VirtualCAT (TRA2017-84736-R) · PACDIN

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TRA2017-84736-R · 2018-2020 Proyecto finalizado

Desarrollo de un sistema de ensayos HIL de pantógrafos con catenarias virtuales (VirtualCat)

Actualmente, la interacción pantógrafo-catenaria es un factor limitante de la velocidad máxima del material rodante y uno de los principales obstáculos para garantizar su interoperabilidad en la Unión Europea, lo que exige hoy en día un costoso proceso de homologación en cada país.

El objetivo del proyecto es diseñar y montar un banco de ensayos en laboratorio que permita evaluar la interacción entre el pantógrafo y la catenaria ferroviaria: la catenaria real se sustituye por un modelo virtual de elementos finitos resuelto en tiempo real que simula su comportamiento dinámico, y un accionador actualiza la posición del punto de contacto sobre el pantógrafo en función de la fuerza recibida y de los resultados del modelo. Con este banco y los modelos virtuales se busca mejorar la eficiencia en la captación de energía, reducir el desgaste de los cables y el coste de mantenimiento, y aportar a un futuro procedimiento de homologación virtual de pantógrafos basado en ensayos hardware-in-the-loop.

Financiado por: Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (FEDER)

Investigadores principales: Manuel Tur Valiente · Antonio Correcher Salvador

Resultados

Los resultados principales del proyecto son el banco de ensayos HIL, los ensayos HIL con catenarias virtuales simplificadas y la optimización de la catenaria. El banco de ensayos se utiliza para validar las simulaciones.

Banco de ensayos HIL

El banco reproduce en laboratorio la interacción entre un pantógrafo real y una catenaria virtual: un accionador lineal impone el movimiento de la catenaria sobre el pantógrafo y un sistema neumático mantiene la fuerza de contacto constante.

Diseño de la estructura del banco de ensayos por elementos finitos. La estructura se dimensionó para que sus frecuencias naturales quedasen por encima del rango de excitación de la interacción pantógrafo-catenaria, de modo que no afecte al movimiento que debe reproducir el accionador.

Banco de ensayos montado en el laboratorio: estructura de soporte del accionador lineal, sistema de control cRIO de tiempo real, regulación de la presión del sistema neumático para ajustar la fuerza media y pantógrafo real instalado en la posición de contacto.

Ensayos HIL

Sobre el banco se han realizado ensayos de pantógrafo contra modelos de catenaria simplificados, en los que se asume que todos los vanos son iguales. El modelo se resuelve en tiempo real y el accionador reproduce sobre el pantógrafo el movimiento resultante del cable, registrando en cada instante la fuerza de contacto.

Ensayo HIL con catenaria simplificada: fuerza de contacto medida y simulada — Ensayo HIL con catenaria simplificada: comparación entre la fuerza de contacto medida en el banco y la obtenida en la simulación.

Video del ensayo HIL: el pantógrafo recorre la catenaria virtual simplificada mientras el accionador reproduce el movimiento del cable en tiempo real y la fuerza de contacto se registra a lo largo del recorrido.

Optimización de la catenaria

Utilizando los modelos simplificados, se han optimizado las geometrías de la catenaria (posiciones de las péndolas y del cable) para minimizar la variación de la fuerza de contacto.

Geometrías de la catenaria obtenidas por optimización — Geometrías obtenidas por optimización con las iniciales superpuestas: (a) posiciones de las péndolas; (b) posiciones del cable.

Geometría de la catenaria nominal y optimizada — Geometría de la catenaria nominal (a) y de la catenaria optimizada (b).

Fuerza de contacto: catenaria optimizada frente a nominal — Fuerza de contacto en el pantógrafo. (a) Ensayo HIL con la catenaria optimizada: la fuerza de contacto medida en el banco se mantiene dentro de un rango más estrecho que con la geometría nominal. (b) Comparación simulada entre la catenaria optimizada y la nominal: la optimización reduce la variación de la fuerza de contacto, con una reducción del 16 % de la fuerza máxima. Los ensayos realizados en el banco confirman el comportamiento previsto por la simulación, validando la metodología de ensayo con catenarias virtuales.