Meningkatkan Perangkat Peralatan Overhead untuk Era Baru Transportasi Kereta Api

Jaringan kereta api adalah tulang punggung sistem transportasi di India, menghubungkan desa dan kota terpencil dengan kota metropolitan di seluruh negeri. Inisiatif pemerintah baru-baru ini bertujuan untuk mengubah dan memodernisasi seluruh jaringan pada tahun 2030 dan beberapa tahun terakhir telah membawa banyak perubahan pada sistem perkeretaapian.

Dari perspektif teknologi, dua perubahan penting dapat diharapkan pada perkeretaapian India:pengenalan kereta listrik dan bertenaga surya dan peningkatan kecepatan operasi kereta api dari 100 km/jam menjadi 160–220 km/jam. Untuk mendukung rencana ini, modifikasi yang sesuai harus dilakukan pada infrastruktur dan komponen yang ada seperti peralatan overhead (OHE) termasuk saluran catenary dan kontak serta rakitan pantograf.

Raychem RPG, yang menyediakan solusi energi untuk berbagai sektor, memiliki tim khusus yang mengerjakan produk yang dapat memenuhi persyaratan menantang dari jaringan kereta api yang berkembang. Tim ilmuwan dan peneliti, yang dipimpin oleh Ishant Jain, menggunakan simulasi multifisika untuk meningkatkan desain perangkat autotensioning (ATD) dan kantilever modular (MC) — dua komponen paling penting dari peralatan overhead perkeretaapian.

Melindungi Jalur Kereta Api OHE

Dalam sistem kereta api listrik, daya disuplai oleh saluran udara yang membentang di sepanjang jalur kereta api. Kekuatan ini ditransfer ke kereta melalui pantograf, yang merupakan pengumpul arus yang dipasang di atas lokomotif. ATD (Gambar 1, kiri) menyediakan mekanisme untuk tegangan otomatis dan berfungsi sebagai titik terminasi untuk saluran kontak. Ketegangan diperlukan pada garis kontak karena variasi panjangnya:Garis kontak terutama terbuat dari paduan berbasis tembaga yang rentan terhadap ekspansi dan kontraksi karena variasi suhu atmosfer.

Konduktor saluran udara dipasang dengan nilai tegangan yang sangat spesifik. Ketegangan ini bervariasi dari waktu ke waktu dan sangat tergantung pada suhu lingkungan. Tidak adanya tegangan menyebabkan saluran udara melorot atau mengencang, yang menyebabkan terjeratnya pantograph atau putusnya saluran overhead equipment (OHE).

Demikian pula, MC overhead dirancang untuk mendukung perakitan kabel transmisi daya overhead — yaitu, catenary (ketegangan 1000/1200 kgf), kontak (ketegangan 1000/1200 kgf), dan dropper — untuk mentransfer beban lentur, transversal, dan vertikal secara keseluruhan. ke tiang melalui isolator (Gambar 1, kanan). Kantilever klasik ringan dan cukup kuat untuk mendukung rakitan pembawa arus dengan kecepatan kereta hingga 250 km/jam. Selain persyaratan fungsional tersebut, kemudahan perawatan, transportasi, penanganan, dan estetika juga perlu diperhatikan.

Tantangan Desain untuk Komponen Kereta Api

Untuk memastikan keselamatan penumpang kereta api pada kecepatan tinggi, ATD memiliki persyaratan desain yang ketat. Untuk menentukan kebenaran dan efisiensi desain ATD secara eksperimental, uji tarik dilakukan. Pengaturan eksperimental yang besar diperlukan untuk pengujian semacam itu, yang secara praktis tidak mungkin dilakukan setiap saat. Tim di Raychem RPG, yang bekerja di Raychem Innovation Center (RIC), ditugaskan untuk merancang ATD yang ringan dan sangat sensitif terhadap fluktuasi suhu, sekaligus memberikan kemudahan servis, perakitan, dan pemeliharaan.

Selain itu, MC yang dapat diimpor dari pasar Eropa dan Amerika berukuran besar dan mencakup banyak komponen tambahan. Sebagai bagian dari inisiatif pemerintah "Make in India", tujuan tim Raychem adalah menghasilkan desain baru untuk menghilangkan komponen tambahan ini sambil memastikan integritas struktural dengan menggunakan material secara efisien, yang pada akhirnya menghemat biaya dan mengurangi berat. Untuk mencapai kedua tujuan desain, tim Raychem menggunakan TRIZ, sebuah teori untuk menghasilkan solusi inovatif untuk masalah, untuk menghasilkan dan mengkonseptualisasikan berbagai ide. Mereka kemudian beralih ke perangkat lunak COMSOL Multiphysics® dari COMSOL untuk pengoptimalan dan validasi desain sesuai standar perkeretaapian.

Tetap di Jalur:Melakukan Analisis dengan COMSOL Multiphysics

Menggunakan COMSOL Multiphysics dan modul tambahannya, tim Raychem secara struktural mengoptimalkan komponen individu ATD, sementara juga melakukan analisis multibody untuk mempelajari gerakan gabungan komponen ini untuk analisis tingkat sistem. Tim pertama-tama mengimpor rakitan tipikal (Gambar 2) dan kemudian menerapkan kondisi batas yang sesuai untuk memperhitungkan efek pembebanan dinamis. Mereka melakukan penelitian untuk mencari tegangan pada kabel luar beserta variasi gaya pegas. Hasil analisis (Gambar 3) menunjukkan perpindahan dan tegangan kabel. Dapat dilihat dengan jelas bahwa ketegangan tetap tidak berubah, yang memenuhi salah satu tujuan proyek.

Untuk kantilever modular, model awal diimpor ke COMSOL Multiphysics. Saat menganalisis model kantilever, tim dengan cepat menyadari bahwa MC agak besar dan tegangan didistribusikan secara tidak merata. Mereka kemudian melakukan optimasi struktural desain dan melakukan optimasi multivariabel, di mana minimalisasi energi regangan total ditetapkan sebagai fungsi tujuan bersama dengan minimalisasi kriteria massa total.

Menggunakan optimasi topologi, massa sistem berkurang 75% dibandingkan dengan geometri awal (Gambar 4, kiri) tanpa melanggar spesifikasi desain. Model 3D kemudian dibuat menggunakan studi optimasi dan kemudian dikenai beban struktural statis dan dinamis (Gambar 4, kanan) untuk meniru dampak kereta yang bergerak dengan kecepatan 250 km/jam.

Berjalan Maju:Bagaimana Analisis Struktural Membantu Tim

Menggunakan pengamatan dari analisis simulasi, seluruh rakitan ATD sepenuhnya didesain ulang untuk menggabungkan desain yang dapat dilipat dengan pengurangan ukuran rakitan sebesar 50%. Selain itu, tim juga mengganti pegas logam dengan pegas polimer, yang dirancang menggunakan Modul Bahan Struktural Nonlinier, tambahan untuk Modul Mekanika Struktural, dan Multifisika COMSOL. Semua perubahan desain ini menyebabkan penurunan berat seluruh rakitan sebesar 80%. “Dengan bantuan analisis struktural dan multibody yang kami lakukan pada ATD, kami dapat mengurangi jumlah komponen dari 20 pada desain sebelumnya menjadi hanya delapan,” kata Jain.

Selanjutnya, model simulasi dibuat untuk mengoptimalkan kantilever modular overhead konvensional dengan bantuan optimasi topologi di COMSOL Multiphysics. Model yang dihasilkan digunakan untuk membuat konsep desain yang disederhanakan dan kemudian menjadi sasaran analisis struktural terperinci dalam hal mode kekuatan dan getaran untuk memverifikasi hasil yang dioptimalkan. Simulasi berperan penting dalam mengurangi kerumitan desain, dengan jumlah komponen berkurang dari 12 menjadi 5 dan bobot berkurang sekitar 33%.

Dari dua desain yang diusulkan, Dewan Kereta Api India telah menerima satu desain sementara yang lain dalam tahap persetujuan. Menurut Jain, “Optimalisasi struktural rakitan kantilever modular dengan COMSOL telah memungkinkan Raychem mendapatkan empat paten untuk desain kami yang berbeda.”

Dengan modifikasi yang diharapkan pada infrastruktur kereta api India selama dekade berikutnya, tim di Raychem sekarang menggunakan COMSOL Multiphysics untuk mengembangkan lebih banyak produk OHE baru untuk Kereta Api India. Selain proyek-proyek di sektor utilitas energi dan minyak dan gas, sistem perkeretaapian sekarang menjadi area khusus lainnya yang akan terus diberikan oleh Raychem RPG untuk solusi inovatif dengan kekuatan simulasi multifisika.

Artikel ini disumbangkan oleh COMSOL, Inc., Burlington, MA. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .