一種智能化腕臂、吊弦測量計(jì)算裝置研發(fā)設(shè)想

楊新坡?武玉傳?馬凱

摘要：從中國高鐵技術(shù)發(fā)展史可以看出，列車速度越來越快，運(yùn)營安全系數(shù)要求越來越高，接觸網(wǎng)作為高鐵供電系統(tǒng)的重要組成部分，與機(jī)車受電弓之間的弓網(wǎng)關(guān)系就顯得尤為重要，接觸網(wǎng)腕臂、吊弦測量計(jì)算工作，現(xiàn)場依然是靠技術(shù)人員去進(jìn)行測量，然后再將測量數(shù)據(jù)輸入電腦，進(jìn)行計(jì)算，并且現(xiàn)有計(jì)算程序沒有自我判斷功能，設(shè)計(jì)院技術(shù)人員將計(jì)算數(shù)據(jù)交給施工單位工程部，然后預(yù)配工班在預(yù)配車間進(jìn)行預(yù)配，至于計(jì)算數(shù)據(jù)的對錯(cuò)只有到了現(xiàn)場安裝后，才能知曉，這一切環(huán)節(jié)都是依靠人去完成的，因此，研發(fā)一種智能化腕臂、吊弦測量計(jì)算裝置就顯得尤其重要。

關(guān)鍵詞：中國高鐵;智能化;腕臂吊弦;測量計(jì)算

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中國高鐵工程施工的發(fā)展方向是智能化施工，隧道、橋梁、鋪軌專業(yè)越來越多的機(jī)械化、智能化的設(shè)備投入使用，為近年來飛速發(fā)展的中國高鐵工程建設(shè)做出了突出貢獻(xiàn)，而作為推動(dòng)電客車奔跑供電系工程的智能化設(shè)備研發(fā)，還是受關(guān)注頗少，誠然近年來也有很大的突飛猛進(jìn)，但是也僅僅是在安裝過程中一些對原有工機(jī)具、機(jī)械設(shè)備上的一些改進(jìn)和完善，而腕臂、吊弦作為供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，對它的測量計(jì)算的準(zhǔn)確性就是保障接觸弓網(wǎng)關(guān)系的根基所在[1]。關(guān)于這一點(diǎn)的相關(guān)科研項(xiàng)目基本還沒涉及，它就像一棟房子，建的牢固與否，實(shí)際和它的根基的質(zhì)量有很大的關(guān)系，而反觀國內(nèi)接觸網(wǎng)施工現(xiàn)場的主力軍依然是勞務(wù)人員，所具備的專業(yè)技能堪憂，工法還是沿用傳統(tǒng)的方式在進(jìn)行，這一切都存在著極大的人為不確定因素。而根據(jù)多年施工經(jīng)驗(yàn)和建設(shè)單位對四電專業(yè)工期的要求，一般來說，其進(jìn)場最晚，完工卻是要和土建、橋梁、鋪軌單位基本同步而行，也就是說，前期腕臂、吊弦的測量工作，往往是在橋梁、隧道專業(yè)剛完工，通過各專業(yè)間圖紙書面交底，現(xiàn)場定位測量時(shí)，就要先期開展了，這一被動(dòng)不利現(xiàn)象，必然會(huì)影響后續(xù)接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)營后的技術(shù)質(zhì)量，因此，提升接觸網(wǎng)專業(yè)施工的前期腕臂、吊弦測量計(jì)算的精度，就不得不引起更多專業(yè)人士的關(guān)注[2]。

1 腕臂、吊弦簡介

1.1 腕臂簡述

腕臂結(jié)構(gòu)采用三角架結(jié)構(gòu)，利用底座與支柱通過螺栓實(shí)現(xiàn)可靠連接，接觸線利用與腕臂連接的定位管上的定位器固定，承力索和接觸線之間每隔一段距離采用吊弦固定。根據(jù)安裝形式不同，腕臂有中間柱、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱、中心柱、道岔定位柱（LY型、L型、Y型）及防竄不防斷型中心錨結(jié)柱、小限界腕臂等（圖1）。

1.2 腕臂測量技術(shù)參數(shù)

①腕臂計(jì)算需測量數(shù)據(jù)：支柱限界、支柱斜率、軌道超高。已知數(shù)據(jù)：上、下腕臂底座高度、導(dǎo)高、結(jié)構(gòu)高度。

在高鐵接觸網(wǎng)專業(yè)施工中，往往需要在軌道未鋪設(shè)之前進(jìn)行腕臂計(jì)算，則測量數(shù)據(jù)需根據(jù)已公布的CPⅢ數(shù)據(jù)成果為依據(jù)，來進(jìn)行理論值測量。

②扣料：腕臂上、下底座、棒式絕緣子、套管雙耳、支撐管卡子、定位環(huán)、承力索座等。

1.3 腕臂計(jì)算方法描述

腕臂計(jì)算方法主要是采用直角三角形勾股定理進(jìn)行計(jì)算。各種安裝形式下，各零部件的安裝位置需根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算，零件尺寸需根據(jù)實(shí)際使用材料對扣料長度進(jìn)行測量。

1.4 關(guān)鍵難點(diǎn)分析

關(guān)于斜拉線及腕臂、定位管支撐的計(jì)算，是現(xiàn)實(shí)施工安裝上的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。根據(jù)本人多年一線工程技術(shù)施工計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)三角形勾股定理計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，大多不精確，進(jìn)入現(xiàn)場安裝后，基本無法滿足相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，需要先根據(jù)設(shè)計(jì)院安裝圖紙上腕臂不同類型，在CAD上模擬繪制，經(jīng)與相關(guān)設(shè)計(jì)院安裝圖紙相比對，符合相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，方可編制腕臂、定位管支撐材料計(jì)劃及施工表，這樣不但可以節(jié)約材料，提高安裝一次到位的精度，而且還能提升對后續(xù)整體工程施工的感觀效果，真正做到橫平豎直，緊固到位，內(nèi)實(shí)外美的精品工程要求。

2 吊弦相關(guān)知識概述

2.1 吊弦簡介

吊弦安裝在承力索與接觸導(dǎo)線之間，通過吊弦線夾采用螺栓緊固的方式，將承力索和接觸導(dǎo)線連接在一起，一方面起到規(guī)定兩支柱跨距中承力索、接觸導(dǎo)線的機(jī)械固定作用，一方面也起到串聯(lián)加強(qiáng)供電的電氣功能。吊弦在高鐵供電系統(tǒng)上的材料一般采用軟銅絞線，通過心形環(huán)，銅壓接管與吊弦線夾連接，再通過吊弦線夾與承力索、接觸導(dǎo)線進(jìn)行連接。因?yàn)榈跸沂怯脕砉潭ǔ辛λ骱徒佑|導(dǎo)線的，由于接觸導(dǎo)線與機(jī)車受電弓存在著動(dòng)態(tài)接觸的一面，因此，吊弦安裝的精度很高，相鄰吊弦高差不超過1mm（圖2）。

2.2 吊弦測量計(jì)算相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1）吊弦計(jì)算需測量數(shù)據(jù)：跨距、懸掛點(diǎn)處承力索高度、曲線半徑、軌道超高。已知數(shù)據(jù)：接觸線及承力索型號、米重，線索設(shè)計(jì)張力，線路曲線半徑、豎曲線，第一根吊弦距定位點(diǎn)距離等。

2）扣料：承力索吊弦線夾、接觸線吊弦線夾、心型環(huán)、載流環(huán)預(yù)留長度等。

3）影響吊弦計(jì)算精度的主要原因：a.懸掛的數(shù)學(xué)模型;b.導(dǎo)線高度和結(jié)構(gòu)高度;c.懸掛類型;d.吊弦間距及布置形式;e.線索張力和弛度;f.拉出值的大小和方向;g.接觸懸掛的單位質(zhì)量;h.曲線半徑和外軌超高;i.線路縱向坡度（豎曲線）;j.集中載荷;k.吊弦線夾的幾何尺寸;l.施工和測量誤差。

2.3 吊弦計(jì)算基本原理

柔性架空接觸網(wǎng)關(guān)于線索幾何參數(shù)計(jì)算的理論都是建立在拋物假設(shè)基礎(chǔ)上，承力索和接觸線均是兩端固定且只承受重力作用的自由懸掛線索;線索柔軟，無剛性;線索直徑與其長度比可以不計(jì)，即細(xì)長比很大;懸掛自重均勻分布。

2.4 關(guān)鍵難點(diǎn)分析

吊弦計(jì)算以往都是工程單位技術(shù)人員根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，各自編制Excel表格，通過現(xiàn)場測量，在Excel表格輸入欄里輸入：承力索高度、拉出值、相鄰跨距長度、兩懸掛點(diǎn)外軌超高、曲線半徑及該垮是否存在集中負(fù)荷的相關(guān)設(shè)備重量等數(shù)據(jù)，而這種原始計(jì)算方式，在區(qū)間直線段中間柱之間計(jì)算吊弦的數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，而在曲線段、錨段關(guān)節(jié)、下錨非工作支等特殊區(qū)段，其計(jì)算數(shù)據(jù)就相差甚遠(yuǎn)了，而在高鐵供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)專業(yè)，吊弦采用的都是整體不可調(diào)方式進(jìn)行安裝，而在特殊區(qū)段現(xiàn)場安裝，一般情況下不能一步到位，其相鄰吊弦之間的高差誤差也很大。

3 現(xiàn)狀情況分析

3.1 腕臂測量計(jì)算

3.1.1 腕臂測量

在高鐵供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)專業(yè)施工中，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，由于供電系統(tǒng)工程單位施工進(jìn)場晚，而接觸網(wǎng)專業(yè)送電開通的工期卻是要求很緊，因此腕臂測量基本上都是在鋪軌未施工或者在鋪短軌通（也就說鋼軌未精調(diào)到位）的情況下，相關(guān)測量技術(shù)人員利用設(shè)計(jì)院相關(guān)專業(yè)圖紙，現(xiàn)場交樁定測的，由于供電系統(tǒng)工程缺乏新線專業(yè)測量高精度儀器和專業(yè)人士，并且對現(xiàn)場特殊地段的設(shè)計(jì)變更環(huán)節(jié)工作進(jìn)展跟蹤有難度，經(jīng)過對現(xiàn)場施工測量現(xiàn)狀分析得知，這些諸多人為的不確定因素，就會(huì)嚴(yán)重影響前期腕臂測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，而在接觸網(wǎng)專業(yè)中，腕臂是用來橫向固定承力索和接觸導(dǎo)線的，在腕臂安裝施工環(huán)節(jié)，它是要經(jīng)過測量、計(jì)算、預(yù)配、安裝、精調(diào)5個(gè)步驟，而影響腕臂安裝精準(zhǔn)度的最為重要的一環(huán)，就是腕臂測量和計(jì)算[3]?，F(xiàn)如今，在國內(nèi)業(yè)界技術(shù)人員的努力下，接觸網(wǎng)支柱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化組立，腕臂預(yù)配也實(shí)現(xiàn)了智能工廠化預(yù)配，數(shù)顯力矩扳手、隧道內(nèi)吊柱打孔安裝自動(dòng)化裝置等一系列高精度工機(jī)具現(xiàn)場也投入使用，這些科技創(chuàng)新成果，為中國高鐵供電系統(tǒng)工程接觸網(wǎng)專業(yè)邁向智能化施工提供了可靠的技術(shù)保障。

3.1.2 腕臂計(jì)算

以往普速鐵路供電系統(tǒng)工程接觸網(wǎng)專業(yè)的腕臂計(jì)算都是各家工程單位技術(shù)人員各自為戰(zhàn)，其一線技術(shù)人員的專業(yè)技能、理論知識和施工經(jīng)驗(yàn)等綜合因素，極大影響著腕臂計(jì)算的精準(zhǔn)度。現(xiàn)如今，隨著中國高鐵工程建設(shè)飛速發(fā)展，速度是越來越快，對腕臂計(jì)算的精準(zhǔn)度運(yùn)營要求也是越來越高，因此，高鐵供電系統(tǒng)工程接觸網(wǎng)專業(yè)腕臂的計(jì)算，就有設(shè)計(jì)院根據(jù)每條線的設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，自行編程，獨(dú)立進(jìn)行腕臂計(jì)算，施工單位拿到設(shè)計(jì)院發(fā)出的腕臂計(jì)算數(shù)據(jù)表，再在工地預(yù)配車間進(jìn)行腕臂預(yù)配和安裝。而這種計(jì)算方式是絕對獨(dú)立的，也就是說，其計(jì)算數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，不到現(xiàn)場安裝那個(gè)施工環(huán)節(jié)，是無人曉得。

3.2 吊弦測量

吊弦測量是在承力索架設(shè)完成后，并固定到位，接觸導(dǎo)線還未進(jìn)行架設(shè)的時(shí)間差內(nèi)，需要進(jìn)行的一種測量工序而根據(jù)接觸網(wǎng)施工工序前后的科學(xué)安排，應(yīng)該是在鋪軌專業(yè)鋼軌精調(diào)到位后，才能開始這個(gè)吊弦測量環(huán)節(jié)的，而縱觀國內(nèi)施工現(xiàn)狀，這看起來有點(diǎn)理想化了，大多數(shù)都是在短軌通的情況下，開始進(jìn)行吊弦測量。吊弦測量的精準(zhǔn)度與鋼軌精調(diào)是否到位有著直接的關(guān)系。

3.3 吊弦計(jì)算

高鐵供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)專業(yè)的吊弦計(jì)算和腕臂計(jì)算方式一樣，也是設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)編程計(jì)算的，其優(yōu)劣性在此不予贅述。

4 研發(fā)設(shè)想

4.1 初步構(gòu)思

研發(fā)一種智能化腕臂、吊弦測量計(jì)算裝置，可以放在軌道上，初步設(shè)想為單軌雙輪框架，具備測距記憶功能，自動(dòng)測量支柱限界、支柱斜率，外軌超高，懸掛點(diǎn)處承力索高度，拉出值等有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)，利用BIM技術(shù)，AI技術(shù)、CAM軟件進(jìn)行三維智能模擬，自動(dòng)成像，對有關(guān)安裝后的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行智能化判斷對錯(cuò)。吊弦計(jì)算后具備弓網(wǎng)關(guān)系模擬檢測功能，確保接觸網(wǎng)前期技術(shù)測量計(jì)算工作精準(zhǔn)到位，已到達(dá)逐步取消接觸網(wǎng)調(diào)整這項(xiàng)工作的功能，滿足高速鐵路對接觸網(wǎng)精度越來越高的需求。該裝置具備自動(dòng)出具施工表及材料計(jì)劃的功能。

4.2 具體構(gòu)思

1） 該裝置設(shè)計(jì)為可拆式，以便于運(yùn)輸。該裝置整體不宜過重，大約15 kg，以便滿足兩名技術(shù)人員現(xiàn)場操作之用。

2） 該裝置初步框架設(shè)計(jì)為單軌雙輪固定模式。

3）該裝置采用蓄電池自動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能，采用步進(jìn)電機(jī)，精準(zhǔn)定位測距。

4） 該裝置利用激光測距傳感器，自動(dòng)精準(zhǔn)測量相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并具備自動(dòng)導(dǎo)入之功能，具有自動(dòng)測量外軌超高之功能。

5） 該裝置自動(dòng)導(dǎo)入測量數(shù)據(jù)，具備內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算功能，并采用BIM、AI技術(shù)自動(dòng)成像，智能化判斷相關(guān)技術(shù)參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求。

6）該裝置在智能化判斷相關(guān)技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后，會(huì)自動(dòng)提料，自動(dòng)編制施工表之關(guān)聯(lián)功能。

7）該裝置具備記憶和互聯(lián)共享傳輸之功能。

8）該裝置設(shè)計(jì)理念為一鍵傻瓜式，一切功能全部交給機(jī)器去運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場所需人員只是輔助。

9） 該裝置需要專業(yè)編程人員配合，將相關(guān)計(jì)算公式編制成計(jì)算機(jī)程序。

10）該裝置相關(guān)BIM、AI技術(shù)的關(guān)聯(lián)銜接，也需要專業(yè)人士的加入。

11） 該裝置需要機(jī)械、機(jī)電專業(yè)人士加入設(shè)計(jì)。

12）為便于激光測距傳感器捕捉支柱號，需要廠家在出廠前在支柱合適部位做永久性標(biāo)示（可以是二維碼或條形碼）。

13）難題體現(xiàn)：如何將關(guān)聯(lián)測量數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入，該裝置如何體現(xiàn)智能化判斷，相關(guān)材料數(shù)據(jù)的輸入后，如何自動(dòng)出具施工表和材料計(jì)劃，這都需要專業(yè)人士進(jìn)行全面設(shè)計(jì)和構(gòu)思。

5 結(jié)語

總之，在中國高鐵工程建設(shè)飛速發(fā)展的過程中，腕臂安裝施工工序的關(guān)鍵點(diǎn)就是前期現(xiàn)場測量和計(jì)算是否精確，本文本著“科技為本”之理念，積極探索了關(guān)于相關(guān)腕臂、吊弦測量、計(jì)算智能化方面的研發(fā)設(shè)想，若該套智能化裝置得以實(shí)現(xiàn)，勢必會(huì)提高腕臂、吊弦的安裝精度，滿足中國高鐵速度越來越快的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求。

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