철도 운송의 새 시대를 위한 오버헤드 장비 장치 개선

철도 네트워크는 인도 전역의 대도시와 외딴 마을과 마을을 연결하는 인도 교통 시스템의 중추입니다. 최근 정부 계획은 2030년까지 전체 네트워크를 개조하고 현대화하는 것을 목표로 하고 있으며 지난 몇 년 동안 철도 시스템에 많은 변화를 가져왔습니다.

기술적 관점에서 인도 철도에는 두 가지 주목할 만한 변화가 예상됩니다. 전기 및 태양열 동력 열차의 도입과 열차 운행 속도가 100km/h에서 160–220km/h로 증가합니다. 이러한 계획을 지원하려면 현수선 및 연락선을 포함한 가공 장비(OHE)와 팬터그래프 어셈블리와 같은 기존 인프라 및 구성 요소에 적절한 수정이 이루어져야 합니다.

다양한 분야에 에너지 솔루션을 제공하는 Raychem RPG에는 진화하는 철도 네트워크의 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있는 제품을 작업하는 전담 팀이 있습니다. Ishant Jain이 이끄는 과학자 및 연구원 팀은 다중물리 시뮬레이션을 사용하여 철도 오버헤드 장비의 가장 중요한 구성요소인 ATD(Autotensioning Devices) 및 MC(Modular Cantilever)의 설계를 개선했습니다.

철도 OHE 노선 보호

전기 철도 시스템에서 전력은 철도 트랙의 전체 길이를 따라 이어지는 가공선을 통해 공급됩니다. 이 전력은 기관차 상단에 장착된 집전 장치인 팬터그래프를 통해 기차로 전달됩니다. ATD(그림 1, 왼쪽)는 자동 인장 메커니즘을 제공하고 접촉 라인의 종단점 역할을 합니다. 길이의 변화로 인해 접촉 라인에 장력이 필요합니다. 접촉 라인은 주로 대기 온도의 변화로 인해 팽창 및 수축하기 쉬운 구리 기반 합금으로 만들어집니다.

가공선의 도체는 매우 특정한 장력 값으로 설치됩니다. 이 장력은 시간이 지남에 따라 변하며 주변 온도에 밀접하게 의존합니다. 장력이 없으면 가공선이 처지거나 조여져서 팬터그래프가 얽히거나 가공 장비(OHE) 라인이 끊어집니다.

마찬가지로 오버헤드 MC는 전체 굽힘, 가로 및 수직 하중을 전달하기 위해 가공 송전선(예:전차선(1000/1200kgf 장력), 접점(1000/1200kgf 장력) 및 드로퍼)의 조립을 지원하도록 설계되었습니다. 절연체를 통해 마스트에 연결합니다(그림 1, 오른쪽). 전형적인 캔틸레버는 최대 250km/h의 열차 속도로 현재 운반 어셈블리를 지지할 수 있을 만큼 가볍고 견고합니다. 이러한 기능적 요구 사항 외에도 유지 관리의 용이성, 운송, 취급 및 미관도 고려해야 합니다.

철도 부품의 설계 과제

고속철도 승객의 안전을 보장하기 위해 ATD에는 엄격한 설계 요구 사항이 있습니다. ATD 설계의 정확성과 효율성을 실험적으로 결정하기 위해 풀아웃 테스트가 수행됩니다. 이러한 테스트에는 대규모 실험 설정이 필요하며, 이는 항상 실현 가능하지 않습니다. Raychem 혁신 센터(RIC)에서 일하는 Raychem RPG 팀은 가볍고 온도 변동에 매우 민감한 ATD를 설계하는 동시에 서비스, 조립 및 유지 관리가 용이한 ATD를 설계하는 임무를 맡았습니다.

또한, 유럽과 미국 시장에서 수입할 수 있는 MC는 부피가 크고 많은 부수적인 구성 요소를 포함합니다. "Make in India" 정부 이니셔티브의 일환으로 Raychem 팀의 목표는 이러한 보조 구성 요소를 제거하는 동시에 재료를 효율적으로 사용하여 구조적 무결성을 보장하여 궁극적으로 비용을 절감하고 무게를 줄이는 새로운 설계를 제안하는 것이었습니다. 두 가지 디자인 목표를 모두 달성하기 위해 Raychem 팀은 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 제시하는 이론인 TRIZ를 사용하여 다양한 아이디어를 생성하고 개념화했습니다. 그런 다음 철도 표준에 따른 최적화 및 설계 검증을 위해 COMSOL의 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어를 사용했습니다.

계속 추적:COMSOL Multiphysics로 분석 수행

COMSOL Multiphysics®와 추가 모듈을 사용하여 Raychem 팀은 ATD의 개별 구성요소를 구조적으로 최적화하는 동시에 시스템 수준 분석을 위해 이러한 구성요소의 결합된 동작을 연구하기 위해 다물체 분석을 수행했습니다. 팀은 먼저 일반적인 어셈블리를 가져온 다음( 그림 2) 동적 하중의 영향을 설명하기 위해 적절한 경계 조건을 적용했습니다. 그들은 스프링력의 변화와 함께 외부 케이블의 장력을 찾기 위한 연구를 수행했습니다. 해석 결과(그림 3)는 케이블 변위와 장력을 나타냅니다. 긴장감이 변하지 않고 프로젝트의 목표 중 하나를 달성하는 것을 분명히 볼 수 있습니다.

모듈식 캔틸레버의 경우 초기 모델을 COMSOL Multiphysics로 가져왔습니다. 캔틸레버 모델을 분석하는 동안 팀은 MC가 다소 부피가 크고 응력이 고르지 않게 분포되어 있음을 빨리 깨달았습니다. 그런 다음 설계의 구조적 최적화를 수행하고 총 변형 에너지의 최소화를 총 질량 기준의 최소화와 함께 목적 함수로 설정하는 다변수 최적화를 수행했습니다.

토폴로지 최적화를 사용하여 시스템의 질량은 설계 사양을 위반하지 않고 초기 형상(그림 4, 왼쪽)에 비해 75% 감소했습니다. 그런 다음 최적화 연구를 사용하여 3D 모델을 만든 다음 정적 및 동적 구조 하중(그림 4, 오른쪽)을 모두 적용하여 250km/h로 움직이는 기차의 영향을 에뮬레이션했습니다.

앞으로 나아가기:구조 분석이 팀에 도움이 된 방법

시뮬레이션 분석의 관찰 결과를 사용하여 전체 ATD 어셈블리를 완전히 재설계하여 어셈블리 크기를 50% 줄인 접을 수 있는 디자인을 통합했습니다. 또한 팀은 금속 스프링을 Structural Mechanics Module 및 COMSOL Multiphysics에 추가된 Nonlinear Structural Materials Module을 사용하여 설계된 폴리머 스프링으로 교체했습니다. 이러한 모든 설계 변경으로 전체 어셈블리 무게가 80% 감소했습니다. Jain은 "ATD에서 수행한 구조 및 다물체 해석 덕분에 초기 설계의 구성 요소 수를 20개에서 8개로 줄일 수 있었습니다."라고 말했습니다.

또한 COMSOL Multiphysics®의 토폴로지 최적화를 통해 기존의 오버헤드 모듈식 캔틸레버를 최적화하기 위해 시뮬레이션 모델이 설정되었습니다. 결과 모델은 단순화된 설계 개념을 생성하는 데 사용되었으며 나중에 최적화된 결과를 확인하기 위해 강도 및 진동 모드 측면에서 상세한 구조 분석을 받았습니다. 시뮬레이션은 구성 요소 수가 12개에서 5개로 감소하고 무게가 약 33% 감소하여 설계 복잡성을 줄이는 데 중요한 역할을 했습니다.

제안된 두 가지 디자인 중 인도 철도 위원회는 이미 하나의 디자인을 승인했고 다른 하나는 승인 단계에 있습니다. Jain에 따르면 "COMSOL을 사용한 모듈식 캔틸레버 어셈블리의 구조 최적화를 통해 Raychem은 다양한 디자인에 대해 4개의 특허를 확보할 수 있었습니다."

향후 10년 동안 인도 철도 인프라에서 예상되는 수정으로 Raychem의 팀은 현재 인도 철도를 위한 더 많은 새로운 OHE 제품을 개발하기 위해 COMSOL Multiphysics를 사용하고 있습니다. 에너지 유틸리티 및 석유 및 가스 분야의 프로젝트 외에도 철도 시스템은 이제 Raychem RPG가 다중물리 시뮬레이션의 힘으로 혁신적인 솔루션을 계속 제공할 또 다른 전문 영역입니다.

이 기사는 매사추세츠주 벌링턴에 있는 COMSOL, Inc.에서 제공한 것입니다. 자세한 내용은 을 참조하십시오. 여기 .