基于雙運動控制系統(tǒng)的全自動繞線器研制方法

摘要 在電氣化鐵路接觸網(wǎng)拉線施工過程中，拉線全程采用人工制作，尤其是回頭綁扎線的纏繞固定。隨著施工線路動輒幾百甚至上千公里的長度，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，極其考驗施工作業(yè)人員的腕力、工藝等，老師傅和新手的對比施工效果非常明顯，施工標準的一致性很難保證，且采用人工也存在施工效率低的問題。針對上述問題，文章采用機械雙傳動設(shè)計、機械移動滑臺機構(gòu)、減速電機與步進電機控制系統(tǒng)等進行了全自動繞線器的研制方法研究，以實現(xiàn)纏繞工藝標準達到密貼、牢靠和順滑等指標，提高人工操作效率3～5倍。

關(guān)鍵詞 全自動；拉線回頭；雙運動控制；繞線器

中圖分類號 U225 文獻標識碼 A 文章編號 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，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，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，用綁扎線盤成圈，利用手掌虎口充當盤繞工具，雖然可以保證不損傷鋅層，但由于人力有限，存在耗時費力、易綁扎不緊密、不牢固等問題，對手掌也有一定損傷。

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)于細漆包線線圈專用繞線器和輸電線路扎線繞線器等方法。細漆包線線圈專用繞線器主要由底板、繞線機、繞線板、電動機、潤滑系統(tǒng)，以及倒線裝置等組成，漆包線在線架中的排列通過控制繞線板往復(fù)搖動速度完成[3-4]。在實際操作中，憑借操作者的熟練程度和經(jīng)驗，只要大致掌握繞線板的搖動速度即可滿足要求。該方法屬于半自動繞線裝置，需要手動調(diào)節(jié)快慢，效率較低，而且需要將被繞制的對象穿入繞制器，對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)線受損后用扎線進行修補綁扎等[5-6]。該方法采用軸、軸承、軸承座、手動搖柄及支架等5部分組成，依然采用的是手動控制纏繞的速度及張力，對于自動化技術(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題。

針對上述問題和高鐵拉線回頭繞制的特殊工作環(huán)境，基于雙運動控制系統(tǒng)的全自動繞線器，采用帶缺口的雙齒輪傳動解決拉線回頭的嵌套問題，并采用雙運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)繞線的水平移動和橫向纏繞，最后通過現(xiàn)場實驗驗證該方法的有效性。

1 新型繞線器的結(jié)構(gòu)及原理

該設(shè)備由纏繞機構(gòu)、移動滑臺機構(gòu)、控制系統(tǒng)及電源等組成。

1.1 纏繞機構(gòu)

纏繞機構(gòu)主要由齒輪組構(gòu)成，包括1個主動輪、2個傳動輪、1個帶缺口的工作齒輪，如圖2所示。減速電機為主動輪提供動力，帶動兩個傳動輪，從而推動工作輪旋轉(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)計一個較大的缺口，通過缺口套裝在拉線回頭上。齒輪采用國標設(shè)計，計劃采用金屬加工。綁線固定支架采用可調(diào)阻尼設(shè)計，通過阻尼調(diào)節(jié)綁扎張力。

圖2 纏繞機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 移動滑臺機構(gòu)

移動滑臺機構(gòu)由支架、絲桿和步進電機組成，實現(xiàn)移動纏繞功能，如圖3所示。工作時，該機構(gòu)控制步進電機配合減速電機工作，每轉(zhuǎn)一圈，步進電機移動滑臺機構(gòu)帶動纏繞器水平移動。在移動滑臺機構(gòu)兩側(cè)安裝限位裝置，當移動到兩側(cè)時自動限位停止。工作時，移動滑臺機構(gòu)通過兩側(cè)設(shè)置的緊固卡扣固定在拉線上。

圖3 移動滑臺機構(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)速測量（霍爾）傳感器、按鍵輸入、減速機電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動、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)通過嵌入式處理器及相關(guān)輸入輸出接口，可以實現(xiàn)人機交互、通過減速電機控制纏繞動作、通過步進電機控制移動滑臺動作，以及電池管理等功能。

嵌入式主控芯片，采用國產(chǎn)宏晶單片機STC32G12K128。該單片機還提供了豐富的數(shù)字外設(shè)（4個串口、5個定時器、2組針對三相電機控制能夠輸出互補/對稱/帶死區(qū)控制信號的16位高級PWM定時器，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℃。

軟件程序包括步進電機驅(qū)動、減速電機控制算法、人機交互程序、電池管理等。

1.4 電源

采用電源與把手相結(jié)合的設(shè)計。為保證雙運動控制系統(tǒng)的驅(qū)動力，采用動力鋰電池供電，通過電池管理系統(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，可與手機充電器（支持快充功能）兼容。

2 新型繞線器的實驗過程

基于雙運動控制系統(tǒng)的全自動繞線器研制樣機如圖5所示，下面詳細介紹新型繞線器的實驗過程。

圖5 繞線器試制樣機

2.1 拉線回頭工具安裝固定

（1）將齒輪缺口調(diào)整對齊纏繞機構(gòu)的缺口位置，同時將整個纏繞機構(gòu)調(diào)整至拉線回頭的纏繞初始位置。

（2）將全自動繞線器從拉線回頭一側(cè)放置到位，同時將預(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 纏繞過程

（1）打開設(shè)備電源開關(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）按下自動纏繞按鍵，繞線器開始工作，雙齒輪傳動裝置在電機的帶動下開始圍繞拉線回頭做逆時針轉(zhuǎn)動，同時繞制線圈通過輪式導(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)整雙運動控制系統(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)纏繞過程通過外接手柄控制步進電機的前進速度。

2.3 繞線固定

當繞線纏繞完成后，適度預(yù)留擰合的繞線長度，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，與繞線末端進行擰合，從而完成整個繞線的固定。

2.4 主要特點

（1）設(shè)計了機械雙齒輪傳動方法。針對拉線回頭已固定的問題，對其進行側(cè)面卡槽的固定，且實現(xiàn)纏繞裝置可以圍繞拉線回頭進行圓周旋轉(zhuǎn)操作，完成纏繞導(dǎo)線的目的。

（2）設(shè)計了機械移動滑臺機構(gòu)。在保證纏繞線圈對拉線回頭做圓周運動的同時，根據(jù)線徑大小和拉線回頭的尺寸，實現(xiàn)纏繞過程的平滑移動，從而實現(xiàn)繞線器的全自動化。

（3）設(shè)計了雙運動控制系統(tǒng)。減速電機控制系統(tǒng)主要控制機械纏繞機構(gòu)的緊貼、平滑等工藝標準實施。步進電機控制系統(tǒng)主要控制纏繞機構(gòu)在工作過程中的水平移動，以及纏繞長度等工藝標準實施。雙運動控制系統(tǒng)的配合是整個項目實施的技術(shù)特點。

3 效益及應(yīng)用前景

全自動繞線器根據(jù)設(shè)計方案達到了施工標準的密貼、牢靠和順滑等指標，并經(jīng)中鐵電氣化局集團第三工程有限公司器材廠和萊榮鐵路項目部試驗應(yīng)用和改進后證明，該儀器攜帶方便、操作簡單，試驗效果可靠可信。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強度，自動化、智能化程度也得到了很大提高。

通過該設(shè)備的研制，可實現(xiàn)拉線回頭纏繞過程的自動化、智能化，實現(xiàn)纏繞工藝的標準化，提高施工結(jié)果的一致性，同時該設(shè)備具有操作方便、便于攜帶、持續(xù)工作時間長等優(yōu)點，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)在以下兩個方面：

3.1 經(jīng)濟效益方面

目前一套自動繞線器設(shè)備，造價僅有幾千元左右，經(jīng)過調(diào)查，與之相關(guān)功能的大部分專利工具還是手動或半自動，市面上也采購不到相關(guān)產(chǎn)品，市場上還處于空白。而在高鐵接觸網(wǎng)施工和維護中，拉線回頭的纏繞固定作為一道必要工序，需求量極大，無論是新建的高鐵，還是后期接觸網(wǎng)的運營維護，都需要大量的綁線自動纏繞設(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營需求，以此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益將是十分可觀。

同時，使用該設(shè)備進行拉線回頭的自動纏繞僅需要幾十秒，而人工纏繞則至少需要10 min，而且隨著纏繞時間的延長，施工效率和標準也會逐步下降。按照100 km的線路，1 200～1 600個拉線回頭進行計算，可節(jié)約至少一半的工作量。

3.2 社會效益方面

該項目設(shè)備的研制在保證施工工藝一致性的同時，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，也減少了后期的運營維護成本。

4 結(jié)論

新型全自動繞線器的研究，解決了高鐵電氣化施工過程中拉線回頭綁扎的施工標準難以保證、任務(wù)量大且繁重、施工效率較低等問題。新型全自動繞線器利用雙運動控制系統(tǒng)進行繞線繞制，可實現(xiàn)纏繞工藝標準達到密貼、牢靠和順滑等指標；其體積小、重量輕、操作簡便，可以為拉線回頭的繞制固定節(jié)約大量時間。新型全自動繞線器的研制對未來施工過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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