王東星 秦佳穎 李化明 杜群威 單亞男

(中車唐山機車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,063035,唐山∥工程師)

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城際動車組制動系統(tǒng)模塊化設(shè)計*

王東星 秦佳穎 李化明 杜群威 單亞男

(中車唐山機車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,063035,唐山∥工程師)

模塊化設(shè)計是軌道交通車輛行業(yè)廣泛應(yīng)用的設(shè)計方法。通過城際動車組制動系統(tǒng)實施模塊化設(shè)計,能夠整合不同供應(yīng)商的產(chǎn)品,豐富城際動車組的配置,滿足不同客戶的需求。通過對城際動車組制動系統(tǒng)進行單元化、區(qū)域化和功能性劃分,完成了制動系統(tǒng)不同功能模塊的模塊化設(shè)計;分析了模塊化設(shè)計的工藝需求以及優(yōu)缺點,并對城際動車組制動系統(tǒng)模塊化設(shè)計進行了展望。

城際鐵路; 動車組; 制動系統(tǒng); 模塊化設(shè)計

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模塊化設(shè)計對于軌道交通車輛的設(shè)計、制造、試驗、運用和維護等方面的影響極大,徹底改變了這些工作的傳統(tǒng)模式[1-3]。我國城際動車組面臨著多樣化的市場化需求,因此，必須考慮模塊化設(shè)計,以滿足用戶的多方面的需求,為顧客創(chuàng)造價值[4]。

制動系統(tǒng)是動車組的九大關(guān)鍵系統(tǒng)之一,是動車組上較早實現(xiàn)模塊化設(shè)計的子系統(tǒng)[5]。在現(xiàn)有動車組的設(shè)計和生產(chǎn)中,制動系統(tǒng)一般均由單一供應(yīng)商供貨。這就容易在售價和技術(shù)上出現(xiàn)“一家獨大”的局面,形成技術(shù)封閉和不良售后服務(wù)等各種問題。因此,實現(xiàn)制動系統(tǒng)整體模塊化設(shè)計,整合不同供應(yīng)商的產(chǎn)品,打破單一供應(yīng)商的壟斷,是一個亟待解決的問題。

近年來,國內(nèi)各主機廠在模塊化組裝生產(chǎn)技術(shù)中已取得了迅速發(fā)展。模塊化、單元化設(shè)計成為業(yè)內(nèi)重點開發(fā)和應(yīng)用的新技術(shù)。單元模塊化設(shè)計的實施,能夠?qū)崿F(xiàn)車體和其他部位組裝的并行化作業(yè),改善施工環(huán)境,降低勞動強度,可有效地控制裝配質(zhì)量,保證安全作業(yè),提高工作效率,大大縮短了動車組的組裝周期[6]。

根據(jù)模塊化設(shè)計的思想,制動系統(tǒng)的單元模塊化基本上可分為功能性單元、組合性單元、區(qū)域性單元、設(shè)備或箱柜單元及管排單元等五大類[7]。這種單元劃分,便于開展針對性的設(shè)計。在單元模塊內(nèi),設(shè)備的布置可以任意組合規(guī)劃,以尋求并實現(xiàn)設(shè)備的最優(yōu)布置[8]。

1 城際動車組制動系統(tǒng)模塊化的設(shè)計過程

一個成功的單元模塊設(shè)計要考慮很多方面的因素,如車體結(jié)構(gòu)、設(shè)備艙布置、管路布置、電氣設(shè)備布置、主干電纜布置等情況，以及車間設(shè)備起吊能力、裝配工藝等。綜合考慮上述因素后,根據(jù)模塊化劃分的思路對制動系統(tǒng)進行單元劃分。單元劃分的原則是：能進行單元組裝的就不到車上散裝;在起吊能力足夠的情況下,盡可能把單元的尺度設(shè)計大一些(因為單元越小,單元的數(shù)量就越多,所花費的“裝—拆—裝”的重復(fù)勞作就越多,而且增加了安裝誤差,加大了起吊和單元定位的工作量),同類、相近功能的機械設(shè)備盡可能設(shè)計在一個單元內(nèi);與車體結(jié)構(gòu)的連接方法也盡可能地簡單、可行、可靠?？傊?單元模塊化設(shè)計要力求緊湊。在不影響設(shè)備日常操作及維護保養(yǎng)工作的情況下,盡可能地縮短管路,減輕單元質(zhì)量。

在進行城際動車組制動系統(tǒng)模塊化設(shè)計時,應(yīng)考慮車下設(shè)備模塊化裝車的需求。車下設(shè)備分成風(fēng)源模塊、制動控制模塊及管排模塊。通過管路的連接,可實現(xiàn)車下設(shè)備艙的整體模塊化裝車。制動系統(tǒng)的其他部位,根據(jù)安裝區(qū)域性單元進行模塊化設(shè)計。1.1 風(fēng)源模塊

根據(jù)功能相近原則,將主空壓機和輔助空壓機等供風(fēng)設(shè)備集成在風(fēng)源模塊中。風(fēng)源模塊主要包括空壓機子模塊、主風(fēng)缸、輔助空壓機、升弓小風(fēng)缸等。其中，空壓機模塊又集成了空氣壓縮機、干燥器、安全閥、軟管等部件。因供應(yīng)商的不同,空壓機的安裝接口和尺寸等都有很大區(qū)別。為了能使設(shè)計的風(fēng)源模塊吊架同時適用主要廠家的空壓機型號要求,根據(jù)輔助空壓機和主空壓機的氣路原理圖(見圖1),設(shè)計了風(fēng)源模塊，其設(shè)計方案圖見圖2。據(jù)此對風(fēng)源模塊進行三維設(shè)計,如圖3所示。

圖1 空壓機氣路原理圖

圖2 風(fēng)源模塊的設(shè)計方案

由圖1可知，風(fēng)源模塊的設(shè)計整合了不同廠商的主空壓機和輔助空壓機的安裝接口，并與外部形成了一致接口,從而保證制動系統(tǒng)整體的模塊化設(shè)計。該設(shè)計真正做到了風(fēng)源系統(tǒng)的集成,既能滿足功能的要求,又節(jié)約了寶貴的車下設(shè)計空間。

1.2 制動控制模塊

根據(jù)業(yè)主的要求不同,城際動車組制動系統(tǒng)可配置不同供應(yīng)商的產(chǎn)品以實現(xiàn)不同的功能。由于不同供應(yīng)商的產(chǎn)品開發(fā)過程和實現(xiàn)功能的方式不同,其機械接口、電氣接口和軟件協(xié)議各不相同,故很難將不同供應(yīng)商的產(chǎn)品整合。只能通過單元模塊,將不同產(chǎn)品的差異化縮減到最小。

圖4為某供應(yīng)商提供的TP車(帶受電弓的拖車)制動控制柜的外部氣路原理圖(局部)。由圖4可見，該制動控制柜已將制動系統(tǒng)的各種功能進行了模塊化集成,在柜內(nèi)分為停放制動控制模塊、制動控制模塊、供風(fēng)及空簧控制模塊、輔助升弓模塊和壓力傳感模塊5個模塊。該制動控制柜與外部接口共有10個接口,從1到10編號的接口分別為:停放缸壓力輸出(P口)、制動缸壓力輸出(C口)、空簧壓力輸入1(T1口)、空簧壓力輸入2(T2口)、空簧供風(fēng)輸出(AS口)、制動風(fēng)缸輸入口(R口)、總風(fēng)風(fēng)缸輸入口(MR1)、升弓裝置總風(fēng)輸入口(PH2)、升弓裝置輔助空壓機輸入口(PH1)和升弓壓力輸出口(PH3),共計“6入4出”。根據(jù)該氣路原理圖,設(shè)計了制動控制單元模塊。根據(jù)制動控制單元模塊的設(shè)計方案(見圖5),將制動控制柜和風(fēng)缸模塊進行集成(見圖6)。

圖5 制動控制模塊設(shè)計方案

圖6 制動控制模塊三維設(shè)計

制動控制模塊集成了制動控制柜、控制閥板、管路及附件、風(fēng)缸模塊等,具有完整的功能。能保證不同車型(如動車及拖車)的不同功能配置,且與外部接口基本一致。若更換供應(yīng)商,則只需對制動控制柜和管路進行變動,而只在該單元模塊內(nèi)就能夠進行配置的調(diào)整,從而保證了制動控制模塊單元與車體和外部接口的一致性。

1.3 區(qū)域管排模塊

管路模塊化設(shè)計主要考慮工藝性能。根據(jù)氣路原理圖及對車輛的接口分析,將遍布全車的管路最大程度地實現(xiàn)模塊化。模塊化設(shè)計要做到接口簡化和安裝簡化。車下管路主要集中在車體的一二位側(cè),向車下引出的連接管路主要是風(fēng)源模塊和制動控制模塊2個模塊。管排的設(shè)計思路為:非連接區(qū)域外,其他部位全部設(shè)計為直通的互聯(lián)管路,以簡化管路間的接口;連接區(qū)域通過軟管實現(xiàn)連接的柔性化,且能夠消除安裝誤差[9]。

與制動控制模塊相連的管路局部會有大量的接口。模塊化設(shè)計將大量接口集中到1個固定的安裝板上。組裝時只需將對應(yīng)的軟管對接上即可。這一設(shè)計改進了傳統(tǒng)車下接口排布松散且亂的設(shè)計。接口部位三維設(shè)計見圖7。

圖7 接口部位三維設(shè)計

針對互聯(lián)性質(zhì)的管路的日常操作和檢修基本沒有,主要的操作檢修保養(yǎng)工作集中在依靠其連接的各個功能元件和設(shè)備上。設(shè)計時,可將管接頭、截斷塞門、閥等集中到一側(cè),并便于維護人員接近,以提高管排的可維護性。將管路布置在車體的兩側(cè),保證了其可接近性,便于維護檢查;同時，為了管路的簡潔,中部的管路應(yīng)盡量都設(shè)計成直管?？蓪⑼瑯幼呦虻墓苈芳胁贾迷谥Ъ苌闲纬晒芘?見圖8),以實現(xiàn)整體管排的上車安裝。

圖8 制動系統(tǒng)模塊設(shè)計效果圖

要實現(xiàn)制動系統(tǒng)車下設(shè)備的整體模塊化安裝,還需對連接管路進行模塊化設(shè)計。由于管路這類互聯(lián)功能的零件較難實現(xiàn)模塊化,而且更換不同供應(yīng)商產(chǎn)品時不可避免地會導(dǎo)致管路的調(diào)整；因此，管路的模塊化設(shè)計主要考慮預(yù)留安裝空間,以實現(xiàn)對不同的供應(yīng)商產(chǎn)品的適應(yīng)性。

2 模塊化單元的工藝要求

(1) 組裝要求。模塊化單元的組裝是將設(shè)備、管、構(gòu)架等組成一體,需要根據(jù)單元安裝圖及管路布置進行工藝安排。組裝前,先在預(yù)裝平臺上設(shè)計車體結(jié)構(gòu)位置；然后，制作單元框架，安裝設(shè)備基座,安裝設(shè)備;最后，安裝管路。預(yù)組裝工作平臺能根據(jù)不同車型和系列來設(shè)計不同的工裝,以滿足制動系統(tǒng)的不同模塊化單元框架和設(shè)備基座的裝配要求。

(2) 吊裝要求。吊裝前,需將單元加強,增加便于拆卸的臨時支撐固定工裝,通過翻轉(zhuǎn)工裝將組裝好的單元模塊翻轉(zhuǎn)。在車體上做好主要定位點和坐標(biāo),將翻轉(zhuǎn)后的單元模塊通過運輸小車運輸和舉升裝置抬舉,按照工藝順序進行整體吊裝。

3 制動系統(tǒng)模塊化設(shè)計的優(yōu)點

模塊化組裝是一種先進的工藝措施,依賴于模塊化設(shè)計,其主要目標(biāo)在于簡化生產(chǎn)流程。模塊化設(shè)計的優(yōu)點有:

(1) 模塊化設(shè)計使制動系統(tǒng)的整體設(shè)計更加簡單,加快了新產(chǎn)品開發(fā)的速度,并提高了制動系統(tǒng)的可靠性。

(2) 模塊化設(shè)計能打破單一供應(yīng)商供貨的局面,使動車組產(chǎn)品的配置更加豐富,以滿足不同客戶的多樣化需求。

(3) 模塊化設(shè)計使零部件集成化程度較高,減少了零散部件,減小了整車組裝難度與工作量,大大縮短了整車的組裝時間,改善了車下安裝的工作環(huán)境,降低了生產(chǎn)成本[10]。

(4) 模塊化設(shè)計實現(xiàn)了制動零部件的單元化,便于完成部件的例行和型式試驗,縮短了整車的試驗認證周期。

(5) 模塊化設(shè)計可使單獨的部件便于檢修維護和清理,減少檢修維護工作量和工作時間。

制動系統(tǒng)模塊化設(shè)計的優(yōu)點在設(shè)計、制造、試驗、運用、維護及檢修等方面都得到了充分的體現(xiàn),給動車組帶來了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。雖然制動系統(tǒng)的模塊化設(shè)計也有一些小的負面作用(例如,部分空氣管路由于模塊化而加長，當(dāng)然也有部分空氣管路因此而縮短;模塊化會增加部分原材料的使用等),但這些與模塊化帶來的好處相比顯得微不足道。

4 結(jié)語

模塊化設(shè)計是軌道交通客車領(lǐng)域的一大趨勢,也是主機廠綜合設(shè)計能力的體現(xiàn)。模塊化設(shè)計不但可以加強設(shè)計的規(guī)范性、通用性和拓展性,縮短設(shè)計周期,而且能夠提高制造的精確性,減少裝配工時,降低設(shè)計和生產(chǎn)成本。城際動車組制動系統(tǒng)的模塊化設(shè)計,初步實現(xiàn)了制動系統(tǒng)主要部件的模塊化整合,能夠適應(yīng)不同供應(yīng)商不同接口的同類產(chǎn)品。但實際上,還只是機械接口的整合,距離電氣接口和控制軟件的整合,實現(xiàn)制動系統(tǒng)的整體模塊化還有一定差距,為此還需進一步探索。

[1] 侯亮,唐任仲,徐燕申.產(chǎn)品模塊化設(shè)計理論、技術(shù)與應(yīng)用研究進展[J].機械工程學(xué)報,2004,40(1):56.

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[7] 黎權(quán)鋒.船舶制造管子單元模塊化的設(shè)計與應(yīng)用[J].廣東造船,2012(3):75.

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[9] 劉云虎,梁軍,楊浩.地鐵車輛管線模塊化設(shè)計[J].機車電傳動,2009(3):54.

[10] 劉永科,陳春峰.天津地鐵1號線車輛制動系統(tǒng)及模塊化設(shè)計[J].城市軌道交通研究,2008(5):22.

Design of Modularized Braking System for Intercity EMU

WANG Dongxing, QIN Jiaying, LI Huaming, DU Qunwei, SHAN Yanan

Modular design is widely used in railway vehicle industry. Through the implementation of modular design for braking system of intercity EMU, products of different suppliers could be integrated, the allocation of EMU be enriched, and different requirements of customers be satisfied. After the division of EMU braking system, including the unit, region and functions, the design of different functional modules of the braking system is completed. The technical requirements of the modular design, their advantages and disadvantages are analyzed, the prospect of module design for intercity EMU brake system is carried out.

intertity railway; electronic multiple unit (EMU); braking system; modularized design

*鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2012J003-C);中車唐山機車車輛有限公司研究開發(fā)項目(2013TCY022)

U 266.235

10.16037/j.1007-869x.2016.06.027

2014-07-16)