Railway pantograph improvements adopting composite material

Railway pantographs are the main components mounted on trains to collect electric power from the overhead contact line. To achieve a high quality power collection, the contact force due to the interaction with the electric line should be characterized by low deviations around the mean value in order to avoid excessive wear or contact losses. Studying the models of the interaction of pantograph and catenary, among the parameters that may deteriorate this value there are the inertia of the pantograph and dynamic amplifications at resonance frequencies. A possible solution to improve the contact dynamics is to have a lightweight pantograph frame for reducing the standard deviation and having an increase in natural frequencies in the range 0-20 Hz, in which most excitations due to the interaction with the contact line are located. To achieve this objective the use of composite material is proposed and to understand the benefits of the adoption of it, a finite element model with beam elements was created using MATLAB®. The model was based on the kinematics and geometry of the ATR95 pantograph and two uppper frame versions, trapezoidal shaped and Y shaped, were analysed. To introduce the effect of composite materials into equivalent beam elements, the components were modelled in ABAQUS® using shell elements to characterize the axial stiffness, bending stiffness and torsional stiffness for a carbon fiber reinforced epoxy matrix material, URN300. Through the beam model, static tests to comply with prescribed limits by standard EN50206-1, dynamical tests to analyse the frequencies and modeshapes of excitation and simulations to evaluate the equivalent mass for lumped parameters model of the pantograph were made. Thanks to the adoption of the composite material, it has been found that in the lightest scenario of full composite pantograph, the equivalent mass of a Y frame pantograph decreases by 52 % and 25 % with respect to a configuration in steel or in aluminium, respectevely, which leads to a resulting contact force standard deviation decrease of 8 %. The chosen ply orientation of [(+− 30/02)2]S allows also to achieve an increase of +16 % and +29 % relatively to the first two original bending modes’ frequencies and of +49 % with respect to the second mode among those that involve a torsional plus lateral motion.

Il pantografo ferroviario è l’elemento principale montato sul treno per prelevare energia elettrica dalla linea aerea di contatto. Per ottenere un’alta qualità della potenza ottenuta, la forza di contatto dovuta all’interazione con la linea elettrica deve essere caratterizzata da una forza media con basse deviazioni per evitare un’usura elevata o disconnessioni. Analizzando i modelli dell’ interazione pantografo catenaria, tra i parametri che possono deteriorare questo valore ci sono l’inerzia del pantografo e le amplificazioni dinamiche dovute a frequenze di risonanza. Una soluzione per migliorare la dinamica di contatto è quella di usare un pantografo più leggero per ridurre la deviazione standard e avere un aumento delle frequenze naturali nell’intervallo 0-20 Hz, dove sono presenti la maggior parte delle eccitazioni dovute all’interazione. Per raggiungere quest’obiettivo si propone l’uso di un materiale composito e per capirne i vantaggi un modello a travi a elementi finiti è stato creato usando MATLAB®. Il modello si basa sulla cinematica e la geometria del pantografo ATR95 e vengono analizzate due versioni di telai superiori, a trapezio e a Y. Per introdurre l’effetto del materiale composito nel modello a travi, i componenti sono stati modellizzati in ABAQUS® attraverso l’uso di elementi a guscio per ottenere i valori di rigidezza assiale, flessionale e torsionale di un materiale a fibre di carbonio con matrice epossidica, l’URN300. Usando il modello a travi sono stati effettuati test statici per attenersi ai limiti prescritti dalla normativa EN50206-1, test sulla dinamica per analizzare le frequenze naturali e i modi di vibrare e simulazioni per estimare la massa equivalente usata nel modello di pantografo a masse concentrate. Grazie all’utilizzo del materiale composito, i risultati mostrano che, nel caso più leggero possibile con pantografo pienamente in composito, la massa equivalente del pantografo a Y diminuisce del 52 % e del 25 %, confrontato rispettivamente con configurazioni in acciaio e in alluminio, questo porta a una diminuzione della deviazione standard della forza di contatto del 8 %. Scegliendo la configurazione [(+− 30/02)2]S si possono ottenere un incremento del +16 % e del +29 % delle frequenze dei primi due modi a flessione e del +49 % rispetto alla frequenza del secondo modo fra quelli caratterizzati da spostamento laterale più torsionale.