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Theses Year : 2016

Introduction of variability into pantograph-catenary dynamic simulations

Modélisation de la variabilité et de l'incertitude dans l'interaction dynamique pantographe caténair

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Abstract

In railways, electrical current is generally collected by the train through a complex coupledmechanical system composed of a pantograph and a catenary. Dynamic phenomena that occur duringtheir interaction are still not fully understood. Furthermore, the system behaviour is sensitive to numerousparameters and thus highly variable. The first contribution of this thesis is a detailed analysis of thepantograph-catenary dynamic interaction separating phenomena due to the dynamic response of the pantographto the catenary geometry from wave propagations, reflections and transmissions that occur in thecatenary. The coincidence of frequencies or characteristic times is then shown to explain most variationsin the quantities of interest. Moreover, droppers surrounding the mast have been shown to be particularlyimportant in dynamic interaction. Ratio of wire impedances and sum of wave velocities also appeared tobe dimensioning quantities for catenary design. The second contribution was to reduce epistemic uncertaintylinked with model parameters such as catenary damping, contact stiffness and element size. Thefinal contribution was to use the model in a configuration with random parameters. An initial step was tostatistically characterise physical catenary parameters using available measurements. From this randommodel, ranking of uncertainties using Sobol indices on static and dynamic criteria was shown to be possible.An absence of correlation between geometric and dynamic criteria was also found, which has notableimplications for maintenance policies. The high number of sensitivity studies also gave the occasion tohighlight the maturity of simulation tool and propose directions for further work on design, maintenance orcertification of pantographs and catenaries.
L’alimentation électrique des trains s’effectue en général par une interface pantographecaténairereprésentant un système mécanique couplé complexe. Les phénomènes dynamiques intervenantdans l’interaction entre le pantographe et la caténaire sont encore mal connus. Par ailleurs, le comportementdynamique du système est très variable car sensible à de nombreux paramètres. La premièrecontribution de cette thèse est de proposer une analyse détaillée de l’interaction dynamique pantographecaténaireen étudiant en particulier la réponse dynamique du pantographe à la géométrie de la caténaireainsi que les propagations, réflexions et transmissions des ondes dans cette dernière. Il a ainsi été démontréque la coïncidence spatiale, temporelle ou fréquentielle de ces différents phénomènes est à l’originede la majorité des variations des quantités d’intérêt. Par ailleurs, l’étude des ondes a montré que lespendules entourant le poteau avaient une importance particulière dans l’interaction dynamique et que lesparamètres tels que le rapport des impédances dynamiques et la somme des vitesses des ondes dans lescâbles étaient des variables dimensionnantes dans la caténaire. La seconde contribution a été de réduireles principales incertitudes épistémiques liées au modèle telles que l’amortissement dans la caténaire, laraideur de contact et la taille des éléments. La dernière contribution était d’implémenter des paramètresvariables dans le modèle en utilisant les mesures disponibles. À partir de ce modèle aléatoire, les incertitudesont été classées en utilisant les indices de Sobol sur des critères géométriques et dynamiques.L’absence de corrélation entre les critères géométriques et dynamique observée a des conséquences notablessur la politique de maintenance. Enfin, le grand nombre d’études de sensibilités réalisés a permisde souligner la maturité de l’outil de simulation et de proposer des orientations pour les travaux futurs pourla conception, maintenance ou homologation de pantographes ou de caténaires
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Dates and versions

tel-01404271 , version 1 (28-11-2016)

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  • HAL Id : tel-01404271 , version 1

Cite

Olivier Vo Van. Introduction of variability into pantograph-catenary dynamic simulations. Mechanics [physics.med-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2016. English. ⟨NNT : 2016ENAM0021⟩. ⟨tel-01404271⟩
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