鉄道輸送の新時代に向けた架空設備装置の改善

インド政府が国の鉄道システムを活性化する計画の一環として, Raychem RPGは構造モデリングと最適化を使用して, カテナリー線と接触線用の自動張力装置とモジュラーカンチレバーを設計しました.


Aditi Karandikar 著
2020 10月

鉄道網はインドの交通システムのバックボーンであり, 遠隔地の村や町と全国の大都市を結んでいます. 最近の政府のイニシアチブは, 2030年までにネットワーク全体を刷新し, 近代化することを目指しており, 過去2年間で, すでに鉄道システムに多くの変化がもたらされています. 技術的な観点から, インドの鉄道には2つの注目すべき変化が期待できます. それは, 電気および太陽光発電の列車の導入と, 列車の運行速度の100 km/hから160~220 km/hへの増加です. これらの計画をサポートするには, カテナリー線や連絡線などの架空設備(OHE)やパンタグラフアセンブリなど, 既存のインフラストラクチャとコンポーネントに適切な変更を加える必要があります.

さまざまなセクター向けの革新的なエネルギーソリューションのパイオニアであるRaychem RPGには, 進化する鉄道ネットワークの難しい要件を満たすことができる製品に取り組んでいる専任チームがいます. Ishant Jain氏が率いる科学者と研究者のチームは, マルチフィジックスシミュレーションを使用して, 鉄道の架空設備の最も重要なコンポーネントの2つであるオートテンションデバイス(ATD)とモジュラーカンチレバー(MC)の設計を改善しました.

オートテンション装置とモジュラーカンチレバーによる鉄道OHE線の保護

電気鉄道システムでは, 電力は線路の全長に沿って走る架空送電線から供給されます. この電力は, 機関車の上部に取り付けられた集電装置であるパンタグラフによって列車に伝達されます. ATD(図1左)は自動張力調整のメカニズムを提供し, 接触線の終端点として機能します. 接触線は長さが異なるため, 張力が必要です. 接触線は主に銅ベースの合金でできており, 気温の変化によって膨張および収縮する傾向があります. 架空送電線の導体は, 特定の張力値で設置されます. この張力は時間とともに変化し, 周囲温度に密接に依存します. 張力がないと, 架空線がたるんだり引き締まったりして, パンタグラフが絡まったり, 架空機器(OHE)線が折れたりします.

図1.オートテンション装置(左)とモジュラーカンチレバーアセンブリの図(右).

同様に, 架空MCは, 架空送電線(つまり, カテナリー(1000/1200 kgf張力), 接触(1000/1200 kgf張力), およびスポイト)のアセンブリをサポートして, 全体的な曲げ, 横方向, および垂直方向の荷重を伝達するように設計されています. 絶縁体を介してマストに接続します(図1右). 典型的なカンチレバーは, 最大250 km/hの列車速度で通電アセンブリをサポートするのに十分な軽量で頑丈です. これらの機能要件に加えて, メンテナンスの容易さ, 輸送, 取り扱い, および美観も考慮する必要があります.

鉄道コンポーネントの設計上の課題

高速での鉄道乗客の安全を確保するために, ATDには厳しい設計要件があります. ATD設計の正確性と効率を実験的に判断するために, プルアウトテストが実行されます. このようなテストには大規模な実験セットアップが必要ですが, これは常に実際に実行できるわけではありません. Raychemイノベーションセンター(RIC)で働くRaychem RPGのチームは, サービス, 組み立て, およびメンテナンスを提供しながら, 軽量で温度 変動に非常に敏感なATDの設計を担当しました.

さらに, 欧米市場から輸入できるMCはかさばり, 多くの補助部品が含まれています. インド政府のMakeinIndiaイニシアチブの一環として, Raychemチームの目的は, 材料を効率的に使用することで構造的完全性を確保しながら, これらの補助コンポーネントを排除する新しい設計を考案することでした. これにより, 最終的にコストを節約し, 重量を削減します.

両方の設計目標を達成するために, Raychemチームは, さまざまなアイデアを生成および概念化するために, 問題に対する革新的な解決策を考え出すための理論であるTRIZを使用しました. 次に, 鉄道の基準に従って最適化と設計検証を行うために COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを利用しました.

軌道に乗る:COMSOL Multiphysics® を使用した分析の実行

Raychemチームは, COMSOL Multiphysics® とそのアドオンモジュールを使用して, ATDの個々のコンポーネントを構造的に最適化すると同時に, マルチボディ分析を実行して, システムレベルの分析のためにこれらのコンポーネントの連結運動を解析しました. チームは最初に典型的なアセンブリをインポートし(図2), 次に動的荷重の影響を説明するために適切な境界条件を適用しました. 彼らは, ばね力の変化とともにケーブル外側張力を見つけるための解析を行いました.

図2. ATD ジオメトリ

分析の結果(図3)はケーブルの変位と張力を表しています. 張力は変わらず, プロジェクトの目的の1つを達成していることがはっきりとわかります.

図3. 加えられた荷重でのケーブルの変位(左)と張力(右)

モジュラーカンチレバーの初期モデルが COMSOL Multiphysics® にインポートされ, 分析していると, チームはMCがかなりかさばり, 応力が不均一に分散していることにすぐに気付きました. 次に設計の構造最適化を実行し, 多変数最適化を実行しました. ここでは総ひずみエネルギーの最小化が 総質量基準の最小化とともに目的関数として設定されます.

図4. カンチレバー設計の最適化(左)と最適化されたモデルの負荷テスト(右)

トポロジー最適化を使用すると, システムの質量は, 設計仕様に違反することなく, 初期形状と比較して75%削減されました(図4左). 次に, 最適化スタディを使用して3Dモデルを作成し, その後, 静的および動的な構造荷重(図4右)を適用して, 250 km/hで移動する列車の衝撃をエミュレートしました.

前進:構造解析と最適化がRaychemチームにどのように役立ったか

シミュレーション分析の観察結果を使用して, ATDアセンブリ全体が完全に再設計され, アセンブリサイズが50%縮小された折りたたみ式の設計が組み込まれました. さらに, Jain 氏のチームは, 金属ばねを, 構造力学モジュールと COMSOL Multiphysics® のアドオンである非線形構造材料モジュールを使用して設計されたポリマーばねに置き換えました. これらすべての設計変更により, アセンブリ全体の重量が80%減少しました.「ATDで実行した構造解析とマルチボディ解析の助けを借りて, コンポーネントの数を以前の設計の20からわずか8に減らすことができました」とJain 氏は言います.

さらに, COMSOL Multiphysics® のトポロジー最適化の助けを借りて, 従来のオーバーヘッドモジュラーカンチレバーを最適化するためのシミュレーションモデルが確立されました. 得られたモデルを使用して, 簡略化された設計コンセプトを作成し, その後, 強度と振動モードの観点から詳細な構造解析を行って, 最適化された結果を検証しました. シミュレーションは, コンポーネントの数を12から5に減らし, 重量を約33%削減することで, 設計の複雑さを軽減するのに役立ちました. 提案された2つの設計のうち, インド鉄道委員会はすでに1つの設計を受け入れており, もう1つの設計は承認段階にあります. Jain氏によると, 「COMSOL Multiphysics® を使用したモジュラーカンチレバーアセンブリの構造最適化により, Raychemはさまざまな設計で4つの特許を取得することができました. 」

2020年6月, Raychemチームは, モジュラーカンチレバーシステムの折りたたみ式設計により, エンジニアリングセクターの Golden Peacock Innovative ProductAward(GPIPSA)を受賞しました.

今後の方向性:Raychemでの将来の計画

今後10年間にインドの鉄道インフラストラクチャに変更が予想されるため, Raychemイノベーションセンターのチームは現在, COMSOL Multiphysics® を使用して, インド鉄道向けの新しいOHE製品を開発しています. エネルギーユーティリティおよび石油・ガスセクターのプロジェクトに加えて, 鉄道システムは現在, RaychemRPGがマルチフィジックスシミュレーションの力で革新的なソリューションを提供し続けるもう1つの専門分野です.

謝辞

Ishant Jainは, この記事で説明されている調査に協力してくれた次の人物に感謝します. GaneshBhoye , Nitin Pandey, Raghav Upasani, HamzaSaiger.

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