Simulation techniques for design of overhead conductor rail lines for speeds over 140 km/h

In overhead conductor rail lines, aluminium beams are usually mounted with support spacing between 8 and 12 meters, to limit the maximum vertical deflection in the center of the span. This small support spacing limits the use of overhead conductor rail to tunnels, therefore it has been used almost exclusively in metropolitan networks, with operation speeds below 110 km/h. Nevertheless, due to the lower cost of maintenance required for this electrification system, some railway administrations are beginning to install it in some tunnels on long-distance lines, requesting higher operation speeds [1]. Some examples are the Barcelona and Madrid suburban networks (Spain), and recent lines in Turkey and Malaysia. In order to adapt the design of the overhead conductor for higher speeds (V > 160 km/h), particular attention must be paid to the geometry of the conductor rail in critical zones as overlaps, crossings and, especially, transitions between conductor rail and conventional catenary, since the use of overhead conductor rail is limited to tunnels, as already mentioned. This paper describes simulation techniques developed in order to take into account these critical zones. Furthermore, some specific simulations results are presented that have been used to analyze and optimizes the geometry of this special zones to get a better current collection quality, in a real suburban network. This paper presents the work undertaken by the Railways Technology Research Centre (CITEF), having over 10 years of experience in railways research [1-4]

Estudios de confort de vehículos ferroviarios mediante técnicas combinadas de simulación FEM y MBS

La elasticidad de la caja de viajeros de los vehículos ferroviarios tiene una gran influencia sobre el confort. Por esta razón, cuando se desea simular el comportamiento dinámico del vehículo para estudios de confort, resulta conveniente construir un modelo elástico de caja, a fin de obtener resultados más precisos. La construcción de este tipo de modelos pasa por el desarrollo de dos etapas fundamentales, que comprenden la generación de un modelo de caja mediante la técnica de los elementos finitos (FEM) para su caracterización dinámica como cuerpo elástico y la definición de un modelo de sistema multicuerpo (MBS) que englobe los restantes componentes del vehículo. En este artículo se presentan los resultados obtenidos en un estudio comparativo llevado a cabo con modelos de caja rígida y elástica, en los que se ha valorado el nivel de confort obtenido con ambas configuraciones. Para ello, se ha simulado el comportamiento del vehículo a dos velocidades distintas, de 70 y 110km/h, y con dos niveles de irregularidades. Se han analizado las aceleraciones de la caja, que se han procesado de acuerdo a las especificaciones de la norma EN12299, a fin de obtener el índice de comodidad. Este parámetro se ha utilizado para comparar el nivel de confort obtenido con ambos modelos, habiéndose encontrado una gran diferencia en los índices calculados con caja rígida y con caja elástica, lo que confirma la gran influencia de la elasticidad de la caja en los estudios de confort llevados a cabo mediante técnicas de simulación dinámica

Comparación de la emisión de vibraciones y ruido de ruedas ferroviarias elásticas y monobloque en líneas de metro

Las ruedas de ferrocarril con avanzado estado de desgaste o poligonalización pueden ser una fuente transmisora de ruidos y vibraciones, lo que supone un serio inconveniente para los vecinos próximos a la línea ferroviaria. Se han adoptado distintas soluciones para mitigar este efecto, entre las que las ruedas elásticas desempeñan un papel importante.Las ruedas elásticas convencionales presentan un anillo de goma, en forma de V, que se encuentra ligeramente comprimido entre el cubo y la banda de rodadura, construidos en acero. Esta capa elástica favorece la supresión del ruido y vibraciones transmitidos, al tiempo que reduce los impactos sobre la vía. En este estudio se ha valorado la eficacia de las ruedas elásticas en líneas metropolitanas, comparándolas con las ruedas monobloque. Se ha utilizado para ello el método de los elementos finitos. Se han llevado a cabo diversas simulaciones para estudiar el comportamiento vibratorio de las ruedas elásticas y monobloque, incluyendo análisis modal, respuesta en frecuencia y análisis de vibraciones estocásticas

Simulación y modelización de las escaleras mecánicas como vía para la mejora del confort de los pasajeros y la disminución de costes

La escalera mecánica lleva más de un siglo entre nosotros, sin apenas variar su diseño de forma notoria. La simulación mecánica de este sistema multicuerpo, asignatura pendiente en la actualidad, ahorrará tiempo y dinero frente a los experimentos tradicionales. En esta línea, CITEF está desarrollando una serie herramientas de mejora del diseño basadas en modelos estáticos, cinemáticos y dinámicos para la simulación del comportamiento de la escalera mecánica convencional así como para el desarrollo y análisis de nuevos diseños. Estas herramientas permitirán el estudio de variables como son la velocidad y la aceleración del peldaño, así como los valores de tensión de la cadena y de reacción de los rodillos. Con los resultados obtenidos se podrán inferir mejoras que supongan una disminución del coste del conjunto de la escalera y del coste de mantenimiento, así como un aumento del confort del usuario

Assessment of the influence of the elastic properties of rail vehicle suspensions on safety, ride quality and track fatigue

A sensitivity analysis has been performed to assess the influence of the elastic properties of railway vehicle suspensions on the vehicle dynamic behaviour. To do this, 144 dynamic simulations were performed modifying, one at a time, the stiffness and damping coefficients, of the primary and secondary suspensions. Three values were assigned to each parameter, corresponding to the percentiles 10, 50 and 90 of a data set stored in a database of railway vehicles.After processing the results of these simulations, the analyzed parameters were sorted by increasing influence. It was also found which of these parameters could be estimated with a lesser degree of accuracy in future simulations without appreciably affecting the simulation results. In general terms, it was concluded that the highest influences were found for the longitudinal stiffness and the lateral stiffness of the primary suspension, and the lowest influences for the vertical stiffness and the vertical damping of the primary suspension, with the parameters of the secondary suspension showing intermediate influences between them

Pantograph wear assesment in overhead conductor rail systems

Wear is the phenomenon that determines the lifetime of the collector strips. Since wear is an inevitable effect on pantograph-catenary systems, it is necessary to determine optimal operating conditions that can mitigate its effects. In this study we have performed a simulation model of the pantograph-overhead conductor rail system which allows the evaluation of the dynamic conditions of the system through the contact force. With these results we have made an evaluation of the quality of current collection, a calculation of the pantograph wear and a definition of the optimal operation conditions of the pantograph-overhead conductor rail system

Methoden zur Verbesserung von Fahrtreppen

This paper presents several methods to search for improvements in escalator design. Escalators were invented more than a century ago. During this time several features have been developed although most of them have not shown any clear advantage over the conventional device. This mechanism is becoming a ¿commodity¿ product. CITEF is using tools to simulate and to analyze the static, kinematic and dynamic behaviour of this multibody system. We have used MATLAB, CATIA and SIMPACK software. In addition, a life prediction model based on dynamic results has been developed

Metodi per migliorare le scale mobili = Methods for improving escalators

This paper presents several methods to search for improvements in escalator design. Escalators were invented more than a century ago. During this time several features have been developed although most of them have not shown any clear advantage over the conventional device. This mechanism is becoming a ¿commodity¿ product. CITEF is using tools to simulate and to analyze the static, kinematic and dynamic behaviour of this multibody system. We have used MATLAB, CATIA and SIMPACK software. In addition, a life prediction model based on dynamic results has been developed

Methods for Improving Escalators

This paper presents several methods to search for improvements in escalator design. Escalators were invented more than a century ago. During this time several features have been developed although most of them have not show nany clear advantage over the conventional device. This mechanism is becoming a "commodity" product.C1TEF is using tools to simulate and to analyze the static, kinematic and dynamic behavior of this multibody system. We have used MATLAB, CATIA and SIMPACK software. In addition, a life prediction model based on dynamic results has been developed

Mejora de un diseño de más de 100 años. Nuevos conceptos en escaleras mecánicas

El presente trabajo persigue la mejora e innovación en el diseño de las escaleras mecánicas, cuya arquitectura básica lleva más de un siglo funcionando con tecnologías electromecánicas alcanzables por todos los fabricantes. Durante este tiempo, se han ido haciendo mejoras continuas en los diversos aspectos de las escaleras móviles aunque ningún sistema patentado posteriormente presenta ventajas claras frente al inicial, Cien años con una arquitectura funcionando sin cambios novedosos hace que este producto se esté convirtiendo en un “commodity”. El CITEF empleará herramientas que permitan simular y analizar el comportamiento estático, cinemático y dinámico de un sistema multicuerpo de este tipo. Se emplearán herramientas tales como MATLAB, CATIA y SIMPACK. Adicionalmente, se desarrollará un modelo de predicción de vida basado en los resultados dinámicos