリをサポートして、全体的な曲げ、横方向、および垂直方向の荷重を伝達するように設計されています。絶縁体を介してマストに接続します（図1、右）。典型的なカンチレバーは、最大250 km/hの列車速度で通電アセンブリをサポートするのに十分な軽量で頑丈です。これらの機能要件に加えて、メンテナンスのしやすさ、輸送、取り扱い、および美観も考慮する必要があります。

鉄道コンポーネントの設計上の課題

高速での鉄道乗客の安全を確保するために、ATDには厳しい設計要件があります。 ATD設計の正確性と効率を実験的に判断するために、プルアウトテストが実行されます。このようなテストには大規模な実験セットアップが必要ですが、これは常に実際に実行可能ではありません。 Raychemイノベーションセンター（RIC）で働くRaychem RPGのチームは、サービス、組み立て、およびメンテナンスを容易にしながら、軽量で温度変動に非常に敏感なATDの設計を担当しました。

さらに、ヨーロッパおよびアメリカの市場から輸入できるMCはかさばり、多くの補助コンポーネントが含まれています。 「MakeinIndia」政府のイニシアチブの一環として、Raychemチームの目的は、材料を効率的に使用することで構造の完全性を確保しながら、これらの補助コンポーネントを排除する新しい設計を考案することでした。これにより、最終的にコストと重量が削減されます。両方の設計目標を達成するために、Raychemチームは、さまざまなアイデアを生成および概念化するために、問題に対する革新的な解決策を考え出すための理論であるTRIZを使用しました。次に、鉄道の標準に従って最適化と設計検証を行うために、COMSOLのCOMSOLMultiphysics®ソフトウェアを使用しました。

順調に進む：COMSOLMultiphysicsを使用した分析の実行

Raychemチームは、COMSOL Multiphysicsとそのアドオンモジュールを使用して、ATDの個々のコンポーネントを構造的に最適化すると同時に、マルチボディ分析を実行して、システムレベルの分析のためにこれらのコンポーネントの結合運動を研究しました。チームは最初に典型的なアセンブリをインポートし（図2）、次に動的負荷の影響を説明するために適切な境界条件を適用しました。彼らは、ばね力の変化とともにアウターケーブルの張力を見つけるための研究を行いました。分析の結果（図3）は、ケーブルの変位と張力を表しています。緊張は変わらず、プロジェクトの目的の1つを達成していることがはっきりとわかります。

モジュラーカンチレバーの場合、初期モデルがCOMSOLMultiphysicsにインポートされました。カンチレバーモデルを分析しているときに、チームはMCがかなりかさばり、応力が不均一に分散していることにすぐに気付きました。次に、設計の構造最適化を実行し、多変数最適化を実行しました。ここでは、総ひずみエネルギーの最小化が、総質量基準の最小化とともに目的関数として設定されます。

トポロジー最適化を使用すると、システムの質量は、設計仕様に違反することなく、初期の形状（図4、左）と比較して75％削減されました。次に、最適化研究を使用して3Dモデルを作成し、その後、静的および動的な構造荷重（図4、右）を適用して、時速250kmで移動する列車の衝撃をエミュレートしました。

前進：構造分析がチームにどのように役立ったか

シミュレーション分析の観察結果を使用して、ATDアセンブリ全体が完全に再設計され、アセンブリサイズが50％縮小された折りたたみ式の設計が組み込まれました。さらに、チームは金属ばねを、構造力学モジュールとCOMSOLMultiphysicsのアドオンであるNonlinearStructuralMaterialsModuleを使用して設計されたポリマーばねに置き換えました。これらすべての設計変更により、アセンブリ全体の重量が80％減少しました。 「ATDで実行した構造解析とマルチボディ解析の助けを借りて、コンポーネントの数を以前の設計の20からわずか8に減らすことができました」とJain氏は述べています。

さらに、COMSOL Multiphysicsのトポロジー最適化の助けを借りて、従来のオーバーヘッドモジュラーカンチレバーを最適化するためのシミュレーションモデルが確立されました。得られたモデルは、簡略化された設計コンセプトを作成するために使用され、その後、強度と振動モードの観点から詳細な構造解析が行われ、最適化された結果が検証されました。シミュレーションは、コンポーネントの数を12から5に減らし、重量を約33％削減することで、設計の複雑さを軽減するのに役立ちました。

提案された2つの設計のうち、インド鉄道委員会はすでに1つの設計を受け入れており、もう1つの設計は承認段階にあります。 Jain氏によると、「COMSOLを使用したモジュラーカンチレバーアセンブリの構造最適化により、Raychemはさまざまな設計で4つの特許を取得することができました。」

今後10年間にインドの鉄道インフラストラクチャに変更が予想されるため、Raychemのチームは現在、COMSOL Multiphysicsを使用して、インド鉄道向けの新しいOHE製品を開発しています。エネルギーユーティリティおよび石油およびガスセクターのプロジェクトに加えて、鉄道システムは現在、RaychemRPGがマルチフィジックスシミュレーションの力を備えた革新的なソリューションを提供し続けるもう1つの専門分野です。

この記事は、マサチューセッツ州バーリントンのCOMSOL、Inc.によって寄稿されました。詳細については、をご覧ください。 ここ 。