Caratterizzazione sperimentale e modellistica del comportamento non lineare di pendini finalizzata alla simulazione dell'interazione pantografo-catenaria

Every structural components concerning the study of pantograph - catenary dynamic interaction have been carefully shaped by mathematical models except for droppers. The principle aim of this work is to create a dedicated model, based on experimental measures, for these components in order to reproduce their behavior. A broad measurements campaign has been carried on, in order to investigate the force response of the dropper undergoing imposed displacement at different speeds. Following models are proposed, listed in order of complexity and completeness. The first proposed model only accounts for the elastic non-linear component of the force response. The second one takes advantage of a rheological model with a friction element to represent the actual nature of dropper’s energy dissipation mechanism, i.e. hysteretic. The last one (called S.E.F.) consists of several concentrated masses in nodal position, and is able to consider the overstress given by inertial effects at high speeds. At a later stage, each model has been used to define the catenary line within a simulation of pantograph-catenary interaction. Numerical results have been evaluated on the basis of a frequency bands analysis, starting from a basic situation which involves droppers modeled as a simple bilinear stiffness. Each set of results has been compared with an experimental campaign operated in 2009 on the italian railway line between Milan and Turin. After these comparison it is possible to say that each model permits to account for the specific effect for which it is designed, hence only the third model with concentrate masses allows to consider the higher range of frequencies.

Nell’ambito dello studio dell’interazione dinamica pantografo-catenaria, per quasi tutti i componenti strutturali coinvolti sono disponibili modelli matematici consolidati, ad eccezione dei pendini. Con il presente lavoro si punta all’individuazione di un modello in grado di riprodurne in maniera completa e il più possibile esatta il comportamento. Mediante una vasta campagna di sperimentazione in laboratorio è stata investigata la forza di risposta esercitata dal pendino in dipendenza da uno spostamento imposto a diverse velocità. La modellazione successivamente proposta si propone di fornire dei modelli matematici a vari livelli di complessità per descrivere il comportamento dei pendini sollecitati. Il modello più semplice considera la sola componente di richiamo elastica non lineare della forza generata dal pendino. Il secondo si basa su un modello reologico che comprende uno smorzatore ad attrito Coulombiano, dal momento che il meccanismo di dissipazione è meglio identificabile come un fenomeno isteretico. L’ultimo approccio (definito modello a “segmenti elastici finiti” S.E.F.) considera anche gli effetti inerziali, dimostrandosi in grado di riprodurre le sovrasollecitazioni dinamiche emerse aumentando la velocità di sollecitazione. Ciascun modello è stato quindi inserito all’interno di un tool di simulazione dell’intera linea aerea, considerando come situazione di partenza i risultati numerici ottenuti impiegando un modello di rigidezza che fosse lineare nelle zone di spostamento in cui il pendino è in trazione e nullo in compressione. La valutazione dell’effetto dei modelli proposti sulla simulazione numerica della interazione pantografo - catenaria si è svolta sulla base di un’analisi in bande di frequenza dei valori della forza scambiata e dello spostamento verticale del punto di contatto, comparati ove possibile con valori sperimentali misurati in linea. L’andamento di queste due grandezze viene riprodotto in maniera più che accettabile da ciascuno dei modelli introdotti ma il modello S.E.F., come atteso, consente di considerare anche i contributi alle alte frequenze.