Optimering av kontakt med kontaktledning hos tåg

EXAMENSARBETE INOM 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 SKOLAN FÖR TEKNIKVETENSKAP

EXAMENSARBETE INOM 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 involved, are discussed.

Sammanfattning Detta projekt behandlar huruvida strategiskt utplacerade massor längs ett tågs kontaktledning kan förbättra prestandan i kontaktkraften mellan kontaktledningen och tågets strömavtagare, och specifikt minska fluktuationen. Det skulle innebära ett sätt att förbättra prestandan som bara kräver små modifikationer på infrastrukturen istället för att byta ut hela strukturer, som är miljömässigt och ekonomiskt kostsamt. Idén om massor som stabilisatorer kommer från andra tillämpningar, exempelvis byggnader och kraftledningar, där dessa har en positiv effekt på vibrationer och rörelse. Simuleringar i ANSYS och post-processering i MATLAB ger värden på kontaktkraften som kan kvantifieras och jämföras. Åtta olika positioner, fyra olika massor och två hastigheter testas för att ge en bild om vad som fungerar och inte. Resultaten leder till en att en del slutsatser kan dras om massornas påverkan. Det kan sägas att stora massor ger ökad effekt och en väldigt stor massa gav stor fluktuation där det testades. När det gäller hastighetens påverkan på massans effekt ger resultatet att massan, i den position som testades, påverkas lokalt mindre men globalt mer vid en lägre hastighet. Gemensamt för de placeringar av massor som hade en positiv inverkan på kontaktkraftens fluktuation var att de alla låg i slutet av spann. Massor som placerades i början eller centralt i spann hade istället negativa effekter på kontaktkraften. De praktiska begränsningarna kring att genomföra vissa av modifikationerna, exempelvis placering av massor på kontakttråden och ökat slitage, diskuteras.

Innehåll 1 Inledning 1 1.1 Syfte....................................... 1 1.2 Begränsningar.................................. 1 2 Bakgrund 2 2.1 Komponenter av kontaktledning........................ 2 2.2 Bedömning av kvalitativ kontaktkraft..................... 5 2.3 Massa som stabilisator............................. 5 2.4 Hållbar 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 Påverkade spann................................ 9 4.2 Olika hastigheter................................ 10 4.3 Olika positioner och vikter........................... 10 4.4 Sammanställning................................ 15 5 Diskussion och slutsats 15 5.1 Påverkade spann................................ 15 5.2 Viktens påverkan................................ 16 5.3 Hastighetens påverkan............................. 16 5.4 Bra och dåliga områden för massplacering.................. 16 5.5 Praktisk genomförbarhet............................ 17 5.6 Praktisk tillämpning.............................. 17 5.7 Slutsatser.................................... 18 6 Vidare forskning 18

Förord Detta kandidatexamensarbete har utförts av Hector Älfvåg och Jakob Lindbergh vid institutionen för Fordonsteknik på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm vårterminen 2019 med handledning av Zhendong Liu. Vi vill tacka vår handledare Zhendong Liu för idén om detta kandidatexamensarbete, men också för all hjälp och stöd vi fått då vi behövt det under arbetets gång, både då vi saknat kunskap och då vi behövt hjälp kring upplägget av projektet. Arbetet har i stor utsträckning gjorts tillsammans, med endast ett fåtal delar i rapporten som är skrivna separat. Hector Älfvåg har skrivit mycket av bakgrunden medan Jakob Lindbergh har skrivit om hållbarhet och andra tillämpningar av massor som stabilisatorer. Båda författare har varit delaktiga i presentation av resultat samt diskussion.

1 Inledning Högre krav ställs idag på att utsläppen av växthusgaser från produkter och tjänster vi använder ska minskas. Transportsektorn är en av de områden där mest fokus läggs, eftersom sektorn står för en tredjedel av Sveriges totala utsläpp av växthusgaser (Dickinson, 2019) och 28 % av EU:s utsläpp (European Environment Agency, 2018). De flesta är överens om att utsläppen måste minska, och ett av sätten att uppnå detta är att så stor del av flygtrafiken som möjligt flyttas över till spårtrafik, ett resesätt vars miljöpåverkan är avsevärt lägre. Detta ställer krav på att tåget ska kunna konkurrera med flyget när det gäller restid och hastighet. Då tågens hastighet ökas på befintliga spår fluktuerar kontaktkraften mellan tågets strömavtagare och kontaktledningen mer och mer (Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., 2018), vilket leder till sämre prestanda. För att rundgå detta krävs ofta att hela infrastrukturen uppdateras, en procedur som kräver stora ekonomiska resurser och är tidskrävande. Utöver ovannämnda miljömässiga skäl är snabbare tåg något att i sig eftersträva av den enkla anledningen att ökade hastigheter inom tågtrafiken minskar restiden för tågresor i Sverige. Detta skulle innebära både snabbare person- och godstransporter, vilket finns anledning att tro att det även kan finnas ekonomisk vinning bakom. Detta arbete kommer att behandla utplacerade massor på redan befintliga system och undersöka huruvida dessa kan förbättra prestandan och kvaliteten på kontaktledningen utan att behöva byta ut hela den befintliga infrastrukturen. Detta skulle även kunna öka livslängden på de inblandade komponenterna, vilket leder till minskat underhåll. Det finns anledning att tro att detta skulle kunna fungera då liknande metoder kan hämma vibrationer och rörelse i bland annat höga byggnader och kraftledningar. Lite forskning har gjorts kring detta men teorin baseras till stort på 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 är att undersöka om det är möjligt att förbättra kvaliteten i kontaktkraften mellan ett tåg och dess konktaktledning genom att placera massor på kontaktledningen. Frågeställningar som ämnas besvaras är: Hur påverkas kontaktkraften av massorna? Hur ändras massans påverkan när massan vikt ökas eller sänks? Vilken av de undersökta masspositionerna på kontaktledningen ger bäst kvalitet i kontakten mellan tåget och kontaktledningen? Hur påverkar massorna kontaktkraften för olika tåghastigheter? 1.2 Begränsningar Studien kommer inte undersöka hur en praktisk montering av massor på en kontaktledning kan gå till, och inte heller vilka komponenter eller material som lämpar sig för detta. Vidare är resultaten endast relevanta för den specifika kontaktledningstyp som undersöks, och 1

vid de hastigheter som undersöks. Endast den tekniska aspekten behandlas, det vill säga inte den ekonomiska aspekten kring vad en sådan lösning skulle kosta att genomföra. Eventuellt ökat slitage på grund av massorna kommer inte heller att undersökas. Då resultaten kommer från en förenklad simulering snarare än tester på en riktig tågbana är resultaten inte nödvändigtvis helt sanningsenliga, och bör snarare ses som rimliga approximativa effekter massplacering kan ha på kontaktkraften mellan ett tåg och dess kontaktledning. Detta är en förberedande teoretisk studie innan detta kan testas på en riktig tågbana. 2 Bakgrund Området är av intresse då det skulle kunna möjliggöra högre tåghastigheter på befintliga kontaktledningar endast genom modifikation som innebär utplacering av massor, snarare än att till exempel byta kontaktledningstyp för att uppnå samma förbättring (Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., 2018). Kostnaden för underhåll skulle också kunna minskas om kontaktkraften optimeras. Möjliga fördelar med detta kan till exempel vara besparing av tid och pengar vid uppgradering av kontaktledning, samt minskade underhållskostnader. 2.1 Komponenter av kontaktledning En tågbanas kontaktledningen har som uppgift att förse ström till tåget, genom strömavtagaren. Denna för sedan vidare strömmen till motorn, vartefter den går genom tågets hjul ned i rälen (Banverket, 2006). Banverket beskriver att den vanligaste typen av kontaktledning är konstruerad så att kontakttråden, den strömförande tråden, är uppburen av bärtrådar som sitter fast i bärlinan (se figur 1). I Sverige används enfas växelström för att strömföra tågen, med en spänning på 15 kv och frekvens 16,7 Hz (ibid.). Figur 1: Principskiss av en SYT-kontaktledning med strömavtagare. Den övre bilden visar sidvyn, den undre toppvyn. Kontaktledningen i sin helhet är periodiskt uppburen av utliggare (se figur 2) som bär upp bärlinan och kontakttråden. Avståndet mellan intilliggande utliggare beror på kontaktledningstypen, och kallas här för spann. Utliggaren håller upp bärlinan och kontakttråden vid de streckade linjerna i figur 1. Kontakttråden är av utliggaren uppburen 2

i ett sicksackmönster, där varannan drar den bakåt och varannan trycker den framåt, för att minska slitaget på strömavtagaren (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 upphäng kontaktledning är S-systemet. Nuförtiden finns det mest på äldre linjer och på bangårdar. Det som är speciellt med S-systemet är att kontaktlinan fästs direkt i underröret med en kontakttrådshållare, se figur 3. Fördelen med systemet är att den lämpar sig för små kurvradier, men gör att maximal hastighet endast är 120 km/h. ST-system använder sig av ett rörligt tillsatsrör som fäster kontaktlinan i underröret, som i figur 2. Figur 3: Jämförelse av utliggare till S-, ST- och SYT-kontaktledning. SYT-system använder sig av samma utliggare som ST-systemet men skillnaden mellan systemen ligger i att SYT-systemet här de bärtrådar intill utliggaren inte direkt kopplas till bärlinan utan till en Y-lina, se figur 4. Detta gör att kontaktlinan får rätt elasticitet kring utliggaren (Banverket, 2006). Figur 4: Jämförelse av kontaktledning till S-, ST- och SYT-kontaktledning. I denna rapport används en kontaktledning av typen SYT 7,0/9,8. Detta är ett av de mest använda av kontaktledningssystem på järnvägar i Sverige (Trafikverket, 2010). 3

Siffrorna 7,0 och 9,8 avser avspänningskraften i kilonewton hos bärlinan respektive kontakttråden, som upprätthålls med hjälp av en anordning med block, trissor och vikter (se figur 5). Genom denna anordning garanterar man att avspänningen är konstant oavsett temperatur hos kontaktledningen, då den antingen kan krympa eller utvidgas utan att avspänningen ändras. Maximala tillåtna hastighet på denna kontaktledning är 200 km/h. Figur 5: Avspänningsanordning till kontaktledning. Strömavtagare är designade så att den undre delen, under länken vid mitten, skall ta upp långsamma och stora rörelser medan den övre delen, nära kontakttråden, ska ta upp snabba och små rörelser (Banverket, 2006). Se figur 6. Den del av en strömavtagare som har kontakt med kontakttråden, och alltså för strömmen till tåget, kallas kolslitskena och är gjord av kol. Denna måste vara bred nog att täcka alla positioner där kontakttråden kan ha kontakt med strömavtagaren. Kontaktkraften mellan strömavtagare och kontakttråd får variera inom intervallet 0-200 N för hastigheter 200 km/h (ibid). Figur 6: Principskiss av strömavtagare. 4

2.2 Bedömning av kvalitativ kontaktkraft Kriteriet för kvalitet är hur mycket kontaktkraften fluktuerar, eftersom detta är en av de största begränsande faktorerna för den specifierade hastigheten för en kontaktledningen (Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A., 2018). Högre fluktuation innebär sämre kvalité i kontaktkraften. Standardavvikelsen runt medelvärdet kommer att användas som ett kvantitativt mått på hur kvalitativ kontaktkraften är. Mindre värde innebär mindre avvikelse från medelvärdet och är därför bättre. En jämförelse mellan standardavvikelsen för olika fall används för att jämföra kvalitet och dra slutsatser. Enligt tidigare nämnda krav på kontaktkraften (0-200 N för 200 km/h) räknas större eller mindre kontaktkrafter än detta som en försämring i kontaktkraftskvalitet. Då kontakten mellan strömavtagaren och kontaktledningen försvinner helt sker något som kallas för ljusbågsbildning, där en elektrisk urladdning från kontaktledningen till strömavatagaren sker. Eftersom urladdningen sker genom ett annars elektrisk icke-ledande material, luft, bildas plasma. Det leder till väldigt höga temperaturer som sliter mycket på både strömavtagare och kontaktledning och som bör undvikas om möjligt (Bruni, S., et al., 2017). Även en alldeles för hög kontaktkraft mellan strömavtagare och kontaktledning kan vara skadligt då lasten på systemet ökar slitaget. Om både för hög och fört låg kontaktkraft kan undvikas kan underhållet som krävs på kontaktledningen och tågets komponenter minskas. 2.3 Massa som stabilisator Massor som ett sätt att stabilisera strukturer är inget nytt och används redan i flera tillämpningar. I skyskrapor i områden med kraftiga vindar eller frekventa jordskalv, används ofta en upphängd, fjädrad massa som ska absorbera energi från vinden eller skakningarna, genom att i motfas gunga mot byggnadens gungning. Det mest kända exemplet är byggnaden Taipei 101, i Taipei, Taiwan. Den 509 meter höga byggnaden var då den byggdes 2004 världens högsta byggnad. Den geografiska placeringen gör att konstruktionen behöver klara av både jordskalv och kraftiga vindar. Lösningen är en 728 tons fjädrad massa, placerad mellan de 87:e och 92:a våningen, som ska fungera som en motvikt. Då byggnaden vibrerar, på grund av jordskalv eller kraftiga vindar, rör sig även massan som en pendel, men den höga trögheten gör att stålklotets rörelse fördröjs och istället motverkar byggnadens rörelse. Se figur 7 för en principskiss över konstruktionen. Motvikten gör att byggnaden klarat av vindbyar med en hastighet på 60 m/s och stålklotet har då rört sig cirka en meter i sidled (Limer, E., 2015). 5

Figur 7: Principskiss av stålklotet i Taipei 101. På kraftledningar används en liknande princip för att minska vibrationer och oscilleringar. Då fästs två massor längst ut på flexibla stänger som sedan fästs i kraftledningen. Dessa kallas för Stockbridgedämpare och kan ses i figur 8. Namnet kommer från uppfinnarens namn, George H. Stockbridge, som på 1920-talet konstruerade den första prototypen. Kraftledningar är känsliga för vindarströmmar som kan sätta ledningen i självsvängning, något som kan leda till kollaps. Om dämparens styvhet och massa noga väljas ut kan massornas gungning fördröjas så att de gungar i motfas motkraftledningen och därmed hämmar den totala oscillationen (Vanhoecker, M., 2015). Figur 8: Principskiss av en Stockbridge-dämpare på en kraftledning. 2.4 Hållbar utveckling Transportsektorn i Sverige står idag för nästan en tredjedel av landets totala utsläpp av koldioxid (Dickinson, 2019) och inom EU står den för 28 % av utsläppen (European Environment Agency, 2018). För att minska den mänskliga påverkan och förstöringen av klimatet har EU satt upp långsiktiga mål på utsläppen av växthusgaser. För att dessa ska nås krävs en minskning med två tredjedelar tills 2050 (European Environment Agency, 2018). Denna minskning kan ske på några olika sätt. En generell minskning av resandet i världen skulle minska utsläppen, men globalisering gör att vi reser mer och mer och trenderna säger att resandet kommer fortsätta öka. Sedan 1970-talet har till exempel persontransporterna med bil ökat med 70 % och de ser ut att fortsätta öka i samma takt (Trafikverket, 2017). En annan lösning är att de transportmedel som används idag kan förbättras så att de släpper ut mindre växthusgaser per kilometer och passagerare, 6

och detta sker ständigt när ny teknologier utvecklas, men det går för långsamt som det ser ut i dagsläget. Istället skulle det vara bättre om de transporter som görs kunde flyttas från utsläppstunga transportmedel till andra med lägre miljöpåverkan. Enligt Naturvårdsverket (u.å.) släpper en flygresa ut 74000 gånger mer koldioxid per kilometer och passagerare än en tågresa i Sverige. Det skulle betyda en stor positiv miljöpåverkan om resor som skulle gjorts med flyg istället kan göras med spårtrafik. Genom att göra så att tågen kan gå snabbare utan att tappa i prestanda, kan tågtrafiken göras mer attraktiv och konkurrenskraftig mot flyg- och biltrafiken, som släpper ut betydligt mer växthusgaser per kilometer och passagerare. Dessa förbättringar skulle dessutom kunna göras på ett sätt där hela spårinfrastrukturen inte behöver bytas ut, och ger därmed ännu mindre miljöpåverkan och kräver mindre ekonomiska resurser. Det är också möjligt att detta skulle kunna öka livslängden av komponenterna och därmed minska kostnaderna för underhåll. En eventuell nackdel med massor på kontaktledningar, som inte undersöks i denna rapport, är hur slitaget på ledningarna påverkas på grund av den tillagda massan. Massor på kontaktledningen gör att den dynamiska lasten ökar och därmed kanske också slitaget. Det är troligt att detta slitage ligger bakom många fall då kontaktledningssystemet gått sönder (Liu, Z., Stichel, S., 2018). Livslängden av hela kontaktledningssystemet påverkas alltså möjligen negativt av massornas placering på strukturen och dess miljöpåverkan kan därför ifrågasättas. Massor som å ena sidan kan göra prestandan på tågtrafiken bättre men å andra sidan gör att systemet behöver repareras och kanske även bytas ut oftare, har därmed inte nödvändigtvis en positiv miljömässig effekt. 3 Metod En litteraturstudie görs till en början för att undersöka vilka kontaktledningar som används i det svenska tågnätvärket och hur dessa fungerar. Dessutom undersöks andra områden där strategiskt utplacerade massor kan hjälpa till att stabilisera strukturer. Det resterande arbetet baseras på simuleringar i ANSYS samt postprocessering i MATLAB. 3.1 Simulering Simuleringen beskriver en 1200 m lång kontaktledning, 20 spann med längd 60 m, och en strömavtagare som åker längs denna från vänster till höger. Denna är uppbyggd av noder och elementtyper mellan dessa noder för att motsvara kontakttråd, bärlina, bärtrådar, utliggare och strömavtagare. Modellen är tredimensionell och innehåller sicksackmönstret som kontakttråden följer. Modellen är ihopsatt med hjälp av finita elementmetoden, och belastningar och förskjutningar beräknas på detta sätt. Strömavtagaren i modellen är uppbyggd av massor, fjädrar och dämpare för att representera det dynamiska beteendet hos en riktig strömavtagare (Zhendong, L., et al., 2014). Koden som beskriver modelleringen av kontaktledningen i ANSYS är skapad av Lars Drugge, och modifierad av Zhendong Liu, samt koden som används för processering av simuleringsvärdena. I koden som ANSYS simulerar ansätts hastighet för tåg, samt massors placering och vikt på de olika noder som används för att bygga upp simuleringen. Studien kommer att innebära en variering av dessa parametrar för att komma till en slutsats 7

kring massors påverkan på kontaktkraftskvaliteten. Främst massor av storlek 1 kg med tåghastighet 200 km/h kommer undersökas, men enstaka fall med mindre och större massor är medtagna, och även med lägre tåghastighet. ANSYS-simuleringen ger outputfiler som beskriver noders och elements krafter och förskjutningar. Datan från simuleringsfilerna erhållna från ANSYS behandlas i MATLAB och normalkraften mellan strömavtagare och kontaktledning presenteras grafiskt. De olika fallen kommer att jämföras och dras slutsatser från. Huruvida prestandan är förbättrad baseras på fluktuationen hos kontaktkraften, där en jämnare nivå är önskvärd, som tidigare nämnt. 3.2 Datapresentation Kontaktkraften mellan tågets strömavtagare och kontakttråden kommer jämföras för fall med en massa utplacerad på ett antal olika noder, dock endast en nod i taget. Simuleringar med olika tåghastigheter och helt utan massor kommer också att göras. Skillnader i kontaktkraften inom det spann som den belastade noden ligger inom analyseras sedan för att dra slutsatser om huruvida massor förbättrar kvaliteten i kontakten. Grafer kommer presenteras för de olika fallen, samt dess standardavvikelser. 3.3 Masspositionering Massplaceringar som undersöks i resultatavsnittet är presenterade i figur 9. Dessa placeringar representerar stora delar av kontaktledningen och ger en bild av vilka resultat som kan väntas från placeringar i områden nära dessa punkter. I studien av Liu, Z., Stichel, S., Rønnquist, A. (2018) som använder samma ANSYS-simulering undersöks 15 nodplaceringar på bärlinan och sju placeringar på kontakttråden, men på grund av tidsbegränsningen för denna studie undersöks endast de i figur 9. Figur 9: Massplaceringar och numreringar i spann 4 och 5 (vänster respektive höger) från simuleringens kontaktledning. De svarta punkterna är de tidigare nämnda noderna simuleringen är uppbyggd ifrån. Trots att placeringarna på bärlinan är symmetriska kring utliggaren i mitten av de två spannen ger det inte nödvändigtvis samma resultat, då tåget åker från vänster till höger i simuleringen. 3.4 Hastighet Hur massornas effekt beror på tågets hastighet undersöks med simuleringar då tåget har en hastighet på 180 km/h utöver den vanliga hastigheten 200 km/h. Olika hastigheter kommer bara att testas vid en position, plats 1, och med bara en vikt, 1 kg, på grund av tidsbegränsningen. 8

4 Resultat Figurerna nedan visar kontaktkraften som funktion av sträckan för olika massor vid de åtta olika massplatserna. Den röda stjärnan i figuren visar vid vilken position i x-led som massan är placerad, och 0 m motsvarar alltid spannets början. För alla figurer utom figur 11, som är en jämförelse för olika hastigheter, är hastigheten 200 km/h. De masspositioneringar som endast ligger i ett spann har endast det spannet grafiskt beskrivet, medan position 8, på gränsen mellan två spann, har båda spannen grafiskt beskrivna för att få hela bilden av effekten. I tabellerna under graferna står standardavvikelserna kring medelvärdet för de olika graferna. 4.1 Påverkade spann Figur 10: Kontaktkraften över tre spann då massan placeras i centrum på mittenspannet. De streckade linjerna visar spanngränserna. 9

4.2 Olika hastigheter Figur 11: Spann 4 för hastigheten 180 respektive 200 km/h med och utan massa vid plats 1. Tabell 1: Standardavvikelser för massor vid plats 1 vid de två 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 för 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 för massor vid plats 2. Massa [kg] σ utan 16,53 1 15,67 11

Figur 14: Kontaktkraft i spann 4 med massa i plats 3. Tabell 4: Standardavvikelser för 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 för 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 för massor vid plats 5. Massa [kg] σ utan 15,94 1 16,88 13

Figur 17: Kontaktkraft i spann 5 med massa i plats 6. Tabell 7: Standardavvikelser för 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 för 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. 4.4 Sammanställning Tabell 9: Standardavvikelser för massor vid plats 8. Massa [kg] σ utan 16,23 1 16,11 Standardavvikelsen för alla fall med hastighet 200 km/h presenteras i tabell 10. Tabell 10: Standardavvikelser för 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 Påverkade spann I figur 10 presenteras tre spann där en massa är placerad centralt i mittenspannet jämfört med samma spann då ingen massa alls är placerad. Från grafen kan en del slutsatser dras om en massas påverkan på intilliggande spann. Det kan sägas att det föreliggande spannet påverkas allra minst av den efterkommande massan av de tre presenterade spannen. Även efterföljande spann är bara marginellt påverkat av den föregående massan. Enbart spannet där massan är placerad påverkas på ett sätt som gör att massans effekt behöver tas i 15

åtanke. Detta resultat gör att massan endast behöver placeras i ett spann och endast detta specifika spann behöver studeras för att dra en slutsats om massans påverkan på kontaktkraften. 5.2 Viktens påverkan Figur 12 visar att stora massor kan ha stora lokala effekter som ökar fluktuationen i kontaktkraften kraftigt. Detta ökar standardavvikelsen; fallet med 3 kg massa har 18,6 % högre standardavvikelse än fallet utan massa, vilket är den största standardavvikelsen för alla studerade fall. Emellertid studerades endast ett fall med en massa större än 1 kg, så några säkra generella slutsatser kan inte dras, men genom inspektion av figur 12 blir det tydligt att fluktuationerna troligen inte skulle förbättra standardavvikelsen för andra massplaceringar. De lokala extremvärdena för kontaktkraften nära massplaceringen påverkas mest av massorna. Se till exempel figur 19, där området kring massan tydligt påverkas, medan övriga områden är marginellt påverkade. Den generella formen för kontaktkraftens graf är ofta bevarad för de olika fallen, dock kan små skillnader i formen uppstå. Se till exempel figur 18 ungefär 20 m in i spannet, där formen är olika med och utan massa. Nära massplaceringar ökas generellt kontaktkraftens värde. 5.3 Hastighetens påverkan Hur massan påverkar kontaktkraften vid olika hastigheter visas i figur 11. Generellt kan sägas att kontaktkraften är betydligt jämnare vid lägre hastigheter, vilket helt följer teorin kring kontaktledningar. För båda hastigheterna blev resultatet sämre då massan placerades i plats 1, men försämringen blev procentuellt högre för den lägre hastigheten än den högre, 6,45 % respektive 4,78 %. Standardavvikelsen ger ett mått på hur hela spannet påverkades och inte bara i närheten av massan. Från grafen kan utläsas att i området intill massan var effekten från massan mindre i fallet med en lägre hastighet. Det vill säga var effekten globalt större, men lokalt mindre för fallet med den lägre hastigheten. Tyvärr gjordes den enda jämförelsen mellan olika hastigheter med en massa i plats 1, ett ställe massan alltid försämrar resultatet. Huruvida massan alltid följer detta mönster då hastigheten ändras går därför inte att säkerställa. 5.4 Bra och dåliga områden för massplacering De bästa massplaceringarna med avseende på standardavvikelse är plats 2 och 7, som förbättrar, det vill säga minskar, standardavvikelsen med 5,5 % respektive 5,4 %. Plats 3 och 4 förbättrar standardavvikelsen med 2,7 % respektive 1,8 % för fallen med 1 kg, och slutligen plats 8 med 0.7 %. Plats 5 och 6 försämrar, standardavvikelsen med 5,9 % respektive 5,3 %, och plats 1 försämrar standaravvikelsen, som tidigare nämnt, med 18,6 % för fallet med 3 kg och med 4,8 % för 1 kg. Inspektion av figur 9 visar att de sämsta positionerna för optimering av kontaktledningskvaliteten är i vänstra området fram till mitten av ett spann, och de bästa är i det högra området fram till slutet av ett spann. Förbättringen är störst vid plats 2 och 7, som ligger på samma horisontella position (se 16

figur 9), och blir mindre och mindre nära utliggaren. Som nämnt i föregående stycke är det en tydlig skillnad på massplaceringar i början och slutet av ett spann. Vad som är början och slutet av ett spann beror på tågets färdriktning, så en massplacering i slutet av ett spann åt ett håll innebär en massplacering i början av ett spann när tåget sedan åker tillbaka samma väg, om man antar att det är en enspårig sträcka. Massplaceringarna som ger ökad kontaktkraftskvalitet bör därför användas i den riktning tåget huvudsakligen åker åt då det är dubbelspårigt, och symmetriska placeringar som ger ökad kontaktkraftskvalitet bör användas i enkelspåriga scenarion. Exempelvis skulle plats 2 vara lämplig för dubbelspåriga rälssträckor och plats 8 för enkelspåriga rälssträckor. På detta sätt förbättras kvaliteten alltid i enkelspåriga fall, och så ofta som möjligt utnyttjas de stora förbättringar som icke symmetriska placeringar innebär för dubbelståriga fall. Om det är inte är acceptabelt att ha sämre kontaktkraftskvalitet åt något håll bör endast symmetriska massplaceringar användas. 5.5 Praktisk genomförbarhet Oavsett vilka resultat simuleringarna har givit finns det ett antal praktiska begränsningar. Till exempel är det opraktiskt att placera alltför stora massor på kontaktledningen, då detta eventuellt skulle innebära en påfrestning för kontaktledningen och de olika fästena som håller ihop den. Det är också möjligt att detta drastiskt skulle öka slitaget för kontaktledning och strömavtagare, speciellt då SYT 7.0/9.8 är en relativt svag kontaktledning (Liu, Z., Stichel, S.. 2018). Betydligt sämre hållbarhet skulle inte vägas upp av marginellt bättre kontaktkraftskvalitet. Ett annat hinder är att en fysisk placering av massor direkt på kontakttråden, som plats 7 och 8 innebär, inte är möjlig eftersom en strömavtagare behöver kunna glida fritt längsmed denna och upprätthålla kontakten utan förhinder. För att kunna placera en massa på dessa platser skulle ett speciellt typ av fäste behöva utvecklas. Ett sådant fäste skulle behöva balansera en massa ovanpå en kontakttråd så att denna inte kolliderar med strömavtagaren. Med tanke på dessa komplikationer är det opraktiskt att implementera en massa på plats 7 eller 8 på en riktig kontaktledning. 5.6 Praktisk tillämpning Testerna som gjordes i denna studie gjordes på spann som inte nödvändigtvis behövde förbättras. Att förändra kontaktkraften med några newton i områden där kontaktkraften redan är relativt önskvärd är fortfarande något som bör eftersträvas, men att kunna förändra kontaktkraften i spann där det av något skäl finns problem med kontaktens prestanda är där det finns stor vinning. Genom att till exempel kunna placera en massa på kontaktledningen som gör att ett område där kontakten mellan strömavtagaren och kontaktledningen är obefintlig faktiskt uppnår kontakt igen och därmed undviker ljusbågsbildning kan mycket slitage undvikas. Dessa områden bör prioriteras före oproblematiska spann när massor ska placeras. 17

5.7 Slutsatser Ett antal slutsatser kan dras från studien: Massorna påverkar kontaktkraften med lokala ändringar och ofta ökad kontaktkraft. Generellt sett är dock formen för kontaktkraften opåverkad. Större massa ger en större avvikelse och tvärtom. Massplaceringar i slutet av spann är bäst för kontaktkraftens kvalitet, och de i början och mitten sämst. Det blir en större global skillnad vid lägre hastighet, men mindre lokal skillnad. Detta är dock svårt att dra några säkra slutsatser om från denna studie. 6 Vidare forskning För att ytterligare undersöka möjligheterna med detta ämne är det relevant att forska om mer avancerade masselement som med dämpare och fjädrar sitter fast i kontaktledningen, och om dessa ger bättre resultat än de enkla fasta massorna denna studie undersökte. Då endast ett fall av större massor studerades här är det även intressant med olika storlekar på massor på platser där kontaktkraftskvaliteten förbättrades, och se om det finns möjlighet för ännu bättre resultat. Vidare är högre tåghastigheter med massplaceringar på fördelaktiga positioner intressant för att undersöka om maximal tåghastighet kan ökas på SYT 7,0/9,8, eller på andra kontaktledningstyper, med hjälp av massplaceringar. En massplacering som minskar fluktuationen för en lägre hastighet skulle kunna möjliggöra en högre hastighet med acceptabla fluktuationer, med detta skulle behöva undersökas i detalj och med olika fall av massor och hastigheter, då detta endast studerades i ett fall här. Även fler massplaceringar kring platser med goda resultat skulle kunna undersökas, för att vidare definiera ett massplaceringsområde med stora förbättringar i kontaktkraftskvalitet. Slutligen är en studie om möjliga sätt att fästa massor på en kontaktledning nödvändig för att kunna genomföra detta i praktiken. Detta skulle möjliggöra praktiska mätningar via test på riktiga tågbanor för att bekräfta de resultat simulering ger. 18

Referenser Banverket. (2006). Lärobok 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). Naturvårdsverket. Transporterna och miljön. 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., Jönsson, P.. (2014). Journal of rail and rapid transit. Implications of the operation of multiple pantographs on the soft catenary systems in Sweden. Naturskyddsföreningen. (u.å.). Naturvårdsverket. Så stor miljöbov är 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. Vägtrafikens utsläpp. 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] 19

www.kth.se