新一代高鐵接觸網腕臂安裝作業裝備與工法研究

戚廣楓，李紅梅，暢洪亮

建筑業普遍存在的相對低效率、高風險、高損耗特點依然不同程度地存在于電氣化鐵路接觸網工程建造的各個方面。近十多年來的高鐵接觸網建造工程創新實踐，研發解決了系統設計和施工關鍵技術等工藝問題，完成了主要相關裝備的研制。其主要成果之一的高鐵接觸網工程設計施工一體化工法系列步驟中的腕臂預配工法、吊弦預配工法、恒張力架線工法和彈性吊索安裝工藝4種具體工法工序，配套以接觸網標準作業車、架線作業車組等施工裝備，通過全面的推廣應用，將源于20世紀我國的傳統接觸網工程整體建造技術水平提升了一代。但是，這些關鍵工藝的實施對一線作業人員的綜合素質要求較高，且很多作業環節如腕臂組裝、吊裝、安裝就位等工序仍未能實現機械化，接觸網作業人員仍需在高空負重作業，人工作業依舊繁重而低效，且存在一定的安全隱患。因此，需盡快解決施工機械化總覆蓋率實際不足50%的現實問題，相應地，需對配套標準工法進行適應性完善，并結合未來智能建造技術探索和預研新型施工裝備，以期形成新一代高鐵接觸網智能建造技術。

1 現狀調研與需求分析

當前施工裝備層面的主要問題是機械化的全過程覆蓋率不高和高空負重操作，以及基于傳統標準接觸網作業車平臺的作業模式存在一定局限性。

目前，國內牽引供電行業接觸網腕臂安裝和維修使用的主要設備為接觸網檢修車，這種標準作業車的可升降旋轉移動平臺（或稱“作業斗”、“吊籃”）大致分為兩種類型：一種是JW-4或JW-4G型或類似構造的接觸網檢修作業車，配置移動平臺，如圖1（a）所示；一種是類似JZW-4型的高空作業車，配置有可高空移動的斗籃，如圖1（b）所示。

圖1 標準接觸網檢修和作業車現狀

上述兩類作業車的底盤上安裝有升降作業平臺，可協作開展接觸網安裝或維修作業，但其實際上僅僅是為操作人員提供了一個作業及站立的平臺。該標準作業車自20世紀90年代京秦電氣化鐵路建設從日本引進伊始，經國產化后列裝使用至今，30年來并未經過實質性的改進。在實際運用中，由于平臺旋轉不便，也未配置助力裝置，且從平板車面至地面或平臺至安裝位置始終存在約1～2 m的高差，作業人員需依靠扶梯和腳手架攀爬或負重提舉零部件。

該類單一功能的作業車平臺對附加導線安裝、接觸網腕臂安裝等工作量較大或需要負重進行操作的技術工種的綜合作業效率提升帶來很大的掣肘，亟待做進一步的改進。同時，隨著高鐵建設的大規模展開，對高技能且年輕化的接觸網作業人員需求大大增加，但隨著我國人口紅利的逐漸消失，掌握高鐵關鍵施工技術的骨干人員年齡偏大，對辛苦的負重勞動力不從心。為使一線作業人員勝任高新技術的運用，有必要同期研究開發更為有效的面向現場作業的輔助管理系統，發揮以老帶新的架子隊作業模式的優勢，克服骨干人員短期不足的矛盾。從設備和管理2個層面共同提升綜合效率和效能，才能更好地發揮新型裝備的優勢和特點。基于此思路，有必要開展相關裝備和工藝工法的研究制定，打造新一代智能高鐵建造技術。

2 研發的技術路線

未來智能高鐵建造技術研究的核心目標是圍繞如何提高現場技術主管和領班作業骨干人員的作業指揮能力，擴大作業面的有效管控半徑，實現相關各環節協同作業效率的提升。為此，需解決以下具體技術難題：

（1）在設備層面，需盡快開發高鐵接觸網腕臂安裝施工作業裝備，減少需人工進行負重操作的安裝工序，提高機械化作業覆蓋范圍，既很好地改善了勞動環境，又最大限度發揮了現有作業人員的總效力。

（2）在人員班組管理層面，同步開展基于架子隊的施工管理方式和管理系統研究，研究從數據自動傳輸和協同作業能力方面提升運用新型裝備的能力。結合上述更高層次的智能建造技術研究思路和要求，研究與新型裝備密切相關的工藝流程和施工工法，完善質量管理手段。

（3）未來的現場智慧工地建設或智能建造安裝工程，應以智能工地管理系統SPM為核心建設，才能最大程度地發揮新型裝備的使用效能，提升生產力。

通過上述思路分析，優先開展腕臂安裝等新型作業車平臺機械化自動化裝備的硬件研究，解決高空作業負重操作困難的問題，通過同步開展的協同管理軟件和配套工法的研究，最終統一于自主研發的智能工地管理系統SPM中，形成更大的效能與合力。

3 新型裝備研制

本節探討基于SPM的接觸網腕臂安裝機械化/自動化施工作業新型裝備研制。

3.1 Z-W型腕臂自動化安裝作業裝備

自動化腕臂安裝作業裝備用于高鐵接觸網支柱上腕臂的安裝及維護檢修，提升腕臂安裝及維護機械化水平，減輕勞動強度，提高施工精度。

根據設想方案，SPM與具備智能控制功能的新型腕臂安裝機或支柱組立機等自動化作業裝備實現深度結合，可接受來自大數據中心的BIM智能建造信息的驅動，為新型智能化施工裝備提供靶向目標、坐標，通過精測系統、衛星定位和視覺引導技術，同步完成安裝過程導引、就位和動態信息數據交互，自動進入下一工序的數據流轉。這種代表著一種智能建造未來模式的“Z-W型腕臂自動化安裝作業裝備（車組）”（圖2、圖3）已預研成功，并已在京雄高鐵工程試用，成為正式列裝設備。

圖2 Z-W型腕臂自動化安裝作業裝備（車組）試用現場

圖3 自動化腕臂安裝作業裝備（車組）的部分作業姿態

裝備的研制及其主要性能參數：需要組織4名操作人員；安裝效率為單套腕臂作業時間不超過20 min；具有遙控操作模式；具有多重安全防護功能（限位、防墜、防傾倒、緩沖等保護功能）。主要設備組成：公鐵兩用底盤平臺車、升降臂+作業斗、腕臂智能安裝臂。

3.2 J-W型腕臂安裝機械化助力作業裝備

為了在短期內迅速提升生產力，有必要針對現狀分析中所提到的高空負重操作問題，側重于改進標準接觸網作業車平臺存在的局限性，并基于現有裝備制造能力實現量產。

通過分析既有標準作業車的問題可知：在作業車的功能方面，標準作業平臺僅提供作業人員作業及站立的位置，還不具備承擔從地面或作業車組的平板車面負重運送腕臂或其他重物至高空作業點的運轉功能，也不具備較大的作業半徑，既無法觸及空間位置較低的作業面，也無法觸及位置較高的作業面，不能充分發揮綜合檢修效率且限制了其使用范圍和用途。斗籃式作業車作業斗的高空作業運轉半徑雖大，但仍無法低置到地面等作業面，無法進行地面腕臂等重物的運載（抵達其安裝位置），因而也無法僅通過一個過程完成腕臂架裝等任務。因此，有必要研究一種新型的高空作業平臺，以解決腕臂、附加導線或下錨等安裝調整工藝的需求，提高整體作業車的利用率，減輕工人勞動強度和進一步保障作業安全。

在新型J-W型作業車組的研制過程中，主要解決以下技術難題：（1）平臺（吊籃）具備較大高差的運動范圍，需要設計新高空作業平臺（吊籃）的曲臂結構（簡單增加曲臂的節數或采用多節回轉折臂并不能實現低置的功能）。（2）為了滿足用戶安裝腕臂或其他類似負重安裝作業需要，平臺作業斗的空間需要滿足站立人數不少于2人，同時滿足安裝其他機械裝置的條件。（3）為了提高其經濟性和多用途性，需實現對適配的作業車底盤無特殊要求，可兼容目前主流的動力車底盤。

基于標準底盤研發的新平臺技術方案如下：

（1）曲臂結構采用第一節臂總成加伸縮臂總成的組合方案，實現吊籃可向車體下方運動。

（2）吊籃設置調平和回轉功能，保證作業人員安全，提高作業效率。

（3）停止作業并歸位后的限界符合GB146.1標準軌距鐵路機車車輛限界和客運專線鐵路機車車輛限界要求。

（4）標準作業車或其他接觸網動力車具備的液壓系統、電氣系統均可滿足本方案技術要求，即可直接利用經簡單改造的原車底盤。在該條件下校驗軌道上作業時的傾覆力矩，確認整車的穩定性能滿足要求。

JW系列作業車配置新型低置運轉平臺后，與基于JPC-160改造的帶腕臂組裝作業裝備的平板車組合后構成J-W作業車組，如圖4所示。

圖4 典型的J-W安裝作業裝備（車組）構成

3.3 新作業裝備的使用特點與優勢

運用上述新作業裝備，可提高單程作業工效，作業裝備具備與SPM聯合使用的接口功能，可進一步開發和提升綜合作業效能，并可升級為智能化腕臂安裝作業裝備。新作業裝備的特點綜述如下：

（1）具有更大的高低行程的作業半徑，意味著適用范圍更大，具有更多的使用用途，提高接觸網工程的（作業車）機械化利用率和作業效率。

（2）可實現以往作業較困難的某些負重操作，如架裝腕臂等需要低置地面或車平臺面拾取重物（如腕臂和工具），并方便接送作業人員。該負重作業量占整個接觸網標準化作業量的30%以上，可明顯降低人員的勞動強度，改善安全作業條件。

（3）可在整裝式新型作業車配置上述作業裝備，也可利用既有作業車輛改裝，以快速列裝形成生產力。

（4）可實現靈活配置，可根據用戶需求選擇作業平臺的尺寸，在設定的作業范圍內作業時的傾覆力矩和整車的穩定性能滿足安全性要求。

4 配套工法的研究

典型的低置式作業平臺工作位如圖5所示。建議結合施工單位管理需要，配合研究相應的施工安裝工藝工法，以確認符合安全和技術管理要求。

圖5 典型的作業平臺操作工位示意圖

結合腕臂絕緣子在安裝現場的作業車平臺上就地套裝金屬腕臂的過程，運用SPM系統指導進行完整的腕臂安裝作業流程（工法）設想見附表1，供研究標準工法參考。流程圖中涉及的腕臂組裝地面作業機械化輔助裝置集成在配套J-W作業車組中，也可單獨定制使用。

附表1 基于SPM系統3的腕臂安裝作業工藝流程（設想）

5 結語

通過上述研究和實踐，本著注重實效，著眼解決現場人員負重操作問題，提升接觸網作業機械化率而相應研發的新型接觸網安裝作業車取得了階段性成果，達到了預期目標。研究過程中，還結合現代工業控制技術和鐵路智能建造未來發展需求，同步完成了自動化/機械化的腕臂安裝智能裝備和適用于作業隊的智能工地管理系統SPM的研發和試用。通過對圍繞SPM開展的新型施工裝備、工法研究，探索了一種高鐵施工技術運用的新模式，確保所研制樣機的工程實用化程度，以滿足高鐵接觸網支柱裝配的腕臂安裝及維護檢修需要。

同步開發的腕臂安裝、支柱組立和吊弦標定等多型自動化作業裝備，通過在漢十、京雄高鐵和已開工項目福廈高鐵等工程項目的分析、預研、試用改進和推廣，可望在不久的將來，結合更高層次的智能建造系統構建與綜合運用，在設備、班組管理2個層面切實提升我國電氣化鐵路接觸網工程建設一線相對薄弱工序的效能，最終實現接觸網工程施工各環節協同作業效率的提升，降低安全作業風險和中間損耗，提高工程建設的經濟性，主動適應當前社會現狀和市場需求。