明奇 郝登運(yùn) 劉春雨 張賀

摘要：針對(duì)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(jì)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(dòng)測(cè)量。介紹了設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成、軟件組成及外場(chǎng)功能試驗(yàn)等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：綜合定位測(cè)距方案所有測(cè)試數(shù)據(jù)均小于±20 mm的定位精度要求，選取關(guān)鍵點(diǎn)腕臂定位器中心處接觸線參數(shù)（導(dǎo)高和拉出值）檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差均小于±5mm ，優(yōu)于±10 mm的測(cè)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(lèi)號(hào)：U225文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(chē)、人工梯車(chē)為主。接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)成本昂貴、施工可控時(shí)間短暫;人工梯車(chē)隨意性大、安全性差、效率低、人力成本高等，對(duì)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(shí)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(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)建筑企業(yè)接觸網(wǎng)工程的全面自動(dòng)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(jì)以作業(yè)量程最大化、通用化及自動(dòng)化為目標(biāo)，能夠適應(yīng)高鐵接觸網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)環(huán)境，充分發(fā)揮其精確定位優(yōu)勢(shì)，最大程度減小施工人員作業(yè)強(qiáng)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(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便及維護(hù)性好等特點(diǎn)[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吊弦標(biāo)定裝備具有不同跨度吊弦安裝位置的自動(dòng)定位和標(biāo)定、接觸線幾何參數(shù)（導(dǎo)高和拉出值）的自動(dòng)測(cè)量等功能，可采用自動(dòng)運(yùn)行模式，減少操作，降低對(duì)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(guò)程中，可對(duì)前期的基礎(chǔ)施工情況進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，作為一種檢查復(fù)核的手段。設(shè)備所檢測(cè)的數(shù)據(jù)，可與用戶(hù) BIM 管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)共享標(biāo)定過(guò)程數(shù)據(jù)和測(cè)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(cè)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(tái)、接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測(cè)距整定系統(tǒng)等。

行走作業(yè)平臺(tái)是吊弦標(biāo)定裝備實(shí)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(guò)往車(chē)輛，具有較好的靈活性。

接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)是吊弦標(biāo)定裝備實(shí)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(cè)量。接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要由安裝在車(chē)頂?shù)慕佑|線參數(shù)測(cè)量模塊、安裝在車(chē)下底架上的車(chē)體振動(dòng)補(bǔ)償測(cè)量模塊及安裝在車(chē)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(cè)量模塊和車(chē)體振動(dòng)補(bǔ)償測(cè)量模塊輸出的測(cè)量信號(hào)均由安裝在車(chē)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，通過(guò)特定的智能算法計(jì)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(shí)現(xiàn)功能的手臂，負(fù)責(zé)在標(biāo)定過(guò)程中跟隨接觸線走向?qū)崟r(shí)移動(dòng)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(cè)模塊、限位光電開(kāi)關(guān)等，其控制原理如圖3所示。系統(tǒng)通過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)標(biāo)記。噴涂系統(tǒng)是由計(jì)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(chǔ)器、觸摸屏、編碼器等組成，由光電傳感器接收裝備移動(dòng)信號(hào)，控制微型電磁閥式的噴頭，對(duì)接觸線進(jìn)行無(wú)接觸式噴碼。噴涂控制系統(tǒng)包括 PLC 、測(cè)距編碼器及 I/O站等，其控制原理如圖4所示。測(cè)距整定系統(tǒng)將采集到的設(shè)備速度信號(hào)傳輸給噴涂系統(tǒng)，噴涂系統(tǒng)根據(jù)速度信號(hào)自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)的噴涂速度，從而保證噴涂效果。控制系統(tǒng) PLC 通過(guò) Modbus 主從協(xié)議控制多輸出 IO 站耦合器發(fā)出 I/O 信號(hào)，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(shí)現(xiàn)功能的核心，吊弦標(biāo)定裝備由支柱零點(diǎn)定位模塊掃描到支柱時(shí)的狀態(tài)記為單跨度作業(yè)的參考零點(diǎn)，吊弦標(biāo)定裝備根據(jù)接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)械手始終與接觸線保持合適的設(shè)計(jì)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(shí)，控制系統(tǒng)控制自動(dòng)噴槍進(jìn)行噴碼標(biāo)記[9]。

測(cè)距整定系統(tǒng)是吊弦標(biāo)定裝備實(shí)現(xiàn)功能的標(biāo)尺，接觸線上吊弦標(biāo)定位置的定位通過(guò)測(cè)距傳感器和車(chē)體振動(dòng)補(bǔ)償裝置進(jìn)行綜合參數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)。測(cè)距整定系統(tǒng)由2套測(cè)距輪單元、2套編碼器構(gòu)成，選用德國(guó)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(zhuān)用測(cè)距輪上，將車(chē)輪打滑、抱輪、車(chē)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(jì)

采用臺(tái)達(dá)高性能 PLC作為主控制器，選用官方開(kāi)發(fā)軟件ISPSoft進(jìn)行程序開(kāi)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(cè)系統(tǒng)間的通信?？刂栖浖鞒倘鐖D5所示。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)調(diào)試條件，先后在京沈客專(zhuān)、京雄城際鐵路，針對(duì)特定段（曲線段、直線段、錨段關(guān)節(jié)及隧道）吊弦標(biāo)定實(shí)際作業(yè)流程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，并依據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃完成測(cè)試。

4.1 吊弦標(biāo)定測(cè)試（含直線段、曲線段和隧道內(nèi)）

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，京沈客專(zhuān)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(chē)、支柱零點(diǎn)定位作業(yè)方式進(jìn)行吊弦安裝位置的自動(dòng)標(biāo)定功能測(cè)試，反復(fù)測(cè)試10次，測(cè)試結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，直線段支柱號(hào)（10～30）區(qū)間、曲線段支柱號(hào)（80～100）區(qū)間及隧道支柱號(hào)（ A2～ A22）區(qū)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)共計(jì)1760組，綜合定位測(cè)距方案所有測(cè)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(cè)測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)方案試驗(yàn)驗(yàn)證，采用不停車(chē)勻速測(cè)試，選取關(guān)鍵點(diǎn)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(cè)量?jī)x（DJJ-8）手工測(cè)量的對(duì)應(yīng)處接觸線參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，選取關(guān)鍵點(diǎn)腕臂定位器中心處接觸線參數(shù)（導(dǎo)高和拉出值）檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差均小于±5mm ，優(yōu)于±10 mm的測(cè)量精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的吊弦標(biāo)定裝備基于現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，融合了激光、視覺(jué)、機(jī)械手和高速?lài)姶a等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)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(cè)量，解決了支柱零點(diǎn)精確識(shí)別、接觸線精確定位、機(jī)械手精準(zhǔn)跟隨與測(cè)距輪精確測(cè)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(dòng)強(qiáng)度、提高施工效率的設(shè)計(jì)初衷，為自動(dòng)化機(jī)械進(jìn)行了有效地探索。

高鐵接觸網(wǎng)戶(hù)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(yàn)和先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)吊弦機(jī)械化自動(dòng)安裝功能，保證吊弦安裝后接觸線幾何參數(shù)滿足施工驗(yàn)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(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率、施工質(zhì)量，對(duì)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)工程的全面自動(dòng)機(jī)械化意義重大。

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第一作者簡(jiǎn)介：明奇（1985-），男，河南滑縣人，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楦哞F施工裝備智能化。 （編輯：刁少華）