Modelado no Lineal de Pantógrafo. Simulación Dinámica Pantógrafo-Catenaria

Abstract

[EN] In this thesis, a rigid-bodies pantograph dynamic model is developed. After obtaining the motion equation system, it is linearized around a given position in order to validate the use of lumped masses models. A flexible-bodies model is also elaborated with the aid of the commercial software ANSYS. In this model, the influence of the rod's flexibility in the dynamic behavior of the mechanism is taken into account. These three models, the rigid-bodies, the linearized and the flexible-bodies model, are compared by means of temporal response and frequency response. The interaction between pantograph and catenary is studied after the analysis of the pantograph model. The finite element method is used with absolute nodal coordinates to model the overhead collecting system. Then, a temporal integration algorithm is presented, which is able to deal with any model non-linearities. Finally, some simulation results using the rigid-bodies model of pantograph are shown. The simulations evidence the effect of different non-linearities of the pantograph model in the contact force with the contact wire. Specifically, the presence of friction in the vertical movement of the pan head and the effect of an unidirectional damper are discussed

[ES] En este trabajo se desarrolla un modelo dinámico de pantógrafo de barras rígidas. Tras obtener las ecuaciones del movimiento del sistema, estas se linealizan en torno a una posición dada con el fin de poder validar el uso de modelos lineales de masas concentradas. También se elabora un modelo de barras flexibles con el software comercial ANSYS para poder analizar la influencia de la flexibilidad de las barras en la dinámica del mecanismo. Estos tres modelos, el no lineal de barras rígidas, el linealizado, y el de barras flexibles, son comparados a nivel de respuesta temporal y de respuesta en frecuencia. Una vez analizado el modelo de pantógrafo, se pasa a la interacción entre este y la catenaria. Para modelar el sistema de cableado aéreo se utiliza el método de los elementos finitos en coordenadas nodales absolutas. A continuación, tras introducir el algoritmo de integración temporal que admite cualquier no linealidad, se muestran distintos resultados de simulaciones utilizando el modelo de pantógrafo no lineal de barras rígidas. Con ellas se pone de manifiesto la influencia en la fuerza de contacto entre pantógrafo y catenaria de diferentes no linealidades del modelo de pantógrafo, aparte de la propia geometría del mismo. En concreto, la presencia de rozamiento en el movimiento vertical de la mesilla y el efecto de que el amortiguador sea unidireccional son discutidos.

[CA] En aquest treball es desenvolupa un model dinàmic de pantògraf de barres rígides. Una vegada obtingudes les equacions del moviment del sistema, aquestes es linealitzen al voltant d'una posició qualsevol amb la finalitat de poder validar l'ús de models linials de masses concentrades. També s'elabora un model de barres flexibles amb el software comercial ANSYS per a poder analitzar la influència de la flexibilitat de les barres en la dinàmica del mecanisme.

Aquests tres models, el no linial de barres rígides, el linialitzat, i el de barres flexibles, son comparats a nivell de resposta temporal i de resposta en freqüència.

Una vegada analitzat el model de pantògraf, es passa a la interacció entre aquest i la catenaria. Per a modelar el sistema de cablejat aeri s'utilitza el mètode dels elements finits amb coordenades nodals absolutes. A continuació, després d'introduir l'algoritme d'integració temporal que admet qualsevol no linialitat, es mostren diferents resultats de simulacions en les que s'ha emprat el model de pantògraf no linial de barres rígides.

Amb aquestes simulacions es posa de manifest la influència en la força de contacte entre pantògraf i catenaria de diferents no linialitats del model de pantògraf, abanda de la propia geometria del mecanisme. Concretament, es dicuteix la presència de fregament en el moviment vertical del col·lect