改进铁路运输新时代的架空设备

铁路网络是印度交通系统的支柱，将偏远的村庄和城镇与全国的大都市连接起来。最近的政府举措旨在到 2030 年对整个网络进行改造和现代化改造，过去几年给铁路系统带来了许多变化。

从技术角度来看，预计印度铁路将发生两个显着变化：引入电动和太阳能列车，以及将列车运行速度从 100 公里/小时提高到 160-220 公里/小时。为了支持这些计划，必须对现有的基础设施和组件进行适当的修改，例如架空设备 (OHE)，包括悬链线和接触线以及受电弓组件。

为各个行业提供能源解决方案的瑞侃 RPG 拥有一支专门的团队，致力于开发能够满足不断发展的铁路网络的挑战性要求的产品。由 Ishant Jain 领导的科学家和研究人员团队使用多物理场仿真来改进自动张紧装置 (ATD) 和模块化悬臂梁 (MC) 的设计——这是铁路高架设备中最关键的两个部件。

保护铁路 OHE 线路

在电气轨道系统中，电力由沿铁路轨道全长延伸的架空线供电。这种动力通过受电弓传输到火车，受电弓是安装在机车顶部的集电器。 ATD（图 1，左）提供了一种自动张紧机制，并用作接触线的终止点。由于接触线的长度不同，需要对接触线进行张紧：接触线主要由铜基合金制成，由于大气温度的变化容易发生膨胀和收缩。

架空线的导体安装有非常特定的张力值。这种张力随时间变化，并且密切依赖于环境温度。没有张紧会导致架空线下垂或收紧，导致受电弓缠结或架空设备（OHE）线折断。

同样，架空 MC 旨在支持架空输电导线的组装——即悬链线（1000/1200 kgf 张力）、接触（1000/1200 kgf 张力）和吊杆——以传递整体弯曲、横向和垂直载荷通过绝缘体连接到桅杆（图 1，右）。典型的悬臂重量轻且坚固，足以支撑列车速度高达 250 公里/小时的载流组件。除了这些功能要求外，还需要考虑易于维护、运输、搬运和美观。

铁路部件的设计挑战

为确保高速铁路乘客的安全，ATD 有严格的设计要求。为了通过实验确定 ATD 设计的正确性和效率，进行了拉出测试。这样的测试需要一个大型的实验装置，这实际上并不总是可行的。 Raychem RPG 的团队在 Raychem 创新中心 (RIC) 工作，其任务是设计一种既轻便又对温度波动高度敏感的 ATD，同时提供易于维修、组装和维护。

此外，可以从欧美市场进口的 MC 体积庞大，并且包含许多辅助部件。作为“印度制造”政府计划的一部分，瑞侃团队的目标是提出一种新颖的设计，以消除这些辅助部件，同时通过有效使用材料确保结构完整性，最终节省成本并减轻重量。为了实现这两个设计目标，瑞侃团队使用 TRIZ（一种为问题提出创新解决方案的理论）来生成和概念化各种想法。然后，他们使用 COMSOL 的 COMSOL Multiphysics® 软件根据铁路标准进行优化和设计验证。

保持正轨：使用 COMSOL Multiphysics 执行分析

使用 COMSOL Multiphysics 及其附加模块，瑞侃团队在结构上优化了 ATD 的各个组件，同时还执行多体分析来研究这些组件的耦合运动，以进行系统级分析。该团队首先导入了一个典型的组件（图 2），然后应用适当的边界条件来考虑动态载荷的影响。他们进行了一项研究，以找出外电缆的张力以及弹簧力的变化。分析结果（图 3）代表电缆位移和张力。可以清楚地看出，张力保持不变，完成了项目的目标之一。

对于模块化悬臂梁，将初始模型导入 COMSOL Multiphysics。在分析悬臂梁模型时，团队很快意识到 MC 相当笨重，应力分布不均匀。然后，他们对设计进行了结构优化，并进行了多变量优化，其中将总应变能的最小化与总质量的最小化标准一起设置为目标函数。

通过拓扑优化，与初始几何形状（图 4，左）相比，系统的质量减少了 75%，而没有违反设计规范。然后使用优化研究创建了一个 3D 模型，随后承受静态和动态结构载荷（图 4，右）以模拟以 250 公里/小时行驶的火车的影响。

向前迈进：结构分析如何帮助团队

利用模拟分析中的观察结果，整个 ATD 总成经过完全重新设计，采用可折叠设计，总成尺寸减小了 50%。此外，该团队还将金属弹簧替换为聚合物弹簧，该弹簧是使用非线性结构材料模块设计的，该模块是结构力学模块和 COMSOL Multiphysics 的附加组件。所有这些设计更改导致整个组件的重量减少了 80%。 “借助我们对 ATD 执行的结构和多体分析，我们能够将组件数量从早期设计中的 20 个减少到仅 8 个，”Jain 说。

此外，借助 COMSOL Multiphysics 中的拓扑优化，建立了一个仿真模型来优化传统的悬臂式悬臂梁。生成的模型用于创建简化的设计概念，随后在强度和振动模式方面进行了详细的结构分析，以验证优化结果。仿真有助于降低设计复杂性，组件数量从 12 个减少到 5 个，重量减轻了约 33%。

在提出的两种设计中，印度铁路局已经接受了一种设计，而另一种则处于批准阶段。 Jain 表示，“借助 COMSOL 对模块化悬臂组件进行结构优化，瑞侃能够为我们的不同设计获得四项专利。”

随着未来十年印度铁路基础设施的改造，Raychem 的团队现在正在使用 COMSOL Multiphysics 为印度铁路开发更多新的 OHE 产品。除了能源公用事业和石油天然气领域的项目外，铁路系统现在是另一个专业领域，瑞侃 RPG 将继续为其提供具有多物理场仿真能力的创新解决方案。

本文由马萨诸塞州伯灵顿的 COMSOL, Inc. 提供。欲了解更多信息，请访问 这里 .