Modernisasi Peralatan Atas untuk Memasok Masa Depan Kereta Api India

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

Dari perspektif teknologis, dua perubahan yang dapat diharapkan pada kereta api India: perkenalan kereta listrik dan tenaga surya serta peningkatan kecepatan operasional kereta dari 100 km/h menjadi 160–220 km/h. Untuk mendukung rencana ini, modifikasi yang sesuai harus dilakukan pada infrastruktur dan komponen yang ada seperti peralatan atas (OHE) termasuk katener dan garis kontak serta asembly pantograf.

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

Melindungi Garis OHE Kereta Api

Dalam sistem kereta listrik, daya disuplai oleh garis atas yang berjalan sepanjang seluruh jalur kereta api. Daya ini ditransfer ke kereta melalui pantograf, yang merupakan kolektor arus yang dipasang di atas lokomotif. ATD (Gambar 1, kiri) menyediakan mekanisme untuk tensioning otomatis dan berfungsi sebagai titik akhir untuk garis kontak. Tensioning diperlukan pada garis kontak karena variasi panjangnya: Garis kontak terutama terbuat dari logam berbasis tembaga yang rentan terhadap ekspansi dan kontraksi karena variasi suhu atmosfer.

Konduktor garis atas dipasang dengan nilai tension yang sangat spesifik. Tension ini bervariasi seiring waktu dan sangat tergantung pada suhu lingkungan. Ketidakadaan tensioning menyebabkan garis atas lenguh atau mengerentangkan, yang mengarah pada kerumitan pantograf atau pemutusan garis peralatan atas (OHE).

Demikian pula, MC atas dirancang untuk mendukung asembly kawat transmisi daya atas — yaitu, katener (1000/1200 kgf tension), kontak (1000/1200 kgf tension), dan dropper — untuk mentransfer beban lengkungan, melintang, dan vertikal keseluruhan ke tiang melalui insulator (Gambar 1, kanan). Kantilever tipikal ringan dan cukup kuat untuk mendukung asembly yang membawa arus dengan kecepatan kereta hingga 250 km/h. Selain persyaratan fungsional ini, kemudahan pemeliharaan, transportasi, penanganan, dan estetika juga perlu dipertimbangkan.

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. Setup eksperimental besar diperlukan untuk uji seperti itu, yang tidak secara praktis dapat dilakukan setiap saat. Tim di Raychem RPG, bekerja dari Raychem Innovation Centre (RIC), diberi tugas merancang ATD yang ringan dan sangat sensitif terhadap fluktuasi suhu, sambil menyediakan kemudahan layanan, asembly, dan pemeliharaan.

Selain itu, MC yang dapat diimpor dari pasar Eropa dan Amerika besar dan termasuk banyak komponen pendukung. Sebagai bagian dari inisiatif pemerintah “Make in India”, tujuan tim Raychem adalah untuk datang dengan desain baru untuk menghilangkan komponen pendukung ini sambil memastikan integritas struktural dengan menggunakan bahan secara efisien, yang pada akhirnya menghemat biaya dan mengurangi bobot. Untuk mencapai kedua tujuan desain, tim Raychem menggunakan TRIZ, teori untuk menemukan solusi inovatif untuk masalah, untuk menghasilkan dan mengonseptualisasi berbagai ide. Kemudian mereka beralih ke perangkat lunak COMSOL Multiphysics® dari COMSOL untuk optimasi dan validasi desain sesuai standar kereta api.

Tetap di Jalur: Melakukan Analisis dengan COMSOL Multiphysics

Menggunakan COMSOL Multiphysics dan modul tambahnya, tim Raychem secara struktural mengoptimalkan komponen individual ATD, sambil juga melakukan analisis multibody untuk mempelajari gerakan bersarang komponen ini untuk analisis tingkat sistem. Tim pertama mengimpor asembly tipis ( Gambar 2) dan kemudian menerapkan kondisi batas yang sesuai untuk menakrifkan efek beban dinamis. Mereka melakukan studi untuk menemukan tension pada kabel luar bersama dengan variasi gaya pegas. Hasil analisis (Gambar 3) mewakili perpindahan dan tension kabel. Dapat dengan jelas terlihat bahwa tension tetap tidak berubah, yang mencapai salah satu tujuan proyek.

Untuk kantilever modular, model awal diimpor ke COMSOL Multiphysics. Saat menganalisis model kantilever, tim dengan cepat menyadari bahwa MC cukup besar dan stres didistribusikan secara tidak merata. Kemudian mereka melakukan optimasi struktural desain dan melakukan optimasi multivariabel, di mana peminimalan total energi regangan ditetapkan sebagai fungsi objektif bersama dengan peminimalan kriteria total massa.

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

Bergerak Maju: Bagaimana Analisis Struktural Membantu Tim

Menggunakan observasi dari analisis simulasi, seluruh asembly ATD diredesain sepenuhnya untuk menggabungkan desain lipat dengan pengurangan ukuran asembly sebesar 50%. Selain itu, tim juga mengganti pegas logam dengan pegas polimer, yang dirancang menggunakan Modul Material Struktural Nonlinier, tambahan ke Modul Mekanika Struktural dan COMSOL Multiphysics. Semua perubahan desain ini mengarah pada penurunan bobot sebesar 80% dari seluruh asembly. “Dengan bantuan analisis struktural dan multibody yang kami lakukan pada ATD, kami dapat mengurangi jumlah komponen dari 20 dalam desain sebelumnya menjadi delapan saja,” kata Jain.

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

Dari dua desain yang diajukan, Dewan Kereta Api India telah menerima satu desain sementara yang lain masih dalam tahap persetujuan. Menurut Jain, “Optimasi struktural asembly kantilever modular dengan COMSOL telah memungkinkan Raychem untuk mengamankan empat paten untuk desain berbeda kami.”

Dengan modifikasi yang diharapkan dalam infrastruktur kereta api India dalam dekade mendatang, tim di Raychem sekarang menggunakan COMSOL Multiphysics untuk mengembangkan produk OHE lebih baru untuk Kereta Api India. Selain proyek di sektor utilitas energi dan minyak dan gas, sistem kereta api sekarang adalah area spesialis lainnya yang Raychem RPG akan terus menyediakan solusi inovatif dengan kekuatan simulasi multiphysics.

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