電氣化鐵路接觸網吊弦智能裝配技術

　　摘 要： 為了使電氣化鐵路接觸網實現吊弦智能裝配技術，研究并開發了全自動吊弦生產設備。設計了智能裝配系統，其由信息處理、組裝、控制等系統組成;針對線頭熔斷、長度精度控制、壓力精度控制三大重點問題提出了技術解決方案;規劃了合理的裝配生產線布局;實施了集成送料、熔斷、穿線、壓接、定長、激光打標、分組包裝等功能。經測試，采用全自動吊弦設備生產的接觸網吊弦能在3.9 kN的作用力下保持3 min而不發生破壞，最大承受力為5.7 kN，指標好于基本技術要求。與傳統人工模式的生產效率(180 s/PSC)相比，設備生產效率為150 s/PSC，效率提升約20%，關鍵數據可追溯，且產品具有良好的穩定性和均一性。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是工業和信息化部主管、中國電子信息產業發展研究院主辦的國家級科技學術類期刊。本刊主要面向工業技術創新領域的有關工業主管部門、工業企業、科研創新的學術交流平臺、技術創新成果的宣傳轉化園地和戰略政策研究的理論探討陣地。辦刊宗旨是：推動工業技術創新，促進工業轉型升級，服務創新國家建設。

　　關鍵詞： 電氣化鐵路;接觸網吊弦;智能裝配;熔斷;定長;精度控制;均一性

　　引言

　　隨著我國鐵路事業電氣化進程的不斷推進，高速電力機車大量得以普及應用，鐵路相關部門對鐵路運輸可靠性、行車線路建設質量、鐵路運營維護精度的要求也越來越高[1-2]。

　　在高速鐵路運行系統中，接觸網是行車線路的重要組成部分，是保障列車安全運行的關鍵設備，是列車得以高速運行的動力之源[3]。接觸網主要搭接在電氣化鐵路供電線路上，向電力機車牽引系統和列車附屬設備延伸出許多接觸線，用以向列車供電。由于涉及列車高速運動、材料性質、高壓電力等多項因素，接觸網架設于空間的幾何參數顯著影響著列車的行車安全和接觸網自身的使用壽命，對其進行研究的重要性不言而喻。

　　吊弦由壓接管、壓接端子、心形環和銅絞線按不同長度組裝壓接而成，是接觸線、承力索間振動和力的傳遞者，是事關接觸網運營安全的關鍵零部件[4-5]。列車速度不斷提高，對接觸網整體吊弦可靠性提出了更高的要求。如我國某客運專線設計時速為350 km，運行不久后便發現整體吊弦出現斷絲、斷股的現象[6]，這直接導致了列車運行故障，給出行人員安全留下了巨大的隱患。目前國內外吊弦生產大多還在采用人工制作技術，生產效率低且均一性不高，不能滿足高速鐵路日新月異的發展需求。因此，迫切需要一種全智能化的吊弦裝配模式，解決原有人工生產模式的低效和不均一問題。

　　本文報道一種全新的電氣化鐵路接觸網吊弦智能裝配技術，能夠有效解決上述人工生產模式的不足。首先，從信息處理系統、組裝系統、控制系統三方面，介紹吊弦智能裝配系統總體概況;其次，提出裝配技術中需要解決的若干關鍵問題;第三，規劃設計裝配生產線布局，實現全自動吊弦生產設備研發;最后，對生產出的吊弦進行性能測試，并與傳統人工模式的生產效率、質量進行對比。

　　1 吊弦智能裝配系統總體概況

　　吊弦智能裝配系統由信息處理系統、組裝系統、控制系統三部分組成。

　　信息處理系統通過計算機、云計算技術、數據平臺、碼識別技術實現吊弦相關信息的儲存、處理、傳送、識別，實現數據共享、追溯、管理等功能。計算機通過互聯網接收、讀取吊弦裝配用數據，把制作吊弦的數據傳輸到PLC。吊弦制作完成后，接收PLC制作結果數據，進行對比處理，把制作過程中的關鍵數據形成表格，永久儲存到數據庫，以便隨時查閱。制作過程中，控制激光打標功能和標簽打印功能。激光打標功能把每根吊弦的編號和長度標刻到壓接端子上，安裝過程中可隨時查看;標簽打印功能把每跨的制作數據打印到標簽，貼標打包，實現數據共享、追溯、管理。

　　控制系統執行并反饋信息處理系統發出的指令及數據，并對裝配系統進行控制和管理。控制系統采用PLC實現。PLC一是用于存儲成型設備的控制程序，接收來自觸摸屏的操作指令并將全自動吊弦生產設備的控制數據和狀態傳送到觸摸屏上進行顯示;二是根據壓力設定值控制液壓系統，對壓接管和壓接端子進行預壓、壓緊。根據制作吊弦總長控制熔斷系統，對銅線進行熔斷操作。根據每跨吊弦數量控制打包系統進行打包。

　　組裝系統通過PLC自動化控制中心實現各裝配機構、伺服電機、液壓機構、氣動機構的有效控制，以達到組裝的目的。組裝系統由定尺送料裝置、線頭熔斷處理機構、桁架機機器人穿線機構、附件上料機械手、壓接成型裝置、定長裝置、在線長度檢測裝置、激光打標裝置、分組包裝裝置、卸料桁架機械手組成，各裝置實現各自的功能。

　　2 吊弦智能裝配關鍵技術分析

　　在吊弦智能裝配系統技術中，線頭熔斷、長度精度控制、壓力精度控制是需要解決的關鍵問題。

　　2.1 線頭熔斷技術

　　圖1所示為線頭熔斷系統組成結構。線頭熔斷系統是由伺服電機、固定壓緊結構、旋轉移動機構、變壓器等組成的，機械系統組裝和電氣連接全部作絕緣防護。

　　熔斷機械結構包括固定壓緊機構和旋轉移動機構兩部分，二者分別連接加壓銅排的一側和另一側。熔斷加壓開始后，PLC通過延時控制拉伸氣缸移動和伺服電機旋轉，達到熔斷吊弦線的目的。

　　電氣系統由伺服系統、熔斷控制器、變壓器組成。伺服系統用于控制吊弦線旋轉圈數，通過調整旋轉軸速度和位置來控制熔斷后銅線頭的形狀。熔斷控制器和變壓器主要控制焊接加壓時間和電流(二次線圈)，通過對熔斷控制器進行參數調整來控制固定壓緊機構和旋轉移動機構中間的銅線通電時間和加熱程度，再與伺服電機和拉伸氣缸配合，以熔斷銅線。

　　2.2 長度精度控制技術

　　長度精度控制是保證吊弦制作質量的關鍵。根據吊弦預制表格中的吊線長度數據制作吊弦，預制完成后的吊弦精度為±1 mm。吊弦長度控制精準主要歸功于機械結構和伺服系統精度高。吊弦精度控制系統主要由四部分組成，即固定側和移動側平臺機械結構、伺服電機、拉緊檢測系統、精度檢測傳感器，如圖2所示。

　　機械結構由固定側平臺、移動側平臺結構和齒輪齒條模組組成，固定側和移動側平臺是根據預制吊弦工藝特性而設計制作的平臺，平臺結構穩定，在制作過程中定吊弦長度機械誤差在±0.1 mm范圍內。

　　伺服控制系統由PLC、運動控制模塊、伺服控制器和伺服電機組成，采用光纖通信，重復定位精度為每轉萬分之一，與齒輪齒條模組配合定位精度為±0.1 mm。

　　拉緊檢測系統由拉力傳感器和采集模塊組成，預制過程中定吊弦后，拉緊軸拉緊。拉緊過程中，當PLC采集拉力大于或等于設定拉力值時，拉緊軸停止，此時吊弦在繃緊狀態，以保證吊線精度。然后進行最后一個壓接管壓接，吊弦拉力設定為15 kg，實際拉緊完成后拉力為25～35 kg。

　　長度檢測系統由高速計數器模塊和長度檢測傳感器組成，其中傳感器精度為±0.6 mm。定吊弦長度明確后，長度檢測傳感器對伺服行走過程位置進行計算，然后與當前吊弦數據對比，計算出誤差值，以判斷預制吊弦是否合格。

　　2.3 壓力精度控制技術

　　為滿足制作吊弦壓接端子、壓接管壓緊壓力要求，液壓壓力系統設計最高壓力為31.5 MPa。液壓系統由液壓油泵、液壓閥組閥體、液壓管路組成。液壓管路分進出油兩套管路，在液壓閥體進油管路裝有壓力傳感器(精度為0.5%)，用于控制壓接管和壓接端子的壓緊壓力。通過PLC采集壓力傳感器數據，對壓緊時當前壓力值與設定壓力值進行對比，達到壓力設定值后，壓緊完成。壓接端子的壓緊壓力為18 MPa，壓接管的壓緊壓力為10 MPa(均可調整)，壓緊后作拉力試驗，保證滿足3.9 kN以下不滑脫。液壓主管路有高低壓切換閥，高壓用于壓緊或松開壓接管、壓接端子，低壓用于預壓壓接管和壓接端子，高低壓閥輸出壓力都可根據實際壓接工藝進行調節。當高低壓都不使用時，閥組用于泄壓，避免油泵長時間工作出現高溫發熱現象。

　　3 裝配生產線布局規劃及功能設計

　　3.1 生產線布局

　　為吊弦智能裝配生產線布局，如圖3所示。

　　3.2 功能

　　裝配生產線各功能如下：

　　(1)定尺送料。伺服電機通過齒輪同時驅動兩個送線輪，保證兩個送線輪同步運轉。為精確送線，采用伺服送線定長系統，該系統精度±0.1 mm，能夠滿足系統要求。

　　(2)線頭熔斷處理。如前所述，線頭熔斷系統由伺服電機、固定壓緊結構、旋轉移動機構、變壓器等組成。其中，固定壓緊部分和旋轉移動部分同時將銅線夾緊，夾緊動作完成后，電流加載裝置對銅線進行通電，使固定側和旋轉側中間大約6～7 mm的部分發紅。發紅后，旋轉移動部分旋轉兩圈，然后由氣動拉斷部分將銅線拉斷，保證銅線頭部成錐形且不散絲，為后續可靠穩定穿線奠定基礎。

　　(3)機器人穿線動作。桁架機機器人由X軸同步帶模組、Y軸絲杠模組、Z軸鋁方通模組組成，旋轉軸安裝有伺服電機減速機，夾緊部分由平行氣動機械手組成。通過控制系統控制X、Y、Z軸與旋轉軸，根據預定的軌跡路線完成穿線動作。

　　(4)附件上料。附件上料機械手由前進氣缸、上下氣缸、工件加緊氣缸組成。根據生產工藝要求，通過控制三個氣缸的動作，將吊弦線附件置于指定位置，為后續工作做準備。

　　(5)壓接成型。壓接成型機構主要由高壓油缸、壓接模具組成。線材穿好后，高壓油缸動作將工件壓接在一起，并保壓2 s，保證壓接效果。

　　(6)定長操作。定長部分主要由伺服電機、減速機、齒輪齒條、直線導軌、安裝本體組成。伺服電機驅動齒輪齒條做直線移動，拉伸銅線，按照系統要求完成定長操作。

　　(7)在線長度檢測。通過位移檢測傳感器完成，此傳感器用于復測伺服定長部分走過的位置。假如傳感器和伺服定長部分數值有沖突，則控制系統報警提示用戶。

　　(8)激光打標。通過激光打標機完成，作用是按照系統要求通過激光將數字刻到壓接端子固定的位置，為以后的吊弦線安裝和質量反饋提供依據。

　　(9)分組包裝。主要由鐵絲扎線機、氣動機械手組成。每組吊弦制作完成后，控制系統會根據要求，使氣動機械手動作，將物料推到扎線位置，通過鐵絲扎線機將制作完成的吊弦線分組扎成捆。

　　(10)卸料。通過卸料桁架機械手完成，其由X軸、Y軸、Z軸和定長軸組成。根據控制指令，桁架移動到指定位置，定長軸根據系統所提供的數據移動到本次要卸載吊弦長度的指定位置，Z軸下降，將要卸載的吊弦線取下，卸載機器人將物料放到系統指定位置。

　　3.3 伺服控制

　　伺服控制器接收來自PLC的指令，生成運動控制指令，傳送給伺服驅動器執行具體的定位動作。伺服控制器還可對自身進行各種控制參數的設定。

　　伺服驅動器接收來自伺服控制器的定位指令，驅動伺服電機執行定位，并將伺服電機的當前狀態傳送給伺服控制器。伺服電機將連接到全自動吊弦設備的動作機構減速機上，實現全自動吊弦的位置控制，使吊弦制作機械模組的位置到達并保持在系統設定的位置。為保證吊弦制作機械模組位置的重復定位精度和定位系統的重復可用性，伺服電機和伺服驅動器應選用帶絕對位置保持功能的產品，以確保吊弦制作機械模組的定位系統建立后定位數據不丟失。

　　全自動吊弦生產設備需配置必要數量的傳感器和執行器，用于輔助伺服控制的實現。此外，應配置必要數量的操作按鈕和指示燈，用于實現對裝置的操作和對工作狀態的顯示。傳感器和執行器、操作按鈕和指示燈連接入PLC控制器IO、模擬量信號，IO、模擬量信號采集傳感器和按鈕的操作狀態，輸出信號到執行器和指示燈。

　　4 性能測試

　　表1來源于設備裝配的整體吊弦在中鐵寶雞軌道電氣設備檢測有限公司的檢測報告書，整體吊弦獲得了產品合格認證書。從表1可知，10組吊弦均滿足技術要求，每組吊弦均能在3.9 kN作用下保荷3 min而不發生任何破壞，且最大能承受5.7 kN的拉力，遠遠能夠滿足實際應用需求。同時，與傳統人工模式的生產效率(180 s/PSC)相比，該設備的生產效率為150 s/PSC，效率提升約20%。以上結果說明該系統完全能代替人工生產模式，實現接觸網吊弦線的高效、智能化生產。

　　5 結束語

　　吊弦作為電氣化鐵路接觸網中使用數量最多的一種關鍵部件，主要作用是懸吊接觸線，保證接觸線相對軌面的高度，同時還具有一定的載流作用。本文提出的吊弦智能裝配技術在高鐵接觸網施工生產中已得到了應用，吊弦的制作精度、壓接質量和耐疲勞性能得到全面提升，長度誤差在1 mm之內，在3.9 kN作用下3 min內無拉脫，此外還有結構合理、關鍵數據可追溯、運輸方便等優點。該技術的研發將對今后電氣化鐵路的發展具有促進作用。

　　參考文獻

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　　[6] 楊廣英， 陳立明， 邢彤， 等. 高速鐵路接觸網振動的初步研究[J]. 鐵道技術監督， 2013， 41(12)： 28-30.

　　作者簡介：

　　周振平(1968—)，男，河北石家莊人，大學本科畢業，高級工程師。研究方向：鐵道電氣化施工及專用工具和設備的研發。

　　E-mail： 18831101859@139.com

　　齊彥民(1969—)，通信作者，男，河北石家莊人，大學本科畢業，高級工程師。研究方向：智能制造及自動化技術應用。