新一代高鐵接觸網(wǎng)腕臂安裝作業(yè)裝備與工法研究

戚廣楓，李紅梅，暢洪亮

建筑業(yè)普遍存在的相對低效率、高風(fēng)險、高損耗特點(diǎn)依然不同程度地存在于電氣化鐵路接觸網(wǎng)工程建造的各個方面。近十多年來的高鐵接觸網(wǎng)建造工程創(chuàng)新實踐，研發(fā)解決了系統(tǒng)設(shè)計和施工關(guān)鍵技術(shù)等工藝問題，完成了主要相關(guān)裝備的研制。其主要成果之一的高鐵接觸網(wǎng)工程設(shè)計施工一體化工法系列步驟中的腕臂預(yù)配工法、吊弦預(yù)配工法、恒張力架線工法和彈性吊索安裝工藝4種具體工法工序，配套以接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車、架線作業(yè)車組等施工裝備，通過全面的推廣應(yīng)用，將源于20世紀(jì)我國的傳統(tǒng)接觸網(wǎng)工程整體建造技術(shù)水平提升了一代。但是，這些關(guān)鍵工藝的實施對一線作業(yè)人員的綜合素質(zhì)要求較高，且很多作業(yè)環(huán)節(jié)如腕臂組裝、吊裝、安裝就位等工序仍未能實現(xiàn)機(jī)械化，接觸網(wǎng)作業(yè)人員仍需在高空負(fù)重作業(yè)，人工作業(yè)依舊繁重而低效，且存在一定的安全隱患。因此，需盡快解決施工機(jī)械化總覆蓋率實際不足50%的現(xiàn)實問題，相應(yīng)地，需對配套標(biāo)準(zhǔn)工法進(jìn)行適應(yīng)性完善，并結(jié)合未來智能建造技術(shù)探索和預(yù)研新型施工裝備，以期形成新一代高鐵接觸網(wǎng)智能建造技術(shù)。

1 現(xiàn)狀調(diào)研與需求分析

當(dāng)前施工裝備層面的主要問題是機(jī)械化的全過程覆蓋率不高和高空負(fù)重操作，以及基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)作業(yè)車平臺的作業(yè)模式存在一定局限性。

目前，國內(nèi)牽引供電行業(yè)接觸網(wǎng)腕臂安裝和維修使用的主要設(shè)備為接觸網(wǎng)檢修車，這種標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車的可升降旋轉(zhuǎn)移動平臺（或稱“作業(yè)斗”、“吊籃”）大致分為兩種類型：一種是JW-4或JW-4G型或類似構(gòu)造的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車，配置移動平臺，如圖1（a）所示；一種是類似JZW-4型的高空作業(yè)車，配置有可高空移動的斗籃，如圖1（b）所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)檢修和作業(yè)車現(xiàn)狀

上述兩類作業(yè)車的底盤上安裝有升降作業(yè)平臺，可協(xié)作開展接觸網(wǎng)安裝或維修作業(yè)，但其實際上僅僅是為操作人員提供了一個作業(yè)及站立的平臺。該標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車自20世紀(jì)90年代京秦電氣化鐵路建設(shè)從日本引進(jìn)伊始，經(jīng)國產(chǎn)化后列裝使用至今，30年來并未經(jīng)過實質(zhì)性的改進(jìn)。在實際運(yùn)用中，由于平臺旋轉(zhuǎn)不便，也未配置助力裝置，且從平板車面至地面或平臺至安裝位置始終存在約1～2 m的高差，作業(yè)人員需依靠扶梯和腳手架攀爬或負(fù)重提舉零部件。

該類單一功能的作業(yè)車平臺對附加導(dǎo)線安裝、接觸網(wǎng)腕臂安裝等工作量較大或需要負(fù)重進(jìn)行操作的技術(shù)工種的綜合作業(yè)效率提升帶來很大的掣肘，亟待做進(jìn)一步的改進(jìn)。同時，隨著高鐵建設(shè)的大規(guī)模展開，對高技能且年輕化的接觸網(wǎng)作業(yè)人員需求大大增加，但隨著我國人口紅利的逐漸消失，掌握高鐵關(guān)鍵施工技術(shù)的骨干人員年齡偏大，對辛苦的負(fù)重勞動力不從心。為使一線作業(yè)人員勝任高新技術(shù)的運(yùn)用，有必要同期研究開發(fā)更為有效的面向現(xiàn)場作業(yè)的輔助管理系統(tǒng)，發(fā)揮以老帶新的架子隊作業(yè)模式的優(yōu)勢，克服骨干人員短期不足的矛盾。從設(shè)備和管理2個層面共同提升綜合效率和效能，才能更好地發(fā)揮新型裝備的優(yōu)勢和特點(diǎn)。基于此思路，有必要開展相關(guān)裝備和工藝工法的研究制定，打造新一代智能高鐵建造技術(shù)。

2 研發(fā)的技術(shù)路線

未來智能高鐵建造技術(shù)研究的核心目標(biāo)是圍繞如何提高現(xiàn)場技術(shù)主管和領(lǐng)班作業(yè)骨干人員的作業(yè)指揮能力，擴(kuò)大作業(yè)面的有效管控半徑，實現(xiàn)相關(guān)各環(huán)節(jié)協(xié)同作業(yè)效率的提升。為此，需解決以下具體技術(shù)難題：

（1）在設(shè)備層面，需盡快開發(fā)高鐵接觸網(wǎng)腕臂安裝施工作業(yè)裝備，減少需人工進(jìn)行負(fù)重操作的安裝工序，提高機(jī)械化作業(yè)覆蓋范圍，既很好地改善了勞動環(huán)境，又最大限度發(fā)揮了現(xiàn)有作業(yè)人員的總效力。

（2）在人員班組管理層面，同步開展基于架子隊的施工管理方式和管理系統(tǒng)研究，研究從數(shù)據(jù)自動傳輸和協(xié)同作業(yè)能力方面提升運(yùn)用新型裝備的能力。結(jié)合上述更高層次的智能建造技術(shù)研究思路和要求，研究與新型裝備密切相關(guān)的工藝流程和施工工法，完善質(zhì)量管理手段。

（3）未來的現(xiàn)場智慧工地建設(shè)或智能建造安裝工程，應(yīng)以智能工地管理系統(tǒng)SPM為核心建設(shè)，才能最大程度地發(fā)揮新型裝備的使用效能，提升生產(chǎn)力。

通過上述思路分析，優(yōu)先開展腕臂安裝等新型作業(yè)車平臺機(jī)械化自動化裝備的硬件研究，解決高空作業(yè)負(fù)重操作困難的問題，通過同步開展的協(xié)同管理軟件和配套工法的研究，最終統(tǒng)一于自主研發(fā)的智能工地管理系統(tǒng)SPM中，形成更大的效能與合力。

3 新型裝備研制

本節(jié)探討基于SPM的接觸網(wǎng)腕臂安裝機(jī)械化/自動化施工作業(yè)新型裝備研制。

3.1 Z-W型腕臂自動化安裝作業(yè)裝備

自動化腕臂安裝作業(yè)裝備用于高鐵接觸網(wǎng)支柱上腕臂的安裝及維護(hù)檢修，提升腕臂安裝及維護(hù)機(jī)械化水平，減輕勞動強(qiáng)度，提高施工精度。

根據(jù)設(shè)想方案，SPM與具備智能控制功能的新型腕臂安裝機(jī)或支柱組立機(jī)等自動化作業(yè)裝備實現(xiàn)深度結(jié)合，可接受來自大數(shù)據(jù)中心的BIM智能建造信息的驅(qū)動，為新型智能化施工裝備提供靶向目標(biāo)、坐標(biāo)，通過精測系統(tǒng)、衛(wèi)星定位和視覺引導(dǎo)技術(shù)，同步完成安裝過程導(dǎo)引、就位和動態(tài)信息數(shù)據(jù)交互，自動進(jìn)入下一工序的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。這種代表著一種智能建造未來模式的“Z-W型腕臂自動化安裝作業(yè)裝備（車組）”（圖2、圖3）已預(yù)研成功，并已在京雄高鐵工程試用，成為正式列裝設(shè)備。

圖2 Z-W型腕臂自動化安裝作業(yè)裝備（車組）試用現(xiàn)場

圖3 自動化腕臂安裝作業(yè)裝備（車組）的部分作業(yè)姿態(tài)

裝備的研制及其主要性能參數(shù)：需要組織4名操作人員；安裝效率為單套腕臂作業(yè)時間不超過20 min；具有遙控操作模式；具有多重安全防護(hù)功能（限位、防墜、防傾倒、緩沖等保護(hù)功能）。主要設(shè)備組成：公鐵兩用底盤平臺車、升降臂+作業(yè)斗、腕臂智能安裝臂。

3.2 J-W型腕臂安裝機(jī)械化助力作業(yè)裝備

為了在短期內(nèi)迅速提升生產(chǎn)力，有必要針對現(xiàn)狀分析中所提到的高空負(fù)重操作問題，側(cè)重于改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)作業(yè)車平臺存在的局限性，并基于現(xiàn)有裝備制造能力實現(xiàn)量產(chǎn)。

通過分析既有標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車的問題可知：在作業(yè)車的功能方面，標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)平臺僅提供作業(yè)人員作業(yè)及站立的位置，還不具備承擔(dān)從地面或作業(yè)車組的平板車面負(fù)重運(yùn)送腕臂或其他重物至高空作業(yè)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)功能，也不具備較大的作業(yè)半徑，既無法觸及空間位置較低的作業(yè)面，也無法觸及位置較高的作業(yè)面，不能充分發(fā)揮綜合檢修效率且限制了其使用范圍和用途。斗籃式作業(yè)車作業(yè)斗的高空作業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)半徑雖大，但仍無法低置到地面等作業(yè)面，無法進(jìn)行地面腕臂等重物的運(yùn)載（抵達(dá)其安裝位置），因而也無法僅通過一個過程完成腕臂架裝等任務(wù)。因此，有必要研究一種新型的高空作業(yè)平臺，以解決腕臂、附加導(dǎo)線或下錨等安裝調(diào)整工藝的需求，提高整體作業(yè)車的利用率，減輕工人勞動強(qiáng)度和進(jìn)一步保障作業(yè)安全。

在新型J-W型作業(yè)車組的研制過程中，主要解決以下技術(shù)難題：（1）平臺（吊籃）具備較大高差的運(yùn)動范圍，需要設(shè)計新高空作業(yè)平臺（吊籃）的曲臂結(jié)構(gòu)（簡單增加曲臂的節(jié)數(shù)或采用多節(jié)回轉(zhuǎn)折臂并不能實現(xiàn)低置的功能）。（2）為了滿足用戶安裝腕臂或其他類似負(fù)重安裝作業(yè)需要，平臺作業(yè)斗的空間需要滿足站立人數(shù)不少于2人，同時滿足安裝其他機(jī)械裝置的條件。（3）為了提高其經(jīng)濟(jì)性和多用途性，需實現(xiàn)對適配的作業(yè)車底盤無特殊要求，可兼容目前主流的動力車底盤。

基于標(biāo)準(zhǔn)底盤研發(fā)的新平臺技術(shù)方案如下：

（1）曲臂結(jié)構(gòu)采用第一節(jié)臂總成加伸縮臂總成的組合方案，實現(xiàn)吊籃可向車體下方運(yùn)動。

（2）吊籃設(shè)置調(diào)平和回轉(zhuǎn)功能，保證作業(yè)人員安全，提高作業(yè)效率。

（3）停止作業(yè)并歸位后的限界符合GB146.1標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界和客運(yùn)專線鐵路機(jī)車車輛限界要求。

（4）標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車或其他接觸網(wǎng)動力車具備的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)均可滿足本方案技術(shù)要求，即可直接利用經(jīng)簡單改造的原車底盤。在該條件下校驗軌道上作業(yè)時的傾覆力矩，確認(rèn)整車的穩(wěn)定性能滿足要求。

JW系列作業(yè)車配置新型低置運(yùn)轉(zhuǎn)平臺后，與基于JPC-160改造的帶腕臂組裝作業(yè)裝備的平板車組合后構(gòu)成J-W作業(yè)車組，如圖4所示。

圖4 典型的J-W安裝作業(yè)裝備（車組）構(gòu)成

3.3 新作業(yè)裝備的使用特點(diǎn)與優(yōu)勢

運(yùn)用上述新作業(yè)裝備，可提高單程作業(yè)工效，作業(yè)裝備具備與SPM聯(lián)合使用的接口功能，可進(jìn)一步開發(fā)和提升綜合作業(yè)效能，并可升級為智能化腕臂安裝作業(yè)裝備。新作業(yè)裝備的特點(diǎn)綜述如下：

（1）具有更大的高低行程的作業(yè)半徑，意味著適用范圍更大，具有更多的使用用途，提高接觸網(wǎng)工程的（作業(yè)車）機(jī)械化利用率和作業(yè)效率。

（2）可實現(xiàn)以往作業(yè)較困難的某些負(fù)重操作，如架裝腕臂等需要低置地面或車平臺面拾取重物（如腕臂和工具），并方便接送作業(yè)人員。該負(fù)重作業(yè)量占整個接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)量的30%以上，可明顯降低人員的勞動強(qiáng)度，改善安全作業(yè)條件。

（3）可在整裝式新型作業(yè)車配置上述作業(yè)裝備，也可利用既有作業(yè)車輛改裝，以快速列裝形成生產(chǎn)力。

（4）可實現(xiàn)靈活配置，可根據(jù)用戶需求選擇作業(yè)平臺的尺寸，在設(shè)定的作業(yè)范圍內(nèi)作業(yè)時的傾覆力矩和整車的穩(wěn)定性能滿足安全性要求。

4 配套工法的研究

典型的低置式作業(yè)平臺工作位如圖5所示。建議結(jié)合施工單位管理需要，配合研究相應(yīng)的施工安裝工藝工法，以確認(rèn)符合安全和技術(shù)管理要求。

圖5 典型的作業(yè)平臺操作工位示意圖

結(jié)合腕臂絕緣子在安裝現(xiàn)場的作業(yè)車平臺上就地套裝金屬腕臂的過程，運(yùn)用SPM系統(tǒng)指導(dǎo)進(jìn)行完整的腕臂安裝作業(yè)流程（工法）設(shè)想見附表1，供研究標(biāo)準(zhǔn)工法參考。流程圖中涉及的腕臂組裝地面作業(yè)機(jī)械化輔助裝置集成在配套J-W作業(yè)車組中，也可單獨(dú)定制使用。

附表1 基于SPM系統(tǒng)3的腕臂安裝作業(yè)工藝流程（設(shè)想）

5 結(jié)語

通過上述研究和實踐，本著注重實效，著眼解決現(xiàn)場人員負(fù)重操作問題，提升接觸網(wǎng)作業(yè)機(jī)械化率而相應(yīng)研發(fā)的新型接觸網(wǎng)安裝作業(yè)車取得了階段性成果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。研究過程中，還結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)和鐵路智能建造未來發(fā)展需求，同步完成了自動化/機(jī)械化的腕臂安裝智能裝備和適用于作業(yè)隊的智能工地管理系統(tǒng)SPM的研發(fā)和試用。通過對圍繞SPM開展的新型施工裝備、工法研究，探索了一種高鐵施工技術(shù)運(yùn)用的新模式，確保所研制樣機(jī)的工程實用化程度，以滿足高鐵接觸網(wǎng)支柱裝配的腕臂安裝及維護(hù)檢修需要。

同步開發(fā)的腕臂安裝、支柱組立和吊弦標(biāo)定等多型自動化作業(yè)裝備，通過在漢十、京雄高鐵和已開工項目福廈高鐵等工程項目的分析、預(yù)研、試用改進(jìn)和推廣，可望在不久的將來，結(jié)合更高層次的智能建造系統(tǒng)構(gòu)建與綜合運(yùn)用，在設(shè)備、班組管理2個層面切實提升我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)工程建設(shè)一線相對薄弱工序的效能，最終實現(xiàn)接觸網(wǎng)工程施工各環(huán)節(jié)協(xié)同作業(yè)效率的提升，降低安全作業(yè)風(fēng)險和中間損耗，提高工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，主動適應(yīng)當(dāng)前社會現(xiàn)狀和市場需求。