Desarrollo de una herramienta de verificación de la interacción pantógrafo-catenaria

La evolución histórica del ferrocarril ha girado alrededor de un concepto básico, la velocidad de circulación. De este modo, muchas han sido las innovaciones que han acabado por afianzarse en este sector en busca de un aumento de dicha velocidad, como es el caso de la tracción eléctrica. Sin embargo, no hay que olvidar el factor fundamental que rige el desarrollo e implantación de toda modificación, la seguridad. Y es que, atendiendo a ambos factores, resulta esencial un estudio exhaustivo de ciertos aspectos, como son: • Estabilidad de la vía • Dinámica rueda-carril • Contacto pantógrafo-catenaria Concretamente, será este último el objeto de estudio a lo largo del presente proyecto, dada su importancia tanto en materia económica como en términos de seguridad, ya que un contacto adecuado permite evitar, o al menos acotar, los peligros asociados a los despegues y a los arcos eléctricos. Por otro lado, los sistemas informáticos han supuesto durante los últimos años un apoyo indispensable a la hora de estudiar el contacto entre el pantógrafo y la catenaria, sin necesidad de ensayos “in situ” o túneles de viento, que implican la utilización y desgaste de los elementos testados, así como un coste asociado a la energía empleada en las pruebas. De este modo, el proyecto se centra en el desarrollo de una herramienta capaz de simular el contacto dinámico entre ambos elementos, y que permita variar todos aquellos parámetros que intervienen en la captación de corriente a fin de optimizar el diseño de la catenaria y el pantógrafo para la correcta explotación de la línea. Para ello es fundamental conocer en profundidad los aspectos geométricos y mecánicos que rigen ambos componentes, de cara a elaborar unos modelos matemáticos que permitan adaptar el sistema real al lenguaje de programación empleado. La catenaria engloba todos los elementos que forman la línea aérea de contacto, por la que circula la corriente eléctrica. Fundamentalmente, destacan el hilo sustentador, el hilo conductor y las péndolas, siendo el primero el encargado de soportar el peso de los otros dos, que permite además al segundo mantenerse en posición paralela al eje de la vía. Por su parte, las péndolas permiten completar el tendido de este sistema de cables, cuyo modelo se apoyará en las funciones de forma. Esto es, partiendo de las características mecánicas de cada uno de los hilos, y los esfuerzos a los que se encuentran sometidos, tanto en equilibrio como durante el contacto, se realiza una discretización, y se asume que cada elemento diferencial se comportará como elementos tipo VIGA en el caso del hilo sustentador y el hilo conductor, y elementos tipo BARRA en los referido a las péndolas. Es importante aclarar que, pese a que las diferentes herramientas presentan configuraciones diferentes de la catenaria, la modelización de cara a la programación se apoyará en todo momento en estos dos elementos, siendo la catenaria tranviaria la que más se aleje de las otras dos configuraciones (simple e Y). Estos modelos permitirán definir tanto geométrica como mecánicamente los cables, incluyendo rigideces, esfuerzos, etc… En lo referido al pantógrafo, no existirá diferencia alguna entre las distintas configuraciones de la catenaria, ya que el fundamento es el mismo. Se trata de un sistema mecánico articulado, que se encarga de la captación de corriente a través de los frotadores de la mesilla presentes en la articulación superior, durante el contacto con el hilo de contacto de la catenaria. De este modo, abastecerán a los motores de la circulación de energía eléctrica. Al igual que la línea aérea de contacto, es necesario interpretar este complejo sistema como un modelo matemático que permita su adaptación al lenguaje de programación pertinente. En este caso, se transforma en un sistema de masas, muelles y amortiguamientos, asociado a las diferentes secciones del pantógrafo. Una vez adaptado el sistema a las condiciones de simulación, es más sencillo estudiar el contacto entre ambos elementos, así como los diferentes parámetros que intervienen, en términos matemáticos. Concretamente, se atiende a la fuerza de contacto y en base a esto, se elaboran una serie de hipótesis que permitan abordar el estudio dinámico. Tras esto, se concluye que el método de cálculo idóneo para realizar el estudio será el algoritmo Hilber-Hughes-Taylor (HHT), basado en la integración numérica directa. Llegados a este punto, es necesario conocer la normativa asociada a este tipo de herramientas de simulación antes de pasar al desarrollo de la misma. En este caso, la verificación de los distintos programas se realiza contra normativa, concretamente, la norma UNE_EN 50318. El código desarrollado para la configuración de catenaria simple servirá de base para la ampliación de la herramienta a las otras dos configuraciones, de modo que centrará gran parte del esfuerzo empleado en este proyecto. Su principal objetivo es simular la interacción entre pantógrafo y catenaria, permitiendo variar todos aquellos parámetros que intervienen en el contacto, tanto asociados a los diferentes elementos, como a las solicitaciones de la vía, haciendo de esta herramienta, una solución amplia y fiable. En primer lugar se desarrolla un interfaz que permita realizar las simulaciones de manera ágil y muestre la cantidad de parámetros variables durante la misma. Tras esto se procede a la definición de geometría y esfuerzos de los distintos componentes de cara al cálculo matricial que supondrá el contacto. En el caso de la catenaria en Y, la geometría supone una complicación adicional, mientras que en el caso de la tranviaria, serán sus diferencias estructurales con la primera las que ralenticen la adaptación. Además, al no existir una norma concreta para estas dos configuraciones, como ocurre con la configuración simple, la verificación se realizará contra la misma norma, teniendo en cuenta las variaciones que puedan existir en los resultados obtenidos. En cualquier caso, los resultados obtenidos siguen el mismo patrón en los tres casos. En primer lugar se estudian, tal y como indica la norma UNE-EN 50318, los valores asociados a la Fuerza de contacto a lo largo de toda la simulación, es decir, el valor medio, la desviación típica y los valores mínimo y máximo. De este modo se puede interpretar si las condiciones de la línea son óptimas o requieren algún ajuste de parámetros. Por último, la herramienta incluye una función que representa el contacto a lo largo de toda la simulación, ofreciendo por tanto, un tercer método de detección de errores más intuitivo si cabe que los dos anteriores. El único inconveniente de esta última función reside en la imposibilidad de hacer frente a los errores de escala, ya que comprimir una línea de 600 metros en una pantalla de resultados trae consigo ciertas distorsiones. Sin embargo, los valores anteriores permiten comprobar si el sistema se comporta de manera adecuada o no. Se concluye, en base a los resultados y la necesidad de más herramientas de este tipo, que el presente Proyecto ofrece una solución válida al problema económico y logístico de la optimización del contacto entre pantógrafo y catenaria, contemplando un gran abanico de posibilidades en lo referido a las especificaciones de línea