高鐵接觸網吊弦標定裝備系統研究

明奇 郝登運 劉春雨 張賀

摘要：針對高鐵接觸網吊弦標定施工機械化、智能化的作業要求，設計了一款吊弦標定施工裝備，能夠完成不同跨度吊弦安裝位置的連續標定、接觸網幾何參數的自動測量。介紹了設備系統設計、系統組成、軟件組成及外場功能試驗等。試驗數據表明：綜合定位測距方案所有測試數據均小于±20 mm的定位精度要求，選取關鍵點腕臂定位器中心處接觸線參數（導高和拉出值）檢測數據誤差均小于±5mm ，優于±10 mm的測量精度要求。

關鍵詞：高鐵接觸網;吊弦標定;接觸網幾何參數;施工裝備

中圖分類號：U225文獻標志碼：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

傳統鐵路接觸網施工多以接觸網作業車、人工梯車為主。接觸網作業車成本昂貴、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，對當前接觸網安全高效的現代化施工提出嚴峻挑戰。

隨著電氣化鐵路的高速發展，接觸網的現代化施工和技術應用顯得日益迫切。該套裝備是基于現有一體化工藝數據信息、標準化工序、工人施工技能等一系列技術要求，實現可靠精準的數據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、施工質量，進一步提升高速鐵路接觸網系統安全可靠性，實現建筑企業接觸網工程的全面自動機械化，打造智能高鐵建設[1-3]。

吊弦標定裝備作為接觸網施工系列裝備的組成部分，其設計以作業量程最大化、通用化及自動化為目標，能夠適應高鐵接觸網的現場施工作業環境，充分發揮其精確定位優勢，最大程度減小施工人員作業強度，并能夠代替現有吊弦標定的部分施工作業流程，完全配合施工人員進行吊弦安裝施工作業，具有精度高、操作簡單、安裝調試方便及維護性好等特點[4]。

1 系統設計

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

根據施工要求，吊弦標定裝備主要技術指標：標定精度小于或等于±20mm;測量精度（導高和拉出值）小于或等于±10mm。

2 系統組成

吊弦標定裝備系統結構如圖1所示，主要包含行走作業平臺、接觸網參數檢測系統、機械手系統、噴碼系統、控制系統及測距整定系統等。

行走作業平臺是吊弦標定裝備實現功能的關鍵載體，負責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。

接觸網參數檢測系統是吊弦標定裝備實現功能的眼睛，負責接觸線關鍵位置參數（導高、拉出值等）的精確測量。接觸網參數檢測系統主要由安裝在車頂的接觸線參數測量模塊、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的數據采集與處理系統模塊及顯示模塊等組成。接觸線參數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的數據采集與處理系統進行分析處理，通過特定的智能算法計算出接觸線幾何參數的靜態值。系統控制原理如圖2所示[5-8]。

機械手是吊弦標定裝備實現功能的手臂，負責在標定過程中跟隨接觸線走向實時移動噴槍位置，保持噴槍和接觸線在合適的噴涂范圍內，使得噴涂標記能夠準確地落在接觸線上。機械手控制系統主要包括交流伺服電機、支柱檢測模塊、限位光電開關等，其控制原理如圖3所示。系統通過伺服電機完成機械手的位置調整。

噴碼系統是吊弦標定裝備實現功能的執行機構，負責接收控制系統指令，實現精準標記。噴涂系統是由計算機控制系統構成的主機，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，對接觸線進行無接觸式噴碼。噴涂控制系統包括 PLC 、測距編碼器及 I/O站等，其控制原理如圖4所示。測距整定系統將采集到的設備速度信號傳輸給噴涂系統，噴涂系統根據速度信號自動匹配對應的噴涂速度，從而保證噴涂效果。控制系統 PLC 通過 Modbus 主從協議控制多輸出 IO 站耦合器發出 I/O 信號，從而控制噴涂系統按照設定參數完成噴涂標記。

控制系統是吊弦標定裝備實現功能的核心，吊弦標定裝備由支柱零點定位模塊掃描到支柱時的狀態記為單跨度作業的參考零點，吊弦標定裝備根據接觸網參數檢測系統測量的數據實時調整機械手始終與接觸線保持合適的設計位置，當吊弦標定裝備系統到達吊弦標定位置時，控制系統控制自動噴槍進行噴碼標記[9]。

測距整定系統是吊弦標定裝備實現功能的標尺，接觸線上吊弦標定位置的定位通過測距傳感器和車體振動補償裝置進行綜合參數計算實現。測距整定系統由2套測距輪單元、2套編碼器構成，選用德國進口高精度、高分辨率增量型編碼器，其具備 Z 相圈數輸出功能，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 軟件設計

采用臺達高性能 PLC作為主控制器，選用官方開發軟件ISPSoft進行程序開發，采用多種通信協議并行進行通信，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通信協議用于 PLC與觸控屏的通信; Modbus TCP 通信協議用于 PLC 與接觸網參數檢測系統間的通信。控制軟件流程如圖5所示。

4 系統功能測試

根據現場作業調試條件，先后在京沈客專、京雄城際鐵路，針對特定段（曲線段、直線段、錨段關節及隧道）吊弦標定實際作業流程，根據現場施工的實際工作狀態進行外場試驗測試，并依據試驗計劃完成測試。

4.1 吊弦標定測試（含直線段、曲線段和隧道內）

根據試驗現場情況，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、支柱零點定位作業方式進行吊弦安裝位置的自動標定功能測試，反復測試10次，測試結果如表1所示。試驗數據表明，直線段支柱號（10～30）區間、曲線段支柱號（80～100）區間及隧道支柱號（ A2～ A22）區間內所有數據共計1760組，綜合定位測距方案所有測試數據均滿足小于或等于±20 mm的定位精度要求。

4.2 接觸線參數檢測測試

根據試驗現場情況，選擇京雄城際鐵路上行2-288跨（含直線段、曲線段和隧道內）進行接觸網參數檢測方案試驗驗證，采用不停車勻速測試，選取關鍵點腕臂定位器中心處的接觸線參數數據，與用接觸網激光測量儀（DJJ-8）手工測量的對應處接觸線參數數據進行對比，測試結果如表2所示。試驗數據表明，選取關鍵點腕臂定位器中心處接觸線參數（導高和拉出值）檢測數據誤差均小于±5mm ，優于±10 mm的測量精度要求。

5 結束語

本文設計的吊弦標定裝備基于現場施工工藝，融合了激光、視覺、機械手和高速噴碼等先進技術，實現了行走狀態下吊弦安裝位置的精確標定和接觸線導高、拉出值等接觸網相關數據的精確測量，解決了支柱零點精確識別、接觸線精確定位、機械手精準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標定，達到了降低勞動強度、提高施工效率的設計初衷，為自動化機械進行了有效地探索。

高鐵接觸網戶外施工環境復雜，吊弦安裝又屬于高空作業，利用成熟的行業經驗和先進技術，實現吊弦機械化自動安裝功能，保證吊弦安裝后接觸線幾何參數滿足施工驗收的精度要求，可進一步提高高鐵接觸網施工機械化程度，降低施工人員的勞動強度，提高施工效率、施工質量，對實現接觸網工程的全面自動機械化意義重大。

參考文獻：

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[9]趙小剛.基于 CAN總線技術的機械臂自動控制系統設計[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，研究領域為高鐵施工裝備智能化。 （編輯：刁少華）