Modelado de un pantógrafo ferroviario mediante el método de los elementos finitos

Abstract

[ES] El pantógrafo es el mecanismo de barras articuladas situado en la parte superior de la locomotora que mediante el contacto con la catenaria se encarga de suministrar la potencia a los motores de un tren eléctrico. En las últimas décadas, este fenómeno de interacción dinámica entre pantógrafo y catenaria ha sido ampliamente estudiado mediante simulaciones numéricas en las que la catenaria se suele modelar con elementos finitos mientras que para el pantógrafo se utilizan modelos lineales de parámetros concentrados de pocos grados de libertad. Este tipo de modelos de pantógrafo son suficientes cuando se analiza el comportamiento dinámico a bajas frecuencias, generalmente por debajo de 20 Hz. Sin embargo, hay fenómenos como el desgaste del hilo de contacto o los despegues de este que generan arcos eléctricos que exigen modelos más precisos a frecuencias superiores. De esta forma, en este Trabajo Final de Grado se propone la elaboración de un modelo de elementos finitos del pantógrafo DSA-380 mediante el uso del software comercial ANSYS. En primer lugar, se realizará un modelo bidimensional para posteriormente elaborar un modelo tridimensional incluyendo la flexibilidad de las barras y diferentes no-linealidades asociadas a la geometría del mecanismo, al amortiguador o al rozamiento entre componentes móviles. Con el modelo elaborado se obtendrán los modos de vibración que caracterizan el comportamiento dinámico del sistema, así como la función de respuesta en frecuencia de diferentes puntos de interés para analizar el efecto que tienen parámetros como la flexibilidad de las barras o las no-linealidades consideradas.

[EN] The pantograph is the hinged bar mechanism located at the top of the locomotive which, through contact with the catenary, is responsible for supplying power to the motors of an electric train. In recent decades, this phenomenon of dynamic interaction between pantograph and catenary has been extensively studied by means of numerical simulations in which the catenary is usually modelled with finite elements while linear models of concentrated parameters with few degrees of freedom are used for the pantograph. This type of pantograph models are sufficient when analysing the dynamic behaviour at low frequencies, generally below 20 Hz. However, there are phenomena such as contact wire wear or wire detachments that generate electric arcs that require more accurate models at higher frequencies. Thus, this Final Degree Project proposes the development of a finite element model of the DSA-380 pantograph using the commercial software ANSYS. This is a three-dimensional model that includes the flexibility of the bars and different non-linearities associated with the geometry of the mechanism, the damper or the friction between moving components. With the model developed, the vibration modes that characterise the dynamic behaviour of the system are obtained, as well as the frequency response function of different points of interest in order to analyse the effect of parameters such as the flexibility of the bars or the non-linearities considered, validating the results with experimental measures till 20 Hz.

[CA] El pantògraf és el mecanisme de barres articulades situat en la part superior de la locomotora que mitjançant el contacte amb la catenària s'encarrega de subministrar la potència als motors d'un tren elèctric. En les últimes dècades, aquest fenomen d'interacció dinàmica entre pantògraf i catenària ha sigut àmpliament estudiat mitjançant simulacions numèriques en les quals la catenària se sol modelar amb elements finits mentre que per al pantògraf s'utilitzen models lineals de paràmetres concentrats de pocs graus de llibertat. Aquest tipus de models de pantògraf són suficients quan s'analitza el comportament dinàmic a baixes freqüències, generalment per davall de 20 Hz. No obstant això, hi ha fenòmens com el desgast del fil de contacte o els enlairaments d'aquest que generen arcs elèctrics que exigeixen models més precisos a freqüències superiors. D'aquesta manera, en aquest Treball Final de Grau es proposa l'elaboració d'un model d'elements finits del pantògraf DSA-380 mitjançant l'ús del programari comercial ANSYS. Es tracta d'un model tridimensional que inclou la flexibilitat de les barres i diferents no-linealitats associades a la geometria del mecanisme, a l'amortidor o al fregament entre components mòbils. Amb el model elaborat s'obtenen les maneres de vibració que caracteritzen el comportament dinàmic del sistema, així com la funció de resposta en freqüència de diferents punts d'interés per a analitzar l'efecte que tenen paràmetres com la flexibilitat de les barres o les no-linealitats considerades, validant el resultat amb medides experimentals fins 20 Hz.