電氣化鐵路接觸網(wǎng)吊弦智能裝配技術(shù)

　　摘 要： 為了使電氣化鐵路接觸網(wǎng)實現(xiàn)吊弦智能裝配技術(shù)，研究并開發(fā)了全自動吊弦生產(chǎn)設(shè)備。設(shè)計了智能裝配系統(tǒng)，其由信息處理、組裝、控制等系統(tǒng)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(shù)解決方案;規(guī)劃了合理的裝配生產(chǎn)線布局;實施了集成送料、熔斷、穿線、壓接、定長、激光打標(biāo)、分組包裝等功能。經(jīng)測試，采用全自動吊弦設(shè)備生產(chǎn)的接觸網(wǎng)吊弦能在3.9 kN的作用力下保持3 min而不發(fā)生破壞，最大承受力為5.7 kN，指標(biāo)好于基本技術(shù)要求。與傳統(tǒng)人工模式的生產(chǎn)效率(180 s/PSC)相比，設(shè)備生產(chǎn)效率為150 s/PSC，效率提升約20%，關(guān)鍵數(shù)據(jù)可追溯，且產(chǎn)品具有良好的穩(wěn)定性和均一性。

　　本文源自工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 2020年5期《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》是工業(yè)和信息化部主管、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院主辦的國家級科技學(xué)術(shù)類期刊。本刊主要面向工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的有關(guān)工業(yè)主管部門、工業(yè)企業(yè)、科研創(chuàng)新的學(xué)術(shù)交流平臺、技術(shù)創(chuàng)新成果的宣傳轉(zhuǎn)化園地和戰(zhàn)略政策研究的理論探討陣地。辦刊宗旨是：推動工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，服務(wù)創(chuàng)新國家建設(shè)。

　　關(guān)鍵詞： 電氣化鐵路;接觸網(wǎng)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(yè)電氣化進程的不斷推進，高速電力機車大量得以普及應(yīng)用，鐵路相關(guān)部門對鐵路運輸可靠性、行車線路建設(shè)質(zhì)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(tǒng)中，接觸網(wǎng)是行車線路的重要組成部分，是保障列車安全運行的關(guān)鍵設(shè)備，是列車得以高速運行的動力之源[3]。接觸網(wǎng)主要搭接在電氣化鐵路供電線路上，向電力機車牽引系統(tǒng)和列車附屬設(shè)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(zhì)、高壓電力等多項因素，接觸網(wǎng)架設(shè)于空間的幾何參數(shù)顯著影響著列車的行車安全和接觸網(wǎng)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(huán)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(guān)接觸網(wǎng)運營安全的關(guān)鍵零部件[4-5]。列車速度不斷提高，對接觸網(wǎng)整體吊弦可靠性提出了更高的要求。如我國某客運專線設(shè)計時速為350 km，運行不久后便發(fā)現(xiàn)整體吊弦出現(xiàn)斷絲、斷股的現(xiàn)象[6]，這直接導(dǎo)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(nèi)外吊弦生產(chǎn)大多還在采用人工制作技術(shù)，生產(chǎn)效率低且均一性不高，不能滿足高速鐵路日新月異的發(fā)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(chǎn)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(wǎng)吊弦智能裝配技術(shù)，能夠有效解決上述人工生產(chǎn)模式的不足。首先，從信息處理系統(tǒng)、組裝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三方面，介紹吊弦智能裝配系統(tǒng)總體概況;其次，提出裝配技術(shù)中需要解決的若干關(guān)鍵問題;第三，規(guī)劃設(shè)計裝配生產(chǎn)線布局，實現(xiàn)全自動吊弦生產(chǎn)設(shè)備研發(fā);最后，對生產(chǎn)出的吊弦進行性能測試，并與傳統(tǒng)人工模式的生產(chǎn)效率、質(zhì)量進行對比。

　　1 吊弦智能裝配系統(tǒng)總體概況

　　吊弦智能裝配系統(tǒng)由信息處理系統(tǒng)、組裝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分組成。

　　信息處理系統(tǒng)通過計算機、云計算技術(shù)、數(shù)據(jù)平臺、碼識別技術(shù)實現(xiàn)吊弦相關(guān)信息的儲存、處理、傳送、識別，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、追溯、管理等功能。計算機通過互聯(lián)網(wǎng)接收、讀取吊弦裝配用數(shù)據(jù)，把制作吊弦的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC。吊弦制作完成后，接收PLC制作結(jié)果數(shù)據(jù)，進行對比處理，把制作過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)形成表格，永久儲存到數(shù)據(jù)庫，以便隨時查閱。制作過程中，控制激光打標(biāo)功能和標(biāo)簽打印功能。激光打標(biāo)功能把每根吊弦的編號和長度標(biāo)刻到壓接端子上，安裝過程中可隨時查看;標(biāo)簽打印功能把每跨的制作數(shù)據(jù)打印到標(biāo)簽，貼標(biāo)打包，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、追溯、管理。

　　控制系統(tǒng)執(zhí)行并反饋信息處理系統(tǒng)發(fā)出的指令及數(shù)據(jù)，并對裝配系統(tǒng)進行控制和管理。控制系統(tǒng)采用PLC實現(xiàn)。PLC一是用于存儲成型設(shè)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(chǎn)設(shè)備的控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)傳送到觸摸屏上進行顯示;二是根據(jù)壓力設(shè)定值控制液壓系統(tǒng)，對壓接管和壓接端子進行預(yù)壓、壓緊。根據(jù)制作吊弦總長控制熔斷系統(tǒng)，對銅線進行熔斷操作。根據(jù)每跨吊弦數(shù)量控制打包系統(tǒng)進行打包。

　　組裝系統(tǒng)通過PLC自動化控制中心實現(xiàn)各裝配機構(gòu)、伺服電機、液壓機構(gòu)、氣動機構(gòu)的有效控制，以達到組裝的目的。組裝系統(tǒng)由定尺送料裝置、線頭熔斷處理機構(gòu)、桁架機機器人穿線機構(gòu)、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(biāo)裝置、分組包裝裝置、卸料桁架機械手組成，各裝置實現(xiàn)各自的功能。

　　2 吊弦智能裝配關(guān)鍵技術(shù)分析

　　在吊弦智能裝配系統(tǒng)技術(shù)中，線頭熔斷、長度精度控制、壓力精度控制是需要解決的關(guān)鍵問題。

　　2.1 線頭熔斷技術(shù)

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

　　熔斷機械結(jié)構(gòu)包括固定壓緊機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)移動機構(gòu)兩部分，二者分別連接加壓銅排的一側(cè)和另一側(cè)。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(zhuǎn)，達到熔斷吊弦線的目的。

　　電氣系統(tǒng)由伺服系統(tǒng)、熔斷控制器、變壓器組成。伺服系統(tǒng)用于控制吊弦線旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)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(shù)調(diào)整來控制固定壓緊機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)移動機構(gòu)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(shù)

　　長度精度控制是保證吊弦制作質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)吊弦預(yù)制表格中的吊線長度數(shù)據(jù)制作吊弦，預(yù)制完成后的吊弦精度為±1 mm。吊弦長度控制精準(zhǔn)主要歸功于機械結(jié)構(gòu)和伺服系統(tǒng)精度高。吊弦精度控制系統(tǒng)主要由四部分組成，即固定側(cè)和移動側(cè)平臺機械結(jié)構(gòu)、伺服電機、拉緊檢測系統(tǒng)、精度檢測傳感器，如圖2所示。

　　機械結(jié)構(gòu)由固定側(cè)平臺、移動側(cè)平臺結(jié)構(gòu)和齒輪齒條模組組成，固定側(cè)和移動側(cè)平臺是根據(jù)預(yù)制吊弦工藝特性而設(shè)計制作的平臺，平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在制作過程中定吊弦長度機械誤差在±0.1 mm范圍內(nèi)。

　　伺服控制系統(tǒng)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(fù)定位精度為每轉(zhuǎn)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(tǒng)由拉力傳感器和采集模塊組成，預(yù)制過程中定吊弦后，拉緊軸拉緊。拉緊過程中，當(dāng)PLC采集拉力大于或等于設(shè)定拉力值時，拉緊軸停止，此時吊弦在繃緊狀態(tài)，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(shè)定為15 kg，實際拉緊完成后拉力為25～35 kg。

　　長度檢測系統(tǒng)由高速計數(shù)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(dāng)前吊弦數(shù)據(jù)對比，計算出誤差值，以判斷預(yù)制吊弦是否合格。

　　2.3 壓力精度控制技術(shù)

　　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(tǒng)設(shè)計最高壓力為31.5 MPa。液壓系統(tǒng)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(shù)據(jù)，對壓緊時當(dāng)前壓力值與設(shè)定壓力值進行對比，達到壓力設(shè)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(diào)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(yù)壓壓接管和壓接端子，高低壓閥輸出壓力都可根據(jù)實際壓接工藝進行調(diào)節(jié)。當(dāng)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(xiàn)高溫發(fā)熱現(xiàn)象。

　　3 裝配生產(chǎn)線布局規(guī)劃及功能設(shè)計

　　3.1 生產(chǎn)線布局

　　為吊弦智能裝配生產(chǎn)線布局，如圖3所示。

　　3.2 功能

　　裝配生產(chǎn)線各功能如下：

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

　　(2)線頭熔斷處理。如前所述，線頭熔斷系統(tǒng)由伺服電機、固定壓緊結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)移動機構(gòu)、變壓器等組成。其中，固定壓緊部分和旋轉(zhuǎn)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(cè)和旋轉(zhuǎn)側(cè)中間大約6～7 mm的部分發(fā)紅。發(fā)紅后，旋轉(zhuǎn)移動部分旋轉(zhuǎn)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(xù)可靠穩(wěn)定穿線奠定基礎(chǔ)。

　　(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(zhuǎn)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(tǒng)控制X、Y、Z軸與旋轉(zhuǎn)軸，根據(jù)預(yù)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(jù)生產(chǎn)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(xù)工作做準(zhǔn)備。

　　(5)壓接成型。壓接成型機構(gòu)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(dǎo)軌、安裝本體組成。伺服電機驅(qū)動齒輪齒條做直線移動，拉伸銅線，按照系統(tǒng)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(fù)測伺服定長部分走過的位置。假如傳感器和伺服定長部分?jǐn)?shù)值有沖突，則控制系統(tǒng)報警提示用戶。

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

　　(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(tǒng)會根據(jù)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(jù)控制指令，桁架移動到指定位置，定長軸根據(jù)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(qū)動器執(zhí)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(shù)的設(shè)定。

　　伺服驅(qū)動器接收來自伺服控制器的定位指令，驅(qū)動伺服電機執(zhí)行定位，并將伺服電機的當(dāng)前狀態(tài)傳送給伺服控制器。伺服電機將連接到全自動吊弦設(shè)備的動作機構(gòu)減速機上，實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)定的位置。為保證吊弦制作機械模組位置的重復(fù)定位精度和定位系統(tǒng)的重復(fù)可用性，伺服電機和伺服驅(qū)動器應(yīng)選用帶絕對位置保持功能的產(chǎn)品，以確保吊弦制作機械模組的定位系統(tǒng)建立后定位數(shù)據(jù)不丟失。

　　全自動吊弦生產(chǎn)設(shè)備需配置必要數(shù)量的傳感器和執(zhí)行器，用于輔助伺服控制的實現(xiàn)。此外，應(yīng)配置必要數(shù)量的操作按鈕和指示燈，用于實現(xiàn)對裝置的操作和對工作狀態(tài)的顯示。傳感器和執(zhí)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(tài)，輸出信號到執(zhí)行器和指示燈。

　　4 性能測試

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

　　5 結(jié)束語

　　吊弦作為電氣化鐵路接觸網(wǎng)中使用數(shù)量最多的一種關(guān)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(shù)在高鐵接觸網(wǎng)施工生產(chǎn)中已得到了應(yīng)用，吊弦的制作精度、壓接質(zhì)量和耐疲勞性能得到全面提升，長度誤差在1 mm之內(nèi)，在3.9 kN作用下3 min內(nèi)無拉脫，此外還有結(jié)構(gòu)合理、關(guān)鍵數(shù)據(jù)可追溯、運輸方便等優(yōu)點。該技術(shù)的研發(fā)將對今后電氣化鐵路的發(fā)展具有促進作用。

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　　作者簡介：

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

　　E-mail： 18831101859@139.com

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