一种智能化腕臂、吊弦测量计算装置研发设想

杨新坡?武玉传?马凯

摘要：从中国高铁技术发展史可以看出，列车速度越来越快，运营安全系数要求越来越高，接触网作为高铁供电系统的重要组成部分，与机车受电弓之间的弓网关系就显得尤为重要，接触网腕臂、吊弦测量计算工作，现场依然是靠技术人员去进行测量，然后再将测量数据输入电脑，进行计算，并且现有计算程序没有自我判断功能，设计院技术人员将计算数据交给施工单位工程部，然后预配工班在预配车间进行预配，至于计算数据的对错只有到了现场安装后，才能知晓，这一切环节都是依靠人去完成的，因此，研发一种智能化腕臂、吊弦测量计算装置就显得尤其重要。

关键词：中国高铁;智能化;腕臂吊弦;测量计算

中图分类号：P258 文献标识码：A

中国高铁工程施工的发展方向是智能化施工，隧道、桥梁、铺轨专业越来越多的机械化、智能化的设备投入使用，为近年来飞速发展的中国高铁工程建设做出了突出贡献，而作为推动电客车奔跑供电系工程的智能化设备研发，还是受关注颇少，诚然近年来也有很大的突飞猛进，但是也仅仅是在安装过程中一些对原有工机具、机械设备上的一些改进和完善，而腕臂、吊弦作为供电系统接触网一个必不可少的重要环节，对它的测量计算的准确性就是保障接触弓网关系的根基所在[1]。关于这一点的相关科研项目基本还没涉及，它就像一栋房子，建的牢固与否，实际和它的根基的质量有很大的关系，而反观国内接触网施工现场的主力军依然是劳务人员，所具备的专业技能堪忧，工法还是沿用传统的方式在进行，这一切都存在着极大的人为不确定因素。而根据多年施工经验和建设单位对四电专业工期的要求，一般来说，其进场最晚，完工却是要和土建、桥梁、铺轨单位基本同步而行，也就是说，前期腕臂、吊弦的测量工作，往往是在桥梁、隧道专业刚完工，通过各专业间图纸书面交底，现场定位测量时，就要先期开展了，这一被动不利现象，必然会影响后续接触网设备运营后的技术质量，因此，提升接触网专业施工的前期腕臂、吊弦测量计算的精度，就不得不引起更多专业人士的关注[2]。

1 腕臂、吊弦简介

1.1 腕臂简述

腕臂结构采用三角架结构，利用底座与支柱通过螺栓实现可靠连接，接触线利用与腕臂连接的定位管上的定位器固定，承力索和接触线之间每隔一段距离采用吊弦固定。根据安装形式不同，腕臂有中间柱、关节转换柱、中心柱、道岔定位柱（LY型、L型、Y型）及防窜不防断型中心锚结柱、小限界腕臂等（图1）。

1.2 腕臂测量技术参数

①腕臂计算需测量数据：支柱限界、支柱斜率、轨道超高。已知数据：上、下腕臂底座高度、导高、结构高度。

在高铁接触网专业施工中，往往需要在轨道未铺设之前进行腕臂计算，则测量数据需根据已公布的CPⅢ数据成果为依据，来进行理论值测量。

②扣料：腕臂上、下底座、棒式绝缘子、套管双耳、支撑管卡子、定位环、承力索座等。

1.3 腕臂计算方法描述

腕臂计算方法主要是采用直角三角形勾股定理进行计算。各种安装形式下，各零部件的安装位置需根据设计要求进行计算，零件尺寸需根据实际使用材料对扣料长度进行测量。

1.4 关键难点分析

关于斜拉线及腕臂、定位管支撑的计算，是现实施工安装上的一个技术难点。根据本人多年一线工程技术施工计算经验，经三角形勾股定理计算得出的数据，大多不精确，进入现场安装后，基本无法满足相关设计技术标准和相关质量验收标准要求。因此，需要先根据设计院安装图纸上腕臂不同类型，在CAD上模拟绘制，经与相关设计院安装图纸相比对，符合相关设计技术标准要求，方可编制腕臂、定位管支撑材料计划及施工表，这样不但可以节约材料，提高安装一次到位的精度，而且还能提升对后续整体工程施工的感观效果，真正做到横平竖直，紧固到位，内实外美的精品工程要求。

2 吊弦相关知识概述

2.1 吊弦简介

吊弦安装在承力索与接触导线之间，通过吊弦线夹采用螺栓紧固的方式，将承力索和接触导线连接在一起，一方面起到规定两支柱跨距中承力索、接触导线的机械固定作用，一方面也起到串联加强供电的电气功能。吊弦在高铁供电系统上的材料一般采用软铜绞线，通过心形环，铜压接管与吊弦线夹连接，再通过吊弦线夹与承力索、接触导线进行连接。因为吊弦是用来固定承力索和接触导线的，由于接触导线与机车受电弓存在着动态接触的一面，因此，吊弦安装的精度很高，相邻吊弦高差不超过1mm（图2）。

2.2 吊弦测量计算相关技术参数

1）吊弦计算需测量数据：跨距、悬挂点处承力索高度、曲线半径、轨道超高。已知数据：接触线及承力索型号、米重，线索设计张力，线路曲线半径、竖曲线，第一根吊弦距定位點距离等。

2）扣料：承力索吊弦线夹、接触线吊弦线夹、心型环、载流环预留长度等。

3）影响吊弦计算精度的主要原因：a.悬挂的数学模型;b.导线高度和结构高度;c.悬挂类型;d.吊弦间距及布置形式;e.线索张力和弛度;f.拉出值的大小和方向;g.接触悬挂的单位质量;h.曲线半径和外轨超高;i.线路纵向坡度（竖曲线）;j.集中载荷;k.吊弦线夹的几何尺寸;l.施工和测量误差。

2.3 吊弦计算基本原理

柔性架空接触网关于线索几何参数计算的理论都是建立在抛物假设基础上，承力索和接触线均是两端固定且只承受重力作用的自由悬挂线索;线索柔软，无刚性;线索直径与其长度比可以不计，即细长比很大;悬挂自重均匀分布。

2.4 关键难点分析

吊弦计算以往都是工程单位技术人员根据相关计算公式，各自编制Excel表格，通过现场测量，在Excel表格输入栏里输入：承力索高度、拉出值、相邻跨距长度、两悬挂点外轨超高、曲线半径及该垮是否存在集中负荷的相关设备重量等数据，而这种原始计算方式，在区间直线段中间柱之间计算吊弦的数据相对准确，而在曲线段、锚段关节、下锚非工作支等特殊区段，其计算数据就相差甚远了，而在高铁供电系统接触网专业，吊弦采用的都是整体不可调方式进行安装，而在特殊区段现场安装，一般情况下不能一步到位，其相邻吊弦之间的高差误差也很大。

3 现状情况分析

3.1 腕臂测量计算

3.1.1 腕臂测量

在高铁供电系统接触网专业施工中，根据以往施工经验，由于供电系统工程单位施工进场晚，而接触网专业送电开通的工期却是要求很紧，因此腕臂测量基本上都是在铺轨未施工或者在铺短轨通（也就说钢轨未精调到位）的情况下，相关测量技术人员利用设计院相关专业图纸，现场交桩定测的，由于供电系统工程缺乏新线专业测量高精度仪器和专业人士，并且对现场特殊地段的设计变更环节工作进展跟踪有难度，经过对现场施工测量现状分析得知，这些诸多人为的不确定因素，就会严重影响前期腕臂测量数据的精准度，而在接触网专业中，腕臂是用来横向固定承力索和接触导线的，在腕臂安装施工环节，它是要经过测量、计算、预配、安装、精调5个步骤，而影响腕臂安装精准度的最为重要的一环，就是腕臂测量和计算[3]。现如今，在国内业界技术人员的努力下，接触网支柱已经实现了自动化组立，腕臂预配也实现了智能工厂化预配，数显力矩扳手、隧道内吊柱打孔安装自动化装置等一系列高精度工机具现场也投入使用，这些科技创新成果，为中国高铁供电系统工程接触网专业迈向智能化施工提供了可靠的技术保障。

3.1.2 腕臂计算

以往普速铁路供电系统工程接触网专业的腕臂计算都是各家工程单位技术人员各自为战，其一线技术人员的专业技能、理论知识和施工经验等综合因素，极大影响着腕臂计算的精准度。现如今，随着中国高铁工程建设飞速发展，速度是越来越快，对腕臂计算的精准度运营要求也是越来越高，因此，高铁供电系统工程接触网专业腕臂的计算，就有设计院根据每条线的设计相关技术标准，自行编程，独立进行腕臂计算，施工单位拿到设计院发出的腕臂计算数据表，再在工地预配车间进行腕臂预配和安装。而这种计算方式是绝对独立的，也就是说，其计算数据是否准确，不到现场安装那个施工环节，是无人晓得。

3.2 吊弦测量

吊弦测量是在承力索架设完成后，并固定到位，接触导线还未进行架设的时间差内，需要进行的一种测量工序而根据接触网施工工序前后的科学安排，应该是在铺轨专业钢轨精调到位后，才能开始这个吊弦测量环节的，而纵观国内施工现状，这看起来有点理想化了，大多数都是在短轨通的情况下，开始进行吊弦测量。吊弦测量的精准度与钢轨精调是否到位有着直接的关系。

3.3 吊弦计算

高铁供电系统接触网专业的吊弦计算和腕臂计算方式一样，也是设计院负责编程计算的，其优劣性在此不予赘述。

4 研发设想

4.1 初步构思

研发一种智能化腕臂、吊弦测量计算装置，可以放在轨道上，初步设想为单轨双轮框架，具备测距记忆功能，自动测量支柱限界、支柱斜率，外轨超高，悬挂点处承力索高度，拉出值等有关计算数据，利用BIM技术，AI技术、CAM软件进行三维智能模拟，自动成像，对有关安装后的相关技术参数进行智能化判断对错。吊弦计算后具备弓网关系模拟检测功能，确保接触网前期技术测量计算工作精准到位，已到达逐步取消接触网调整这项工作的功能，满足高速铁路对接触网精度越来越高的需求。该装置具备自动出具施工表及材料计划的功能。

4.2 具体构思

1） 该装置设计为可拆式，以便于运输。该装置整体不宜过重，大约15 kg，以便满足两名技術人员现场操作之用。

2） 该装置初步框架设计为单轨双轮固定模式。

3）该装置采用蓄电池自动驱动功能，采用步进电机，精准定位测距。

4） 该装置利用激光测距传感器，自动精准测量相关技术参数，并具备自动导入之功能，具有自动测量外轨超高之功能。

5） 该装置自动导入测量数据，具备内部自动计算功能，并采用BIM、AI技术自动成像，智能化判断相关技术参数是否符合设计要求。

6）该装置在智能化判断相关技术参数符合设计要求后，会自动提料，自动编制施工表之关联功能。

7）该装置具备记忆和互联共享传输之功能。

8）该装置设计理念为一键傻瓜式，一切功能全部交给机器去运转，现场所需人员只是辅助。

9） 该装置需要专业编程人员配合，将相关计算公式编制成计算机程序。

10）该装置相关BIM、AI技术的关联衔接，也需要专业人士的加入。

11） 该装置需要机械、机电专业人士加入设计。

12）为便于激光测距传感器捕捉支柱号，需要厂家在出厂前在支柱合适部位做永久性标示（可以是二维码或条形码）。

13）难题体现：如何将关联测量数据自动导入，该装置如何体现智能化判断，相关材料数据的输入后，如何自动出具施工表和材料计划，这都需要专业人士进行全面设计和构思。

5 结语

总之，在中国高铁工程建设飞速发展的过程中，腕臂安装施工工序的关键点就是前期现场测量和计算是否精确，本文本着“科技为本”之理念，积极探索了关于相关腕臂、吊弦测量、计算智能化方面的研发设想，若该套智能化装置得以实现，势必会提高腕臂、吊弦的安装精度，满足中国高铁速度越来越快的高标准、高要求。

参考文献

[1] 史天运.中国高速铁路信息化现状及智能化发展[J].科技导报，2019（6）.

[2] 陈怡心.基于牵引供电系统的电力供电方案对比研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[3] 邢继军，戚艳军.一种检测弓网接触力的方案[J].软件导刊. 2008（04）：7-8.