吳 飛

(中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 引言

在鐵路工程建設(shè)過程中，為保證接觸網(wǎng)的彈性均勻，接觸網(wǎng)均采用彈性鏈型懸掛方式[1]。彈性鏈型懸掛安裝是接觸網(wǎng)施工的重要組成部分，彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)因直接與機(jī)車受電弓接觸并對機(jī)車進(jìn)行供電，其安裝質(zhì)量是保證弓網(wǎng)受流穩(wěn)定可靠的決定性因素。彈性鏈型懸掛安裝過程中，必須進(jìn)行精細(xì)化施工，對各組成部分的現(xiàn)場測量、計(jì)算、預(yù)配、安裝等環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制。接觸網(wǎng)施工質(zhì)量的保障依賴的是吊弦預(yù)配的精準(zhǔn)控制，目前國內(nèi)吊弦預(yù)配基本采用人工預(yù)配方式[2]進(jìn)行，無法對吊弦預(yù)配參數(shù)做到標(biāo)準(zhǔn)化。隨著高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)的提高，人工預(yù)配難以滿足高速鐵路接觸網(wǎng)的更高工藝要求[3]。

為進(jìn)一步縮短施工工期，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)安裝精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高接觸網(wǎng)專業(yè)的智能化、機(jī)械化水平，形成完整的鐵路接觸網(wǎng)自動化預(yù)配裝備，開展接觸網(wǎng)吊弦自動化生產(chǎn)線研究。結(jié)合人工預(yù)配吊弦經(jīng)驗(yàn)，研制自動化、智能化、柔性化吊弦預(yù)制平臺，平臺能實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)料、自動穿入壓接管、自動壓接銅鼻子和壓接管、按照預(yù)配長度要求自動精準(zhǔn)拉伸銅合金絞線，解決人工預(yù)配吊弦?guī)淼碾S機(jī)誤差及壓接壓力不達(dá)標(biāo)等質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)吊弦預(yù)制高效自動化[4－5]。

2 接觸網(wǎng)吊弦自動化預(yù)配生產(chǎn)線

接觸網(wǎng)吊弦自動化預(yù)配生產(chǎn)線(如圖1所示)主要包含自動送線、自動剪切、自動上料、自動壓接等模塊，能實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)料(銅合金絞線)、自動穿入壓接管、自動壓接銅鼻子和壓接管、按照預(yù)配長度要求自動精準(zhǔn)拉伸銅合金絞線，解決人工預(yù)配吊弦?guī)淼碾S機(jī)誤差及壓接壓力不達(dá)標(biāo)等質(zhì)量問題。

圖1 吊弦預(yù)制生產(chǎn)線

2.1 盤絲進(jìn)料機(jī)構(gòu)

吊弦預(yù)制生產(chǎn)線的盤絲進(jìn)料機(jī)構(gòu)(如圖2所示)是吊弦銅合金絞線進(jìn)入吊弦預(yù)制平臺后經(jīng)過的第一道機(jī)構(gòu)。將銅合金絞線原材料自動導(dǎo)引到運(yùn)行槽道內(nèi)，并做勻速運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動到相應(yīng)槽道區(qū)間的銅合金絞線長度達(dá)到預(yù)設(shè)好的預(yù)配長度后，液壓鋼絲鉗自動截?cái)嚆~合金導(dǎo)線，完成第一步的進(jìn)料步驟。

圖2 盤絲進(jìn)料機(jī)構(gòu)

2.2 固定端繞絲機(jī)構(gòu)

在吊弦預(yù)制過程中，銅合金絞線運(yùn)行通過盤絲進(jìn)料機(jī)構(gòu)后即進(jìn)入固定端繞絲機(jī)構(gòu)(如圖3所示)，固定端繞絲機(jī)構(gòu)的作用在于將吊弦銅合金絞線通過一個水滴形滑道實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行路徑的平緩掉頭，從而繞過心形環(huán)并拉緊纏繞，實(shí)現(xiàn)固定端心形環(huán)的預(yù)配安裝。

圖3 固定端繞絲機(jī)構(gòu)

通過傳感器與限位結(jié)構(gòu)和銅合金絞線位置控制結(jié)構(gòu)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)吊弦銅合金絞線運(yùn)動至相應(yīng)位置觸發(fā)光纖傳感器后，動作機(jī)構(gòu)立即完成設(shè)定的動作，使吊弦銅合金絞線在預(yù)設(shè)的軌跡內(nèi)實(shí)現(xiàn)在繞絲機(jī)構(gòu)中180°轉(zhuǎn)向形成一個圓形軌跡。銅合金絞線運(yùn)動到指定位置后，液壓鉗按照壓力要求，壓接好鉗壓管。

2.3 自動上料及壓接機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的吊弦人工預(yù)配時，人工作業(yè)強(qiáng)度最大的工序是鉗壓管及心形環(huán)的壓接過程。本生產(chǎn)線通過采用驅(qū)動油缸、驅(qū)動氣缸、限位氣缸、驅(qū)動送線機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向氣缸完成心形環(huán)及鉗壓管的自動上料(如圖4所示)。當(dāng)?shù)跸毅~合金絞線在伺服電機(jī)的牽引下到達(dá)預(yù)定位置后，設(shè)備自動進(jìn)行對鉗壓管的壓接[6]。

圖4 自動上料機(jī)構(gòu)

3 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 送剪線控及剪刀機(jī)研究

吊弦預(yù)配過程中，由于吊弦線為銅合金絞線，在剪切過程中，難點(diǎn)在于其切口的平整度難以保證；由多股銅合金編制而成的銅合金絞線在剪切受力后極易發(fā)生散股現(xiàn)象。為了解決吊弦線端頭散股導(dǎo)致吊弦線不能順利通過水滴形滑道的問題，課題組對吊弦線剪刀口咬合形狀進(jìn)行優(yōu)化。通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)，最終選擇菱形雙向剪切刀口[7]代替雙向平行剪切刀口(如圖5所示)，以保證吊弦線剪切的平整度，避免吊弦線端頭出現(xiàn)炸裂、散股現(xiàn)象。

圖5 剪刀機(jī)刀刃造型優(yōu)化示意

通過對剪刀機(jī)刀刃造型進(jìn)行優(yōu)化，將初定的一字型刀刃改為菱形刀刃，成功實(shí)現(xiàn)剪切后的吊弦銅合金絞線切口整齊，有效避免了銅合金絞線散股現(xiàn)象。

3.2 繞絲結(jié)構(gòu)路徑優(yōu)化研究

繞絲結(jié)構(gòu)是完成吊弦銅合金絞線180°掉頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，吊弦銅合金絞線的運(yùn)行路徑設(shè)置為半圓形＋兩處直邊。在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)在圓弧段與直線段銜接的部位，銅合金絞線轉(zhuǎn)向時存在轉(zhuǎn)向角度過大、轉(zhuǎn)向不平順的問題，導(dǎo)致小部分試驗(yàn)樣品出現(xiàn)銅合金絞線散股現(xiàn)象，無法滿足實(shí)際工程項(xiàng)目對吊弦預(yù)制的要求。

針對銅合金絞線散股現(xiàn)象，提出了由直線段漸變至最小轉(zhuǎn)彎半徑的優(yōu)化方案，使吊弦銅合金絞線運(yùn)行路徑近似于水滴形(結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖6所示)，實(shí)現(xiàn)吊弦銅合金絞線在行進(jìn)過程中平滑順暢，有效避免了因銅合金絞線與零件側(cè)壁碰撞而發(fā)生銅合金絞線散股，可實(shí)現(xiàn)繞絲結(jié)構(gòu)的預(yù)期功能。

圖6 固定端繞絲機(jī)構(gòu)優(yōu)化示意

3.3 液壓站輸出壓力值研究

傳統(tǒng)的人工吊弦鉗壓管壓接主要采用專用的壓接鉗人工進(jìn)行壓接，壓接力度主要根據(jù)作業(yè)人員對壓接效果的主觀判斷，根據(jù)規(guī)范要求，滿足壓接后的滑動荷載符合電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件(TB/T 2075.1—2075.23)的要求，并且吊弦預(yù)配應(yīng)該無散股及斷股現(xiàn)象(吊弦結(jié)構(gòu)如圖7所示)。

圖7 吊弦結(jié)構(gòu)

在吊弦生產(chǎn)線研發(fā)過程中，液壓站輸出壓力主要采取模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行調(diào)試，其壓接完成后鉗壓管與吊弦銅合金絞線之間的滑動荷載主要由壓接模具的造型決定，液壓站輸出壓力值能夠?qū)崿F(xiàn)將壓接端部左右模具完全壓合即可。根據(jù)多次模擬試驗(yàn)，當(dāng)選定液壓站輸出壓力值為7 kN時，不損傷吊弦銅合金絞線，不出現(xiàn)銅合金絞線斷股、散股等現(xiàn)象，滿足鉗壓管壓制要求。

4 預(yù)制生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研究

吊弦預(yù)制生產(chǎn)線各機(jī)構(gòu)間的系統(tǒng)控制由PLC控制元件完成，預(yù)制生產(chǎn)線控制系統(tǒng)操作界面集成在預(yù)制平臺的工業(yè)控制屏上[8－9]。可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、生產(chǎn)控制、待生產(chǎn)數(shù)據(jù)修改、查看歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)等實(shí)用功能(系統(tǒng)操作界面如圖8所示)。

圖8 控制系統(tǒng)主界面

控制系統(tǒng)采用交互式和易于感應(yīng)的窗口，盡量避免使用模態(tài)對話框，方便作業(yè)人員操作。整體界面功能模塊簡潔明了，點(diǎn)擊菜單欄內(nèi)的對應(yīng)區(qū)域便可在下方直觀顯示相關(guān)內(nèi)容，省去了返回、退出等繁瑣操作。

控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)導(dǎo)入、預(yù)配數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、上料警示等功能，可實(shí)現(xiàn)預(yù)配數(shù)據(jù)的全過程監(jiān)控，有效保證接觸網(wǎng)工程質(zhì)量[10]。

5 吊弦線預(yù)配質(zhì)量控制

5.1 預(yù)配平臺試運(yùn)行

預(yù)配平臺啟動前應(yīng)對整體安裝情況進(jìn)行全面檢查，確保各組件按要求安裝到位，檢查電線是否存在破皮等不利現(xiàn)象。

預(yù)配平臺開始預(yù)配施工前，先在低速模式下進(jìn)行試運(yùn)行，完成設(shè)備的預(yù)熱和故障排查。預(yù)配平臺狀態(tài)確認(rèn)無誤后，方可進(jìn)行上料預(yù)配。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，操作者不得身靠平臺。

試運(yùn)行過程中，作業(yè)人員需觀察銅合金絞線自動上料是否順暢。設(shè)備運(yùn)行過程中若發(fā)現(xiàn)設(shè)備上有異物，不得在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下直接用手進(jìn)行清理，清理前應(yīng)先進(jìn)行設(shè)備關(guān)機(jī)操作。設(shè)備運(yùn)行過程中不得用手觸摸各傳動部位。

吊弦平臺試運(yùn)行工作完成后應(yīng)進(jìn)行試加工，確認(rèn)設(shè)備工作情況正常、預(yù)制吊弦數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)匹配后，方可開始大規(guī)模預(yù)制加工。

5.2 吊弦線預(yù)配過程控制

吊弦線預(yù)制作業(yè)過程中，作業(yè)人員應(yīng)密切注意各預(yù)制原材料剩余量，各原材料耗盡之前應(yīng)及時補(bǔ)充材料。添加銅合金絞線材料時，應(yīng)在設(shè)備關(guān)機(jī)后進(jìn)行。預(yù)制平臺運(yùn)行過程中，作業(yè)人員應(yīng)密切關(guān)注設(shè)備各部位潤滑情況，應(yīng)及時補(bǔ)充潤滑油；進(jìn)行補(bǔ)油操作前，應(yīng)先對設(shè)備進(jìn)行關(guān)機(jī)操作。當(dāng)遇到特殊情況，作業(yè)人員需離開吊弦預(yù)制現(xiàn)場時，應(yīng)當(dāng)有能力與經(jīng)驗(yàn)可以勝任的作業(yè)人員輪班。若不能滿足作業(yè)人員輪班看守，作業(yè)人員離開預(yù)配現(xiàn)場前，應(yīng)對吊弦預(yù)配平臺進(jìn)行關(guān)機(jī)、斷電操作。

5.3 吊弦預(yù)配復(fù)核

完成吊弦預(yù)制施工后，應(yīng)當(dāng)對吊弦預(yù)制成果進(jìn)行抽樣檢查，著重檢查鉗壓管壓接質(zhì)量，以及心形環(huán)與吊弦銅合金絞線是否密貼牢固。同時還應(yīng)檢查吊弦長度以及銅合金絞線表面是否存在磨損，銅合金絞線是否存在散股、斷股等現(xiàn)象[11－12]。

6 結(jié)束語

接觸網(wǎng)吊弦自動化生產(chǎn)線利用油壓缸、伺服電機(jī)及系統(tǒng)、氣路、PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了吊弦預(yù)配準(zhǔn)確、自動上料，制作過程工藝質(zhì)量可控、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可數(shù)據(jù)化追溯、過程監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)預(yù)配過程全自動化，預(yù)配誤差±1 mm，預(yù)配效率80 s/條，可滿足項(xiàng)目實(shí)際需求，并能提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制。