研制一种接触网非接触性检测装置

二〇一八年十二月小组成员及分工郑州市轨道交通2号线二期总承包项目供电系统QC小组成立于研制一种接触网非接触性检测装置男男男男男男男男女一、选择课题1、人工使用激光测量仪进行单点检测，这种检测方式主要采用2、采用冷滑试验进行连续检测，使用内燃机车带动电动机车在检测方式检测速率检测准确检测成本便携综合分析人工使用激光测量仪单点检不满足需求不满足需求成本低便携性好1、可在施工现场随时随地进行接触网检测，受外界因素影响小，成本低；2、检测速率和合格率不能满足工程需求。轨道车冷滑检满足满足成本太高不可携带1、检测速率快，合格率高；2、动用成本太高，受外界因素影响大，不能随时随地进行使用，不适用于日常的施工检测。 需求关键点新型的接触网检测方式借鉴内容分析文献名称《新型国产轨道交通接触网检测系统研究》【都市快轨交通，2012】借鉴依据1、通过对车顶高速CCD相机拍摄的图像进行实时处理。在检测的同时丝毫不会影响列车的正常运营。同时，检测设备安装在受电弓近端，可以实时检测接触网的动态几何参数;安装在受电弓的远端，可以检测接触网的静态几何参数。2、通过同一段线路对接触网动、静态数据的科学比较，还可以分析接触网安装的弹性情况，用以直接指导现场的养修维护作业。3、在车厢的顶端、受电弓安装位置附近的侧面端墙上安装车顶检测装置。检测装置含两个高速CCD线阵列相机、LED辅助照明光源、机械安装支架。两台相机连接到下方车厢内的控制机柜，图像进行实时采集处理。借鉴内容非接触性检测连续线性扫描高度集成的自动化控制系统借鉴分析高速CCD相机能通过非接触性光成像将受电弓与接触网的接触情况连续记录下来。单个CCD相机的成像速度约为1Km/h，成像准确率约为95%。使用数字图像处理方式，使用V++语言编程借鉴创新借鉴点选择能够满足检测要求的非接触性检测方式使用自动控制装置对数据进行实时分析创新点尝试使用激光测量或声波的方式进行检测尝试使用PLC和梯形图进行自动控制课题提出研制一种接触网非接触性检测装置二、设定目标及目标可行性分析的检测装置，其准确率能够达到95%以上。可行性分析环境可行性分析判定依据结论技术配置平台研制中涉及到的机械结构、数据采集方式、模数转换要求、自动控制系统及人机交互方式均可借鉴已成熟的产品或其他行业的设计方案。人员配置1、专业设计能力：本科学历8人，均为熟悉自动化设备和城市轨道交通供电系统施工的一线工作人员，具有坚实的理论基础和丰富的课题研发能力。2、现场应用能力：其中3人长期从事现场施工工作，对施工所需工机具的机械结构非常熟悉，而其中5人为现场一线技术人员，熟悉装置所需自动控制设备及接触网检测要求，剩余2人为公司领导，具备丰富的调控管理经验。3、方案实施能力：小组成员执行力强，并有极强的动手能力，小组依靠工程项目进行QC活动，拥有各类机械设备和充足的工机具、原材料，完全具有独立进行机械加工制作的能力。资金配置公司对本次QC活动给予大力支持，预计活动经费为40万人民币。难度标准说明标准分值小组打分开发难度寻找不到类似方案，无可借鉴文献，需要做全新设计。54公司内部无类似方案，需要找外部类似方案做全新设计。3~4公司内部有类似的方案，做局部修改就可完成。技术难度所有成员均需参加培训学习。5小组1至2名成员需参加培训学习。3~43利用本专业知识或内部跨专业交流。工作量人均工作时长2h/天及以上。5人均工作时长1h至2h/天3~43人均工作时长0.5h至1h/天课题完成准时率在规定期限边缘完成。5在规定期限前1-2个月完成。3~43在规定期限前3-4个月完成总分三、提出方案并确定最佳方案小组成员根据本课题创新构想、设定的目标及其可行性分析，方案接触网非接触性检测装置总方案选择调查方式现场采证、测试测算、查阅资料、集中研讨调查2018年5月调查人员小组全体成员备选方案方案1方案2基于声波检测原理的非接触性检测装置基于激光检测原理的非接触性检测装置技术原理图示技术方案说明利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到接触网反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到接触网的实际距离。使用高精度激光传感器对接触网进行非接触性扫描检测，通过输出模拟信号结合采集报警设备可以实现实时报警和连续检测。检测参数声波检测能够达到±3cm，准确率达到70%。激光检测能够达到±30μm，准确率达到99%。特点能够定向发射智能化高、易于集成选择结果不选择选择序号要求解决方案1接触网工程拉出值设置为±250mm，安装精度为±20mm，装置需能够完整得连续检测到接触网每一个安装点，检测范围满足接触网拉出值宽度。加入能够带动检测仪器进行横向位移的自动装置2接触网下端接触线底部距钢轨连线垂直高度设置为4040mm，安装精度为±5mm，检测范围需满足接触网导高要求。设计升降装置，降低高度后能够便于运输，升高后能够满足检测范围3需要装置带动检测装置在区间内移动，完成连续检测制作电动行驶底座，能够在钢轨上匀速移动，减少人力4区间内常常进行交叉施工，需要一定的安全防护功能增加安全防护措施5检测装置应具有高度集成的自动控制系统。使用PLC自动控制器设备名称检测方式测量精度测量距离测量宽度综述结论线激光轮廓测量仪线激光非接触性检测300±145mm110mm~400mm速度快精度高选择点激光测量仪点激光非接触性检测20mm~50mm无法横向检测精度低无法横向测量不选设备名称示意图驱动方式移动方式运动速度综述结论电动导轨驱动线性模组最快达速度快电机驱动选择滚珠丝杆人工驱动螺纹0.01m/s速度慢电机驱动不选择升降装置是为了弥补线激光轮廓测量仪检测距离不能达到导高名称意向图升降范围牢固性可行性结论三脚架升降不牢固升降高度有限，升降过程中容易发生抖动。不选顶丝升降1~2.5m不牢固多次使用会容易发生晃动及掉落，影响装置寿命，不可行不选螺旋丝杠升降可通过调节长度自由设置牢固能够配合电动控制进行升降高度，较稳固，升降支架较重选择名称意向图速度重量可行性结论人工摇杆快轻难以控制升降速度，升降过程中容易发生抖动。不选适中适中驱动器控制升降速度，稳定性强选择液压杠较慢重升降高度较低、设备较重。不选择名称意向图示例便捷性评价结论安全警示装置防护灯、反光条、警示标语等能够随检测装置移动多种装置组合能够完成多种形式的防护选择围挡防护围栏、防护栏、铁丝网固定在某一区域固定封锁某一区域，影响其他专业施工，难以拆卸不选择名称意向图移动性稳定性特点结论人工驱动灵活不稳定人工推动能够自由移动，难以掌控移动速度不选择驱动灵活稳定通过电机带动齿轮旋转带动车身前后行驶，能够控制移动速度选择名称意向图电压等级移动性特点结论柴油发电机交流220V较好能够随时补充柴油，运行时振动强烈，输出电压不稳定不选择蓄电池直流2V~60v较好满足检测装置一定时长的适用，输出电压稳定，安全可靠选择临时用电交流220v差能够满足施工现场短距离或定点用电要求，不适用于移动设备不选择单位数量重量测量单元套1升降支架米24KG蓄电池个130KG升降电机个17KG行驶电机个1总计81KG预计承重97.2KG材质硬度质量牢固性经济性长期性总得分结论铁方管很坚硬很重很牢固15元/米容易生锈不选得分41431塑钢方管不坚硬很轻较牢固10元/米易损坏不选得分14342不锈钢方管较坚硬较轻很牢固25元/米可长期使用不选得分33422铝合金型材较坚硬较轻很牢固30元/米可长期使用选择得分34413名称意向图载重值综合评价可行性结论普通铁轮450Kg地面上行驶，不符合现场实际；误差严重。不符合现场需求，不可行不选单边轮500Kg钢轨上行驶，自由活动范围大；能够顺利通过钢轨岔区。符合现场需求，可行选择H型轨道轮500Kg钢轨上推行，岔道位置需要进行搬运，将车身卡死；在钢轨岔区难以通行。不满足连续性检测需求，不可行不选设备名称示意图价格稳定性开发难度综述结论单片机控制低廉较差低适用于民用消费电子产品不选择PLC控制适中较高适中业级别控制选择DSP控制适中较高较高模推广不选择设备名称示意图价格是否可触摸开发难度综述结论液晶显示高是简单可根据需要随意扩展，显示需要的任何图形文字信息选择单色显示适中否适中仅可显示汉字、数字、符号不选择点阵模块低否较高可显示单一汉字、数字、符号不选择语言名称能够实现功能开发难度综述结论C语言较多难适用于多种情况，编程复杂，需要一定专业知识不选择梯形图适中简单采用逻辑门电路的编程语言，PLC专用，数字电路知识选择四、制定对策QC小组根据装置研发的实施顺序，按照“5W1H”的原则制定了序号对策措施负责人地点1线激光轮廓测量仪检测精度达到0.01mm1.选择线激光轮廓测量仪2.进行检测测试作业队驻地2018.8.10至2018.8.152电动导轨移动精度达到0.01mm1.选择电动导轨2.进行横向位移测试赵皓宇作业队驻地2018.8.15至2018.8.253螺旋丝杠升降精度达到1.选择螺栓丝杠2.升降精度测试。马云耀作业队驻地2018.26至2018.9.24升降电机30s内完成升降1.选择支架材质2.设计加工升降支架3.选择升降电机4.升降速度测试刘亮作业队驻地2018.9.12至2018.9.155安全警示装置防护距离达到200mm1.安装安全警示装置2.防护效果检查郑晓林作业队驻地2018.6.19至2018.6.216行驶车身结构车身承重能够达到100KG1.设计车身结构并制作2.检查车身承重情况赵皓宇作业队驻地2018.9.20至2018.9.257车轮车轮能够在区间平滑行驶1.设计单边轮尺寸，联系厂家进行定制2.安装车轮。3.检查车轮在区间行驶情况。王朝军作业队驻地、加工市场2018.9.26至2018.9.308行驶电机区间行驶速度达1.选择行驶电机2.行驶速度检查作业队驻地2018.10.8至2018.10.159蓄电池检测装置连续工作时间达到8小时1.选择蓄电池并安装2.连续工作时间检查姚崇杰作业队驻地2018.10.8至2018.10.15PLC信号传输正确率速度小于150ms1选择PLC并连接2.兼容性检查刘亮作业队驻地2018.10.20至2018.10.25梯形图对拉出值进行跟踪检测；跟踪精度达到0.01mm1.编写梯形图2.拉出值跟踪检测检查赵皓宇作业队驻地2018.10.25至2018.11.25显示屏信号传输正确率达到100%，响应速度小于300ms1.选择显示屏2.编写上位机3.检查人机交互界面赵皓宇作业队驻地2018.10.29至2018.11.25整机组装检测精度达到95%，检测速率达1.设备组装2.现场检测试用薛磊作业队驻地、2018.11.25至2018.11.30五、按对策表实施设备名称品牌型号意向图价格数量综述结论激光轮廓测量仪基恩士1300001速度快精度高选择激光线扫轮廓测量仪LMI1500001精度低价格贵不选设备名称基恩士激光轮廓测量仪设备特点具有快速、高精度的激光轮廓传感头，能够进检测范围z轴：300±145mmY轴：110mm~240mm重复精度取样频率最小显示单位0.1µm、0.00001mm2、0.01°最大显示范围±9999.99mm、±9999.99mm2供电方式直流24V，1.3A综合评价完全满足设定的目标精度要求。能够测量接触网的导高和平行度等数据。实验试验描述:设定轮廓检测仪纵向距离300mm处为起始零点，使用其对一宽度为50mm的物体的进行测量，观察在物体位置连续变化的情况下是否能够及时读取数据。检测单元物体位置测量数据测量时间物体纵向位置物体横向位置测量纵向位置测量横向位置+16mm-26至+24mm+15.59mm-26.00mm至+24.00mm+28mm-36至+14mm+28.00mm-36.00mm至+14.00mm+33mm-5至+45mm+33.00mm-5.00mm至+45.00mm+47mm-7至+43mm+47.00mm-7.00mm至+43.00mm-47至+3mm-12.01mm-47.00mm至+3.00mm-22mm-35至+15mm-22.00mm-35.00mm至+15.00mm-31mm-41至+9mm-31.00mm-41.00mm至+9.00mm-43mm-55至-5mm-43.01mm-55.00至-5.00mm设备名称品牌型号意向图价格最小移动量综述结论电动直线导轨东方马达EASM4LXD065AZAK49000.01mm精度高、速度快、驱动选择电动滑块导轨上银CG2540005mm精度低速度快不选择实验试验描述:设定电动导轨起始位置为原点，给其发送正负脉冲，观察电动导轨滑块的位移与位置导轨位移前滑块位置脉冲数位移后滑块位置位移时间0（原点）+10+0.1mm0.01s+0.1mm+100+1.1mm+1.1mm+10000+101.1mm+101.1mm+91.1mm+91.1mm-1+91.09mm0.001s通过实验，电动导轨的行程为650mm，完全满足拉出值测量的横结论二：东方马达电动导轨横向位移精度达到0.01mm，位移速度达设备名称品牌型号意向图最大荷载丝杠螺距综述结论螺旋丝杆XHLDFU20053875KN5mm度低不选择螺旋丝杆tbiDFC714500KN度高选择实验试验描述:设定螺旋丝杠起始位置为原点，手动操作使其转动，观察螺旋丝杠的升降高度导轨转动前箱体高度转动圈数升降后箱体高度0（原点）+1+1mm+1mm+50+51mm+51mm+100+151mm+151mm-62+89mm+89mm-1+88mm度范围应设计为2.5m至3.8m，使检材质质量稳定性硬度长期性综合评价结论不锈钢较轻不稳定较硬易发生形变抖动严重，严重影响测量精度；受力处发现形变现象。不选铝合金型材较重很稳定较软不易发生形变抖动较小，不会受力形变；便于打孔等工艺。选择槽钢很重较稳定很硬很难发生形变不会发生抖动，不会受力形变；材质太硬很难加工。不选通过评价选择东方马达生产的AZM46AK-TS10步进电机作为螺旋设备名称品牌型号意向图转速价格综述结论步进电机东方马达AZM46AK-TS100～300r/min2500速可调选择步进电机TSSY0600～300r/min3500速不可调不选择加工地点测试地点起始高度升降高度升降时间升降稳定性升降过程作业队驻地作业队驻地2.5m3.7m30匀速名称意向图移动性牢固性特点结论防护灯灵活不牢固能够自由移动，发出红色亮光警示。选择安全警示带不灵活非常牢固贴在升降支架上，能够反光警示选择灵活不牢固需要专人跟车对前方行人进行哨音警示选择防护效果防护距离50m200m250m直线段防护灯清晰可见清晰可见清晰可见模糊可见模糊安全警示带反光可见反光模糊不可见不可见不可见100db80db45db33db20db防护灯清晰可见清晰可见清晰可见不可见不可见安全警示带反光可见不可见不可见不可见不可见100db80db45db32db20db结论五：防护距离能够达到0~200m，具有各种方式的防护功能，满小组成员确定的最佳方案中采用铝合金型材作为行驶底座的主检查项目承重有无形变车身底座70kg20kg无40kg无60kg无80kg无100kg无120kg轻微形变结论结构简易，安全稳固检查项目承重使用年限直线区段曲线区段分岔区段单边尼龙论450KG/个大于5年平滑通过平滑通过平滑通过根据最终方案，小组成员在市面上寻找步进电机并进行对比选设备名称品牌型号意向图转矩转动惯量综述结论步进东方马达PKP2913D45A2转矩大、稳定性高、启动平稳选择步进信浓STP-60D5012转矩小、启动平稳不选择最大速度直线区段曲线区段分岔区段行驶底座载重0kg5km/s5km/s4km/s50kg3km/s3km/s2.5km/s100kg1.2km/s元器件额定功率测量单元50w升降电机350w行驶电机500wPLC控制器200w总计预计负荷1320w设备名称品牌型号意向图重量容量输出电压综述锂电池速遥锂电池35kg120AHDC48V通过分压满足设备稳定强酸电池天能6-EVF-12050kg120AHDC12V电压不能满足要求，供电不稳定使用一段时间后剩余电量0.5h2h…7.5h同时用电元器件测量仪导轨98%97%96%95%…85%84%测量仪导轨行驶电机96%92%88%85%…48%44%测量仪导轨升降电机98%95%91%84%…63%60%测量仪导轨升降电机行驶电机96%90%84%79%…24%20%8小时后蓄电池剩余电量为20%。结论八：检测装置能够连续运行8小时。制作铝合金材质控制系统箱，将台达AS228T-APLC及其扩展模设备名称品牌型号意向图脉冲控制价格综述结论PLC控制器AS228T-A200kHz高速传输、计算，性能优越选择PLC控制器西门子S7-20020KHz工业应用成熟、性能较为落后不选测量仪导轨行驶电机升降电机实验传输次数50505050实验响应次数50505050信号传输正确率标定信号响应速度50ms100ms80ms80ms结论十：各元器件信号传输正确率保持在100%，响应速度均小于使用梯形图对台达AS228T-APLC进行编程，梯形图作为PLC最输到PLC，经过数据计算和处理，PLC将位移量以模拟量通试验结果方案分析设备序号1234…50正确率当检测仪检测到汇流排横向变化时，将数据传输到PLC，经过数据计算和处理，PLC将位移量以模拟量通过控制线缆发送至电动导轨，电动导轨带动测量仪做出位移，再将位移量反馈至PLC。此时检测仪检测到的横向位置，再与电动导轨横向位移量进行累加即为拉出值的具体数值。基恩士激光轮廓测量仪X轴检测数据（mm）-51.01-43.62-32.56-26.49…+53.23---结果正常输出正常输出正常输出正常输出…正常输出---测量时间…---测试2:序号1234…50正确率AS22输入(mV)-51.01-43.62-32.56-26.49…+53.23计算结果导轨向左51.01mm导轨向左43.62mm导轨向左32.56mm导轨向左26.49mm…导轨53.23mm东方马达结果导轨向左51.01mm导轨向左43.62mm导轨向左32.56mm导轨向左26.49mm…导轨53.23mm反应时间0.05ms0.05ms0.05ms0.05ms…0.05ms---结论十一：检测装置能够对接触网拉出值进行跟踪检测，跟踪精度作为检测装置的人机交互装置，小组成员对显示屏进行选择安设备名称品牌型号意向图分辨率处理器综述结论触摸显示屏DOP-110WS1024*600Cortex-A8800MHz分辨率高、处理器快、基成性强选择触摸显示屏威纶触摸屏MT8100ie800*480CortexA8600MHz分辨率低、用电量小不选使用台达DOP-110WS配套的DIAViewSCADA工业组态软件编写控控制目标控制功能信号传输准确率响应速度行驶电机正转（前进）反转（倒退）停止调节转速（调节行驶速度）180ms升降电机正转（升）反转（降）停止调节转速（调节升降速度）180ms电动导轨左位移右位移回到原点（线路中跟踪检测（根据测量仪数据进行位移）读取位移数据200ms激光轮廓检测仪读取垂直位置数据读取横向位置数据读取角度数据开始检测结束检测150ms长度装置测量时间（h）装置测量速率（Km/h）装置检测准确率(%)天-古区间右线11170.4%天山路站0.40.4163.2%黄河迎宾馆站0.50.5176.1%序号对策负责人措施减震装置检测准确率达到95%。赵皓宇1.选取减震装置2.现场检测试用2018.12.05至2018.12.15设备名称意向图是否适用综述结论液压减震器不适用阻尼大、重量重不选择橡胶减震垫适用重量轻、防滑选择里程用时检测速率(km/h)检测准确率率区间测量情况操作人记录人天-古区间右线111合格郑晓林马云耀赵皓宇天山路站0.40.41合格马云耀王朝军薛磊黄河迎宾馆站0.50.51合格郑晓林王朝军周文涛六、确认效果将检测装置运至现场对各部分功能及区间行驶情况进行观察测现场测试情况结论检测装置能够扫描到接触网现场可用升降装置能够承载检测装置在30s内稳定完成升降现场可用行驶装置能够承载上方设备以1km/s在区间运行，能够通过道岔等区段现场可用控制装置能够显示数据，控制装置，响应速度300ms以内现场可用安全性具有安全防护装置，能够在0~200范围进行防护现场可用是否侵限检测装置宽度小于1435mm，高度低于3.8m，无侵限情况现场可用在郑州市轨道交通2号线二期工程项目已完成接触网安装工程检测装置运行情况如表49所示。里程（km）检测速率测量准确率测量情况天-古区间右线0.20.21合格天山路站0.40.41合格金-刘区间左线0.60.61合格对接触网非接触性检测装置在金-刘区间左线对接触网测量得到测拉出值如表50所示，实际拉出值与设计拉出值对比图15所示。定位点编号设计拉出值(mm)实测值（mm）M081-01145.47M081-02137.57M081-03120.4473M081-056872.56M081-0632.86...............M085-29111.37M085-30143.33M085-31153.69定位点编号导高设计值（mm）实测值（mm）M081-0140404041.04M081-0240404041.48M081-0340404040.09M081-0440404040.4M081-0540404040.37M081-0640404040.49...............M085-2940404041.63M085-3040404040.52M085-3140404040.95检测结果如表52所示。定位点编号汇流排倾斜度标准值实测值M081-010.01°M081-020.35°M081-030.38°M081-040.09°M081-050.38°M081-060.23°...............M085-290.44°M085-300.68°M085-310.38°通过计算研发成本，研制该装置共花费281500元，具体明细如序号名称单位数量价格1激光轮廓检测仪个1￥230,000.002电动导轨个1￥7,900.003升降电机个1￥5,500.004螺旋丝杠个1￥700.005行驶电机个1￥8,000.006铝合金型材米￥1,500.007PLC个1￥2,700.008显示器个1￥2,500.009锂电池个1￥7,000.00连接配料个1￥500.00接线配料套1￥1,500.00单边尼龙轮个4￥700.00电路接线图套1￥1,000.00系统设计套1￥12,000.00总计￥281,500.00序号名称节约费用明细操作人员工资/日节约时间（天）1人工费300600002轨道车使用费轨道车折旧费、维修费、油费2000003工期提前费用人员住宿费、餐费、管理费、房屋租赁150000合计410000小组成员对照评价打分表（表53）对自己在QC活动中序号评价内容评价分值aa≥9090＞a≥8080＞a≥7070＞a≥60a＜601团队精神主动合作合作融洽偶有不愉快不主动合作不能合作2质量意识意识极强意识较强能够树立质量意识多数情况能够注重质量质量意识淡薄3个人能力表现突出能力较强能力一般需要进一步提升需要加倍努力提升4QC知识的掌握完全掌握灵活运用大部分能够掌握掌握小部分完全不知5改进意识改进意识特强改进意识较强具有主动性改进意识一般未能清楚认识团队成员危兵星肖雍金薛磊刘亮赵皓宇周文涛兰日新马云耀李颖飞平均值精神活动前92928886898580868787活动后97989393959087929493质量意识活动前9187888888878483