Metodología y desarrollo de herramientas para el estudio de la interacción pantógrafo catenaria a través de modelos virtuales y su aplicación a sistemas de catenaria rígida

Resumen

El principal objetivo que se ha planteado para el desarrollo de esta tesis es la generación de una base de conocimientos sobre sistemas de catenaria, en concreto sobre catenaria rígida, a través de la generación de una herramienta de simulación que reproduzca la interacción entre el pantógrafo de un tren y la infraestructura de catenaria. Se ha orientado el desarrollo de este documento a la aportación de pilares de utilidad, principalmente teóricos, metodológicos y prácticos. La principal aportación teórica, al margen de la unificación en un mismo texto de las descripciones generalistas de los sistemas de catenaria, es la identificación de los parámetros necesarios para el desarrollo de la simulación del contacto de dos componentes que se encuentran en movimiento relativo a altas velocidades. Respecto a la metodología aplicada, la ausencia de normativa específica sobre sistemas de catenaria rígida ha obligado a la generación de procedimientos alternativos basados en procesos físicos similares y su extrapolación al problema concreto de la catenaria rígida. De este modo se ha producido una herramienta de gran versatilidad y que ofrece resultados ajustados a la realidad de los diferentes sistemas de electrificación. Por último, y fruto de los estudios realizados durante los primeros años, se ha generado una aportación tecnológica de aplicación práctica sobre sistemas de catenaria rígida, que ha obtenido la concesión de patente mediante examen sustantivo, demostrándose que el entendimiento del proceso físico permite desarrollar alternativas de utilidad para la mejora de la explotación. El análisis de la normativa existente en relación a sistemas de catenaria evidencia una falta de normalización sobre sistemas de catenaria rígida, cuyo uso se ha extendido con los años, especialmente en infraestructura subterránea. Esto ha vinculado la catenaria rígida principalmente a sistemas de metro en el interior de las ciudades, pero existen excepciones en las que los sistemas de catenaria rígida se utilizan al aire libre o sobre infraestructura de Alta Velocidad. La ausencia de textos normativos en el momento de iniciar los estudios es demostración suficiente de la necesidad de desarrollo de una herramienta que proporcione un sistema de cálculo de la interacción entre componentes de catenaria, independientemente de que esta sea flexible o rígida. Para lograr todo ello, y partiendo de las descripciones de los sistemas de catenaria existentes y de sus componentes, se han realizado dos modelos de simulación basados en tecnologías significativamente diferentes. Por un lado, se ha utilizado un software CAD, extensamente empleado para el estudio del comportamiento físico de mecanismos y componentes, y por otro lado se ha realizado un modelo simplificado en base Matlab aplicando la teoría de estructuras y los estudios multicuerpo de mecanismos. Ambos modelos han requerido de la aplicación de simplificaciones enfocadas principalmente a reducir el volumen de cálculos necesarios para la resolución del problema dinámico. También en ambos casos ha existido la posibilidad de aplicar la teoría de elementos finitos, lo que ha permitido establecer una serie de comparativas de calidad de simulación, tanto para procesos estáticos como dinámicos. En este sentido, se ha contado además con la posibilidad de acceder a las instalaciones de ADIF en el Centro de Tecnologías Ferroviarias que se encuentra en Málaga, donde se dispone de una reproducción de un tramo de catenaria rígida instalado en el túnel que une las estaciones de Atocha y Chamartín en la ciudad de Madrid. Sobre este banco de ensayo se han realizado pruebas de carácter estático y dinámico. El primer conjunto de pruebas se ha enfocado a la caracterización de la estructura formada por la viga principal de la catenaria y los soportes que anclan la misma al techo o dovelas. Estos ensayos han permitido evaluar la deformación del conjunto por su propio peso y establecer la mejor caracterización de la unión entre componentes posible. El principal resultado obtenido es en lo referente a los soportes y a la rigidez vertical de los mismos frente a esfuerzos ascendentes, permitiendo simplificar la acción de los mismos dentro del conjunto a un esfuerzo de carácter lineal. El segundo conjunto de pruebas, de carácter dinámico, ha permitido evaluar las deformaciones de la viga principal de la catenaria ante diferentes tipos de excitación. Estos ensayos han permitido identificar los principales modos de resonancia del sistema, conociéndose así las frecuencias de vibración a las que se producen mayores desplazamientos. El aumento del desplazamiento vertical de la viga de catenaria se traduce como inestabilidades a la hora de mantener el contacto entre el pantógrafo y la infraestructura de catenaria, produciendo despegues e impactos no deseables. Considerando globalmente el conjunto de pruebas desarrolladas y los resultados obtenidos de las mismas, se procede a la reproducción del escenario de ensayo en forma de modelos virtuales tanto dentro del software CAD como en la herramienta de Matlab que se ha desarrollado. Se reproducen sobre estos modelos los mismos ensayos que se han realizado sobre las instalaciones de ADIF, de forma que se pueda crear una matriz de comparación de resultados conforme a lo que se recoge en el siguiente esquema. Se crea con esta metodología un modelo de validación mutua que permite evaluar la calidad de los modelos generados frente a una estructura real. La última aportación y comprobación de la calidad de los métodos de simulación desarrollados ha sido gracias a la colaboración en proyectos de investigación de la Universidad Politécnica de Madrid junto a los Ferrocarriles Federales Suizos, proporcionando esta última organización los datos de explotación de un tramo de catenaria rígida en los que se emplea una configuración del sistema de las mismas características que la que se ha empleado como referencia accesible en las instalaciones de ADIF. Por su parte, tanto la necesidad de trabajar en plazos temporales manejables dentro del periodo de desarrollo de la tesis, como la calidad de los resultados obtenidos con la herramienta de simulación de desarrollo propio en base Matlab, han condicionado el uso de esta para su aplicación de forma más concreta. El principal bloque de pruebas de aplicación realizadas, se ha enfocado al estudio de la velocidad máxima de circulación a la que se puede conservar la calidad del contacto entre pantógrafo y catenaria, considerando como variables la distancia entre soportes consecutivos, la distancia entre pantógrafos consecutivos y el tipo de pantógrafo. Como resultado se tienen las siguientes tablas, la primera de ellas para el modelo de pantógrafo de masas reducidas de la norma EN 50318:2003 y la segunda para el modelo de pantógrafo WBL85. La calidad de los resultados recogidos en estas tablas se evidencia al haber sido consideradas para las recomendaciones de velocidad máxima de circulación recogidas en la IRS 70020 de la UIC. Una vez conocido el comportamiento y dinámica del proceso de captación de corriente se ha elaborado una extensión de la herramienta enfocada al mantenimiento predictivo. Con ello se ha conseguido evaluar los perfiles de desgaste que pueden aparecer en las pletinas de contacto que se instalan en los pantógrafos en función de las características geométricas de la instalación de catenaria, incluyendo el descentramiento característico de estos sistemas. Esta extensión ha permitido evaluar diferentes tipos de descentramiento y el efecto que los mismos tienen sobre la vida útil de los componentes. La flexibilidad de la herramienta de cálculo desarrollada, así como los análisis realizados sobre la dinámica del sistema de catenaria rígida, han permitido desarrollar y patentar bajo el número de reserva ES2683778 los compensadores de rigidez que se muestran en este mismo documento. El desarrollo de estos sistemas, capaces de amortiguar las oscilaciones que se producen en la viga principal de catenaria, han sido fruto del desarrollo de la idea de aunar en un mismo sistema de distribución de corriente eléctrica los beneficios que aportan los sistemas de catenaria flexible y rígida. De este modo, separando la viga principal del hilo de cobre a través de un dispositivo elástico, se separa el movimiento del cuerpo de mayor peso del cuerpo de contacto permanente con el pantógrafo, permitiendo una fuerza de contacto estable a lo largo de la circulación y mejorando las previsiones de vida útil. En todo su conjunto, y como puede observarse a través de la lectura de este documento, se ha logrado, partiendo del conocimiento recogido en multitud de bases de información, aunar dicha información y aplicarla de forma práctica a la generación de herramientas de simulación que han permitido a su vez el desarrollo de patrones de explotación en función de las instalaciones de infraestructura y, adicionalmente, propuestas tecnológicas alternativas de instalación que permitirán mejorar las condiciones de explotación, tanto en durabilidad como en capacidad de transporte y velocidad de circulación