Optimización de una catenaria ferroviaria utilizando algoritmos genéticos

Abstract

[EN] The variation of the interaction force between the pantograph and the railway catenary determines the quality of the electric current catchment of this system. That variation can be estimated as of the dynamic simulation of the contact problem due to the interaction between the pantograph and the railway catenary. The main objetive of this paper is to analyse the results for five real catenaries. After the imposition of the required data and parameters that define the finite elements model of the catenary, as well as the dynamic variables of the problem, the non-lineal dynamic problem is solved in different speeds of circulation, for every catenary proposed. By using optimization genetic algorithms, it is expected to minimize the typical deviation of the obtained contact force in the simulations, which is the objetive function of the problem, as it represents the main parameter determining the quality of electric current catchment. At the same time, the obtained results will be evaluated in order to compare them between the nominal and optimized configuration. These results attend the contact force versus time and speed, the typical deviation of this force and finally the maximum vertical displacement for the central post of the catenary. The variables considered in the optimization process are susceptible to be modified in the real catenaries, like the position or length of the droppers. The finite elements model has been developed in the Mechanical and Materials Engineering Department at Universidad Politécnica de Valencia and the start point is the dynamic formulation of the problem commented as well as the genetic algorithm in Matlab being carried out in the Department. Consequently, this paper has the intention of validate the methods of study of the problem regarding the interaction between the pantograph and the system comprised by the railway catenary. The Master Thesis then verify and test the existent procedures to study this dynamic phenomena and it is of real application to actual catenaries. Besides, the results are of interest both theoretically and in a practical point of view since they help to validate the proposed methods for the study of the dynamic behaviour of railway catenaries and also to present real results. In every railway catenary simulated important improvements have been obtained at optimization speed, but also at other values of speed.

[ES] La variación de la fuerza de interacción entre el pantógrafo y la catenaria ferroviaria es un factor que determina la calidad de captación de corriente de este sistema. Esa variación se puede estimar a partir de la simulación dinámica del problema de contacto debido a la interacción entre pantógrafo y catenaria ferroviaria. En el presente Trabajo Fin de Máster se han simulado y analizado los resultados que se obtienen de dicho problema dinámico con el objetivo de poder analizar cinco líneas aéreas reales. Tras imponer los parámetros necesarios que definen el modelo de elementos finitos de la catenaria así como las variables dinámicas del problema, se resuelve el problema dinámico no lineal a diversas velocidades de simulación para todas las catenarias propuestas. El objetivo pues del trabajo es optimizar la geometría de las catenarias para obtener un funcionamiento más satisfactorio del sistema simulado. Con ello se pretende mediante el uso de algoritmos genéticos de optimización minimizar la desviación típica de la fuerza de contacto obtenida en la simulación, que será la función objetivo de dicho algoritmo por ser el parámetro que determina de una forma más relevante la calidad de la captación de corriente. Al mismo tiempo se pretenden evaluar los resultados hallados en las mismas condiciones de cálculo para las catenarias tras la optimización, para poder comparar resultados. Estos resultados son las fuerzas de contacto obtenidas frente al tiempo y velocidad, la desviación típica de dicha fuerza de contacto además de los desplazamientos verticales máximos del brazo de registro central de la catenaria. Las optimizaciones se formulan tomando como variable parámetros que son susceptibles de modificarse en la realidad, como la posición y longitudes de las péndolas del vano. El modelo de elementos finitos de la catenaria se ha desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales de la Universidad Politécnica de Valencia y al mismo tiempo se parte de los desarrollos efectuados en este departamento en lo referente al planteamiento dinámico del problema además del algoritmo genético empleado para la optimización de las catenarias ferroviarias en Matlab. Por tanto, este trabajo supone una puesta en práctica y validación de los métodos que se han desarrollado con el fin de estudiar en profundidad la interacción dinámica entre el pantógrafo y el sistema constituido por la línea aérea de contacto. Los resultados obtenidos en el TFM validan los procedimientos existentes en lo referente al estudio del comportamiento dinámico del problema citado, por ser de aplicación a líneas aéreas reales. Dichos resultados son en consecuencia de interés tanto desde un punto de vista teórico al validar los métodos que se han utilizado en el trabajo y que se han desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales como práctico puesto que son referentes a problemas basados en configuraciones reales. Se obtienen mejoras en todas las catenarias simuladas a las velocidades de optimización, siendo estas mejoras importantes en algunos casos.

[CA] La variació de la força d'interacció entre el pantògraf i la catenària ferroviària és un factor que determina la qualitat de captació de corrent d'aquest sistema. Aquesta variació es pot estimar a partir de la simulació dinàmica del problema de contacte a causa de la interacció entre pantògraf i catenària ferroviària. En el present Treball Fi de Màster s'han simulat i analitzat els resultats que s'obtenen d'aquest problema dinàmic amb l'objectiu de poder analitzar cinc línies aèries reals. Després imposar els paràmetres necessaris que defineixen el model d'elements finits de la catenària així com les variables dinàmiques del problema, es resol el problema dinàmic no lineal a diverses velocitats de simulació per a totes les catenàries propostes. L'objectiu doncs del treball és optimitzar la geometria de les catenàries per obtenir un funcionament més satisfactori del sistema simulat. Amb això es pretén mitjançant l'ús d'algoritmes genètics d'optimització minimitzar la desviació típica de la força de contacte obtinguda en la simulació, que serà la funció objectiu d'aquest algoritme per ser el paràmetre que determina d'una manera més rellevant la qualitat de la captació de corrent. Alhora es pretenen avaluar els resultats trobats en les mateixes condicions de càlcul per a les catenàries després de la optimització, per poder comparar resultats. Aquests resultats són les forces de contacte obtingudes enfront del temps i velocitat, la desviació típica d'aquesta força de contacte a més dels desplaçaments verticals màxims del braç de registre central de la catenària. Les optimitzacions es formulen prenent com a variable paràmetres que són susceptibles de modificar-se en la realitat, com la posició i longituds de les pèndoles del va. El model d'elements finits de la catenària s'ha desenvolupat en el Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials de la Universitat Politècnica de València i al mateix temps es parteix dels desenvolupaments efectuats en aquest departament pel que fa al plantejament dinàmic del problema a més de l'algoritme genètic emprat per a l'optimització de les catenàries ferroviàries en Matlab. Per tant, aquest treball suposa una posada en pràctica i validació dels mètodes que s'han desenvolupat amb la finalitat d'estudiar en profunditat la interacció dinàmica entre el pantògraf i el sistema constituït per la línia aèria de contacte. Els resultats obtinguts en el TFM validen els procediments existents pel que fa a l'estudi del comportament dinàmic del problema esmentat, per ser d'aplicació a línies aèries reals. Aquests resultats són en conseqüència d'interès tant des d'un punt de vista teòric en validar els mètodes que s'han utilitzat en la Tesi i que s'han desenvolupat en el Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials com pràctic ja que són referents a problemes basats en configuracions reals. S'obtenen millores en totes les catenàries simulades a les velocitats d'optimització, sent aquestes millores importants en alguns casos