王思宇，王野平

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

鐵路是國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是我國主要運(yùn)輸方式，在國民經(jīng)濟(jì)中起著非常重要的作用[1]。我國鐵路行業(yè)近幾年發(fā)展勢(shì)頭迅猛，截至年底，我國列車中機(jī)車的保有量已經(jīng)達(dá)到19000輛，其中電力機(jī)車大約為7030輛，占總量的37%[2]。國內(nèi)除中車外先后有近10家企業(yè)投入到城市軌道車輛產(chǎn)品的研發(fā)制造中，這些新興投資主體起步晚，不受過去流程的限制，可以快速建立一個(gè)規(guī)范化的設(shè)計(jì)流程，與世界先進(jìn)城軌車輛設(shè)計(jì)技術(shù)接軌。

1 城軌車設(shè)計(jì)流程技術(shù)研究

城軌車設(shè)計(jì)一般需要經(jīng)過以下設(shè)計(jì)流程：

1.1 用戶需求分析

城軌車用戶首先對(duì)車輛各個(gè)系統(tǒng)、線路條件、車輛裝備與鐵路信號(hào)之間的關(guān)系提出詳細(xì)要求，車輛制造商據(jù)此定義車輛的尺寸、重量、系統(tǒng)功能、電氣及機(jī)械接口，制定自己制造部分和協(xié)作制造部分的分工，組建團(tuán)隊(duì)開始正式設(shè)計(jì)。

1.2 工業(yè)設(shè)計(jì)

通過工業(yè)設(shè)計(jì)，確定車輛產(chǎn)品的外觀、內(nèi)飾、車內(nèi)外照明、座椅及扶手、HVAC、司機(jī)室布置、門窗布置、車輛連接形式等所有信息，是車輛各系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，工業(yè)設(shè)計(jì)一般使用犀牛軟件來完成。良好的工業(yè)設(shè)計(jì)，可以大大節(jié)約設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。圖1是車輛外觀的工業(yè)設(shè)計(jì)方案比較。

圖1 車輛外觀工業(yè)設(shè)計(jì)方案比較Fig.1 A comparison between vehicle exterior industrial design schemes

1.3 3D機(jī)械設(shè)計(jì)

1.3.1 車體3D設(shè)計(jì)

（1）車體主結(jié)構(gòu)的3D設(shè)計(jì)。車體主結(jié)構(gòu)的3D設(shè)計(jì)分為：車體整體，底架，左/右側(cè)墻，車頂，端墻，焊接、鉚接、粘接技術(shù)的選擇。

（2）固定車載設(shè)備所用焊接零件固定點(diǎn)的3D設(shè)計(jì)。車載設(shè)備根據(jù)車體主結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接連接件的設(shè)計(jì)，以下系統(tǒng)均需要在車體主結(jié)構(gòu)上焊接零部件進(jìn)行固定，這些焊接零部件的設(shè)計(jì)來源于車載設(shè)備供應(yīng)商的信息和車體3D模型。

1.3.2 外裝的3D設(shè)計(jì)

外裝3D設(shè)計(jì)包含下列部件：左/右外側(cè)墻，前端結(jié)構(gòu)，車頂上部外結(jié)構(gòu)，尾部結(jié)構(gòu)，旅客到站信息顯示。

1.3.3 內(nèi)裝的3D工程設(shè)計(jì)

內(nèi)裝的3D設(shè)計(jì)包含下列部件：左/右內(nèi)側(cè)墻，車頂內(nèi)結(jié)構(gòu)，內(nèi)室照明，絕緣，門區(qū)，集成車窗，加熱地板。

1.3.4 設(shè)備接口的3D工程設(shè)計(jì)

座椅扶手、揚(yáng)聲器、轉(zhuǎn)向燈、消防/急救設(shè)備、視頻監(jiān)控、乘客信息系統(tǒng)、對(duì)講系統(tǒng)與車輛接口的固定方式的3D設(shè)計(jì)。

1.3.5 司機(jī)室的3D工程設(shè)計(jì)

司機(jī)室的3D主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含以下內(nèi)容：內(nèi)裝側(cè)墻，檢修口，地板，司機(jī)室端墻包括司機(jī)室門，司機(jī)臺(tái)，電氣柜。

司機(jī)室與設(shè)備的接口設(shè)計(jì)包括如下內(nèi)容：擋風(fēng)玻璃，，揚(yáng)聲器/麥克風(fēng)，遮陽板，天線，外部攝像頭，內(nèi)室照明，司機(jī)座椅，雨刮器，車內(nèi)后視鏡，警鈴。

1.3.6 空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）的3D工程設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)包括司機(jī)室空調(diào)和客室空調(diào)兩種，3D設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)風(fēng)道、風(fēng)口緊固方式、空調(diào)設(shè)備的固定、溫度傳感器的安裝。

1.3.7 布線的3D工程設(shè)計(jì)

布線的3D設(shè)計(jì)包括線纜、線纜固定夾在車上的位置和連接方式，線纜主要包括如下：

控制線，輔助供給接線，高壓線和電源線，接地和電位均衡，系統(tǒng)的接線，過橋線連接。

1.3.8 客室門的3D工程設(shè)計(jì)

車輛制造廠主要設(shè)計(jì)客室門的連接接口，門的集成3D設(shè)計(jì)由門專業(yè)廠家完成。

1.3.9 貫通道的3D工程設(shè)計(jì)

貫通道的3D工程設(shè)計(jì)包括貫通道的上部、下部連接裝置，中間回轉(zhuǎn)盤的連接方式以及折鵬的固定方式。

1.3.10 管路的3D工程設(shè)計(jì)

車輛的管路3D設(shè)計(jì)主要有制動(dòng)布管、撒沙布管、輪緣潤滑布管。

1.3.11 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的3D工程設(shè)計(jì)

創(chuàng)建構(gòu)架的3D工程模型、定義焊縫坡口、母材及焊接材料。

1.3.12 吊座的3D工程設(shè)計(jì)

一系和二系懸掛的安裝支架；一系和二系垂向減震器的安裝支架；與車體連接的橫向減震器的安裝支架；與車體連接的抗蛇形減震器的安裝支架；限制轉(zhuǎn)向架與車體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的止檔；用于曲線變化以及傾角的角度止檔；輪對(duì)的垂向和橫向止檔；制動(dòng)缸安裝座；轉(zhuǎn)向架和車體間的牽引裝置安裝座；輪緣潤滑安裝座。

1.3.13 布線、布管、接地設(shè)計(jì)

把以下內(nèi)容的3D模型放置到車體和轉(zhuǎn)向架3D模型上。

電源線布線；傳感器和控制線的布線；接地電阻；制動(dòng)系統(tǒng)布管；空氣彈簧布管；輪緣潤滑布管；軸端接地裝置。

1.4 工程圖設(shè)計(jì)

3D模型建立完成并評(píng)審后，開始設(shè)計(jì)工程圖，2D工程圖內(nèi)容如下：

車體結(jié)構(gòu)的2D圖紙；創(chuàng)建車體結(jié)構(gòu)的物料清單；轉(zhuǎn)向架的2D圖紙；創(chuàng)建轉(zhuǎn)向架物料清單；外裝/內(nèi)裝的2D圖紙；創(chuàng)建外裝/內(nèi)裝組裝的物料清單；電氣的ELCAD圖紙；電氣的物料清單。

1.5 強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算主要應(yīng)用有限元法，現(xiàn)在我們常用的有限元軟件有：ANSYS，WORKBENCH，ABQUS，MARC，STAND，F(xiàn)EPG等[3]。

1.5.1 車體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和疲勞計(jì)算

通過劃分網(wǎng)格創(chuàng)建車的有限元模型；根據(jù)DIN 12663標(biāo)準(zhǔn)中的特定的負(fù)載情況表創(chuàng)建靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載情況；使用MSC.NASTRAN來計(jì)算車體的靜態(tài)和疲勞載荷情況。

1.5.2 螺栓連接的計(jì)算

根據(jù)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算轉(zhuǎn)向架、車鉤等設(shè)備螺栓連接件的連接強(qiáng)度，計(jì)算是通過軟件Mdesign的有限元分析來實(shí)現(xiàn)的。

1.5.3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜態(tài)和疲勞計(jì)算

使用HyperMesh計(jì)算網(wǎng)格來創(chuàng)建有限元模型；根據(jù)DIN EN 13749載荷規(guī)范創(chuàng)建靜態(tài)載荷狀況和疲勞載荷狀況。使用軟件MSC.NASTRAN計(jì)算整個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜態(tài)和疲勞載荷。

1.5.4 轉(zhuǎn)向架上的附件強(qiáng)度計(jì)算

下列裝配件的靜態(tài)和疲勞載荷需要計(jì)算：排障器；軸承箱；轉(zhuǎn)向架與車體的連接件。

1.5.5 運(yùn)行特性的多體動(dòng)力學(xué)仿真（MBS）

使用SIMPACK軟件做防脫軌的安全性、直線上的穩(wěn)定性評(píng)估

1.5.6 車體結(jié)構(gòu)的碰撞計(jì)算

根據(jù)DIN 15227標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建兩個(gè)碰撞場(chǎng)景。

碰撞場(chǎng)景1：相同的列車編組以15km/h的時(shí)速碰撞；碰撞場(chǎng)景2：以25km/h的時(shí)速撞上重量為3噸的剛體障礙物。使用LS-DYNA處理碰撞計(jì)算，包含可能的車體變體；使用LS-DYAN做最終碰撞計(jì)算的預(yù)處理。創(chuàng)建最終分析的文檔；檢查司機(jī)與旅客的生還空間。

1.5.7 機(jī)械測(cè)試

車體靜強(qiáng)度測(cè)試通過施加縱向、垂向載荷，根據(jù)應(yīng)變片檢測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估車體安全性。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架對(duì)于靜態(tài)和疲勞測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，如有必要也要進(jìn)行脫軌測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

1.6 電氣設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)包括主電路設(shè)計(jì)、牽引供電設(shè)計(jì)、輔助供電設(shè)計(jì)及供電控制設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)包括TCMS系統(tǒng)及系統(tǒng)功能內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)包括空調(diào)、門、PIS、撒砂等功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)一般都是由車輛制造廠的供應(yīng)商完成。

車輛電氣設(shè)計(jì)從供電上，劃分為牽引供電、輔助供電、供電控制設(shè)計(jì)，從線路控制上，主要分為硬線控制、軟件控制，在車輛電氣設(shè)計(jì)過程中，牽引供電要保證車輛運(yùn)行中的牽引電機(jī)供電，輔助供電要保證各個(gè)系統(tǒng)配電部分的電源接入。

2 設(shè)計(jì)流程中存在的主要難點(diǎn)和解決對(duì)策

設(shè)計(jì)流程中最主要的困難來源于車輛的工業(yè)化設(shè)計(jì)和TCMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這兩項(xiàng)設(shè)計(jì)需要經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間的積累才能實(shí)現(xiàn)。工業(yè)設(shè)計(jì)一般用犀牛軟件來完成，需要工程技術(shù)人員長時(shí)間培訓(xùn)軟件的使用和繪圖技巧。TCMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要西創(chuàng)公司提供計(jì)算機(jī)硬件和初級(jí)編程平臺(tái)，同時(shí)需要各個(gè)車輛設(shè)備制造商提供設(shè)備信息通訊接口和邏輯關(guān)系。這項(xiàng)技術(shù)的掌握需要一個(gè)漫長的過程和實(shí)踐的積累。需要有專門的試驗(yàn)人員實(shí)驗(yàn)西創(chuàng)硬件、軟件及編程。是目前車輛制造廠最瓶頸的技術(shù)，不掌握TCMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就不能談的上能夠進(jìn)行整車技術(shù)的合成。城軌車輛新興投資廠，目前還不具備這方面的能力，單獨(dú)開辟中國軌道車輛市場(chǎng)還面臨著巨大的受人制約的尷尬處境，需要迅速籌備人力、物力攻克這兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）規(guī)范化的城軌車設(shè)計(jì)流程一般需要經(jīng)過用戶需求分析、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械3D設(shè)計(jì)、機(jī)械2D設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)、牽引供電設(shè)計(jì)、輔助供電設(shè)計(jì)、供電控制設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制硬線設(shè)計(jì)、程序軟件設(shè)計(jì)（TCMS）等基本流程。

（2）工業(yè)設(shè)計(jì)、程序軟件設(shè)計(jì)（TCMS）是設(shè)計(jì)流程中的兩個(gè)主要難點(diǎn)，是車輛制造企業(yè)最先需要解決的技術(shù)問題。

（3）工業(yè)設(shè)計(jì)、程序軟件設(shè)計(jì)（TCMS）不是一個(gè)不可以解決的問題，硬件設(shè)施可以購買到，軟件的基礎(chǔ)平臺(tái)已經(jīng)在硬件供貨中完成，軟件的搭建只是需要技術(shù)團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)攻關(guān)來完成。