El punto en el que el pantógrafo de un tren eléctrico entra en contacto con el cable del trole crea uno de los entornos más complejos y difíciles de entender para los fabricantes de componentes ferroviarios y los ingenieros de pruebas, por no hablar de predecir y mejorar
Para que los trenes funcionen de manera eficiente, el pantógrafo debe mantener un contacto constante con los cables de los troles suspendidos de los sistemas de catenaria. Sin embargo, estos cables y sus estructuras de soporte presentan diferentes rigideces verticales a lo largo de cualquier sección. El sistema de catenaria zigzaguea en intervalos de 30 a 100 metros para evitar la formación de surcos. La fuerza que el pantógrafo aplica al cable debe permanecer dentro de un rango bien definido (70N a 120N). Si es demasiado bajo, la pérdida de contacto da como resultado un arco eléctrico, lo que no solo hace que el tren pierda potencia, sino que daña el cable del trole y la barra de contacto a través del grabado y el sobrecalentamiento. Si la fuerza es demasiado elevada, la fricción resultante desgasta el cable y la barra de contacto de forma prematura.
Aplicar la cantidad correcta de fuerza requiere un movimiento vertical variable. Pero cuando los trenes se mueven a mayor velocidad, los pantógrafos pierden su capacidad de reacción. Incluso cuando el cable del trole es lo más plano posible, solo lo es cuando cuelga sin problemas. Cuando el pantógrafo levanta el cable, la deformación resultante crea una onda. Si hay demasiada elevación, el pantógrafo crea una forma de onda mucho más grande que causa problemas de contacto para el siguiente pantógrafo que baja por la línea.
Resolver estos problemas es fundamental para la industria ferroviaria que crece rápidamente en todo el mundo. Los pasajeros del ferrocarril exigen un servicio rápido y confiable, pero a medida que los vagones corren más y más rápido, la tecnología actual de pantógrafos pone en riesgo la velocidad y la calidad del servicio. En el peor de los casos, un solo cable del trole desgastado podría agrietarse y romperse, provocando una falla que haría que se cancelaran o desviaran miles de viajes mientras los técnicos completan el costoso y largo proceso de reemplazar el cable dañado.
RECREAR INTERACCIONES COMPLEJAS
Desde el punto de vista de las pruebas, el principal reto es cómo recrear el entorno operativo complejo y dinámico del pantógrafo en el laboratorio. En la actualidad, el pantógrafo viaja a velocidades de hasta 350 kph (220 mph), con un desarrollo continuo que eleva ese límite superior. Además, el pantógrafo transporta suficiente potencia para acelerar cientos de toneladas de vagones a velocidades máximas a través de una zona de contacto muy pequeña. Y como hemos demostrado, los componentes físicos interactúan en un entorno deslizante con un gran movimiento longitudinal y diversos grados de presión.
Los estudios tradicionales con pantógrafos implican una prueba básica de giro/deslizamiento, en la que el cable del trole se sujeta a un disco giratorio de uno o dos metros de diámetro. La probeta de prueba es una pieza de carbono u otro material de contacto hecho para parecerse a la zapata del pantógrafo. La probeta se empuja contra el alambre giratorio y se desliza hacia adelante y hacia atrás. Estas pruebas son valiosas para caracterizar los efectos del desgaste en diferentes materiales, pero no reproducen la dinámica de contacto que se produce con el sistema real en servicio.
Un nuevo sistema desarrollado por MTS Systems Corp. proporciona una simulación más completa del entorno del pantógrafo. Permite a los fabricantes y a los ingenieros de pruebas estudiar la dinámica del cable del pantógrafo y del trole con mayor exactitud y precisión. Se diseñó para ayudar a los grupos de pruebas a medir la relación fuera de línea (el tiempo en que se reduce el contacto), la resistencia del contacto, el factor de potencia, el tiempo y la intensidad del arco, y la temperatura de las barras de contacto. Además, permite a los grupos de prueba realizar mediciones en tiempo real del desgaste y del cambio de perfil del cable y de la barra de contacto.
Al permitir estas mediciones, el sistema puede utilizarse para conocer mejor el rendimiento de los nuevos diseños de pantógrafos para trenes de alta velocidad. Los ingenieros de pruebas pueden realizar estudios eficaces sobre la pérdida de contacto y los efectos relacionados, la resistencia de contacto y el tiempo de arco, la temperatura del arco y de la barra de contacto, y los efectos del desgaste en el cable del trole y la barra de contacto. En última instancia, los datos de las pruebas ayudarán a los fabricantes a desarrollar sistemas de suspensión de pantógrafos pasivos o activos que aumenten el seguimiento dinámico del movimiento de los cables de los troles, con lo que se conseguirá un mejor contacto y se minimizará el desgaste del sistema de contacto.
CAPACIDADES DEL SISTEMA DE PRUEBA
Este nuevo sistema puede replicar fielmente la dinámica del sistema del pantógrafo y catenaria para muchos tipos diferentes de condiciones de operación que experimentan los vagones ferroviarios en todo el mundo.
Simula la velocidad de los trenes montando el cable del trole en el borde inferior de un disco giratorio de 4 m de diámetro que funciona a velocidades de hasta 550 kmh. El disco se puede programar para simular velocidades variables, así como para recrear historiales de velocidad de trenes reales. Para simular el desplazamiento vertical o la rigidez del cable del trole, el disco se monta en un vagón en movimiento que está programado para reproducir el historial de tiempo de desplazamiento vertical o simular el historial de tiempo de rigidez del cable del trole. El vagón también se mueve en zigzag para simular el movimiento del cable del trole sobre la pista. El pantógrafo completo está instalado en una mesa vibratoria que simula el movimiento vertical del vagón al descender por la vía. Para completar la simulación, el sistema puede transmitir hasta 2000 amperios a través del punto de contacto. El flujo de aire de alta velocidad se dirige a la zona de contacto para proporcionar refrigeración y simular el paso del pantógrafo por debajo del cable. Y un vagón de instrumentación sigue el movimiento en zigzag del cable para proporcionar un control en tiempo real del desgaste de la barra de contacto y del cable del trole.
La capacidad de programación de los componentes individuales es lo que permite que este sistema de prueba cree simulaciones más realistas de las interacciones reales del pantógrafo y el cable del trole. Los múltiples modos de prueba permiten a los ingenieros de pruebas reproducir historiales de tiempo reales, así como variar todos los canales de prueba disponibles, que incluyen: desplazamiento vertical del cable, desplazamiento horizontal del cable (zigzag), velocidad del cable, movimiento vertical del pantógrafo, elevación/caída del pantógrafo, flujo de corriente y aire de refrigeración. El sistema también puede ofrecer un escenario de prueba altamente repetible, lo que permite realizar mediciones detalladas de pequeñas diferencias en el diseño del artículo de prueba. Estas mediciones permiten tomar decisiones de ingeniería y realizar cambios de diseño con mayor confianza en el comportamiento de los componentes en entornos de servicio reales.
Durante las pruebas paramétricas, el disco se mueve en un ciclo repetido mientras se modifican diferentes parámetros. Por ejemplo, se puede programar el disco para que mantenga una posición vertical constante y, después, se pueden introducir desplazamientos cada vez más grandes y realizar estudios detallados del efecto sobre el rendimiento del contacto. La reproducción de datos sintéticos implica la predicción del historial de desplazamiento del cable del trole sobre la base de un modelo digital, con un software avanzado de procesamiento de señales (como MTS Remote Parameter Control, o RPC) que se utiliza para lograr el historial de movimiento del disco deseado.
Finalmente, con la reproducción del historial en tiempo real, el desplazamiento del cable del trole se mide en la pista y el software se utiliza para recrear el historial de tiempo del movimiento del cable. La base de tiempo de la reproducción se puede cambiar para simular diferentes velocidades de tren, y se pueden conectar y repetir secciones cortas de la operación real para producir un archivo de accionamiento para la distancia total deseada.
SEGUIMIENTO Y MEDICIÓN
Una de las formas en que este sistema de pruebas mejora la capacidad de los ingenieros de pruebas es permitiendo la medición de muchos factores que son casi imposibles de medir en circunstancias del “mundo real”, y medirlos de forma estandarizada y repetible.
Para hacer esto, el sistema incluye una amplia instrumentación para el monitoreo de las pruebas. Estos incluyen medición de carga en las barras de contacto, carga de contacto y carga de arrastre. La aceleración vertical se mide en cada extremo de cada barra de contacto, lo que permite monitorear el movimiento dinámico de la barra de contacto a medida que responde a las perturbaciones del vagón y del cable de contacto. Las temperaturas se controlan con transductores montados en la parte posterior de la barra de contacto y una cámara termográfica con capacidad de grabación. Los escáneres láser registran el perfil del cable y la barra de contacto para estudios de desgaste. La distancia de recorrido del cable se registra automáticamente. La medición de corriente y voltaje se mide tanto en el lado de entrada como en el de salida del punto de contacto, lo que permite un monitoreo detallado de la resistencia, el factor de potencia y el tiempo fuera de línea. El tiempo y la intensidad del arco se controlan ópticamente. Todos los datos están sincronizados en el tiempo para realizar estudios detallados de instancias específicas o condiciones operativas.
Los canales de control de las máquinas también son amplios. Incluyen los cojinetes del eje principal (aceleración vertical y horizontal, así como temperatura), las cargas y los desplazamientos del actuador, la actividad del sistema de lubricación automática, el estado de elevación/caída del pantógrafo, el sistema hidráulico y el motor de accionamiento. Los límites de control (incluidos los niveles de advertencia y apagado) se pueden establecer en cualquier canal de datos, lo que brinda a los ingenieros de pruebas un control preciso del funcionamiento del sistema. Estos detectores de límites, combinados con los sistemas de control y supervisión, permiten realizar pruebas automáticas sin necesidad de que los operadores supervisen la máquina de forma continua.
Estas capacidades pueden marcar una gran diferencia para los fabricantes de pantógrafos y trenes. Por ejemplo, medir los numerosos parámetros de la dinámica de contacto en un pantógrafo en marcha ahora es una propuesta realista para los equipos de prueba. En el pasado, este era un problema extremadamente difícil y poco práctico de resolver debido a la poca repetibilidad y el control limitado. Hoy en día, las simulaciones más precisas preparan el escenario para conocimientos más valiosos. Por ejemplo, los grupos de prueba pueden realizar cálculos más precisos del factor de potencia y pérdida, que tienen un efecto directo sobre los costos operativos.
Este sistema es parte de la próxima ola de tecnologías de prueba de pantógrafos que están cambiando la forma en que los equipos de pruebas ferroviarias de todo el mundo realizan investigaciones. El reto del mercado es intenso a medida que los trenes corren más rápido, las líneas ferroviarias se expanden a más regiones y crece el número de pasajeros en todo el mundo. Los fabricantes podrán hacer frente al reto con este y otros sistemas de prueba que permiten a los equipos de prueba lograr simulaciones mucho más realistas de la dinámica compleja del sistema de pantógrafo y catenaria en el laboratorio. Con un conocimiento más preciso y detallado de la respuesta del pantógrafo en el entorno operativo, los diseñadores de productos obtendrán la información que necesitan para desarrollar pantógrafos más eficientes, confiables y de alto rendimiento.
