projecte fi de carrera...- programa de cad solid edge st2. - paquet de office 2007. paraules clau...
TRANSCRIPT
11:07 11:07
1
PROJECTE FI DE CARRERA
1. Memòria Tècnica
TÍTOL: “Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D”
AUTOR: Ginés Vázquez Santiago
TITULACIÓ: Enginyeria tècnica industrial, especialitat en mecànica
DIRECTOR: Manel López Membrilla
DEPARTAMENT: Expressió gràfica a l’enginyeria 717
DATA: 20-06-2010
11:07 11:07
2
TÍTOL: “Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D”
COGNOMS: Vázquez Santiago NOM: Ginés TITULACIÓ: Enginyeria tècnica industrial ESPECIALITAT: Mecànica PLA: 1995
DIRECTOR: Manel López Membrilla DEPARTAMENT: Expressió gràfica a l’enginyeria 717
QUALIFICACIÓ DEL PFC
TRIBUNAL
PRESIDENT SECRETARI VOCAL
DATA DE LECTURA:
11:07 11:07
3
Aquest Projecte té en compte aspectes mediambientals: Sí No
PROJECTE FI DE CARRERA RESUM (màxim 50 línies)
L’origen d’aquest projecte va sorgir del treball dirigit realitzat a l’estiu de l’any 2007 amb el títol de “Disseny i desenvolupament d’un pantògraf amb Catia V5R17” amb el Manel López Membrilla com a professor tutor.
Desprès de proposar al professor Manel López el re disseny del pantògraf realitzat al treball dirigit, vam pesar en la possibilitat de introduint millores en el disseny i així aportar valor afegit al pantògraf seguint la normativa espanyola i europea.
Primerament va començar el procés de recerca de informació en llibres i en pàgines web dels principals fabricants de pantògrafs. Posteriorment va seguir el procés de recerca de normativa estatal i europea a Internet, com la consulta de les diferents normes UNE a la biblioteca de la UPC de Vilanova i la Geltrú.
El següent pas va ser realitzar els primers esbossos de les diferent millores introduïdes al pantògraf. Un cop realitzat aquest pas, desenvolupar l’esbós final de les millores introduïdes i de la resta de components del pantògraf. Un cop realitzat el conjunt del pantògraf i la part de disseny, s’ha procedit a la realització de la documentació del projecte: Memòria descriptiva, plec de condicions, desenvolupament del pantògraf, càlculs justificatius, plànols, pressupost, conclusions i annexes.
Cal tenir en compte que aquest projecte no inclou un disseny exhaustiu del apartat elèctric i pneumàtic, ja que aquest aspectes no formen part dels objectius marcats en el projecte. Per realitzar aquest projecte s’ha utilitzat les següents eines informàtiques: - Programa de CAD CATIA V5 R19. - Programa de CAD Solid Edge ST2. - Paquet de Office 2007.
Paraules clau (màxim 10):
Pantògraf Sistema Revòlver Tires de contacte Re Disseny
Compacte Pes Força de Contacte Catenària
Capçal Col·lector Materials
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
4
Recull de documents del projecte 1.- MEMORIA DESRIPTIVA 2.- PLEC DE CONDICIONS 3.- DESENVOLUPAMENT DEL PANTÒGRAF 4.- CÀLCULS JUSTIFICATIUS 5.- PLANOLS 6.- PRESSUPOST 7.- CONCLUSIONS I AGRAÏMENTS 8.- BIBLIOGRAFIA 9.- ANNEXES
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
5
Índex 1.- Memòria descriptiva 9 1.1.- Introducció 9
1.1.1.- Origen del projecte 9
1.1.2.- Motivació 9
1.1.3.- Objectius 9
1.1.4.- Normativa a aplicar 10
1.2.- Teoria sobre pantògrafs 12 1.2.1.- Parts d’un pantògraf i ubicació 12
1.2.2.- La catenària 14
1.2.2.1.- Parts d’una catenària 14
1.2.2.1.1.- PALS 14
1.2.2.1.2.- MÈNSULES 15
1.2.2.1.3.- AÏLLANTS 15
1.2.2.1.4.- FIL SUSTENTADOR 15
1.2.2.1.5.- FIL DE CONTACTE 16
1.2.2.1.6.- PENDOLES 16
1.2.2.1.7.- AGULLES AÈRIES O DOBLES MÈNSULES 17
1.2.2.1.8.- PÒRTICS 17
1.2.2.2.- Compensació mecànica de la catenària 18
1.3.- Descripció del conjunt i del funcionament del pantògraf 20 1.3.1.- Descripció del conjunt 20
1.3.2.- Elevació del pantògraf 21
1.3.3.- Descens del pantògraf 21
1.3.4.- Funcionament del canvi de les tires de contacte 22
1.3.5.- Inclinació del capçal del pantògraf 22
1.4.- Reciclatge e impacte ambiental 24 1.4.1.- Reciclatge dels components 24
1.4.2.- Final de la vida útil del pantògraf 24
2.- Plec de condicions 25 2.1.- Normativa legal aplicada 25
2.1.1.- Sobre pantògrafs 25
2.1.2.- Altra normativa 26
2.2.- Materials utilitzats i assignació de materials a cada component 27 2.2.1.- Grafit 27
2.2.2.- Aliatges d’alumini 28
2.2.2.1.- Alumini 6082 T6 28
2.2.2.2.- Alumini 2024 T4 28
2.2.2.3.- Breu descripció dels tractament tèrmics dels aliatges d’alumini 28
2.2.3.- Acer F-1140 30
2.2.4.- Taula d’assignació dels materials 30
2.3.- Procés de fabricació de cada component 31 2.4.- Procés de muntatge del pantògraf 32
2.4.1.- Components existents al mercat 32
2.4.2.- Passes de muntatge del pantògraf 34
2.4.2.1.- Pas 1: Muntatge de la base del pantògraf 34
2.4.2.2.- Pas 2: Muntatge de la barra base 36
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
6
2.4.2.3.- Pas 3: Muntatge de la barra base posterior a la base del pantògraf 37
2.4.2.4.- Pas 4: Unió de la barra base i la barra base posterior amb la barra superior 37
2.4.2.5.- Pas 5: Muntatge del capçal del pantògraf 38
2.4.2.6.- Pas 6: Muntatge dels eixos 39
2.4.2.7.- Pas 7: Unió dels eixos al capçal del pantògraf 41
2.4.2.8.- Pas 8: Unió entre el capçal del pantògraf i la barra superior 42
2.4.2.9.- Pas 9: Unió entre l’acoblament i la barra de reforç superior 43
2.4.2.10.- Pas 10: Unió entre l’acoblament i la barra de reforç superior amb el capçal 44
del pantògraf
2.4.2.11.- Pas 11: Unió de la barra superior amb la barra de reforç 44
2.4.2.12.- Pas 12: Pantògraf ja muntat. 45
2.5.- Condicions de funcionament 46
2.6.- Seguretat en el funcionament del pantògraf 48 2.6.1.- Sistema operatiu del pantògraf 48
2.6.2.- Dispositiu automàtic de descens (D.A.D.) 48
2.6.3.- Exemple del dispositiu de descens automàtic 48
2.7.- Manteniment 50 2.8.- Transport i posada en funcionament del pantògraf 51
3.- Desenvolupament del pantògraf 52 3.1.- Característiques del pantògraf 52 3.2.- Estudi de mercat 53 3.2.1.- Pantògraf WBL per llarg recorregut i rodalies de Schunk 53
3.2.2.- Pantògraf SX de Faiveley 54
3.2.3.- Pantògraf CX de Faiveley 55
3.2.4.- Sistema SALTO de Faiveley 55
3.3.- Evolució en el disseny del pantògraf 57
3.3.1.- Evolució del disseny de l’eix 57
3.3.1.1.- Primer esbós de l’eix 57
3.3.1.1.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL PRIMER ESBÓS 57
3.3.1.2.- Segon esbós de l’eix 58
3.3.1.2.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL SEGON ESBÓS 58
3.3.1.3.- Tercer esbós de l’eix 58
3.3.1.3.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL TERCER ESBÓS 59
3.3.1.4.- Quart esbós de l’eix 59
3.3.1.4.1.- AVANTATGES E INCONVENIENT DEL QUART ESBÓS 60
3.3.2.- Evolució del disseny del mecanisme de gir 60
3.3.2.1.- Primer esbós del mecanisme de gir 60
3.3.2.1.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL PRIMER ESBÓS 61
3.3.2.2.- Segon esbós del mecanisme de gir 61
3.3.2.2.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL SEGON ESBÓS 61
3.3.2.3.- Tercer esbós del mecanisme de gir 61
3.3.2.3.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL TERCER ESBÓS 62
3.3.3.- Evolució del disseny de la subjecció de les tires de contacte 62
3.3.3.1.- Primer esbós de la subjecció de les tires de contacte 62
3.3.3.1.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL PRIMER ESBÓS 63
3.3.3.2.- Segon esbós de la subjecció de les tires de contacte 63
3.3.3.2.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL SEGON ESBÓS 64
3.3.3.3.- Tercer esbós de la subjecció de les tires de contacte 64
3.3.3.3.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL TERCER ESBÓS 64
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
7
3.3.4.- Evolució del disseny de la base 64
3.3.4.1.- Primer esbós de la base 64
3.3.4.1.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL PRIMER ESBÓS 65
3.3.4.2.- Segon esbós de la base 65
3.3.4.2.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL SEGON ESBÓS 66
3.3.4.3.- Tercer esbós de la base 66
3.3.4.3.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL TERCER ESBÓS 66
3.3.5.- Evolució del disseny del bastidor del capçal 66
3.3.5.1.- Primer esbós del bastidor del capçal 66
3.3.5.1.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL PRIMER ESBÓS 67
3.3.5.2.- Segon esbós del bastidor del capçal 67
3.3.5.2.1.- AVANTATGES E INCONVENIENTS DEL SEGON ESBÓS 68
3.4.- Descripció dels components del pantògraf 69 3.4.1.- Base del pantògraf 69
3.4.2.- Suport de la manxa pneumàtica 1 69
3.4.3.- Suport de la manxa pneumàtica 2 70
3.4.4.- Barra base 70
3.4.5.- Barra base posterior 71
3.4.6.- Barra superior 71
3.4.7.- Barra reforç superior 72
3.4.8.- Acoblament i tap del acoblament 72
3.4.9.- Component 1 del bastidor del capçal 73
3.4.10.- Component 2 del bastidor del capçal 73
3.4.11.- Component guia 74
3.4.12.- Eixos del capçal del pantògraf 74
3.4.13.- Banyes del pantògraf 75
3.4.14.- Platines de les tires de contacte 76
3.4.15.- Tires de contacte 76
3.4.16.- Aïllants 76
3.5.- Disseny final del pantògraf 78 3.6.- Funcionament del pantògraf 79 3.6.1.- Pas 1: Aixecament del pantògraf 79
3.6.2.- Pas 2a: Descens del pantògraf sense canvi de tires de contacte 79
3.6.3.- Pas 2b: Descens del pantògraf amb canvi de tires de contacte 80
3.6.4.- Inclinació del capçal del pantògraf 83
3.6.5.- Consideracions finals sobre el funcionament del pantògraf 84
4.- Càlculs justificatius 85 4.1.- Interacció pantògraf catenària 85 4.1.1.- Comportament dinàmic 85
4.1.1.1.- Flexibilitat vertical de la catenària 86
4.1.1.2.- Massa de la catenària al llarg de dos pals consecutius 90
4.1.1.3.- Velocitat crítica segons la tensió dels fils 90
4.1.2.- Freqüència d’oscil·lació pròpia de la catenària 90
4.1.3.- Velocitat crítica de la catenària 91
4.1.4.- Velocitat límit de la catenària 91
4.1.4.1.- Velocitat de propagació de les ones mecàniques 91
4.1.4.2.- Factor Doopler, factor de reflexió i factor d’amplificació 92
4.1.5.- Esforç pantògraf catenària 93
4.1.5.1.- Força mitjana de contacte 93
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
8
4.1.5.2.- Masses del pantògraf 94
4.1.5.3.- Força real de contacte del pantògraf sobre la catenària 95
4.1.5.4.- Força real de contacte del pantògraf sobre la catenària amb coeficient 96
aerodinàmic
4.1.5.5.- Factors de qualitat en la interacció pantògraf catenària 97
4.2.- Càlcul de la intensitat que circula pel pantògraf 100 4.3.- Càlcul de la longitud de la cremallera 101
4.4.- Càlcul de la inclinació del capçal del pantògraf 102
4.5.- Exemples de càlcul d’anàlisis de tensions i simulació 103 d’esforços d’alguns components
5.- Plànols 105
6.- Pressupost 106 6.1.- Partida de materials 106 6.2.- Costos de fabricació i muntatge 109 6.2.1.- Cost de fabricació de cada component 109
6.2.2.- Cost final de cada component 111 6.2.3.- Estimació del cost de muntatge 112
6.3.- Cost dels components externs 113 6.3.1.- Components pneumàtics 113
6.3.2.- Components mecànics 113 6.4.- Cost d’enginyeria de disseny 116 6.5.- Pressupost final per al client 119
7.- Conclusions i agraïments 120 7.1.- Conclusions 120 7.2.- Agraïments 122
8.- Bibliografia 123
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
9
1. Memòria descriptiva
1.1. Introducció
En el present projecte s’ha realitzat el re disseny de diferents parts d’un pantògraf
ferroviari. El pantògraf és un mecanisme articulat que capta el corrent elèctric de la catenària i
el transmet fins als motors elèctrics del tren.
Una de les parts re dissenyades, és la part del capçal col·lector i les tires de contacte. La
millora introduïda en aquesta part del pantògraf, és la implantació d’un sistema revòlver (de tres
tires de contacte) que canvia d’una tira de contacte a un altre segons les necessitats de
funcionament del tren.
Un altra millora afegida al pantògraf, és la inclinació que adopta el capçal quan el tren
circula per un tram de via corba.
L’eina utilitzada per realitzar aquest projecte és el programa informàtic de disseny 3D
CATIA V5 R19. Amb aquest programa he realitzat els primers esbossos de les parts a re
dissenyar. Una vegada escollit el disseny òptim de les parts re dissenyades, es procedeix ha
realitzar el conjunt del pantògraf amb les restriccions corresponents.
1.1.1. Origen del projecte
Aquest projecte te l’origen en un treball dirigit que vaig realitzar sobre el disseny d’un
pantògraf en 3D amb el programa de disseny CATIA. Vaig proposar al professor del
Departament d’Expressió Gràfica Manel López Membrilla (tutor del treball dirigit) seguir amb
aquell projecte, introduint-n’hi millores en les diferents parts del conjunt, en resum, aportant
valor afegit al producte ja realitzat.
1.1.2. Motivació
El motiu principal que em va dur a realitzar aquest projecte va ser donar continuïtat al
treball dirigit fet amb anterioritat. Volia aprofitar el pantògraf realitzat, basat en un model real,
per millorar i re dissenyar certes parts del pantògraf e introduir-n’hi de noves millores que no
tenen els altres pantògrafs existents al mercat i que poden aportar valor afegit al nostre
pantògraf.
1.1.3. Objectius
L’objectiu principal serà realitzar el disseny de les diferents parts del mecanisme,
l’assemblatge del conjunt, la simulació del moviment del pantògraf. Tots aquest processos es
realitzaran amb el programa CATIA V5R19. Un altre objectiu d’aquest projecte és dissenyar un
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
10
sistema revòlver per a la substitució automàtica de les tires de contacte d’un pantògraf
ferroviari. A continuació s’enumeren els següents punts per tal d’aconseguir un disseny òptim
del sistema revòlver:
El disseny del sistema revòlver ha de ser lleuger, si no fos així el pes del
pantògraf augmenta i el desgast de les tires de contacte del pantògraf i la
catenària seria excessiu.
El disseny ha de ser el més compacte possible, ja que les dimensions del
sistema revòlver han de ser bastant reduïdes.
El disseny del lloc on van inserides les tires de contacte, ha de ser accessible per
a la seva ràpida substitució en cas de manteniment.
El disseny seguirà la normativa legal vigent, tant pel que fa referència a normes
UNE, com a legislació del ministeri de foment. També es tindrà en compte la
legislació europea mitjançant les ETI (Especificacions Tècniques de
interoperabilitat).
El disseny ha de tindre en compte el fàcil muntatge del mecanisme.
També es un objectiu d’aquest projecte, dissenyar un mecanisme que permeti la
inclinació del capçal al pas del tren per un tram de via corba. Això permetrà reduir el desgast de
les tires de contacte i del fil de contacte quan el tren circuli per trams de via corba.
El disseny de les diferents peces tindrà en compte el seu posterior reciclatge al acabar la
vida útil del producte.
1.1.4. Normativa a aplicar
En aquest apartat enumeraré la normativa vigent utilitzada per realitzar aquest projecte.
En l’apartat del plec de condicions d’aquest projecte és troba la normativa explicada de forma
més exhaustiva.
Normativa sobre pantògrafs:
UNE-EN 50206-1. Aplicaciones ferroviarias. Material rodante. Pantógrafos:
características y ensayos. Parte 1: Pantógrafos para vehículos de línea principal.
UNE-EN 50367. Aplicaciones ferroviarias. Sistemas de toma de corriente.
Criterios técnicos para la interacción entre el pantógrafo y la línea aérea.
Normativa estatal:
ORDEN FOM/233/2006, de 31 de enero, por la que se regulan las condiciones
para la homologación del material rodante ferroviario y de los centros de
mantenimiento y se fijan las cuantías de la tasa por certificación de dicho
material.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
11
Resolución de 10 de julio de 2009, de la Dirección General de Infraestructuras
Ferroviarias, por la que se aprueba la “Especificación Técnica de
Homologación de Material Rodante Ferroviario: Locomotoras”.
N.T.C MA 001. Prescripciones técnicas del material rodante convencional.
N.T.C MA 009. Prescripciones técnicas del material rodante de alta velocidad.
Normativa europea:
Decisión de la Comisión de 6 de marzo de 2008 sobre la especificación técnica
de interoperabilidad del subsistema de energía del sistema ferroviario
transeuropeo de alta velocidad.
Decisión de la Comisión de 21 de febrero de 2008 sobre la especificación
técnica de interoperabilidad del subsistema de material rodante del sistema
ferroviario transeuropeo de alta velocidad.
Altre normativa a aplicar:
UNE 157. Reglas generales para la redacción de un proyecto.
UNE 1027. Dibujos técnicos. Plegados de planos.
El projecte també ha de complir la llei de prevenció de riscos laborals 31/1995.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
12
1.2. Teoria sobre pantògrafs
El pantògraf és un mecanisme articulat basat en les propietats dels paral·lelograms, que
disposa de unes bares connectades de tal forma que es poden moure respecte un punt fix. Aquest
mecanisme segueix el principis de Descartes sobre paral·lelograms i va ser ideat pel jesuïta
alemany Christoph Scheiner a l’any 1603. Aquest instrument permet fer diferents dibuixos a
diferents escales mantenint el paral·lelisme entre les dues bares. Aquest instrument te diverses
aplicacions mecàniques, com per exemple el pantògraf ferroviari, objecte d’estudi d’aquest
projecte.
Esquema 1: Pantògraf.
Com ja s’ha dit en la introducció d’aquesta memòria, el pantògraf ferroviari és un
mecanisme articulat que capta el corrent elèctric de la catenària i el transmet cap als motors
elèctrics de tracció del tren. Hi han diferents tipus de pantògrafs, com per exemple de tipus
romboïdal, semi romboïdal, de doble pis i de moderns. Tots aquest dissenys tenen present dos
conceptes: millorar el contacte pantògraf catenària i minimitzar el desgast de ambdós elements.
En els següents subapartats s’explicarà tant les diferents parts que componen un
pantògraf, que és una catenària i les parts que la conformen.
1.2.1. Parts d’un pantògraf i ubicació
A continuació s’enumeraran les diferents parts que componen un pantògraf:
Bastidor: Estructura articulada que permet que el capçal col·lector faci un
moviment vertical respecte a la base del pantògraf.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
13
Bastidor base: Component fixa del pantògraf que suporta el bastidor. Aquest
bastidor base es sustentat per uns aïlladors fixats al sostre del vehicle.
Capçal col·lector: Part del pantògraf que es suportada pel bastidor. El capçal
col·lector es compon d’unes tires de contacte, una suspensió i unes banyes.
Tira de contacte: Component que forma part del capçal col·lector ( normalment
de coure o carboni ). Ha de ser fàcilment substituïble i ha d’estar constantment
amb contacte amb la línea aèria de contacte.
Banyes: Component que forma part del capçal col·lector que evita possibles
enganxades entre el capçal col·lector i la catenària.
Aïllants: Element ceràmics que aïllen elèctricament el bastidor de la locomotora
del pantògraf.
A continuació es mostrarà un esquema i una imatge d’un pantògraf on es poden
visualitzar les diferents parts que el componen.
Esquema 2: Esquema d’un pantògraf.
Imatge 1: Parts d'un pantògraf.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
14
Pel que fa a la ubicació del pantògraf, aquest esta situat sobre una superfície plana al
sostre del tren i aïllat elèctricament de l’estructura del tren mitjançant uns aïlladors.
Imatge 2: Ubicació d'un pantògraf.
1.2.2. La catenària
En termes ferroviaris, la catenària és la línea aèria d’alimentació que transmet el corrent
elèctric al material motor que hi circula per les vies.
Les catenàries estan alimentades a diferents voltatges i tipus de corrent. Els sistemes
d’alimentació més estesos són els següents:
En corrent continua a 1,5 kV i 3 kV.
En corrent alterna a 15 kV i 25 kV.
El recorregut del corrent elèctric prové de la subestació elèctrica, que transforma el
corrent a un dels valors anteriors depenent de les característiques de la línia (alta velocitat 25kV
CA, línies convencional 3kV CC). Aquest corrent circula per la catenària (pol positiu) provinent
de la subestació. Posteriorment el corrent circula pels motors de tracció del material motor, per
després retornar el corrent a la subestació mitjançant els carrils de la via fèrria (pol negatiu).
1.2.2.1. Parts d’una catenària
1.2.2.1.1. PALS
Els pals són els components estructurals que tenen la missió de sostenir la catenària i els
seus components auxiliars. N’hi han de dos tipus:
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
15
D’acer galvanitzat.
Cilíndrics de formigó armat.
Tots dos tipus estan subjectats a terra mitjançant un massís de formigó d’un metre de
profunditat. En el cas de Renfe els pals es posicionen a 3 m de l’eix de la via. Tots els pals de la
catenària estan units mitjançant un cable d’acer o alumini, connectat a terra cada 1000 m.
Aquest cable te la missió d’una bona subjecció mecànica i d’un bon contacte elèctric.
El fil de contacte esta descentrat entre 25 i 30 cm de l’eix de la via. D’aquesta manera
s’aconsegueix que el pantògraf no fregui el fil de contacte en un mateix punt sinó que fregui
uniformement tot el capçal del pantògraf. En el següent esquema podem observar en que
consisteix el descentrament del fil de contacte.
Esquema 3: Descentrament del fil de contacte.
1.2.2.1.2. MÈNSULES
Les mènsules són els elements que suportats pels pals que permeten una col·locació
òptima de la catenària. N’hi ha de dos tipus:
Perfils en forma de U. Són dos perfils d’acer galvanitzat units en la seva part
inferior. També és compon d’un tirant.
Perfils tubulars d’acer o alumini. Aquest tipus de mènsula esta sempre en tensió
elèctrica. Els cables es subjecten directament a la mènsula.
1.2.2.1.3. AÏLLANTS
Aquest elements tenen la missió d’aïllar la línia aèria de contacte dels recolzaments i de
terra. Els aïllants estan formats normalment de porcellana, vidre o material plàstic.
1.2.2.1.4. FIL SUSTENTADOR
El fil sustentador és l’element que subjecta els fils de contacte i les pèndoles. També te
la missió de mantenir el sistema en una determinada tensió mecànica. Aquest fil és de coure o
bronze en corrent continua i de bronze en corrent alterna.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
16
1.2.2.1.5. FIL DE CONTACTE
És l’element més important de la catenària, ja que sobre aquest fil frega el pantògraf i
subministra l’energia necessària perquè el tren funcioni. El fil de contacte te dues ranures
perquè pugui ser subjectat per les pèndoles. La secció del fil varia segons la demanda de corrent.
Normalment aquest fil és de coure, encara que també s’utilitzen aliatges de plata ( més
conductivitat),seleni i cadmi (més duresa).
En el següent imatge podem observar la secció d’un fil de contacte i una petita taula on
s’exposen les mides del fil en funció de la secció.
Imatge 3: Secció d'un fil de contacte.
1.2.2.1.6. PÈNDOLES
Són els elements encarregats de subjectar els fils de contacte i mantenir-los a una
determinada distància respecte les vies de forma homogènia. L’element que uneix les pèndoles
amb el fil de contacte mitjançant les dues ranures descrites en l’apartat anterior se’n diu grifa.
Aquest element subjecta el fil de contacte sense que interfereixi al pas del pantògraf. El material
del que estan fabricades les pèndoles són de coure o de bronze.
En la següent imatge podem observar dues pèndoles.
Imatge 4: Secció i perfil de dues pèndoles. Imatge 4: Secció i perfil de dues pèndoles.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
17
1.2.2.1.7. AGULLES AÈRIES O DOBLES MÈNSULES
Són disposicions especials que s’utilitzen en els canvis de via. Aquest muntatge rep el
nom de agulla aèria i consisteix bàsicament en la instal·lació d’una doble mènsula. Actualment
s’instal·len agulles aèries de tipus tangencial perquè el pantògraf no fregui el cable de contacte
de la via desviada quan va per la via principal, així s’eviten desgastos puntual i es redueixen
l’aparició d’arcs elèctrics, alhora que es mante l’ uniformitat de la catenària.
1.2.2.1.8. PÒRTICS
Disposicions especials de la catenària que subjecten les mènsules o els tirants i que
s’utilitzen quan hi ha més d’una via en paral·lel i no es possible instal·lar un pal per a cada via.
Normalment s’instal·len en platges de vies en estacions. Hi ha de dos tipus:
Rígids.
Flexibles.
Per finalitzar aquest apartat corresponent a les parts d’una catenària, es mostren uns
esquemes i unes imatges de les diferents parts explicades i que conformen una catenària.
Esquema 4: Parts d'una catenària.
Imatge 5: Parts d'una catenària.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
18
1.2.2.2. Compensació mecànica de la catenària
Tant el fil sustentador com el fil de contacte de la catenària estan sotmesos a una
determinada tensió, però aquesta tensió pot veure’s afectada per les condicions climatològiques.
Un augment de la temperatura provoca que els fils augmentin la seva longitud i per tant provoca
canvis en la tensió dels fils i també pot provocar el canvi d’alçada del fil de contacte respecte de
la via.
Amb l’augment de velocitat dels trens, al pantògraf li costa seguir aquest canvis
d’alçada i pot augmentar el risc de falta de contacte entre el pantògraf i la catenària.
Per contrarestar els efectes de la dilatació dels fils, la catenària es separa en seccions de
longituds de 900 m a 1200 m. Aquestes seccions s’anomenen “cantón”. En el centre de cada
“cantón” es subjecten uns fils perquè estabilitzin el fil sustentador i els fils de contacte, evitant
que es desplacin, independentment de la temperatura ambient. Aquest punt s’anomena punt fixa.
En el següent esquema podem veure representat un “cantón” amb l’ ubicació del punt
fixa i els seccionaments.
Esquema 5: Representació d'un "cantón".
Per compensar els efectes de la dilatació o de la contracció dels fils de la catenària,
s’utilitza un sistema automàtic de dues politges i contrapesos. Com que els material del fil
sustentador i els fils de contacte són diferents i les seves dilatacions també, és compensa cada fil
de forma independent.
Aquest equips de compensació estan formats per dues politges solidaries y
concèntriques. El cable provinent de la línia aèria de contacte s’enrotlla en la politja de
diàmetre menor, mentrestant els contrapesos estan lligats a la politja de diàmetre major. Amb
aquesta disposició quan augmenta la temperatura el cable es dilata i els contrapesos mantenen la
tensió mecànica, perquè recullen i enrotllen el excedent de cable que s’ha dilatat sobre la politja
petita pels efectes realitzats pels contrapesos sobre la politja de diàmetre més gran. La relació
entre ambdós politges sobte del quocient entre els diàmetres de les politges. Aquestes relacions
poden ser de 5:1 o 3:1.
A continuació es mostra un esquema i una imatge de com és un sistema de compensació
mecànica d’una catenària i de les parts que el componen.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
19
Esquema 6: Compensació de la catenària.
Imatge 6: Compensació mecànica d ela catenària.
En la transició entre una secció i un altre, el pantògraf ha de estar permanentment en
contacte amb la catenària. Per això entre una secció i un altre i ha un tram en que els fils de
contacte de ambdues seccions es solapen.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
20
1.3. Descripció del conjunt i del funcionament del pantògraf
En aquest apartat s’explica l’ubicació de les diferents parts que conformen el pantògraf i
quin és el seu funcionament.
1.3.1. Descripció del conjunt
El pantògraf està format per una base que el suporta. Aquesta base està fixada al sostre
del vehicle ferroviari i aïllada elèctricament del bastidor d’aquest. De la base del pantògraf i
surten un conjunt de barres que tenen la funció d’elevar el capçal del pantògraf fins que aquest
contacti amb el fil de contacte de la catenària. L’elevació el capçal del pantògraf és realitza
mitjançant un cilindre pneumàtic. Les articulacions cilíndriques entre les diferents barres, així
com entre les barres i la base contenen els seus corresponents coixinets de fricció. Per a una
millor circulació del corrent elèctric, en cada articulació cilíndrica, les barres estaran
connectades també mitjançant unes escombretes de coure. A un extrem de la barra superior s’hi
troba subjectat el capçal del pantògraf, que esta format per un bastidor, 2 eixos amb tres platines
de contacte i dues molles a banda i banda dels eixos que faran de suspensió de les tires de
contacte. A un dels extrems de cada eix hi ha un engranatge que permet girar l’eix per
posicionar correctament les tres platines. A cada extrem de l’eix també s’hi situen les banyes
que tenen la funció d’evitar possibles enganxades del fil de contacte amb el pantògraf, quan el
fil de contacte surt de la superfície de la platina de grafit. Sota d’aquestes banyes s’hi situen els
actuadors pneumàtics que permeten o no girar l’engranatge i l’eix.
Captura 1: Conjunt del pantògraf.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
21
En els següents apartats s’explica com és el funcionament del pantògraf, descrivint els
diferents passos que realitza des de l’aixecament fins el descens del pantògraf.
1.3.2. Elevació del pantògraf
El primer pas per un correcte funcionament del pantògraf és aixecar-lo. Per aixecar el
pantògraf s’augmenta la pressió del aire comprimit a la manxa pneumàtica i aquesta amb un
moviment lineal fa girar l’eix de la barra base, elevant el pantògraf.
Captura 2: Procés d'aixecament del pantògraf.
1.3.3. Descens del pantògraf
Per realitzar aquest pas, es disminueix la pressió de l’aire a la manxa pneumàtica i el
pantògraf baixa pel seu propi pes. La seqüència de descens seria a la inversa a la del apartat
anterior.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
22
1.3.4. Funcionament del canvi de les tires de contacte
El funcionament del canvi de tires de contacte, consisteix bàsicament en fer girar un
engranatge solidari a un eix de perfil triangular, aprofitant el moviment de descens del
pantògraf. Aquest eix conte tres tires de contacte disposades a 120º l’una de l’altre.
Captura 3: Funcionament del sistema revòlver de canvi de les tires de contacte.
1.3.5. Inclinació del capçal del pantògraf
En aquest apartat explicaré el funcionament del mecanisme que permet inclinar
lleugerament el capçal del pantògraf. Mitjançant dos cilindres hidràulics de doble efecte i un
circuit hidràulic, el capçal del pantògraf s’inclinarà a esquerra o dreta. A continuació es mostra
tot un seguit de captures o es pot veure el funcionament d’aquest mecanisme.
Captura 4: Posició del capçal quan el tren està en un tram de via recta.
1
3 2
Moviment de
descens del
pantògraf.
Moviment
de gir de
l’eix.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
23
Captura 5: Inclinació del capçal quan el tren està en un tram de via corba a dretes.
Captura 6: Inclinació del capçal quan el tren està en un tram de via corba a esquerres.
Anàlisi i re disseny d’un pantògraf ferroviari amb eines 3D Memòria descriptiva
24
1.4. Reciclatge e impacte ambiental
Pel que fa al impacte que te el pantògraf amb el medi ambient és molt reduït, ja que els
seus components no són materials perillosos per al medi natural. L’únic material que pot ser
molt contaminant per al medi natural, és l’oli que contenen els cilindres hidràulics que
s’utilitzen en el sistema de inclinació del capçal col·lector del pantògraf. Com que l’oli circula
per un circuit tancat, l’opció que l’oli s’aboqui al exterior és remota. Tot i així, en les revisions
de manteniment del pantògraf es tindrà especial vigilància amb tot el circuit hidràulic, els
cilindres i les connexions, per tal de observar qualsevol anomalia o fuita en el circuit hidràulic.
També s’ha de tenir en compte la contaminació acústica que provoca el pantògraf al
lliscar al llarg de la catenària. Per això s’ha utilitzat el grafit com a material per a les tires de
contacte, ja que el grafit és poc sollorós quan frega amb el fil de contacte de la catenària.
1.4.1. Reciclatge dels components
Durant el disseny del pantògraf s’ha tingut en compte el posterior reciclatge de tots els
components, després de la seva vida útil. Alhora de triar els materials, a part de complir la seva
funció mecànica, han de ser materials fàcilment reciclables perquè desprès del seu ús no
malmetin el medi ambient.
La major parts del components estan fabricants amb aliatges d’alumini, acer i coure, per
tant tots aquest materials són fàcils de reciclar per poder-los reutilitzar en el futur.
Pel que fa a les tires de grafit, aquest material també es pot reutilitzar, ja que el tipus de
grafit utilitzat no conté impregnació metàl·lica de plom.
1.4.2. Final de la vida útil del pantògraf
Quan el pantògraf arribi al final de la seva vida útil no s’adoptarà cap mesura especial ja
que tots els materials són fàcilment reciclables tal com s’ha dit en l’apartat anterior. Només s’ha
de tenir cura de buidar l’oli del circuit hidràulic. Aquest oli serà enviat amb una empresa
especialitzada per al seu correcte tractament.
Pel que fa al pantògraf, primer de tot desmuntarà peça per peça. Posteriorment es
classificaran les peces per el tipus de material, així es facilitarà el posterior reciclatge i
reutilització dels components.