高鐵接觸網(wǎng)吊弦標(biāo)定裝備系統(tǒng)研究

明奇 郝登運 劉春雨 張賀

摘要：針對高鐵接觸網(wǎng)吊弦標(biāo)定施工機(jī)械化、智能化的作業(yè)要求，設(shè)計了一款吊弦標(biāo)定施工裝備，能夠完成不同跨度吊弦安裝位置的連續(xù)標(biāo)定、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的自動測量。介紹了設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)組成、軟件組成及外場功能試驗等。試驗數(shù)據(jù)表明：綜合定位測距方案所有測試數(shù)據(jù)均小于±20 mm的定位精度要求，選取關(guān)鍵點腕臂定位器中心處接觸線參數(shù)（導(dǎo)高和拉出值）檢測數(shù)據(jù)誤差均小于±5mm ，優(yōu)于±10 mm的測量精度要求。

關(guān)鍵詞：高鐵接觸網(wǎng);吊弦標(biāo)定;接觸網(wǎng)幾何參數(shù);施工裝備

中圖分類號：U225文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0220-03

Dropper Calibration Equipment of High-speed Railway Catenary System Research

Ming Qi1，Hao Dengyun1，Liu Chunyu2，Zhang He1

（1. CSIC Haiwei Zhengzhou High-tech Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China;2. The 3rd Engineering Co.， Ltd.， China Railway Construction Electrification Bureau Group， Baoding， Hebei 074000， China）

Abstract： Aiming at the mechanized and intelligent operation requirements for the dropper calibration of the high-speed railway catenary system， a construction equipment that can adapt to the continuous calibration of the dropper installation positions of different spans was designed. The equipment system design， system composition， software composition and field function test were introduced. The test data show that all the test data of the comprehensive positioning and ranging scheme are less than the positioning accuracy requirements of ±20mm， and the error of the test data of the contact line parameters （lead height and pull-out value） at the center of the selected key point cantilever locator is less than ±5mm， which is better than the measurement accuracy requirements of ±10mm.

Key words： high-speed railway catenary; dropper calibration; catenary geometric parameters; construction equipment

0 引言

傳統(tǒng)鐵路接觸網(wǎng)施工多以接觸網(wǎng)作業(yè)車、人工梯車為主。接觸網(wǎng)作業(yè)車成本昂貴、施工可控時間短暫;人工梯車隨意性大、安全性差、效率低、人力成本高等，對當(dāng)前接觸網(wǎng)安全高效的現(xiàn)代化施工提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

隨著電氣化鐵路的高速發(fā)展，接觸網(wǎng)的現(xiàn)代化施工和技術(shù)應(yīng)用顯得日益迫切。該套裝備是基于現(xiàn)有一體化工藝數(shù)據(jù)信息、標(biāo)準(zhǔn)化工序、工人施工技能等一系列技術(shù)要求，實現(xiàn)可靠精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息智能化施工控制和管理，降低施工人員的體力勞動強度，提高施工效率、施工質(zhì)量，進(jìn)一步提升高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠性，實現(xiàn)建筑企業(yè)接觸網(wǎng)工程的全面自動機(jī)械化，打造智能高鐵建設(shè)[1-3]。

吊弦標(biāo)定裝備作為接觸網(wǎng)施工系列裝備的組成部分，其設(shè)計以作業(yè)量程最大化、通用化及自動化為目標(biāo)，能夠適應(yīng)高鐵接觸網(wǎng)的現(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境，充分發(fā)揮其精確定位優(yōu)勢，最大程度減小施工人員作業(yè)強度，并能夠代替現(xiàn)有吊弦標(biāo)定的部分施工作業(yè)流程，完全配合施工人員進(jìn)行吊弦安裝施工作業(yè)，具有精度高、操作簡單、安裝調(diào)試方便及維護(hù)性好等特點[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

吊弦標(biāo)定裝備具有不同跨度吊弦安裝位置的自動定位和標(biāo)定、接觸線幾何參數(shù)（導(dǎo)高和拉出值）的自動測量等功能，可采用自動運行模式，減少操作，降低對工人技術(shù)水平的要求，提高設(shè)備使用效率。在吊弦標(biāo)定過程中，可對前期的基礎(chǔ)施工情況進(jìn)行檢測和測量，作為一種檢查復(fù)核的手段。設(shè)備所檢測的數(shù)據(jù)，可與用戶 BIM 管理系統(tǒng)進(jìn)行對接，實時傳輸，實現(xiàn)共享標(biāo)定過程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)施工要求，吊弦標(biāo)定裝備主要技術(shù)指標(biāo)：標(biāo)定精度小于或等于±20mm;測量精度（導(dǎo)高和拉出值）小于或等于±10mm。

2 系統(tǒng)組成

吊弦標(biāo)定裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含行走作業(yè)平臺、接觸網(wǎng)參數(shù)檢測系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測距整定系統(tǒng)等。

行走作業(yè)平臺是吊弦標(biāo)定裝備實現(xiàn)功能的關(guān)鍵載體，負(fù)責(zé)在高速鐵路的軌道上自主行走，能夠快速上下道，避讓過往車輛，具有較好的靈活性。

接觸網(wǎng)參數(shù)檢測系統(tǒng)是吊弦標(biāo)定裝備實現(xiàn)功能的眼睛，負(fù)責(zé)接觸線關(guān)鍵位置參數(shù)（導(dǎo)高、拉出值等）的精確測量。接觸網(wǎng)參數(shù)檢測系統(tǒng)主要由安裝在車頂?shù)慕佑|線參數(shù)測量模塊、安裝在車下底架上的車體振動補償測量模塊及安裝在車內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)模塊及顯示模塊等組成。接觸線參數(shù)測量模塊和車體振動補償測量模塊輸出的測量信號均由安裝在車內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，通過特定的智能算法計算出接觸線幾何參數(shù)的靜態(tài)值。系統(tǒng)控制原理如圖2所示[5-8]。

機(jī)械手是吊弦標(biāo)定裝備實現(xiàn)功能的手臂，負(fù)責(zé)在標(biāo)定過程中跟隨接觸線走向?qū)崟r移動噴槍位置，保持噴槍和接觸線在合適的噴涂范圍內(nèi)，使得噴涂標(biāo)記能夠準(zhǔn)確地落在接觸線上。機(jī)械手控制系統(tǒng)主要包括交流伺服電機(jī)、支柱檢測模塊、限位光電開關(guān)等，其控制原理如圖3所示。系統(tǒng)通過伺服電機(jī)完成機(jī)械手的位置調(diào)整。

噴碼系統(tǒng)是吊弦標(biāo)定裝備實現(xiàn)功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)接收控制系統(tǒng)指令，實現(xiàn)精準(zhǔn)標(biāo)記。噴涂系統(tǒng)是由計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成的主機(jī)，主要包括 CPU中央處理器、 EPROM 存儲器、觸摸屏、編碼器等組成，由光電傳感器接收裝備移動信號，控制微型電磁閥式的噴頭，對接觸線進(jìn)行無接觸式噴碼。噴涂控制系統(tǒng)包括 PLC 、測距編碼器及 I/O站等，其控制原理如圖4所示。測距整定系統(tǒng)將采集到的設(shè)備速度信號傳輸給噴涂系統(tǒng)，噴涂系統(tǒng)根據(jù)速度信號自動匹配對應(yīng)的噴涂速度，從而保證噴涂效果?？刂葡到y(tǒng) PLC 通過 Modbus 主從協(xié)議控制多輸出 IO 站耦合器發(fā)出 I/O 信號，從而控制噴涂系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)完成噴涂標(biāo)記。

控制系統(tǒng)是吊弦標(biāo)定裝備實現(xiàn)功能的核心，吊弦標(biāo)定裝備由支柱零點定位模塊掃描到支柱時的狀態(tài)記為單跨度作業(yè)的參考零點，吊弦標(biāo)定裝備根據(jù)接觸網(wǎng)參數(shù)檢測系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)實時調(diào)整機(jī)械手始終與接觸線保持合適的設(shè)計位置，當(dāng)?shù)跸覙?biāo)定裝備系統(tǒng)到達(dá)吊弦標(biāo)定位置時，控制系統(tǒng)控制自動噴槍進(jìn)行噴碼標(biāo)記[9]。

測距整定系統(tǒng)是吊弦標(biāo)定裝備實現(xiàn)功能的標(biāo)尺，接觸線上吊弦標(biāo)定位置的定位通過測距傳感器和車體振動補償裝置進(jìn)行綜合參數(shù)計算實現(xiàn)。測距整定系統(tǒng)由2套測距輪單元、2套編碼器構(gòu)成，選用德國進(jìn)口高精度、高分辨率增量型編碼器，其具備 Z 相圈數(shù)輸出功能，并安裝在不承重的專用測距輪上，將車輪打滑、抱輪、車輪不圓、快速加減速造成的精度變差降至最低。

3 軟件設(shè)計

采用臺達(dá)高性能 PLC作為主控制器，選用官方開發(fā)軟件ISPSoft進(jìn)行程序開發(fā)，采用多種通信協(xié)議并行進(jìn)行通信，如 CAN2.0、TCP/IP 、Modbus TCP 。CAN通信主要用于 PLC與Y 軸伺服控制器和 Z 軸伺服控制器之間的通信;TCP/IP通信協(xié)議用于 PLC與觸控屏的通信; Modbus TCP 通信協(xié)議用于 PLC 與接觸網(wǎng)參數(shù)檢測系統(tǒng)間的通信?？刂栖浖鞒倘鐖D5所示。

4 系統(tǒng)功能測試

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)調(diào)試條件，先后在京沈客專、京雄城際鐵路，針對特定段（曲線段、直線段、錨段關(guān)節(jié)及隧道）吊弦標(biāo)定實際作業(yè)流程，根據(jù)現(xiàn)場施工的實際工作狀態(tài)進(jìn)行外場試驗測試，并依據(jù)試驗計劃完成測試。

4.1 吊弦標(biāo)定測試（含直線段、曲線段和隧道內(nèi)）

根據(jù)試驗現(xiàn)場情況，京沈客專選擇上行6錨段直線段的10～30支柱、曲線段80～100支柱和隧道 A2～ A22支柱，采用不停車、支柱零點定位作業(yè)方式進(jìn)行吊弦安裝位置的自動標(biāo)定功能測試，反復(fù)測試10次，測試結(jié)果如表1所示。試驗數(shù)據(jù)表明，直線段支柱號（10～30）區(qū)間、曲線段支柱號（80～100）區(qū)間及隧道支柱號（ A2～ A22）區(qū)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)共計1760組，綜合定位測距方案所有測試數(shù)據(jù)均滿足小于或等于±20 mm的定位精度要求。

4.2 接觸線參數(shù)檢測測試

根據(jù)試驗現(xiàn)場情況，選擇京雄城際鐵路上行2-288跨（含直線段、曲線段和隧道內(nèi)）進(jìn)行接觸網(wǎng)參數(shù)檢測方案試驗驗證，采用不停車勻速測試，選取關(guān)鍵點腕臂定位器中心處的接觸線參數(shù)數(shù)據(jù)，與用接觸網(wǎng)激光測量儀（DJJ-8）手工測量的對應(yīng)處接觸線參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表2所示。試驗數(shù)據(jù)表明，選取關(guān)鍵點腕臂定位器中心處接觸線參數(shù)（導(dǎo)高和拉出值）檢測數(shù)據(jù)誤差均小于±5mm ，優(yōu)于±10 mm的測量精度要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的吊弦標(biāo)定裝備基于現(xiàn)場施工工藝，融合了激光、視覺、機(jī)械手和高速噴碼等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了行走狀態(tài)下吊弦安裝位置的精確標(biāo)定和接觸線導(dǎo)高、拉出值等接觸網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的精確測量，解決了支柱零點精確識別、接觸線精確定位、機(jī)械手精準(zhǔn)跟隨與測距輪精確測距等難題，可適用不同跨度的吊弦連續(xù)標(biāo)定，達(dá)到了降低勞動強度、提高施工效率的設(shè)計初衷，為自動化機(jī)械進(jìn)行了有效地探索。

高鐵接觸網(wǎng)戶外施工環(huán)境復(fù)雜，吊弦安裝又屬于高空作業(yè)，利用成熟的行業(yè)經(jīng)驗和先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)吊弦機(jī)械化自動安裝功能，保證吊弦安裝后接觸線幾何參數(shù)滿足施工驗收的精度要求，可進(jìn)一步提高高鐵接觸網(wǎng)施工機(jī)械化程度，降低施工人員的勞動強度，提高施工效率、施工質(zhì)量，對實現(xiàn)接觸網(wǎng)工程的全面自動機(jī)械化意義重大。

參考文獻(xiàn)：

[1] TB 10009-2016.鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].

[2] TB 10621-2014.高速鐵路設(shè)施規(guī)范[S].

[3] GB/T25119-2010.軌道交通機(jī)車車輛電子裝置（IEC 60571：2006，MOD）[S].

[4]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.

[5]周威， 薛憲堂， 張文軒，等.接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量中的車輛振動補償方法研究[J].中國鐵路，2018（4）：92-97.

[6]占棟， 于龍， 肖建，等.接觸網(wǎng)幾何參數(shù)高速動態(tài)視覺測量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報，2014（8）：1852-1859.

[7] BORROMEO S，APARICIO J L. Automatic systems for wear mea- surement of contact wire in railways[C]//Proceedings of the 200228th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Soci- ety，2002.

[8] PAN X T，ZHANG Y F，MENG F.Measurement of the geometric parameters of power contact wire based on binocular stereovision [C]//5th International Symposium on Advanced Optical Manufac- turing and Testing Technologies： Optical Testing and Measure- ment Technology and Equipment，2010.

[9]趙小剛.基于 CAN總線技術(shù)的機(jī)械臂自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2016（10）：56-58.

第一作者簡介：明奇（1985-），男，河南滑縣人，碩士，工程師，研究領(lǐng)域為高鐵施工裝備智能化。 （編輯：刁少華）