INOM
EXAMENSARBETE TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP
STOCKHOLM SVERIGE 2019,
Optimering av kontakt med kontaktledning hos tåg
Utplacerade massors påverkan på kontaktkraftens kvalitet
JAKOB LINDBERGH HECTOR ÄLFVÅG
KTH
INOM
EXAMENSARBETE TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP
STOCKHOLM SVERIGE 2019,
Optimization of catenary contact for trains
Positioned masses' effect on contact quality
JAKOB LINDBERGH HECTOR ÄLFVÅG
KTH
SKOLAN FÖR TEKNIKVETENSKAP
Abstract
This project aims to answer whether or not masses placed along a catenary can improve dynamic performance in the contact force between the train’s pantograph and the catenary, and more specifically reduce the fluctuation of the contact force.
This would be a way to improve the performance with only minor modifications to the infrastructure, rather than needing to replace entire catenaries, which is both economically and environmentally costly. The idea of masses as stabilizers comes from other applications, such as skyscrapers and power lines, where said masses have a positive effect on vibrations and movements. Simulations in ANSYS and post-processing in MATLAB are used to determine the contact force, which then can be quantified and compared between different scenarios. Eight different catenary positions, four different masses and two train speeds are tested in hope of seeing trends of what improves the performance and what doesn’t.
A few conclusions about the effect of the masses can be drawn from the results.
Bigger masses gave a bigger effect, and a very big mass gave fluctuations where it was tested. Regarding the impact the speed has on the effect of the masses, the case studied here indicates lower speed decreases the local effect but increases the global effect. All mass placements that improved the performance, by reducing the fluctuations of the contact force, were at the end of a catenary span, and all placements that decreased the performance were at the centre and start of a span.
Some practical limitations on the application of masses on real catenaries, such as mass placements on the contact wire and increased wear on the components
Sammanfattning
Detta projekt behandlar huruvida strategiskt utplacerade massor l¨angs ett t˚ags kontaktledning kan f¨orb¨attra prestandan i kontaktkraften mellan kontaktledningen och t˚agets str¨omavtagare, och specifikt minska fluktuationen. Det skulle inneb¨ara ett s¨att att f¨orb¨attra prestandan som bara kr¨aver sm˚a modifikationer p˚a infrastrukturen ist¨allet f¨or att byta ut hela strukturer, som ¨ar milj¨om¨assigt och ekonomiskt kostsamt. Id´en om massor som stabilisatorer kommer fr˚an andra till¨ampningar, exempelvis byggnader och kraftledningar, d¨ar dessa har en positiv effekt p˚a vibrationer och r¨orelse. Simuleringar i ANSYS och post-processering i MATLAB ger v¨arden p˚a kontaktkraften som kan kvantifieras och j¨amf¨oras. ˚Atta olika positioner, fyra olika massor och tv˚a hastigheter testas f¨or att ge en bild om vad som fungerar och inte.
Resultaten leder till en att en del slutsatser kan dras om massornas p˚averkan.
Det kan s¨agas att stora massor ger ¨okad effekt och en v¨aldigt stor massa gav stor fluktuation d¨ar det testades. N¨ar det g¨aller hastighetens p˚averkan p˚a massans effekt ger resultatet att massan, i den position som testades, p˚averkas lokalt mindre men globalt mer vid en l¨agre hastighet. Gemensamt f¨or de placeringar av massor som hade en positiv inverkan p˚a kontaktkraftens fluktuation var att de alla l˚ag i slutet av spann. Massor som placerades i b¨orjan eller centralt i spann hade ist¨allet negativa effekter p˚a kontaktkraften. De praktiska begr¨ansningarna kring att genomf¨ora vissa av modifikationerna, exempelvis placering av massor p˚a kontakttr˚aden och ¨okat slitage, diskuteras.
Inneh˚ all
1 Inledning 1
1.1 Syfte . . . 1
1.2 Begr¨ansningar . . . 1
2 Bakgrund 2 2.1 Komponenter av kontaktledning . . . 2
2.2 Bed¨omning av kvalitativ kontaktkraft . . . 5
2.3 Massa som stabilisator . . . 5
2.4 H˚allbar utveckling . . . 6
3 Metod 7 3.1 Simulering . . . 7
3.2 Datapresentation . . . 8
3.3 Masspositionering . . . 8
3.4 Hastighet . . . 8
4 Resultat 9 4.1 P˚averkade spann . . . 9
4.2 Olika hastigheter . . . 10
4.3 Olika positioner och vikter . . . 10
4.4 Sammanst¨allning . . . 15
5 Diskussion och slutsats 15 5.1 P˚averkade spann . . . 15
5.2 Viktens p˚averkan . . . 16
5.3 Hastighetens p˚averkan . . . 16
5.4 Bra och d˚aliga omr˚aden f¨or massplacering . . . 16
5.5 Praktisk genomf¨orbarhet . . . 17
5.6 Praktisk till¨ampning . . . 17
5.7 Slutsatser . . . 18
F¨orord
Detta kandidatexamensarbete har utf¨orts av Hector ¨Alfv˚ag och Jakob Lindbergh vid institutionen f¨or Fordonsteknik p˚a Kungliga Tekniska H¨ogskolan i Stockholm v˚arterminen 2019 med handledning av Zhendong Liu.
Vi vill tacka v˚ar handledare Zhendong Liu f¨or id´en om detta kandidatexamensarbete, men ocks˚a f¨or all hj¨alp och st¨od vi f˚att d˚a vi beh¨ovt det under arbetets g˚ang, b˚ade d˚a vi saknat kunskap och d˚a vi beh¨ovt hj¨alp kring uppl¨agget av projektet.
Arbetet har i stor utstr¨ackning gjorts tillsammans, med endast ett f˚atal delar i rapporten som ¨ar skrivna separat. Hector ¨Alfv˚ag har skrivit mycket av bakgrunden medan Jakob Lindbergh har skrivit om h˚allbarhet och andra till¨ampningar av massor som stabilisatorer. B˚ada f¨orfattare har varit delaktiga i presentation av resultat samt diskussion.
1 Inledning
H¨ogre krav st¨alls idag p˚a att utsl¨appen av v¨axthusgaser fr˚an produkter och tj¨anster vi anv¨ander ska minskas. Transportsektorn ¨ar en av de omr˚aden d¨ar mest fokus l¨aggs, eftersom sektorn st˚ar f¨or en tredjedel av Sveriges totala utsl¨app av v¨axthusgaser (Dickinson, 2019) och 28 % av EU:s utsl¨app (European Environment Agency, 2018). De flesta ¨ar
¨overens om att utsl¨appen m˚aste minska, och ett av s¨atten att uppn˚a detta ¨ar att s˚a stor del av flygtrafiken som m¨ojligt flyttas ¨over till sp˚artrafik, ett reses¨att vars milj¨op˚averkan
¨ar avsev¨art l¨agre. Detta st¨aller krav p˚a att t˚aget ska kunna konkurrera med flyget n¨ar det g¨aller restid och hastighet. D˚a t˚agens hastighet ¨okas p˚a befintliga sp˚ar fluktuerar kontaktkraften mellan t˚agets str¨omavtagare och kontaktledningen mer och mer (Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., 2018), vilket leder till s¨amre prestanda. F¨or att rundg˚a detta kr¨avs ofta att hela infrastrukturen uppdateras, en procedur som kr¨aver stora ekonomiska resurser och ¨ar tidskr¨avande.
Ut¨over ovann¨amnda milj¨om¨assiga sk¨al ¨ar snabbare t˚ag n˚agot att i sig efterstr¨ava av den enkla anledningen att ¨okade hastigheter inom t˚agtrafiken minskar restiden f¨or t˚agresor i Sverige. Detta skulle inneb¨ara b˚ade snabbare person- och godstransporter, vilket finns anledning att tro att det ¨aven kan finnas ekonomisk vinning bakom.
Detta arbete kommer att behandla utplacerade massor p˚a redan befintliga system och unders¨oka huruvida dessa kan f¨orb¨attra prestandan och kvaliteten p˚a kontaktledningen utan att beh¨ova byta ut hela den befintliga infrastrukturen. Detta skulle ¨aven kunna
¨oka livsl¨angden p˚a de inblandade komponenterna, vilket leder till minskat underh˚all.
Det finns anledning att tro att detta skulle kunna fungera d˚a liknande metoder kan h¨amma vibrationer och r¨orelse i bland annat h¨oga byggnader och kraftledningar. Lite forskning har gjorts kring detta men teorin baseras till stort p˚a rapporten Application of tuned-mass system on railway catenary to improve dynamic performance (Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., 2018).
1.1 Syfte
Syftet med denna studie ¨ar att unders¨oka om det ¨ar m¨ojligt att f¨orb¨attra kvaliteten i kontaktkraften mellan ett t˚ag och dess konktaktledning genom att placera massor p˚a kontaktledningen. Fr˚agest¨allningar som ¨amnas besvaras ¨ar:
• Hur p˚averkas kontaktkraften av massorna?
• Hur ¨andras massans p˚averkan n¨ar massan vikt ¨okas eller s¨anks?
• Vilken av de unders¨okta masspositionerna p˚a kontaktledningen ger b¨ast kvalitet i kontakten mellan t˚aget och kontaktledningen?
• Hur p˚averkar massorna kontaktkraften f¨or olika t˚aghastigheter?
1.2 Begr¨ ansningar
Studien kommer inte unders¨oka hur en praktisk montering av massor p˚a en kontaktledning kan g˚a till, och inte heller vilka komponenter eller material som l¨ampar sig f¨or detta. Vidare
¨ar resultaten endast relevanta f¨or den specifika kontaktledningstyp som unders¨oks, och
vid de hastigheter som unders¨oks. Endast den tekniska aspekten behandlas, det vill s¨aga inte den ekonomiska aspekten kring vad en s˚adan l¨osning skulle kosta att genomf¨ora.
Eventuellt ¨okat slitage p˚a grund av massorna kommer inte heller att unders¨okas. D˚a resultaten kommer fr˚an en f¨orenklad simulering snarare ¨an tester p˚a en riktig t˚agbana
¨ar resultaten inte n¨odv¨andigtvis helt sanningsenliga, och b¨or snarare ses som rimliga approximativa effekter massplacering kan ha p˚a kontaktkraften mellan ett t˚ag och dess kontaktledning. Detta ¨ar en f¨orberedande teoretisk studie innan detta kan testas p˚a en riktig t˚agbana.
2 Bakgrund
Omr˚adet ¨ar av intresse d˚a det skulle kunna m¨ojligg¨ora h¨ogre t˚aghastigheter p˚a befintliga kontaktledningar endast genom modifikation som inneb¨ar utplacering av massor, snarare
¨an att till exempel byta kontaktledningstyp f¨or att uppn˚a samma f¨orb¨attring (Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., 2018). Kostnaden f¨or underh˚all skulle ocks˚a kunna minskas om kontaktkraften optimeras. M¨ojliga f¨ordelar med detta kan till exempel vara besparing av tid och pengar vid uppgradering av kontaktledning, samt minskade underh˚allskostnader.
2.1 Komponenter av kontaktledning
En t˚agbanas kontaktledningen har som uppgift att f¨orse str¨om till t˚aget, genom str¨omavtagaren. Denna f¨or sedan vidare str¨ommen till motorn, vartefter den g˚ar genom t˚agets hjul ned i r¨alen (Banverket, 2006). Banverket beskriver att den vanligaste typen av kontaktledning ¨ar konstruerad s˚a att kontakttr˚aden, den str¨omf¨orande tr˚aden, ¨ar uppburen av b¨artr˚adar som sitter fast i b¨arlinan (se figur 1). I Sverige anv¨ands enfas v¨axelstr¨om f¨or att str¨omf¨ora t˚agen, med en sp¨anning p˚a 15 kV och frekvens 16,7 Hz (ibid.).
Figur 1: Principskiss av en SYT-kontaktledning med str¨omavtagare. Den
¨
ovre bilden visar sidvyn, den undre toppvyn.
Kontaktledningen i sin helhet ¨ar periodiskt uppburen av utliggare (se figur 2) som b¨ar upp b¨arlinan och kontakttr˚aden. Avst˚andet mellan intilliggande utliggare beror p˚a kontaktledningstypen, och kallas h¨ar f¨or spann. Utliggaren h˚aller upp b¨arlinan och kontakttr˚aden vid de streckade linjerna i figur 1. Kontakttr˚aden ¨ar av utliggaren uppburen
2
i ett sicksackm¨onster, d¨ar varannan drar den bak˚at och varannan trycker den fram˚at, f¨or att minska slitaget p˚a str¨omavtagaren (ibid.).
Figur 2: Principskiss av utliggare till ST- och SYT-kontaktledning.
I Sverige finns det tre typer av kontaktledningssystem, S-, ST- och SYT-system. Det enklast av systemen med indirekt upph¨ang kontaktledning ¨ar S-systemet. Nuf¨ortiden finns det mest p˚a ¨aldre linjer och p˚a bang˚ardar. Det som ¨ar speciellt med S-systemet
¨ar att kontaktlinan f¨asts direkt i underr¨oret med en kontakttr˚adsh˚allare, se figur 3.
F¨ordelen med systemet ¨ar att den l¨ampar sig f¨or sm˚a kurvradier, men g¨or att maximal hastighet endast ¨ar 120 km/h. ST-system anv¨ander sig av ett r¨orligt tillsatsr¨or som f¨aster kontaktlinan i underr¨oret, som i figur 2.
Figur 3: J¨amf¨orelse av utliggare till S-, ST- och SYT-kontaktledning.
SYT-system anv¨ander sig av samma utliggare som ST-systemet men skillnaden mellan systemen ligger i att SYT-systemet h¨ar de b¨artr˚adar intill utliggaren inte direkt kopplas till b¨arlinan utan till en Y-lina, se figur 4. Detta g¨or att kontaktlinan f˚ar r¨att elasticitet kring utliggaren (Banverket, 2006).
Figur 4: J¨amf¨orelse av kontaktledning till S-, ST- och SYT-kontaktledning.
I denna rapport anv¨ands en kontaktledning av typen SYT 7,0/9,8. Detta ¨ar ett av de mest anv¨anda av kontaktledningssystem p˚a j¨arnv¨agar i Sverige (Trafikverket, 2010).
Siffrorna 7,0 och 9,8 avser avsp¨anningskraften i kilonewton hos b¨arlinan respektive kontakttr˚aden, som uppr¨atth˚alls med hj¨alp av en anordning med block, trissor och vikter (se figur 5). Genom denna anordning garanterar man att avsp¨anningen ¨ar konstant oavsett temperatur hos kontaktledningen, d˚a den antingen kan krympa eller utvidgas utan att avsp¨anningen ¨andras. Maximala till˚atna hastighet p˚a denna kontaktledning ¨ar 200 km/h.
Figur 5: Avsp¨anningsanordning till kontaktledning.
Str¨omavtagare ¨ar designade s˚a att den undre delen, under l¨anken vid mitten, skall ta upp l˚angsamma och stora r¨orelser medan den ¨ovre delen, n¨ara kontakttr˚aden, ska ta upp snabba och sm˚a r¨orelser (Banverket, 2006). Se figur 6. Den del av en str¨omavtagare som har kontakt med kontakttr˚aden, och allts˚a f¨or str¨ommen till t˚aget, kallas kolslitskena och
¨ar gjord av kol. Denna m˚aste vara bred nog att t¨acka alla positioner d¨ar kontakttr˚aden kan ha kontakt med str¨omavtagaren. Kontaktkraften mellan str¨omavtagare och kontakttr˚ad f˚ar variera inom intervallet 0-200 N f¨or hastigheter ≥ 200 km/h (ibid).
Figur 6: Principskiss av str¨omavtagare.
4
2.2 Bed¨ omning av kvalitativ kontaktkraft
Kriteriet f¨or kvalitet ¨ar hur mycket kontaktkraften fluktuerar, eftersom detta ¨ar en av de st¨orsta begr¨ansande faktorerna f¨or den specifierade hastigheten f¨or en kontaktledningen (Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., 2018). H¨ogre fluktuation inneb¨ar s¨amre kvalit´e i kontaktkraften. Standardavvikelsen runt medelv¨ardet kommer att anv¨andas som ett kvantitativt m˚att p˚a hur kvalitativ kontaktkraften ¨ar. Mindre v¨arde inneb¨ar mindre avvikelse fr˚an medelv¨ardet och ¨ar d¨arf¨or b¨attre. En j¨amf¨orelse mellan standardavvikelsen f¨or olika fall anv¨ands f¨or att j¨amf¨ora kvalitet och dra slutsatser. Enligt tidigare n¨amnda krav p˚a kontaktkraften (0-200 N f¨or ≥ 200 km/h) r¨aknas st¨orre eller mindre kontaktkrafter ¨an detta som en f¨ors¨amring i kontaktkraftskvalitet.
D˚a kontakten mellan str¨omavtagaren och kontaktledningen f¨orsvinner helt sker n˚agot som kallas f¨or ljusb˚agsbildning, d¨ar en elektrisk urladdning fr˚an kontaktledningen till str¨omavatagaren sker. Eftersom urladdningen sker genom ett annars elektrisk icke-ledande material, luft, bildas plasma. Det leder till v¨aldigt h¨oga temperaturer som sliter mycket p˚a b˚ade str¨omavtagare och kontaktledning och som b¨or undvikas om m¨ojligt (Bruni, S., et al., 2017). ¨Aven en alldeles f¨or h¨og kontaktkraft mellan str¨omavtagare och kontaktledning kan vara skadligt d˚a lasten p˚a systemet ¨okar slitaget. Om b˚ade f¨or h¨og och f¨ort l˚ag kontaktkraft kan undvikas kan underh˚allet som kr¨avs p˚a kontaktledningen och t˚agets komponenter minskas.
2.3 Massa som stabilisator
Massor som ett s¨att att stabilisera strukturer ¨ar inget nytt och anv¨ands redan i flera till¨ampningar. I skyskrapor i omr˚aden med kraftiga vindar eller frekventa jordskalv, anv¨ands ofta en upph¨angd, fj¨adrad massa som ska absorbera energi fr˚an vinden eller skakningarna, genom att i motfas gunga mot byggnadens gungning. Det mest k¨anda exemplet ¨ar byggnaden Taipei 101, i Taipei, Taiwan. Den 509 meter h¨oga byggnaden var d˚a den byggdes 2004 v¨arldens h¨ogsta byggnad. Den geografiska placeringen g¨or att konstruktionen beh¨over klara av b˚ade jordskalv och kraftiga vindar. L¨osningen ¨ar en 728 tons fj¨adrad massa, placerad mellan de 87:e och 92:a v˚aningen, som ska fungera som en motvikt. D˚a byggnaden vibrerar, p˚a grund av jordskalv eller kraftiga vindar, r¨or sig ¨aven massan som en pendel, men den h¨oga tr¨ogheten g¨or att st˚alklotets r¨orelse f¨ordr¨ojs och ist¨allet motverkar byggnadens r¨orelse. Se figur 7 f¨or en principskiss ¨over konstruktionen. Motvikten g¨or att byggnaden klarat av vindbyar med en hastighet p˚a 60 m/s och st˚alklotet har d˚a r¨ort sig cirka en meter i sidled (Limer, E., 2015).
Figur 7: Principskiss av st˚alklotet i Taipei 101.
P˚a kraftledningar anv¨ands en liknande princip f¨or att minska vibrationer och oscilleringar.
D˚a f¨asts tv˚a massor l¨angst ut p˚a flexibla st¨anger som sedan f¨asts i kraftledningen. Dessa kallas f¨or Stockbridged¨ampare och kan ses i figur 8. Namnet kommer fr˚an uppfinnarens namn, George H. Stockbridge, som p˚a 1920-talet konstruerade den f¨orsta prototypen.
Kraftledningar ¨ar k¨ansliga f¨or vindarstr¨ommar som kan s¨atta ledningen i sj¨alvsv¨angning, n˚agot som kan leda till kollaps. Om d¨amparens styvhet och massa noga v¨aljas ut kan massornas gungning f¨ordr¨ojas s˚a att de gungar i motfas motkraftledningen och d¨armed h¨ammar den totala oscillationen (Vanhoecker, M., 2015).
Figur 8: Principskiss av en Stockbridge-d¨ampare p˚a en kraftledning.
2.4 H˚ allbar utveckling
Transportsektorn i Sverige st˚ar idag f¨or n¨astan en tredjedel av landets totala utsl¨app av koldioxid (Dickinson, 2019) och inom EU st˚ar den f¨or 28 % av utsl¨appen (European Environment Agency, 2018). F¨or att minska den m¨anskliga p˚averkan och f¨orst¨oringen av klimatet har EU satt upp l˚angsiktiga m˚al p˚a utsl¨appen av v¨axthusgaser. F¨or att dessa ska n˚as kr¨avs en minskning med tv˚a tredjedelar tills 2050 (European Environment Agency, 2018). Denna minskning kan ske p˚a n˚agra olika s¨att. En generell minskning av resandet i v¨arlden skulle minska utsl¨appen, men globalisering g¨or att vi reser mer och mer och trenderna s¨ager att resandet kommer forts¨atta ¨oka. Sedan 1970-talet har till exempel persontransporterna med bil ¨okat med 70 % och de ser ut att forts¨atta ¨oka i samma takt (Trafikverket, 2017). En annan l¨osning ¨ar att de transportmedel som anv¨ands idag kan f¨orb¨attras s˚a att de sl¨apper ut mindre v¨axthusgaser per kilometer och passagerare,
6
och detta sker st¨andigt n¨ar ny teknologier utvecklas, men det g˚ar f¨or l˚angsamt som det ser ut i dagsl¨aget. Ist¨allet skulle det vara b¨attre om de transporter som g¨ors kunde flyttas fr˚an utsl¨appstunga transportmedel till andra med l¨agre milj¨op˚averkan. Enligt Naturv˚ardsverket (u.˚a.) sl¨apper en flygresa ut 74000 g˚anger mer koldioxid per kilometer och passagerare ¨an en t˚agresa i Sverige. Det skulle betyda en stor positiv milj¨op˚averkan om resor som skulle gjorts med flyg ist¨allet kan g¨oras med sp˚artrafik.
Genom att g¨ora s˚a att t˚agen kan g˚a snabbare utan att tappa i prestanda, kan t˚agtrafiken g¨oras mer attraktiv och konkurrenskraftig mot flyg- och biltrafiken, som sl¨apper ut betydligt mer v¨axthusgaser per kilometer och passagerare. Dessa f¨orb¨attringar skulle dessutom kunna g¨oras p˚a ett s¨att d¨ar hela sp˚arinfrastrukturen inte beh¨over bytas ut, och ger d¨armed ¨annu mindre milj¨op˚averkan och kr¨aver mindre ekonomiska resurser. Det
¨ar ocks˚a m¨ojligt att detta skulle kunna ¨oka livsl¨angden av komponenterna och d¨armed minska kostnaderna f¨or underh˚all.
En eventuell nackdel med massor p˚a kontaktledningar, som inte unders¨oks i denna rapport, ¨ar hur slitaget p˚a ledningarna p˚averkas p˚a grund av den tillagda massan. Massor p˚a kontaktledningen g¨or att den dynamiska lasten ¨okar och d¨armed kanske ocks˚a slitaget.
Det ¨ar troligt att detta slitage ligger bakom m˚anga fall d˚a kontaktledningssystemet g˚att s¨onder (Liu, Z., Stichel, S., 2018). Livsl¨angden av hela kontaktledningssystemet p˚averkas allts˚a m¨ojligen negativt av massornas placering p˚a strukturen och dess milj¨op˚averkan kan d¨arf¨or ifr˚agas¨attas. Massor som ˚a ena sidan kan g¨ora prestandan p˚a t˚agtrafiken b¨attre men ˚a andra sidan g¨or att systemet beh¨over repareras och kanske ¨aven bytas ut oftare, har d¨armed inte n¨odv¨andigtvis en positiv milj¨om¨assig effekt.
3 Metod
En litteraturstudie g¨ors till en b¨orjan f¨or att unders¨oka vilka kontaktledningar som anv¨ands i det svenska t˚agn¨atv¨arket och hur dessa fungerar. Dessutom unders¨oks andra omr˚aden d¨ar strategiskt utplacerade massor kan hj¨alpa till att stabilisera strukturer. Det resterande arbetet baseras p˚a simuleringar i ANSYS samt postprocessering i MATLAB.
3.1 Simulering
Simuleringen beskriver en 1200 m l˚ang kontaktledning, 20 spann med l¨angd 60 m, och en str¨omavtagare som ˚aker l¨angs denna fr˚an v¨anster till h¨oger. Denna ¨ar uppbyggd av noder och elementtyper mellan dessa noder f¨or att motsvara kontakttr˚ad, b¨arlina, b¨artr˚adar, utliggare och str¨omavtagare. Modellen ¨ar tredimensionell och inneh˚aller sicksackm¨onstret som kontakttr˚aden f¨oljer. Modellen ¨ar ihopsatt med hj¨alp av finita elementmetoden, och belastningar och f¨orskjutningar ber¨aknas p˚a detta s¨att. Str¨omavtagaren i modellen ¨ar uppbyggd av massor, fj¨adrar och d¨ampare f¨or att representera det dynamiska beteendet hos en riktig str¨omavtagare (Zhendong, L., et al., 2014).
Koden som beskriver modelleringen av kontaktledningen i ANSYS ¨ar skapad av Lars Drugge, och modifierad av Zhendong Liu, samt koden som anv¨ands f¨or processering av simuleringsv¨ardena. I koden som ANSYS simulerar ans¨atts hastighet f¨or t˚ag, samt massors placering och vikt p˚a de olika noder som anv¨ands f¨or att bygga upp simuleringen. Studien kommer att inneb¨ara en variering av dessa parametrar f¨or att komma till en slutsats
kring massors p˚averkan p˚a kontaktkraftskvaliteten. Fr¨amst massor av storlek 1 kg med t˚aghastighet 200 km/h kommer unders¨okas, men enstaka fall med mindre och st¨orre massor ¨ar medtagna, och ¨aven med l¨agre t˚aghastighet.
ANSYS-simuleringen ger outputfiler som beskriver noders och elements krafter och f¨orskjutningar. Datan fr˚an simuleringsfilerna erh˚allna fr˚an ANSYS behandlas i MATLAB och normalkraften mellan str¨omavtagare och kontaktledning presenteras grafiskt. De olika fallen kommer att j¨amf¨oras och dras slutsatser fr˚an. Huruvida prestandan ¨ar f¨orb¨attrad baseras p˚a fluktuationen hos kontaktkraften, d¨ar en j¨amnare niv˚a ¨ar ¨onskv¨ard, som tidigare n¨amnt.
3.2 Datapresentation
Kontaktkraften mellan t˚agets str¨omavtagare och kontakttr˚aden kommer j¨amf¨oras f¨or fall med en massa utplacerad p˚a ett antal olika noder, dock endast en nod i taget. Simuleringar med olika t˚aghastigheter och helt utan massor kommer ocks˚a att g¨oras. Skillnader i kontaktkraften inom det spann som den belastade noden ligger inom analyseras sedan f¨or att dra slutsatser om huruvida massor f¨orb¨attrar kvaliteten i kontakten. Grafer kommer presenteras f¨or de olika fallen, samt dess standardavvikelser.
3.3 Masspositionering
Massplaceringar som unders¨oks i resultatavsnittet ¨ar presenterade i figur 9. Dessa placeringar representerar stora delar av kontaktledningen och ger en bild av vilka resultat som kan v¨antas fr˚an placeringar i omr˚aden n¨ara dessa punkter. I studien av Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A. (2018) som anv¨ander samma ANSYS-simulering unders¨oks 15 nodplaceringar p˚a b¨arlinan och sju placeringar p˚a kontakttr˚aden, men p˚a grund av tidsbegr¨ansningen f¨or denna studie unders¨oks endast de i figur 9.
Figur 9: Massplaceringar och numreringar i spann 4 och 5 (v¨anster respektive h¨oger) fr˚an simuleringens kontaktledning. De svarta punkterna ¨ar de tidigare n¨amnda noderna simuleringen ¨ar uppbyggd ifr˚an.
Trots att placeringarna p˚a b¨arlinan ¨ar symmetriska kring utliggaren i mitten av de tv˚a spannen ger det inte n¨odv¨andigtvis samma resultat, d˚a t˚aget ˚aker fr˚an v¨anster till h¨oger i simuleringen.
3.4 Hastighet
Hur massornas effekt beror p˚a t˚agets hastighet unders¨oks med simuleringar d˚a t˚aget har en hastighet p˚a 180 km/h ut¨over den vanliga hastigheten 200 km/h. Olika hastigheter kommer bara att testas vid en position, plats 1, och med bara en vikt, 1 kg, p˚a grund av tidsbegr¨ansningen.
8
4 Resultat
Figurerna nedan visar kontaktkraften som funktion av str¨ackan f¨or olika massor vid de ˚atta olika massplatserna. Den r¨oda stj¨arnan i figuren visar vid vilken position i x-led som massan ¨ar placerad, och 0 m motsvarar alltid spannets b¨orjan. F¨or alla figurer utom figur 11, som ¨ar en j¨amf¨orelse f¨or olika hastigheter, ¨ar hastigheten 200 km/h. De masspositioneringar som endast ligger i ett spann har endast det spannet grafiskt beskrivet, medan position 8, p˚a gr¨ansen mellan tv˚a spann, har b˚ada spannen grafiskt beskrivna f¨or att f˚a hela bilden av effekten. I tabellerna under graferna st˚ar standardavvikelserna kring medelv¨ardet f¨or de olika graferna.
4.1 P˚ averkade spann
Figur 10: Kontaktkraften ¨over tre spann d˚a massan placeras i centrum p˚a mittenspannet. De streckade linjerna visar spanngr¨anserna.
4.2 Olika hastigheter
Figur 11: Spann 4 f¨or hastigheten 180 respektive 200 km/h med och utan massa vid plats 1.
Tabell 1: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 1 vid de tv˚a hastigheterna.
Hastighet [km/h] Massa [kg] σ
180 utan 14,73
180 1 15,68
200 utan 16,53
200 1 17,32
4.3 Olika positioner och vikter
Figur 12: Kontaktkraft i spann 4 med massa i plats 1.
10
Tabell 2: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 1.
Massa [kg] σ utan 16,53
0,5 16,87
1 17,32
3 19,61
Figur 13: Kontaktkraft i spann 4 med massa i plats 2.
Tabell 3: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 2.
Massa [kg] σ utan 16,53
1 15,67
Figur 14: Kontaktkraft i spann 4 med massa i plats 3.
Tabell 4: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 3.
Massa [kg] σ utan 16,53
0,5 16,30
1 16,10
Figur 15: Kontaktkraft i spann 4 med massa i plats 4.
12
Tabell 5: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 4.
Massa [kg] σ utan 16,53
0,5 16,36
1 16,23
Figur 16: Kontaktkraft i spann 5 med massa i plats 5.
Tabell 6: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 5.
Massa [kg] σ utan 15,94
1 16,88
Figur 17: Kontaktkraft i spann 5 med massa i plats 6.
Tabell 7: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 6.
Massa [kg] σ utan 15,94
1 16,79
Figur 18: Kontaktkraft i spann 5 med massa i plats 7.
Tabell 8: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 7.
Massa [kg] σ utan 16,53
1 15,70
14
Figur 19: Kontaktkraft i spann 4 och 5 med massa i plats 8.
Tabell 9: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 8.
Massa [kg] σ utan 16,23
1 16,11
4.4 Sammanst¨ allning
Standardavvikelsen f¨or alla fall med hastighet 200 km/h presenteras i tabell 10.
Tabell 10: Standardavvikelser f¨or massor vid plats 1-8.
Massa [kg] Plats 1 Plats 2 Plats 3 Plats 4 Plats 5 Plats 6 Plats 7 Plats 8 utan 16,53 16,53 16,53 16,53 15,94 15,94 16,53 16,23
0,5 16,87 — 16,30 16,36 — — — —
1 17,32 15,67 16,10 16,23 16,88 16,79 15,69 16,11
3 19,61 — — — — — — —
5 Diskussion och slutsats
5.1 P˚ averkade spann
I figur 10 presenteras tre spann d¨ar en massa ¨ar placerad centralt i mittenspannet j¨amf¨ort med samma spann d˚a ingen massa alls ¨ar placerad. Fr˚an grafen kan en del slutsatser dras om en massas p˚averkan p˚a intilliggande spann. Det kan s¨agas att det f¨oreliggande spannet p˚averkas allra minst av den efterkommande massan av de tre presenterade spannen. ¨Aven efterf¨oljande spann ¨ar bara marginellt p˚averkat av den f¨oreg˚aende massan. Enbart spannet d¨ar massan ¨ar placerad p˚averkas p˚a ett s¨att som g¨or att massans effekt beh¨over tas i
˚atanke. Detta resultat g¨or att massan endast beh¨over placeras i ett spann och endast detta specifika spann beh¨over studeras f¨or att dra en slutsats om massans p˚averkan p˚a kontaktkraften.
5.2 Viktens p˚ averkan
Figur 12 visar att stora massor kan ha stora lokala effekter som ¨okar fluktuationen i kontaktkraften kraftigt. Detta ¨okar standardavvikelsen; fallet med 3 kg massa har 18,6
% h¨ogre standardavvikelse ¨an fallet utan massa, vilket ¨ar den st¨orsta standardavvikelsen f¨or alla studerade fall. Emellertid studerades endast ett fall med en massa st¨orre ¨an 1 kg, s˚a n˚agra s¨akra generella slutsatser kan inte dras, men genom inspektion av figur 12 blir det tydligt att fluktuationerna troligen inte skulle f¨orb¨attra standardavvikelsen f¨or andra massplaceringar.
De lokala extremv¨ardena f¨or kontaktkraften n¨ara massplaceringen p˚averkas mest av massorna. Se till exempel figur 19, d¨ar omr˚adet kring massan tydligt p˚averkas, medan
¨
ovriga omr˚aden ¨ar marginellt p˚averkade. Den generella formen f¨or kontaktkraftens graf
¨ar ofta bevarad f¨or de olika fallen, dock kan sm˚a skillnader i formen uppst˚a. Se till exempel figur 18 ungef¨ar 20 m in i spannet, d¨ar formen ¨ar olika med och utan massa.
N¨ara massplaceringar ¨okas generellt kontaktkraftens v¨arde.
5.3 Hastighetens p˚ averkan
Hur massan p˚averkar kontaktkraften vid olika hastigheter visas i figur 11. Generellt kan s¨agas att kontaktkraften ¨ar betydligt j¨amnare vid l¨agre hastigheter, vilket helt f¨oljer teorin kring kontaktledningar. F¨or b˚ada hastigheterna blev resultatet s¨amre d˚a massan placerades i plats 1, men f¨ors¨amringen blev procentuellt h¨ogre f¨or den l¨agre hastigheten
¨an den h¨ogre, 6,45 % respektive 4,78 %. Standardavvikelsen ger ett m˚att p˚a hur hela spannet p˚averkades och inte bara i n¨arheten av massan. Fr˚an grafen kan utl¨asas att i omr˚adet intill massan var effekten fr˚an massan mindre i fallet med en l¨agre hastighet. Det vill s¨aga var effekten globalt st¨orre, men lokalt mindre f¨or fallet med den l¨agre hastigheten.
Tyv¨arr gjordes den enda j¨amf¨orelsen mellan olika hastigheter med en massa i plats 1, ett st¨alle massan alltid f¨ors¨amrar resultatet. Huruvida massan alltid f¨oljer detta m¨onster d˚a hastigheten ¨andras g˚ar d¨arf¨or inte att s¨akerst¨alla.
5.4 Bra och d˚ aliga omr˚ aden f¨ or massplacering
De b¨asta massplaceringarna med avseende p˚a standardavvikelse ¨ar plats 2 och 7, som f¨orb¨attrar, det vill s¨aga minskar, standardavvikelsen med 5,5 % respektive 5,4 %. Plats 3 och 4 f¨orb¨attrar standardavvikelsen med 2,7 % respektive 1,8 % f¨or fallen med 1 kg, och slutligen plats 8 med 0.7 %. Plats 5 och 6 f¨ors¨amrar, standardavvikelsen med 5,9 % respektive 5,3 %, och plats 1 f¨ors¨amrar standaravvikelsen, som tidigare n¨amnt, med 18,6
% f¨or fallet med 3 kg och med 4,8 % f¨or 1 kg. Inspektion av figur 9 visar att de s¨amsta positionerna f¨or optimering av kontaktledningskvaliteten ¨ar i v¨anstra omr˚adet fram till mitten av ett spann, och de b¨asta ¨ar i det h¨ogra omr˚adet fram till slutet av ett spann.
F¨orb¨attringen ¨ar st¨orst vid plats 2 och 7, som ligger p˚a samma horisontella position (se
16
figur 9), och blir mindre och mindre n¨ara utliggaren.
Som n¨amnt i f¨oreg˚aende stycke ¨ar det en tydlig skillnad p˚a massplaceringar i b¨orjan och slutet av ett spann. Vad som ¨ar b¨orjan och slutet av ett spann beror p˚a t˚agets f¨ardriktning, s˚a en massplacering i slutet av ett spann ˚at ett h˚all inneb¨ar en massplacering i b¨orjan av ett spann n¨ar t˚aget sedan ˚aker tillbaka samma v¨ag, om man antar att det ¨ar en ensp˚arig str¨acka. Massplaceringarna som ger ¨okad kontaktkraftskvalitet b¨or d¨arf¨or anv¨andas i den riktning t˚aget huvudsakligen ˚aker ˚at d˚a det ¨ar dubbelsp˚arigt, och symmetriska placeringar som ger ¨okad kontaktkraftskvalitet b¨or anv¨andas i enkelsp˚ariga scenarion. Exempelvis skulle plats 2 vara l¨amplig f¨or dubbelsp˚ariga r¨alsstr¨ackor och plats 8 f¨or enkelsp˚ariga r¨alsstr¨ackor. P˚a detta s¨att f¨orb¨attras kvaliteten alltid i enkelsp˚ariga fall, och s˚a ofta som m¨ojligt utnyttjas de stora f¨orb¨attringar som icke symmetriska placeringar inneb¨ar f¨or dubbelst˚ariga fall. Om det ¨ar inte ¨ar acceptabelt att ha s¨amre kontaktkraftskvalitet ˚at n˚agot h˚all b¨or endast symmetriska massplaceringar anv¨andas.
5.5 Praktisk genomf¨ orbarhet
Oavsett vilka resultat simuleringarna har givit finns det ett antal praktiska begr¨ansningar.
Till exempel ¨ar det opraktiskt att placera alltf¨or stora massor p˚a kontaktledningen, d˚a detta eventuellt skulle inneb¨ara en p˚afrestning f¨or kontaktledningen och de olika f¨astena som h˚aller ihop den. Det ¨ar ocks˚a m¨ojligt att detta drastiskt skulle ¨oka slitaget f¨or kontaktledning och str¨omavtagare, speciellt d˚a SYT 7.0/9.8 ¨ar en relativt svag kontaktledning (Liu, Z., Stichel, S.. 2018). Betydligt s¨amre h˚allbarhet skulle inte v¨agas upp av marginellt b¨attre kontaktkraftskvalitet.
Ett annat hinder ¨ar att en fysisk placering av massor direkt p˚a kontakttr˚aden, som plats 7 och 8 inneb¨ar, inte ¨ar m¨ojlig eftersom en str¨omavtagare beh¨over kunna glida fritt l¨angsmed denna och uppr¨atth˚alla kontakten utan f¨orhinder. F¨or att kunna placera en massa p˚a dessa platser skulle ett speciellt typ av f¨aste beh¨ova utvecklas. Ett s˚adant f¨aste skulle beh¨ova balansera en massa ovanp˚a en kontakttr˚ad s˚a att denna inte kolliderar med str¨omavtagaren. Med tanke p˚a dessa komplikationer ¨ar det opraktiskt att implementera en massa p˚a plats 7 eller 8 p˚a en riktig kontaktledning.
5.6 Praktisk till¨ ampning
Testerna som gjordes i denna studie gjordes p˚a spann som inte n¨odv¨andigtvis beh¨ovde f¨orb¨attras. Att f¨or¨andra kontaktkraften med n˚agra newton i omr˚aden d¨ar kontaktkraften redan ¨ar relativt ¨onskv¨ard ¨ar fortfarande n˚agot som b¨or efterstr¨avas, men att kunna f¨or¨andra kontaktkraften i spann d¨ar det av n˚agot sk¨al finns problem med kontaktens prestanda ¨ar d¨ar det finns stor vinning. Genom att till exempel kunna placera en massa p˚a kontaktledningen som g¨or att ett omr˚ade d¨ar kontakten mellan str¨omavtagaren och kontaktledningen ¨ar obefintlig faktiskt uppn˚ar kontakt igen och d¨armed undviker ljusb˚agsbildning kan mycket slitage undvikas. Dessa omr˚aden b¨or prioriteras f¨ore oproblematiska spann n¨ar massor ska placeras.
5.7 Slutsatser
Ett antal slutsatser kan dras fr˚an studien:
• Massorna p˚averkar kontaktkraften med lokala ¨andringar och ofta ¨okad kontaktkraft.
Generellt sett ¨ar dock formen f¨or kontaktkraften op˚averkad.
• St¨orre massa ger en st¨orre avvikelse och tv¨artom.
• Massplaceringar i slutet av spann ¨ar b¨ast f¨or kontaktkraftens kvalitet, och de i b¨orjan och mitten s¨amst.
• Det blir en st¨orre global skillnad vid l¨agre hastighet, men mindre lokal skillnad.
Detta ¨ar dock sv˚art att dra n˚agra s¨akra slutsatser om fr˚an denna studie.
6 Vidare forskning
F¨or att ytterligare unders¨oka m¨ojligheterna med detta ¨amne ¨ar det relevant att forska om mer avancerade masselement som med d¨ampare och fj¨adrar sitter fast i kontaktledningen, och om dessa ger b¨attre resultat ¨an de enkla fasta massorna denna studie unders¨okte. D˚a endast ett fall av st¨orre massor studerades h¨ar ¨ar det ¨aven intressant med olika storlekar p˚a massor p˚a platser d¨ar kontaktkraftskvaliteten f¨orb¨attrades, och se om det finns m¨ojlighet f¨or ¨annu b¨attre resultat.
Vidare ¨ar h¨ogre t˚aghastigheter med massplaceringar p˚a f¨ordelaktiga positioner intressant f¨or att unders¨oka om maximal t˚aghastighet kan ¨okas p˚a SYT 7,0/9,8, eller p˚a andra kontaktledningstyper, med hj¨alp av massplaceringar. En massplacering som minskar fluktuationen f¨or en l¨agre hastighet skulle kunna m¨ojligg¨ora en h¨ogre hastighet med acceptabla fluktuationer, med detta skulle beh¨ova unders¨okas i detalj och med olika fall av massor och hastigheter, d˚a detta endast studerades i ett fall h¨ar. ¨Aven fler massplaceringar kring platser med goda resultat skulle kunna unders¨okas, f¨or att vidare definiera ett massplaceringsomr˚ade med stora f¨orb¨attringar i kontaktkraftskvalitet.
Slutligen ¨ar en studie om m¨ojliga s¨att att f¨asta massor p˚a en kontaktledning n¨odv¨andig f¨or att kunna genomf¨ora detta i praktiken. Detta skulle m¨ojligg¨ora praktiska m¨atningar via test p˚a riktiga t˚agbanor f¨or att bekr¨afta de resultat simulering ger.
18
Referenser
Banverket. (2006). L¨arobok kontaktledning.
https://www.trafikverket.se/contentassets/c418e82fd2a1456a93d0b8c55dba2583/larobok kontaktledning introduktion.pdf?id=135915 [2019-03-25]
Bruni, S., Bucca, G., Carnevale, M., Collina, A., Facchinetti, A.. (2017). International Journal of Rail Transportation. Pantograph–catenary interaction: recent achievements and future research challenges.
Dickinson, J. (2019). Naturv˚ardsverket. Transporterna och milj¨on.
https://www.naturvardsverket.se/Miljoarbete-i-samhallet/Miljoarbete-i-Sverige/Uppdela t-efter-omrade/Transporter-och-trafik/ [2019-04-29]
European Environment Agency. (2018). European Environment Agency. Greenhouse gas emissions from transport.
https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/transport-emissions-of-greenhouse -gases/transport-emissions-of-greenhouse-gases-11 [2019-04-29]
Limer, E. (2015). Popular mechanics. How a skyscraper stays upright in a typhoon.
https://www.popularmechanics.com/technology/design/a16819/tapei-101-mass-damper-r ecord/ [2019-03-25]
Liu, Z., Stichel, S.. (2018). Modelling and characterization of catenary degradation in the entire lifespan to enhance safety and reliability.
Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A.. (2018). Engineering Structures. Application of tuned-mass system on railway catenary to improve dynamic performance.
Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., J¨onsson, P.. (2014). Journal of rail and rapid transit.
Implications of the operation of multiple pantographs on the soft catenary systems in Sweden.
Naturskyddsf¨oreningen. (u.˚a.). Naturv˚ardsverket. S˚a stor milj¨obov ¨ar flyget.
https://www.naturskyddsforeningen.se/flyginfo [2019-04-29]
Trafikverket. (2010). Kontaktledningsystem Sverige.
https://www.trafikverket.se/contentassets/c418e82fd2a1456a93d0b8c55dba2583/kontaktl edningssystem sverige.pdf [2019-03-26]
Trafikverket. (2017). Trafikverket. V¨agtrafikens utsl¨app.
https://www.trafikverket.se/for-dig-i-branschen/miljo—for-dig-i-branschen/energi-och-kli mat/Transportsektorns-utslapp/Vagtrafikens-utslapp/ [2019-04-29]
Vanhoenacker, M. (2015). Slate. What’s that thing hanging from lampposts and power lines? https://slate.com/human-interest/2015/07/what-s-that-thing-stockbridge-damper s.html [2019-03-25]
www.kth.se
