Abstract
Bakgrunn
Masteroppgaven omfatter modellering, simulering og analysering av kontaktkreftene mellom strømavtager WBL 88 og kontaktledningssystem 20 B. Det er gjort målinger på system 20B mellom Sarpsborg og Kornsjø med målevogn Roger 1000 som har en strømavtager av type WBL 88. Motivasjonen og bakgrunnen for modellering av dette systemet er å få en så realistisk modell som mulig, slik at den kan benyttes i studier av kraftbeltets oppførsel ved ulike toghastigheter og ved flere strømavtagere etter hverandre.
Metodikk
I denne studien er programmet Comsol benyttet som modellerings- og simuleringsverktøy. Det er laget en forenklet 3D-representasjon av kontaktledningssystemet ved hjelp av ”finite element method”. Strømavtageren er forenklet og er implementer ved hjelp av fire koblede differensiallikninger i Comsol. Strømavtageren ble modellert og analysert i Matlab før den ble implementert i Comsol. Følgende modeller ble laget:
• Modell med 1 strømavtager
• Modell med 2 strømavtagere (65 meter mellom strømavtagerne)
• Modell med 2 strømavtagere (30 meter mellom strømavtagerne)
Simuleringene er sammenlignet med målinger foretatt med målevogn Roger 1000. Målevognen Roger 1000 har en strømavtager av type WBL 88 og har utført målinger på strekninger med kontaktledningssystem 20 B. I tillegg er simuleringene sammenlignet med krav til kontaktkrefter, middelverdier og standardavvik gitt i teknisk regelverk.
Konklusjoner
Simuleringene av de utviklede modellene har gitt resultater som løser oppgavens problemstilling.
Innledningsvis ble det gjort simuleringer av strømavtageren i Matlab som viste at modellen var stabil og at den svingte seg inn til stasjonær tilstand ved et gitt oppløft.
Deretter ble det statiske systemet sammenlignet med nedhenget og elastisitetskurven for dette systemet. Nedhenget til kontaktledningssystemet ved stasjonær tilstand viste seg å være ca. 5,75 cm beregnet fra 0-nivå. Dette tilfredsstilte kravene i teknisk regelverk til nedheng på mellom 3,5 og 6,5 cm for dette systemet. I praksis ble dette løst ved påtrykk av 100 N i hvert hengetrådpunkt på kontaktledningen samt på utliggerne. Denne kraften ble påtrykt hver for seg. Oppløftet som ble registrert i hvert enkelt punkt ble plottet i en krav og utgjorde en kurve som blir kalt elastisitetskurven. Denne kurven viste at oppløftet på utliggerne var tilnærmer lik null. Mellom første og siste hengetråd stemte den simulerte elastisitetskurven med elastisiteten til dette systemet. Midt i spennet var elastisiteten på litt i overkant av 0,7 mm/N. Egentlig skulle oppløftet hatt en elastisitet på litt mer enn 0,2 mm/N på selve utliggerne. Nærmere studier viste at dette skyldtes for liten rotasjon av det lette direksjonsstaget (på utliggerne) rundt x-aksen samt for mye begrensninger i y-retning til kontaktpunktet mellom kontaktledningen og det lette direksjonsstaget. Det ble dessverre ikke tid til å foreta simuleringer av modellene med disse endringene implementert, men det ble laget en ny elastisitetskurve som viser hvordan elastisiteten skulle ha vært. Denne er presentert i kapittel 5.7.1.
Den transiente simuleringen bestod av simuleringer av de totale kontaktkreftene ved toghastigheter på 100, 130 og 160 km/h. Øyeblikksmålingene på utligger bekreftet det som ble registrert i forbindelse med oppløftet på utligger nevnt ovenfor. Kontaktkreftene på utliggerne var tilnærmet null mens det skulle vært på ca. 3 cm. Midt i spennet var derimot oppløftet på ca. 5 cm ved 100 km/h. Dette viste at kontaktledningen nesten blir løftet opp det tilsvarende nedhenget på systemet. Videre ble middelverdi og standardavvik for kontaktkreftene beregnet ved passering av en strømavtager. Tilsvarende beregninger ble gjort for passering av to strømavtagere med en avstand på 65 eller 30 meter. I denne sammenligningen ble bare middelverdi og standardavvik for strømavtager 2 studert. Middelverdien og standardavviket ble sammenlignet med krav til middelverdi og standardavvik gitt i teknisk regelverk. Resultatene fra denne studien viste at middelverdien for kontaktkreftene ved passering av en strømavtager og to strømavtagere (65 meters mellomrom) ved 100 km/ holdt seg innenfor de gitte kravene. Middelverdien ved 130 og 160 km/h var lavere enn de gitte kravene. Middelverdien på kontaktkreftene ble ytterligere redusert når to strømavtagere med 30 meters mellomrom passerte. Standardavviket for kontaktkreftene var generelt noe høyt sammenlignet med målinger gjort i kapittel 3, men 1 og 2 strømavtagere med 65 meters avstand oppfylte kravene i teknisk regelverk.
Standardavviket og grenseverdiens minste middelkraft utmerket seg spesielt for 2 strømavtagere med 30 meter avstand. Standardavviket overskred kravene og grenseverdiens minste middelkraft lå langt under gitt grenseverdi. Siden grenseverdiens minste middelkraft avviker med opptil ca. 18 N ved 160 km/h vil selv forbedringer i modellen ikke kunne gi aksept for en slik avstand mellom strømavtagerne.
Avvik i modellen
Følgende avvik er registrert i modellen:
• Elastisiteten på utliggerne avvek fra elastisitetskurven for dette systemet.
• Øyeblikksmålingene på utligger og midt i spennet påviste ingen bølgeutbredelse i forkant av strømavtageren.
• Middelkreftene var generelt litt for lave i forhold til Jernbaneverket sine krav og i forhold til målingene presentert i kapittel 3.
• Standardavvikene holdt seg innenfor Jernbaneverkets sine krav, men var noe høye i forhold til målingene presentert i kapittel 3.
Forslag til videre arbeider
Simuleringsmodellen er ikke komplett og kan utvides på følgende områder for å kunne studere den totale samvirkning mellom kontaktledningsnett og strømavtager:
• Utbedre modellen med utgangspunkt i de avvikene som er identifisert
• Modell for å simulere ujevnheter i sporet (kan danne grunnlag for forslag til videre arbeid – langbølger i spor)
• Modell for å simulere kurvatur
• Modell for bevegelse av togtaket (vognkassens krenging)
• Modellere kjøreretningen på strømavtageren med åpent og lukket kne
• Programmet kan gjøres mer brukervennlig med tanke på at parametere lett kan justeres
Det kan også være interessant å se på andre system og strømavtagere enn det som er studert i denne oppgaven. Det kan utvikles en:
• Modell av kontaktledningssystem System 20 A (Y-line) eller System 25
• Modell av et vekslingsfelt
• Modell av en annen type strømavtager