摘要 在電氣化鐵路接觸網(wǎng)拉線施工過(guò)程中，拉線全程采用人工制作，尤其是回頭綁扎線的纏繞固定。隨著施工線路動(dòng)輒幾百甚至上千公里的長(zhǎng)度，使得回頭綁扎線纏繞固定的任務(wù)量很大且十分繁重，加之纏繞的是否牢靠、密貼、順滑等，極其考驗(yàn)施工作業(yè)人員的腕力、工藝等，老師傅和新手的對(duì)比施工效果非常明顯，施工標(biāo)準(zhǔn)的一致性很難保證，且采用人工也存在施工效率低的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，文章采用機(jī)械雙傳動(dòng)設(shè)計(jì)、機(jī)械移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、減速電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)等進(jìn)行了全自動(dòng)繞線器的研制方法研究，以實(shí)現(xiàn)纏繞工藝標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到密貼、牢靠和順滑等指標(biāo)，提高人工操作效率3～5倍。

關(guān)鍵詞 全自動(dòng)；拉線回頭；雙運(yùn)動(dòng)控制；繞線器

中圖分類(lèi)號(hào) U225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0010-03

0 引言

在高鐵輸電線路線索終端下錨后，需在下錨反方向安裝拉線，以起到抵消順線路方向作用的張力，從而減少支柱及其基礎(chǔ)上的荷載[1-2]。以前拉線回頭綁扎時(shí)，大部分采用的老式作業(yè)方式為鐵鉗纏繞或手工纏繞綁扎，拉線回頭及綁扎完成外觀如圖1所示。在鐵鉗綁扎時(shí)，為保證纏繞緊密度，鐵鉗鉗口需與綁扎線及鋼絞線直接接觸，在鉗口纏繞過(guò)程中極易造成綁扎線及鍍鋅鋼絞線外表防腐層的破壞。雖然增補(bǔ)了一定的防腐措施，但在野外惡劣的環(huán)境中極易銹蝕，影響拉線使用壽命；而手工綁扎時(shí)，用綁扎線盤(pán)成圈，利用手掌虎口充當(dāng)盤(pán)繞工具，雖然可以保證不損傷鋅層，但由于人力有限，存在耗時(shí)費(fèi)力、易綁扎不緊密、不牢固等問(wèn)題，對(duì)手掌也有一定損傷。

圖1 拉線回頭及綁扎完成外觀圖

現(xiàn)有的繞制方法除人工操作外，還有關(guān)于細(xì)漆包線線圈專用繞線器和輸電線路扎線繞線器等方法。細(xì)漆包線線圈專用繞線器主要由底板、繞線機(jī)、繞線板、電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)，以及倒線裝置等組成，漆包線在線架中的排列通過(guò)控制繞線板往復(fù)搖動(dòng)速度完成[3-4]。在實(shí)際操作中，憑借操作者的熟練程度和經(jīng)驗(yàn)，只要大致掌握繞線板的搖動(dòng)速度即可滿足要求。該方法屬于半自動(dòng)繞線裝置，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)快慢，效率較低，而且需要將被繞制的對(duì)象穿入繞制器，對(duì)于已固定好的高鐵拉線回頭，由于兩端已經(jīng)封閉，不能采用穿入的方法，所以并不適用。輸電線路扎線繞線器用扎線將10 kV的輸電線路固定在針式絕緣子上，或者導(dǎo)線受損后用扎線進(jìn)行修補(bǔ)綁扎等[5-6]。該方法采用軸、軸承、軸承座、手動(dòng)搖柄及支架等5部分組成，依然采用的是手動(dòng)控制纏繞的速度及張力，對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，存在繞制工藝的一致性難以保證等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題和高鐵拉線回頭繞制的特殊工作環(huán)境，基于雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的全自動(dòng)繞線器，采用帶缺口的雙齒輪傳動(dòng)解決拉線回頭的嵌套問(wèn)題，并采用雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)繞線的水平移動(dòng)和橫向纏繞，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。

1 新型繞線器的結(jié)構(gòu)及原理

該設(shè)備由纏繞機(jī)構(gòu)、移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)及電源等組成。

1.1 纏繞機(jī)構(gòu)

纏繞機(jī)構(gòu)主要由齒輪組構(gòu)成，包括1個(gè)主動(dòng)輪、2個(gè)傳動(dòng)輪、1個(gè)帶缺口的工作齒輪，如圖2所示。減速電機(jī)為主動(dòng)輪提供動(dòng)力，帶動(dòng)兩個(gè)傳動(dòng)輪，從而推動(dòng)工作輪旋轉(zhuǎn)，工作輪與綁線固定支架一起環(huán)繞拉線回頭旋轉(zhuǎn)。工作輪設(shè)計(jì)一個(gè)較大的缺口，通過(guò)缺口套裝在拉線回頭上。齒輪采用國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)，計(jì)劃采用金屬加工。綁線固定支架采用可調(diào)阻尼設(shè)計(jì)，通過(guò)阻尼調(diào)節(jié)綁扎張力。

圖2 纏繞機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)

移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)由支架、絲桿和步進(jìn)電機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)纏繞功能，如圖3所示。工作時(shí)，該機(jī)構(gòu)控制步進(jìn)電機(jī)配合減速電機(jī)工作，每轉(zhuǎn)一圈，步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)纏繞器水平移動(dòng)。在移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)兩側(cè)安裝限位裝置，當(dāng)移動(dòng)到兩側(cè)時(shí)自動(dòng)限位停止。工作時(shí)，移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)通過(guò)兩側(cè)設(shè)置的緊固卡扣固定在拉線上。

圖3 移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括嵌入式處理器、轉(zhuǎn)速測(cè)量（霍爾）傳感器、按鍵輸入、減速機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、顯示指示、電池管理等部分組成。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 嵌入式控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通過(guò)嵌入式處理器及相關(guān)輸入輸出接口，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、通過(guò)減速電機(jī)控制纏繞動(dòng)作、通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制移動(dòng)滑臺(tái)動(dòng)作，以及電池管理等功能。

嵌入式主控芯片，采用國(guó)產(chǎn)宏晶單片機(jī)STC32G12K128。該單片機(jī)還提供了豐富的數(shù)字外設(shè)（4個(gè)串口、5個(gè)定時(shí)器、2組針對(duì)三相電機(jī)控制能夠輸出互補(bǔ)/對(duì)稱/帶死區(qū)控制信號(hào)的16位高級(jí)PWM定時(shí)器，以及I2C、SPI、USB、CAN、LIN）接口與模擬外設(shè)（超高速12位ADC、比較器），工作溫度為?40～85℃。

軟件程序包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、減速電機(jī)控制算法、人機(jī)交互程序、電池管理等。

1.4 電源

采用電源與把手相結(jié)合的設(shè)計(jì)。為保證雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力，采用動(dòng)力鋰電池供電，通過(guò)電池管理系統(tǒng)輸出12 V電源，支持連續(xù)工作8 h以上，外配Type-C的充電器，可與手機(jī)充電器（支持快充功能）兼容。

2 新型繞線器的實(shí)驗(yàn)過(guò)程

基于雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的全自動(dòng)繞線器研制樣機(jī)如圖5所示，下面詳細(xì)介紹新型繞線器的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

圖5 繞線器試制樣機(jī)

2.1 拉線回頭工具安裝固定

（1）將齒輪缺口調(diào)整對(duì)齊纏繞機(jī)構(gòu)的缺口位置，同時(shí)將整個(gè)纏繞機(jī)構(gòu)調(diào)整至拉線回頭的纏繞初始位置。

（2）將全自動(dòng)繞線器從拉線回頭一側(cè)放置到位，同時(shí)將預(yù)制線圈中的繞線放置成L形，然后放置在拉線回頭的中間部分，以便后期繞線的擰合。

（3）調(diào)整固定繞線器兩端的卡扣，使該設(shè)備牢靠固定在拉線回頭上，繞制過(guò)程中由于拉線一側(cè)固定位置為單線，另一側(cè)固定位置為雙線，可結(jié)合固定手柄，保證繞線器與拉線回頭的牢靠位置不產(chǎn)生形變。

2.2 纏繞過(guò)程

（1）打開(kāi)設(shè)備電源開(kāi)關(guān)，電源指示燈亮，表示電源電量充足；若指示燈閃爍，則表示電源電量不足。

（2）按下自動(dòng)纏繞按鍵，繞線器開(kāi)始工作，雙齒輪傳動(dòng)裝置在電機(jī)的帶動(dòng)下開(kāi)始圍繞拉線回頭做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)繞制線圈通過(guò)輪式導(dǎo)槽將繞線繞制在拉線上。

（3）根據(jù)拉線和繞線的線徑不同，可調(diào)整雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的纏繞方向和水平方向的速度，這里設(shè)置可供選擇的四種工作模式，也可根據(jù)纏繞過(guò)程通過(guò)外接手柄控制步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)速度。

2.3 繞線固定

當(dāng)繞線纏繞完成后，適度預(yù)留擰合的繞線長(zhǎng)度，并用鐵鉗鉗口將繞線剪斷，將之前放置在拉線中間位置的L形繞線一端，與繞線末端進(jìn)行擰合，從而完成整個(gè)繞線的固定。

2.4 主要特點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)了機(jī)械雙齒輪傳動(dòng)方法。針對(duì)拉線回頭已固定的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行側(cè)面卡槽的固定，且實(shí)現(xiàn)纏繞裝置可以圍繞拉線回頭進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)操作，完成纏繞導(dǎo)線的目的。

（2）設(shè)計(jì)了機(jī)械移動(dòng)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)。在保證纏繞線圈對(duì)拉線回頭做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，根據(jù)線徑大小和拉線回頭的尺寸，實(shí)現(xiàn)纏繞過(guò)程的平滑移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)繞線器的全自動(dòng)化。

（3）設(shè)計(jì)了雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。減速電機(jī)控制系統(tǒng)主要控制機(jī)械纏繞機(jī)構(gòu)的緊貼、平滑等工藝標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要控制纏繞機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中的水平移動(dòng)，以及纏繞長(zhǎng)度等工藝標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的配合是整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的技術(shù)特點(diǎn)。

3 效益及應(yīng)用前景

全自動(dòng)繞線器根據(jù)設(shè)計(jì)方案達(dá)到了施工標(biāo)準(zhǔn)的密貼、牢靠和順滑等指標(biāo)，并經(jīng)中鐵電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司器材廠和萊榮鐵路項(xiàng)目部試驗(yàn)應(yīng)用和改進(jìn)后證明，該儀器攜帶方便、操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)效果可靠可信。與傳統(tǒng)的手工作業(yè)相比，施工工藝的一致性得以保證、施工效率得到了提高，減輕了施工工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)化、智能化程度也得到了很大提高。

通過(guò)該設(shè)備的研制，可實(shí)現(xiàn)拉線回頭纏繞過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，實(shí)現(xiàn)纏繞工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，提高施工結(jié)果的一致性，同時(shí)該設(shè)備具有操作方便、便于攜帶、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，完成一處纏繞施工僅需要幾十秒左右，極大地提高了施工效率，節(jié)約了人力成本，科學(xué)縮短工程建設(shè)周期。具體效益及應(yīng)用前景主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

3.1 經(jīng)濟(jì)效益方面

目前一套自動(dòng)繞線器設(shè)備，造價(jià)僅有幾千元左右，經(jīng)過(guò)調(diào)查，與之相關(guān)功能的大部分專利工具還是手動(dòng)或半自動(dòng)，市面上也采購(gòu)不到相關(guān)產(chǎn)品，市場(chǎng)上還處于空白。而在高鐵接觸網(wǎng)施工和維護(hù)中，拉線回頭的纏繞固定作為一道必要工序，需求量極大，無(wú)論是新建的高鐵，還是后期接觸網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，都需要大量的綁線自動(dòng)纏繞設(shè)備。該設(shè)備可以批量化生產(chǎn)，向業(yè)內(nèi)推廣，以滿足新舊線路的運(yùn)營(yíng)需求，以此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將是十分可觀。

同時(shí)，使用該設(shè)備進(jìn)行拉線回頭的自動(dòng)纏繞僅需要幾十秒，而人工纏繞則至少需要10 min，而且隨著纏繞時(shí)間的延長(zhǎng)，施工效率和標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)逐步下降。按照100 km的線路，1 200～1 600個(gè)拉線回頭進(jìn)行計(jì)算，可節(jié)約至少一半的工作量。

3.2 社會(huì)效益方面

該項(xiàng)目設(shè)備的研制在保證施工工藝一致性的同時(shí)，又可減少工人的工作量，極大地提高了施工效率，科學(xué)縮短工程建設(shè)周期，也減少了后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

4 結(jié)論

新型全自動(dòng)繞線器的研究，解決了高鐵電氣化施工過(guò)程中拉線回頭綁扎的施工標(biāo)準(zhǔn)難以保證、任務(wù)量大且繁重、施工效率較低等問(wèn)題。新型全自動(dòng)繞線器利用雙運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行繞線繞制，可實(shí)現(xiàn)纏繞工藝標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到密貼、牢靠和順滑等指標(biāo)；其體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)便，可以為拉線回頭的繞制固定節(jié)約大量時(shí)間。新型全自動(dòng)繞線器的研制對(duì)未來(lái)施工過(guò)程中各種回頭情況的綁扎和繞制起到重大的應(yīng)用意義。

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