姚杰

摘要：軌道工程車的廣泛應用，提升了設計優(yōu)化的需求。以某平臺化車型使用和檢修時的問題實際，從方案分析出發(fā)，系統(tǒng)思考優(yōu)化變更差異，完成技術(shù)設計，到施工驗證的全過程進行介紹，為工程車設計優(yōu)化工作提供參考。

關(guān)鍵詞：工程車;設計優(yōu)化;設備布置;計算分析;接口管理

0? 引言

根據(jù)《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中關(guān)于鼓勵開發(fā)使用節(jié)能環(huán)保和新型能源，建設資源節(jié)約型社會的要求，滿足地鐵限界要求且自帶裝機牽引功率容量自帶大容量儲能的蓄電池工程車越來越多的被應用在各個城市，作為城市軌道交通的“保姆”，軌道工程車功能多樣，用于段內(nèi)調(diào)車、正線救援，牽引特殊用途車輛等。為了滿足多樣化需求，中車株洲電力機車有限公司搭建了基于電源制式、總體結(jié)構(gòu)的地鐵工程車平臺，制造了中央司機室雙外側(cè)走廊、雙端司機室中間內(nèi)走廊、單端司機室雙外側(cè)走廊及多流制混合動力的雙端司機室等多樣式工程車。

本文以某臺ZER3型工程車為例，針對原平臺車型設計中信號柜線纜檢修不便和遮擋司機前方觀察視野的問題，按照案例簡介、需求分析、方案分析、技術(shù)設計、施工設計和裝車驗證的順序，說明設計優(yōu)化的過程方法。

1? 案例簡介

該案例屬于成熟的ZER3型平臺地鐵工程車的某城市車型，主要特征是中央單司機室、雙外側(cè)走廊布置，軸式B0-B0，司機室I、II端前方走廊圍繞在牽引蓄電池柜周圍，牽引蓄電池可儲存電能，為工程車在無電網(wǎng)區(qū)間提供牽引動能。車體結(jié)構(gòu)復雜，按照布置可以劃分為兩側(cè)走廊、司機室間、蓄電池柜共三部分（圖1）。

司機室內(nèi)空間尺寸（長×寬×高）為2670×2550×2050mm，空間利用率高，司機室內(nèi)設備布置緊湊，布置有兩座操縱臺、信號柜、開關(guān)柜、司機座椅、添乘座椅、滅火器和暖風機等。其中信號柜是用于安裝機車監(jiān)控、信號等系統(tǒng)主機的專門屏柜。信號柜柜體通過頂部的吊環(huán)螺釘座進行起吊，通過底架的安裝座與機車進行安裝，前門是一扇合頁開關(guān)的門，整體并不完全封閉，擁有開放式底部用于線纜進出。ZER3型工程車無專門放置屏柜的機械間，且信號柜需要常被操作或查看，通常會安裝在司機室內(nèi)（圖2、圖3）。

2? 需求分析

原車型的信號柜安裝位于司機室內(nèi)，右側(cè)緊挨I端操縱臺左側(cè)，見圖3，柜體右側(cè)上部設置開關(guān)，便于司機觀察、操作。

經(jīng)過反饋，發(fā)現(xiàn)布置主要有兩個問題。

問題一：為保障安全，司機室前進方向的兩端均設置有觀察玻璃，確保司機視野寬闊，在座椅上能看能瞭望前方線路，信號，接觸網(wǎng)和站臺等，但信號柜第三方設備數(shù)量和尺寸超出計劃，導致當時設計的信號柜高度明顯偏高，遮擋了I端操縱臺左側(cè)玻璃;

問題二：設備數(shù)量多，柜內(nèi)線纜量增加，需要柜內(nèi)左、右兩側(cè)走線。根據(jù)信號柜檢修手冊中各修程，需要打開拆卸左、右側(cè)門板檢查線纜、接頭連接、螺栓松動等，而右側(cè)緊挨操縱臺無法打開。若設備故障需計劃外維修，可能也需要吊起信號柜檢修。

為使設備易于維修，必須避免柜體左右緊挨其他柜體，需要在做司機室設備布置規(guī)劃時留出左右操作空間;而為防止視野侵占，信號柜不能放置在前窗玻璃旁。兩個問題解決的辦法都是進行安裝位置的優(yōu)化設計，重新安裝和布線。

3? 方案分析

方案分析是依據(jù)需求分析的要求，制訂總體及各子系統(tǒng)初步技術(shù)方案，以及初步的分析計算，初步識別并提出擬采用新技術(shù)、新材料、新工藝的創(chuàng)新點。

選擇新的安裝位置，必須要確保信號柜的前面板面朝司機，便于司機操作，再根據(jù)檢修文件修程，例行檢查要檢查柜內(nèi)各個設備的接線口和設備安裝螺栓，所以其左側(cè)和右側(cè)圍板要有可拆卸的空間。為進一步識別選定新位置的對車輛設計方案的差異影響，協(xié)同制動管路設計、整車布線設計、車體結(jié)構(gòu)設計和整車重量設計人員對位置變化產(chǎn)生的影響進行系統(tǒng)分析。分析結(jié)果主要有：新位置底部有管路經(jīng)過，底部進出線纜需要注意避讓，以免路徑重合。

①線纜必須從司機室底部線槽重新打開缺口出去，穿進軟管達到信號柜底部地板，在地板開孔后，從軟管中穿出，達到信號柜;

②地板開孔需要考慮結(jié)構(gòu)強度，位置不得與車體底部的加強梁和設備安裝支架重合，開孔范圍不得超出信號柜柜體底部截面;

③除此之外，作為車輛總體設計，還需要考慮設備移動對整車重量、牽引、制動性能參數(shù)、防火，EMC，噪聲等的影響。

4? 技術(shù)設計

技術(shù)設計是在方案設計階段基礎上的進一步細化，明確詳細方案及相關(guān)分析、計算，擬采用新技術(shù)、新材料、新工藝的驗證和確認。

從檢修尺寸需求考量，信號柜位置必須滿足以下要求（表1）：

可供一人站立的依據(jù)在于，中國人普遍鞋碼39～44碼，即24.5～27cm，鞋邊擬定長度為280mm;可供一人半蹲的依據(jù)來自于實際測量，擬定長度500mm。信號柜底邊外邊界尺寸620×680mm，由此可將信號柜底面連帶檢修空間共同繪制成一個1120×960mm的長方形，在司機室平面圖上選擇空白區(qū)域放置這個長方形。需要注意，如果放置在司機室前進方向兩端，則會遮擋前窗視野，因此只能選擇側(cè)墻邊緣或中央。同時，側(cè)墻的暖風機、添乘座椅和滅火器體積小、重量輕、線纜少，容易安裝、布置，可暫時從圖中抹去，等信號柜確定位置后，再進行放置，限于篇幅后文不再使用篇幅說明。

通過在平面圖上對信號柜及其所需檢修空間的虛擬安裝，可產(chǎn)生新位置方案（圖4），綠色馬賽克區(qū)即信號柜安裝底面與檢修尺寸。

技術(shù)設計需確定整個車型和各大部件的總體技術(shù)方案，完成機車總體及各部件的技術(shù)設計說明書、總圖、主要零部件草圖等工作，完成評審。針對平臺車型，經(jīng)由方案分析識別出差異性的部分需要重新計算，并進行評審確認，識別認定無差異的部分可以沿用平臺設計。

此階段執(zhí)行的重點在于接口管理。接口分為外部接口和內(nèi)部接口，在確認信號柜新的安裝位置后，研發(fā)人員內(nèi)部要分專業(yè)分別提出機械和布線新的接口需求。接口文件由項目助理管理，協(xié)助接口提出、接收方識別質(zhì)量隱患，協(xié)調(diào)干涉問題等。內(nèi)部接口為各專業(yè)設計組之間的接口，所有內(nèi)部接口應以《設計接口通知書》的形式執(zhí)行，并有提出人、接受人和確認人（設計經(jīng)理、總體主管、接口雙方主管設計）簽字。

信號柜移動的變更，主要是線纜布線接口和機械安裝接口。布線需要車體進行地板切割開孔、焊接布線輔料。機械安裝需要車體焊接新的設備安裝底座，取消原位置底座。布線設計目的是在布線設計人員與信號柜設備供應商簽署了外部接口合同后，清楚了信號柜所需布置的線纜數(shù)量、種類、連接方式、尺寸等信息，為線纜提供一個符合《機車布線設計技術(shù)規(guī)范》、《TB/T 1507-1993 機車電氣設備布線規(guī)則》、《TB/T 3153-2007 鐵路應用-機車車輛布線規(guī)則》、《EN 50343：2014 鐵路應用-機車車輛-布線規(guī)則》等企標、鐵標、國標、國際標準等設計標準的布線環(huán)境，然后選擇符合產(chǎn)品標準的線纜、接頭、連接器等材料，根據(jù)電氣原理圖進行布線施工，從而實現(xiàn)可靠的供電、通信和控制。機械安裝接口同樣也需要滿足各類標準，企標、歐盟標準（EN）、國際鐵路聯(lián)盟標準（UIC）、國際標準化組織標準（ISO），如果產(chǎn)品銷往歐盟，還需要考慮歐洲鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范（TSI）等。

根據(jù)實際承載電壓、功率等級或用途，可將線纜分為四類：主電路、輔助電路、控制電路和信號線纜，信號柜設備線纜除柜內(nèi)設備主機電源供電線屬于輔助電路，其余均屬于控制電路和信號電纜，為盡量減少車用電線電纜的種類和規(guī)格型號，對于同一種類的電線，使用公司統(tǒng)型化的電纜，對于設備自帶線，由設計人員與設備制造商聯(lián)系獲得線纜信息，可確定信號柜所有電纜外徑（表2）。

平臺工程車常用的車外線纜保護方案是使用快速軟管接頭和電纜保護軟管，兩者螺紋尺寸配套，用于車外電纜的密封防水保護。蓋板是帶有圓形開孔的金屬板，可用螺母、螺栓、平墊和彈墊與地板牢固安裝。軟管接頭旋進蓋板，線纜隨之穿過蓋板進入車內(nèi)。信號柜底部地板處應開孔、焊接螺柱以便安裝金屬蓋板和過線。為保證密封可靠，軟管接頭的外螺紋尺寸直徑加0.5mm為蓋板所需開孔的直徑，如選用M20的公制軟管接頭，則對應開孔直徑為20.5mm，接頭內(nèi)螺紋14.5mm，可套緊17mm的軟管。短螺紋的軟管接頭一般用于連接器處，長螺紋的一般用于穿線蓋板處。

以M20接頭匹配M17軟管為例，探究所需軟管數(shù)量的過程（圖5）。

計算經(jīng)取整，所需尼龍軟管數(shù)量為5根，理論上可滿足承裝信號柜進出線纜。但實際這些線纜中，一部分控制線連接到低壓柜、另一部分控制線連接到操縱臺，剩余八根多芯信號線連接至車頂前端、車頂后端、車底一位轉(zhuǎn)向架左、二位轉(zhuǎn)向架右等不同位置設備終端，并不能完全套在一根軟管內(nèi)，而是一根多芯電纜占用一根軟管。補充這方面的考慮，將所需軟管數(shù)量修正，確定布線要使用的總數(shù)為11根，留備用1根，因此信號柜底部需要安裝一塊能裝12根軟管接頭的蓋板。按照這個思路，也可以計算得到所需蓋板的面積和地板開孔面積，完成接口文件。

5? 施工設計和試裝驗證

根據(jù)接口文件的要求，接收方為信號柜的新安裝位置焊接安裝底座，為布線蓋板的安裝焊接緊固螺栓，為線纜進出準備足夠大小的開口等，這些需求的實現(xiàn)是通過相應設計人員繪制正確、完整的設計圖紙，并通過校核、主管審批、工藝審批、標準化審批和領(lǐng)導批準，歸檔至檔案存儲并發(fā)送到各子部件制造商。為了下一階段的生產(chǎn)試制，需要整理、編制整車各類目錄、明細表和匯總表。完成施工設計后，各項采購開始進行，供應商按照新圖紙制作的產(chǎn)品交付前，需要進行首件檢查，已確認滿足設計需求。而主要的車體結(jié)構(gòu)完成后，就可以試裝信號柜并布線，優(yōu)化設計方案得到施行和驗證。

6? 結(jié)語

工程車交付到客戶后，可維護性直接決定維修難度、影響運用成本，只有產(chǎn)品易用、易維護才有可能得到用戶的喜愛，科學設計十分重要。

根據(jù)“十三五”規(guī)劃，我國計劃新建城市軌道交通里程3500公里左右，即到2020年末，全國城軌交通運營線路7000公里左右，相當于在五年內(nèi)將前50年城市軌道交通運營里程翻番。地鐵運營里程增加，未來工程車應用需求還將提升。設計師要從用戶的真實場景出發(fā)，發(fā)掘優(yōu)化項點，把用戶便利當成必要的功能來開發(fā)，從采購合同、用戶反饋等渠道中識別需求，立足平臺，既要牢牢把握成熟經(jīng)驗確保安全可靠，又要勇敢創(chuàng)新，守住嚴謹系統(tǒng)思考原則，遵守規(guī)范有序的設計流程規(guī)范，做好優(yōu)化設計工作。

參考文獻：

[1]樊運新，高殿柱.雙源制電力牽引調(diào)車機車的研發(fā)[J].電力機車與城軌車輛，2012（5）.

[2]張艷芳，張奕奕.機車維修性設計與分析的探討[J].技術(shù)與市場，2015（5）.

[3]林德友.雙動力工程車在地鐵的運用及改進[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2017（12）.

[4]高殿柱.基于受電式電力牽引多源制地鐵工程車平臺的研發(fā)[J].電力機車與城軌車輛，2015（3）.

[5]趙翔宇.一種地鐵工程車安裝架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計[J].內(nèi)燃機與配件，2019（15）：80-81.