Towards the performance limit of catenary meta-optics via field-driven optimization

Catenary optics enables metasurfaces with higher efficiency and wider bandwidth,and is highly anticipated in the imaging system,super-resolution lithography,and broadband absorbers.However,the periodic boundary approximation without considering aperiodic electromagnetic crosstalk poses challenges for catenary optical devices to reach their performance limits.Here,perfect control of both local geometric and propagation phases is realized through field-driven optimization,in which the field distribution is calculated under real boundary conditions.Different from other optimization methods requiring a mass of iterations,the proposed design method requires less than ten iterations to get the efficiency close to the optimal value.Based on the library of shape-optimized catenary structures,centimeter-scale devices can be designed in ten seconds,with the performance improved by ~15%.Furthermore,this method has the ability to extend catenary-like continuous structures to arbitrary polarization,including both linear and elliptical polarizations,which is difficult to achieve with traditional design methods.It provides a way for the development of catenary optics and serves as a potent tool for constructing high-performance optical devices.

A Novel Method for Aging Prediction of Railway Catenary Based on Improved Kalman Filter

The aging prediction of railway catenary is of profound significance for ensuring the regular operation of electrified trains.However,in real-world scenarios,accurate predictions are challenging due to various interferences.This paper addresses this challenge by proposing a novel method for predicting the aging of railway catenary based on an improved Kalman filter(KF).The proposed method focuses on modifying the priori state estimate covariance and measurement error covariance of the KF to enhance accuracy in complex environments.By comparing the optimal displacement value with the theoretically calculated value based on the thermal expansion effect of metals,it becomes possible to ascertain the aging status of the catenary.To improve prediction accuracy,a railway catenary aging prediction model is constructed by integrating the Takagi-Sugeno(T-S)fuzzy neural network(FNN)and KF.In this model,an adaptive training method is introduced,allowing the FNN to use fewer fuzzy rules.The inputs of the model include time,temperature,and historical displacement,while the output is the predicted displacement.Furthermore,the KF is enhanced by modifying its prior state estimate covariance and measurement error covariance.These modifications contribute to more accurate predictions.Lastly,a low-power experimental platform based on FPGA is implemented to verify the effectiveness of the proposed method.The test results demonstrate that the proposed method outperforms the compared method,showcasing its superior performance.

Trajectory compensation for multi-robot coordinated lifting system considering elastic catenary of the rope

The multi-robot coordinated lifting system is an unconstrained system with a rigid and flexible coupling.The deformation of the flexible rope causes errors in the movement trajectory of the lifting system.Based on the kinematic and dynamic analysis of the lifting system,the elastic catenary mod-el considering the elasticity and mass of the flexible rope is established,and the effect of the deform-ation of the flexible rope on the position and posture of the suspended object is analyzed.According to the deformation of flexible rope,a real-time trajectory compensation method is proposed based on the compensation principle of position and posture.Under the lifting task of the low-speed move-ment,this is compared with that of the system which neglects the deformation of the flexible rope.The trajectoy of the lifting system considering the deformation of flexible rope.The results show that the mass and elasticity of the flexible rope can not be neglected.Meanwhile,the proposed trajectory compensation method can improve the movement accuracy of the lifting system,which verifies the ef-fectiveness of this compensation method.The research results provide the basis for trajectory plan-ning and coordinated control of the lifting system。

Geometry deviation effects of railway catenaries on pantograph– catenary interaction: a case study in Norwegian Railway System

This paper presents a non-contact measurement of the realistic catenary geometry deviation in the Norwegian railway network through a laser rangefinder.The random geometry deviation is included in the catenary model to investigate its effect on the pantograph–catenary interaction.The dispersion of the longitudinal deviation is assumed to follow a Gaussian distribution.A power spectrum density represents the vertical deviation in the contact wire.Based on the Monte Carlo method,several geometry deviation samples are generated and included in the catenary model.A lumped mass pantograph with flexible collectors is employed to reproduce the high-frequency behaviours.The stochastic analysis results indicate that the catenary geometry deviation causes a significant dispersion of the pantograph–catenary interaction response.The contact force standard deviations measured by the inspection vehicle are within the scope of the simulation results.A critical cut-off frequency that covers 1/16 of the dropper interval is suggested to fully describe the effect of the catenary geometry deviation on the contact force.The statistical minimum contact force is recommended to be modified according to the tolerant contact loss rate at high frequency.An unpleasant interaction performance of the pantograph–catenary can be expected at the catenary top speed when the random catenary geometry deviation is included.

Dynamic Properties of Steel Catenary Riser near Touchdown Point Under Coplanar Vessel Heave and Vortex Induced Vibration

The present study establishes a simple numerical model for the coupled response of a steel catenary riser(SCR) subjected to coplanar vessel motion and vortex-induced vibration(VIV). Owing to the large deflection of the SCR, the geometric nonlinearity is considered in this model. The hydrodynamic force comprises the excitation force and hydrodynamic damping, where the excitation force that only exists when the non-dimensional frequency is located in the lock-in range, is associated with the VIV. The hydrodynamic force model is validated based on the published VIV test data.As for the seabed resistance at the touchdown zone(TDZ), integrated with an initial seabed trench, the hysteretic feature is modeled. Based on the model, the study emphasizes on the coupled response characteristics near the touchdown point(TDP) induced by coplanar vessel heave and VIV, and analyzes the sensitivity of the coupled response to the heaving amplitude and frequency. It is found that with the increase of the heave amplitude and frequency, the VIV can be obviously mitigated, but the heave-related response in the coupled analysis seems to be close to that in the heave-only simulation. Finally, the fatigue damage near TDP is parametrically investigated based on the separate analysis and the coupled analysis. The results demonstrate that the coupled effect plays a significant role in the fatigue assessment near TDP. Besides, the proportion of the coupled effect accounting for the total fatigue damage decreases with the increasing seabed stiffness, while increases with the increasing seabed trench depth.

刚性接触网磨耗动态检测系统视觉标定方法研究

接触线磨耗是综合反映接触网服役性能的重要指标。针对接触线空间布置范围大,磨耗检测精度要求高,人工检测效率低的难题,提出综合运用激光三角和沙姆成像原理,研究构建基于线结构光测量技术的车载接触线磨耗主动视觉检测方法。提出采用高斯-牛顿非线性最小二乘优化方法,对像平面与光平面单应性矩阵、镜头畸变参数进行交叉迭代求解,建立面向接触线磨耗动态检测的大视场、高精度视觉模型及其参数标定方法,解决接触线磨耗检测系统视觉建模及参数标定难题。立足现场实际需求,研制接触线磨耗车载检测装置,分步开展室内静态标定实验和现场动态检测试验。结果表明,实验室标定重投影误差控制在0.083 mm以内,与传统模型相比提高53.1%。接触线磨损宽度、磨损深度及磨损面积动态检测数据与人工静态测量数据相比,RMS误差分别控制在0.119 mm, 0.115 mm, 0.788 mm2以内。

环境温度对地铁刚性接触网弹性与弓网受流质量影响研究

近年来全国地铁大面积发生弓网异常磨耗事件,特别是冬季异常磨耗已然成为常态,2022年全国有30余条地铁线路出现此现象,经济损失达数亿元。为了研究环境温度对弓网关系的影响,文章首先建立了某地铁线路刚性接触网有限元模型,计算得到环境温度-20~20℃下接触网刚度曲线,并分析了环境温度对接触网刚度影响规律;然后,构建地铁变刚度弓网耦合动力学模型,依据EN 50119等标准验证了其准确性,并计算了环境温度(-20~20℃)、列车运行速度(40~90 km/h)、受电弓静抬升力(70~160 N)、定位线夹卡滞工况下的弓网接触力,着重分析了环境温度对弓网接触力、弓网受流质量的影响规律。结果表明:环境温度与弓网接触力、受流质量具有强正相关性,当环境温度低于0℃时,弓网受流指标将严重恶化;线夹卡滞会对弓网接触力、受流质量带来恶劣影响,而且行车速度越高影响越大。

电气化铁路弓网系统摩擦磨损性能研究进展

针对电气化铁路弓网正常和异常状态的接触副,分析受电弓滑板磨耗周期内的摩擦磨损性能差异性,特别是受电弓滑板的磨耗率和磨耗型面的差异性,包括:发生异常磨损时受电弓滑板磨损率数倍甚至数十倍的增长差异,以及局部偏磨、波浪型磨耗和贯穿性凹坑等磨耗型面差异;着重归纳不同弓网系统载流摩擦磨损试验台的特点及异同,总结磨耗检测接触式测量方法与非接触式测量方法的优劣;分析弓网系统结构及参数、列车运行参数、弓网系统载流参数及外界环境等因素的影响,归纳总结弓网载流摩擦磨损特性的演变规律.在此基础上,综合分析弓网系统磨耗机理分析模型和数据拟合模型的研究现状和进展,并给出弓网系统载流摩擦磨损性能在后续研究中所需重点关注的研究方向和发展趋势,包括:弓网摩擦副的真实服役工况在实验室条件下的等效模拟;弓网磨耗性能的在线高精度检测;复杂气候条件及多物理场耦合作用下弓网磨耗性能的仿真和优化;结合大数据和智能算法的弓网磨耗预测,以及智能运维策略和全生命周期的能力保持技术等.

电气化铁路接触网地震作用与抗震性能分析

研究目的:高地震烈度区域电气化铁路沿线途经多条地震断裂带,接触网系统在地震作用下易出现损坏,影响列车的正常运行。本文结合高地震烈度区电气化铁路,基于接触网系统服役特性,开展了4柱3跨原型足尺振动台试验,建立并验证地震响应下的接触网系统有限元模型,开展地震作用下接触网系统的地震响应仿真计算,对比分析接触网导线、腕臂、定位器、支柱等关键装备的抗震性能,并比较分析不同的接触网导线工作张力、跨距以及锚段长度对接触网系统抗震性能的影响,提出高地震烈度区接触网系统的抗震设计原则及措施,全面分析与研究地震作用下接触网系统响应规律和抗震性能。本文提出的关于接触网系统抗震性能分析数据及研究结论,能有效补充和完善接触网抗震设计规范及标准,有力支撑铁路工程建设,提升电气化铁路防灾抗灾能力。研究结论:(1)地震激励对接触网腕臂装置的影响较小,定位器出现受压,导致钩环结构易脱落;(2)地震激励对接触网支柱、接触线具有十分明显的影响,可造成支柱柱底应力增大和接触线跨中位移增大;(3)锚段长度对抗震性能无明显影响,适当增大接触线工作张力、减小跨距可有效降低接触网系统的地震响应;(4)本研究成果可为轨道交通领域防灾减灾设计提供指导。

环境风下高铁双弓-网系统动态受流特性研究

为了研究环境风对高速铁路双弓-网系统动态受流性能的影响,首先,以位于我国西部大风区的兰新高铁为研究对象,基于模态分析法建立双弓-网耦合系统模型;其次,运用空气动力学理论推导作用于接触网线索上的环境风载荷;然后,考虑横风向空气阻尼的影响,探究空气阻尼作用下双弓受流特性;最后,采用4阶自回归(autoregression,简称AR)模型建立接触网沿线脉动风场,着重分析风速和风攻角对双弓受流的影响。结果表明:横风向空气阻尼对双弓受流产生的影响较小;脉动风下风速越大则风向越趋于垂向,双弓受流性能更易恶化;后弓受流性能相较前弓对风速和风攻角的变化更加敏感。双弓-网系统风振响应分析可为优化风环境下弓网受流质量和接触网防风参数设计提供参考。

接触网用精准力矩控制防松技术创优研究

研究目的:轨道交通的发展程度已成为现代化的标志,对国家经济发展、社会稳定均起着关键性作用,其中牵引供电系统的安全可靠性逐渐成为民众关注的焦点。供电系统中,接触网与受电弓的良好动态匹配是实现机车平稳取流的关键,但频繁的交变接触力作用引起的高频振动,会导致接触网零部件的松动,特别是在高速铁路运行过程中,列车机械振动与风振耦合,更加剧了螺纹松动。因此设备及零部件的防松是安全可靠最基本的要求。本文旨在对接触网结构、装备及零件间的连接方式、螺纹连接失效模式及基体压溃现象等进行综合能力分析。采用定性调查法、定量试验法、理论计算及有限元定型对比模拟计算等手段,对螺纹的紧固与防松技术性能进行对比分析及防松能力评价,并提出简单、长效、可控的螺纹连接的新型技术。研究结论:(1)接触网用的碳钢或添加元素的碳钢M16及以上规格的螺栓、螺母占比约为40%,但是紧固力矩控制及防松性能评价往往被忽略;(2)倒锥体的锚栓一定要在精确的紧固力矩下使得胶与本体脱离产生膨胀挤压才可更好地发挥作用,因此紧固力矩的精确控制就是重要的安全指标;(3)通过对松开力矩及紧固力矩关系论证得知,并非松开力矩只要大于紧固力矩就可完全防松,如果处理不当会造成螺纹黏着及咬死现象,紧固力矩精准控制才是真正防松的关键;(4)精准力矩控制型防松螺母,能以最简单的操作达到最精确的力矩值,保证可靠连接、指标可控、节能增效,更适用于高原高海拔高空作业;(5)本研究成果可应用于接触网设备、构筑物及零部件的螺栓紧固及防松。

蜂窝梁柱子结构抗连续性倒塌性能研究

目的研究蜂窝梁柱子结构的抗连续性倒塌性能,为工程应用提供设计依据。方法基于拆除构件法,应用ABAQUS有限元分析软件建立蜂窝梁柱子结构与实腹梁柱子结构模拟模型,研究在中柱失效作用下的结构性能,分析孔型、开孔率和首孔距离等参数对蜂窝梁柱子结构抗连续性倒塌性能的影响。结果蜂窝梁柱子结构相比于实腹梁柱子结构的峰值承载力增长64.26%,所对应的位移增长73.57%;蜂窝梁良好的成铰机制使悬链线效应发展更充分;孔型、开孔率、首孔距离对其破坏模式、峰值荷载、悬链线效应发展程度均具有一定影响。结论蜂窝梁柱子结构具有良好的抗连续性倒塌能力,孔型宜为圆形或六边形,开孔率宜取40%~60%,首孔距离宜取0.75~1.0倍梁截面高度。

深度学习的接触网小目标缺陷识别研究

吊弦线夹螺栓是铁路接触网供电线路的重要器件,其状态会影响电力机车受流质量,于是对SSD算法进行改进:首先引入一种轻量级神经网络MobileNetV3用于前端特征提取,降低模型复杂度,以提高检测速度;其次采用CA注意力机制替换反向残差结构线性瓶颈层的SE模块,使位置信息沿空间两个方向聚合,调整后的特征层能够捕获全局远程特征信息;最后设计了特征融合模块以重构特征层,优化小目标检测层以提高对小目标的识别效果。还用CycleGAN等方法扩充训练样本,解决数据集不足的问题。实验结果表明,改进算法的模型复杂度下降,mAP@0.5和FPS分别达到95.5%和81 fps,该研究有助于接触网检测仪器向小型移动嵌入式设备转变。

刚性架空接触网弓网动态检测探讨

刚性架空接触网设备安装精度要求高,且基本设置在环境相对复杂的隧道内。为确保设备良好工作状态,本文通过对刚性架空接触网检测依据、项目进行分析,对实际检测数据进行对比,提出了有效的刚性架空接触网检测方法,为后期隧道内刚性架空接触网相关设计提供参考。

地铁受电弓动态包络线分析及应用

[目的]地铁供电系统中,接触网的安全运行高度依赖于合理的受电弓动态包络线设计。然而,当前行业内尚未就受电弓动态包络线的确定方法和参数达成统一标准,因此,深入研究受电弓在不同速度等级下的参数确定问题显得尤为重要。[方法]分析了现有规范中关于动态包络线的定义,并指出了这些定义在地铁领域应用时存在的不明确性。通过对欧洲和德国标准中受电弓摆动量的数学模型进行深入分析,并结合地铁接触网设计的实际参数,提出了一种估算地铁受电弓在不同运行条件下最大横向摆动量的方法。[结果及结论]我国地铁受电弓动态包络线标准的缺失对接触网的设计安全性、施工及检修等环节均产生了重要影响。鉴于此,期望在“十四五”期间,通过行业协会、车辆制造商、设计单位和施工单位等多方面的协同努力,结合标准地铁列车的开发工作,能够制定出统一且准确的受电弓动态包络线标准,以推动轨道交通行业的高质量发展。

索-悬链线拱联合结构的受力机理与力学特征

早期拱桥已运营多年,缺乏有效的养护,且设计荷载等级偏低;随着交通量的增加及车辆超载,其在活载作用下的力学性能已不能满足现代交通需求。为改善此类拱桥的受力性能,提出一种索-悬链线拱联合结构,在拱肋两侧对称设置索,使索和拱肋形成新的受力体系,从而改变悬链线拱结构的传力路径,进而降低拱结构的内力。在索-拱联合结构图式下,基于弹性中心法对其力法方程进行简化,采用近似曲线积分方法推导了竖向移动荷载作用下拱肋的内力解析解,并借助ANSYS有限元软件验证解析解的准确性;分析了在车道荷载作用下索约束位置、拱轴系数、矢跨比和轴向刚度比等设计参数对拱结构的影响,揭示了索-拱联合结构的受力机理和内力变化规律。研究表明,内力解析解与有限元结果的相对误差在1%以内;索的设置改变了拱结构弯矩影响线量值的正、负区间分布,而且有效地降低了拱结构弯矩影响线的峰值,从而使拱结构的整体弯矩得到较大幅度的降低,弯矩分布更均匀;沿拱脚至拱顶,拱结构弯矩的降低幅度和轴力的增长幅度均逐渐减小;轴向刚度比从0.02增加至0.10,拱脚负弯矩的减小幅度呈非线性增大,最大降幅达63.7%;索力的增长幅度与其数值大小成反比,当索设置在距拱顶0.3L(L为拱跨经)时,索力可增至轴向刚度比为0.02时的1.9倍。矢跨比对拱结构内力带来的影响不容忽视,矢跨比越大拱结构的内力变化幅度越大;拱轴系数对拱结构内力的影响可以忽略。

大西高铁牵引供电系统提速方案研究

研究目的:大西高铁线下工程按时速350 km设计,时速250 km开通运营,拟提速至时速300 km。确定提速改造方案需对既有牵引供电系统供电能力及设备状况进行评估及校验,结合牵引负荷增长需求,按5 min、4 min追踪间隔对全线牵引网电压水平和接触网有效电流进行研究,通过牵引供电设施分布、牵引变压器容量和其他设备容量分析,确定设备补强方案;通过弓网仿真研究确定接触网系统张力,进而校核接触网基础容量及零部件的适应性并确定改造方案。研究结论:(1)经对既有牵引供电系统供电能力及设备仿真分析,既有供电设施分布满足提速要求,除西安北牵引变电所牵引变压器安装容量满足要求外,其余牵引变电所均需增容改造;(2)牵引变电所配电装置维持既有布置方案,对容量不满足要求的电流互感器和导线进行扩容改造;(3)接触悬挂线材维持既有型号,正线额定张力调整至28.5 kN+21 kN,同步改造部分接触网零部件;(4)本研究成果可为高速铁路牵引供电系统提速、达速及提质等类似工程提供借鉴和参考。

稀疏可变形卷积与高分辨率融合的接触网螺栓病害检测

列车长期运行产生的震动易导致接触网螺栓处于松动、脱落等不良状态,接触网取流异常会严重影响行车安全。针对高速铁路接触网螺栓病害检测时,易受复杂背景干扰及螺栓松动病害难以检测等问题,提出一种稀疏可变形卷积与高分辨率融合的接触网螺栓病害检测方法。首先,构建稀疏动态可变形卷积构成的特征提取网络,通过增大感受野范围,来捕捉不同尺度下螺栓的形状特征,加强模型对螺栓小尺寸对象特征的提取能力。然后,设计高分辨率特征金字塔融合模块,将螺栓深层特征和浅层特征的高分辨率特征图进行充分融合,提高多尺度特征图的利用率。其次,提出基于连通域统计的螺栓松动判别方法,通过统计被截断螺栓的连通域个数,完成螺栓松动病害状态检测。最后,由高速铁路接触网螺栓检测试验得出:所提方法可以准确检测螺栓的缺失和松动病害,且具有较高的检测精度,相比改进前Mask R-CNN检测方法准确率增加了41.4个百分点、召回率增加了27.3个百分点、像素精确度提升28.11个百分点、F1-score达83.4%。同时,对接触网螺栓网络模型的检测效率进行试验,较Mask R-CNN的浮点计算效率提升了36.23%。对不同场景下接触网螺栓检测对比试验表明,所提方法具有良好的适应性和精确度,对于螺栓松动和缺失病害检测提供了更为准确的方法,对后期接触网智能化检测具有一定的参考意义。

高速铁路隧道内接触网预埋槽道缺陷整治研究

高速铁路隧道内一般采用预埋槽道固定接触网,在高铁建设中大量存在因接口管理及施工不规范等原因导致的预埋位置错误、施工误差过大等缺陷问题。为确保高速铁路隧道及接触网的整体工程质量,文章结合近年来高铁项目中出现的各种槽道缺陷问题,按照尽量避免废弃工程、最大限度利用已预埋槽道的原则,研究并制订了针对性的整治方案,如吊柱法兰适应性整治方案、外置槽道整治方案等,旨在为工程设计和施工人员提供参考。

基于移动三维激光扫描技术的地铁隧道接触网导高检测新方法

[目的]地铁隧道内接触网导高是保证列车正常受电的重要参数,需定期进行检测。针对其他导高检测方式存在的误差大、精度低的问题,需提出基于移动三维激光扫描技术的地铁隧道接触网导高检测新方法。[方法]基于移动三维激光扫描技术提出了导高检测的新方法,分析了误差来源;提出通过在移动式三维激光扫描仪上增设刚性倾斜组件来改变扫描仪激光线入射角度,进而减少隧道断面点云模型的毛刺数量,并采用等角兰勃特投影来获取隧道真实点云模型。与导高仪检测结果进行对比,以验证其导高检测精度是否满足相关要求。[结果及结论]基于移动式三维激光扫描技术建立的隧道断面点云模型存在毛刺,是因激光脚点垂直入射接触网发生散射和漫反射导致的。增加倾斜组件,可有效减少隧道断面点云模型的毛刺数量。移动式三维激光扫描仪与导高仪的导高检测数据对比结果表明,基于移动式三维激光扫描技术的导高检测精度基本在±3 mm以内,能够满足相关规范对导高检测的精度要求。