Pantograph testing methodology based on hybrid system response convergence

Pantograph-catenary coupling represents a determining obstacle for the technological improvement of high-speed railways. In fact, as the application speed increases, the dynamic and aerodynamic phenomena arising on pantograph and catenary become significant. The mechanical interaction between the pantograph and the overhead equipment is characterised by many complexities. To study them from a dynamical point of view it is necessary to keep into account all the perturbations the system is subjected to. The level of complexity is increased by the modelling challenges given both by the pantograph and the catenary, as well as the very diversified working conditions they can face. Despite their reliability, full numerical simulations cannot at present substitute in-line phases of pantograph or overhead line testing. To this scope, hybrid testing represents a strong research branch which is opening its way through the industrial world. This thesis project proposes the adoption of the Hybrid System Response Convergence (HSRC) approach, already applied in the automotive field for the study of wheel-road interaction, to study the interaction between the pantograph and the catenary. The increased flexibility and reliability of pantograph-catenary hybrid simulations allows to make a step forward in the final objective of in line test reduction/substitution, and in the deepening of complex dynamic phenomena far from ideal conditions. This work contains all the steps that have brought to the new methodology set up, validation and application. The results of these studies highlight the strong reliability and potential of this innovative offline hardware-in-the-loop testing approach in the pantograph-catenary field. This, due to its intrinsic nature, can overcome the limitations of state-of-the-art testing and simulation systems.

L'interazione pantografo-catenaria si configura come una sfida determinante nel miglioramento tecnologico delle ferrovie ad alta velocità. Infatti, all'aumentare della velocità di applicazione, i fenomeni dinamici e aerodinamici che si verificano sul pantografo e sulla catenaria diventano sempre più significativi. L'interazione meccanica tra il pantografo e la linea aerea è caratterizzata da molte complessità. Per studiarle da un punto di vista dinamico è necessario tenere conto di tutte le perturbazioni a cui il sistema è sottoposto. Il livello di complessità è maggiore se si pensa alle difficoltà nella modellazione sia del pantografo che della catenaria, nonché dalle condizioni di lavoro molto diversificate che possono affrontare. Nonostante la loro affidabilità, le simulazioni numeriche non possono attualmente sostituire le fasi in linea di collaudo del pantografo o della linea aerea. A questo scopo, il testing ibrido rappresenta un filone di ricerca che si sta facendo strada nel mondo industriale. Questo progetto di tesi propone l'adozione dell'approccio Hybrid System Response Convergence (HSRC), già applicato in campo automobilistico per lo studio dell'interazione ruota-strada, per studiare l'interazione tra pantografo e catenaria. La maggiore flessibilità e affidabilità delle simulazioni ibride pantografo-catenaria consente di fare un passo avanti nell'obiettivo finale di riduzione/sostituzione dei test in linea e nell'approfondimento di fenomeni dinamici complessi lontani da condizioni ideali. Questo lavoro contiene tutte le fasi che hanno portato alla messa a punto, alla validazione e all'applicazione della nuova metodologia. I risultati di questi studi evidenziano la forte affidabilità e le potenzialità di questo innovativo approccio di prova offline hardware-in-the-loop nel campo dei pantografo-catenaria. Questo, grazie alla sua natura intrinseca, è in grado di superare le limitazioni poste dai sistemi di prova e simulazione più avanzati disponibili ad oggi.