Vibration analysis of suspended cable structure as a model of railway overhead wire system subjected to moving pantographs

Zwiększenie prędkości jazdy pociągów i rozwój kolei dużych prędkości spowodowały wyraźny wzrost zainteresowania problemami dynamiki kolejowych sieci trakcyjnych. W ostatnich latach pojawiło się w literaturze zagranicznej wiele nowych publikacji przedstawiających zaawansowane numerycznie metody symulacji drgań górnej sieci jezdnej i pantografów. W Polsce temat ten jest stosunkowo mało znany, stąd jednym z celów pracy jest przegląd literatury na temat metod modelowania sieci trakcyjnych. Celem zasadniczym jest przedstawienie oryginalnej metody symulacji drgań sprzężonego układu sieć trakcyjna – pantograf oraz zastosowanie metody do analizy drgań przykładowej sieci trakcyjnej. Metoda bazuje na modelu obliczeniowym przedstawionym przez autorów w odrębnej pracy, sformułowanym na podstawie teorii drgań wiotkiego cięgna z ciągłym rozkładem masy. Górna sieć jezdna jest traktowana jako wstępnie napięty, wieloprzęsłowy wieszar cięgnowy złożony z liny nośnej o niepomijalnym zwisie w przęsłach i przewodu jezdnego podwieszonego za pomocą wiotkich wieszaków nie przenoszących ściskania. Sieć trakcyjna jest obciążona dwoma pantografami poruszającymi się ze stałą prędkością. Pantografy są układami dynamicznymi o dwóch stopniach swobody. Równania ruchu wyprowadzone metodą Lagrange’a – Ritza zostały w tej pracy przekształcone poprzez wyodrębnienie nieliniowych sił, które kompensują wpływ wieszaków ściskanych. Opisano metodę rozwiązania nieliniowych równań ruchu i wyjaśniono sens fizyczny stowarzyszonych z nimi równań liniowych. Przedstawiono przykład symulacji drgań sieci złożonej z dziesięciu przęseł, świadczący o efektywności i możliwościach obliczeniowych prezentowanej metody oraz zbadano wpływ tłumienia w materiale liny nośnej i przewodu jezdnego na charakterystyki dynamiczne badanej sieci.Increasing train speeds and rapid development of high speed railway systems give rice to growing interest in dynamics of railway overhead wire systems. In recent years, many new publications on advanced numerical methods for computer simulation of vibration of pantographcatenary systems appeared in foreign literature. In Poland, this topic is relatively unknown, hence one of the objectives of this paper is to review the literature on methods for modeling overhead contact lines and pantographs. The main goal is to present an original method for simulation of pantograph and catenary coupled system vibration and the use of method in dynamic analysis of a sample system. The method is based on the computational model which have been presented in a separate article. This model is formulated on the basis of vibration theory of a continuous cable. Catenary is treated as initially tensioned, multi-span cable structure which consists of a carrying cable characterized by non-negligible static sag and a contact wire suspended by means of droppers. The slackening of droppers under compressive forces is taken into account. Catenary is subjected to a passage of two pantographs moving with constant sped, each idealized as twodegree-of-freedom dynamic system. Equations of motion of the system, derived by the use of Lagrange equations and Ritz approximation of catenary displacements, are reexpressed in this paper to extract nonlinear forces which compensate the effects of compressed droppers. The method for solving nonlinear equations of motion is described. It is also explained what is a physical meaning of linear equations associated with these nonlinear. Exemplary simulations are presented for the catenary consisting of ten spans in order to demonstrate efficiency and computing capabilities of the simulation method. An influence of the material damping in carrying rope and this in contact wire, on the dynamic response of analyzed catenary is examined