□ 呂元穎

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 研究背景

在軌道交通領(lǐng)域,通過(guò)三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件和數(shù)字化平臺(tái),雖然可以快速高效地進(jìn)行整車數(shù)字化三維設(shè)計(jì)[1],但是無(wú)法親身體驗(yàn)和掌控每一處設(shè)計(jì)的合理性。

模型車的生產(chǎn)制作可以彌補(bǔ)軟件的缺陷。模型車的作用是驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性,比如各部件之間是否產(chǎn)生干涉,布局是否合理,維修維護(hù)是否方便等[2],可以指導(dǎo)真車的量產(chǎn)安裝。在城市軌道交通車輛投入生產(chǎn)之前,制造1∶1實(shí)體模型車可以充分展示車輛的實(shí)際效果,同時(shí)提前驗(yàn)證新造項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和工藝方面的合理性,及時(shí)發(fā)現(xiàn)制造、安裝、維護(hù)中的各種問(wèn)題,為批量化生產(chǎn)清除技術(shù)障礙,降低批量化生產(chǎn)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

模型車制作的需求主要來(lái)源于軌道交通車輛用戶或新平臺(tái)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證,筆者對(duì)城市軌道交通模型車的制作進(jìn)行研究。

2 模型車分類

模型車根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、接口完整性等因素,可以分為四類。

(1) 全尺寸完整模型車。包含完整車體結(jié)構(gòu)、安全吸能部件、底架設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、車內(nèi)裝飾、乘客信息系統(tǒng)等,制作周期約五個(gè)月。

(2) 全尺寸部分模型車。包含完整車體外形、部分安裝接口,以及車內(nèi)裝飾、車內(nèi)設(shè)備、乘客信息系統(tǒng)等,制作周期約三個(gè)月。

(3) 非完整區(qū)域模型車。包含部分車體外形、安裝接口,以及車內(nèi)裝飾、車內(nèi)設(shè)備、乘客信息系統(tǒng)等部件,制作周期約三個(gè)月。

(4) 底架模型車。包含底架下部外形、安裝接口,以及轉(zhuǎn)向架、底架電氣設(shè)備、制動(dòng)設(shè)備、線纜管道等,制作周期約兩個(gè)月。

3 模型車制作主要影響因素

(1) 設(shè)計(jì)周期。國(guó)內(nèi)項(xiàng)目首列車交車周期通常為18個(gè)月,國(guó)外項(xiàng)目首列車交車周期為24～36個(gè)月不等,模型車應(yīng)在實(shí)車投產(chǎn)前完成驗(yàn)收。

(2) 項(xiàng)目類型。通常包括新研發(fā)平臺(tái)車輛項(xiàng)目、增購(gòu)車輛項(xiàng)目、改造車輛項(xiàng)目。

(3) 客戶需求或設(shè)計(jì)驗(yàn)證范圍。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的需求或所需要進(jìn)行的設(shè)計(jì)驗(yàn)證,確定具體的物料范圍。

(4) 啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,應(yīng)盡可能早開(kāi)始物料生產(chǎn)工作。

(5) 項(xiàng)目預(yù)算。根據(jù)項(xiàng)目預(yù)算,確定模型車安裝物料采用真實(shí)物料還是由木質(zhì)件代替。

在制作模型車時(shí),應(yīng)考慮上述影響因素,選擇適當(dāng)?shù)姆桨敢云ヅ漤?xiàng)目周期。

4 城市軌道交通項(xiàng)目模型車制作現(xiàn)狀

4.1 國(guó)內(nèi)

由于項(xiàng)目時(shí)間緊張,出于模型車成本控制,城市軌道交通項(xiàng)目模型車通常以內(nèi)裝模型車為主。國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目從合同簽訂到首列車交付的周期通常為18個(gè)月,其中設(shè)計(jì)周期為8～10個(gè)月,車體部位的設(shè)計(jì)周期更為緊張。以鋁車體為例,大斷面鋁型材斷面圖往往要求在設(shè)計(jì)開(kāi)始后的6～7個(gè)月確定投產(chǎn),車體的整車圖紙也需要在之后的一個(gè)月進(jìn)行歸檔,緊接著進(jìn)行車體部位的首列車投產(chǎn)工作。此時(shí),內(nèi)裝設(shè)備及電氣等剛進(jìn)入裝配圖紙歸檔階段,以此為節(jié)點(diǎn)的模型車制作,幾乎與車體投產(chǎn)工作同步推進(jìn)。由此,國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目模型車制作往往用于驗(yàn)證乘客界面工業(yè)設(shè)計(jì)效果、材料選擇正確性,以及內(nèi)裝和設(shè)備等部件供應(yīng)商的設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量保證能力,并不注重車體接口的驗(yàn)證,只需要車體外形尺寸與設(shè)計(jì)一致即可。在模型車驗(yàn)收后,需要對(duì)圖紙進(jìn)行修改,對(duì)首批物料進(jìn)行整改,存在一定的風(fēng)險(xiǎn)和損失。

4.2 國(guó)外

國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目首列車交車周期通常為24～36個(gè)月,相對(duì)于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目,具有更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期。國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束后開(kāi)始制作全尺寸部分模型車,采用與真車一致的車體,車外可見(jiàn)附件,如前端、導(dǎo)流罩、防爬器、車鉤等均安裝齊備。采用實(shí)物形式安裝,車輛內(nèi)部采用真實(shí)部件,并按照實(shí)車接口方式進(jìn)行組裝,驗(yàn)證乘客界面工業(yè)設(shè)計(jì)效果和材料選擇的正確性。底架存在較多的電氣、制動(dòng)設(shè)備布置,與車體存在較多接口,通過(guò)制造底架模型,單獨(dú)驗(yàn)證車下設(shè)備是否存在部件干涉,布置是否合理等[4]。模型車驗(yàn)收完成后,對(duì)歸檔圖紙完善,進(jìn)行首列車投產(chǎn)。通過(guò)模型車的驗(yàn)證,可以減少首批實(shí)車物料的更改風(fēng)險(xiǎn)和損失。

5 城市軌道交通項(xiàng)目模型車制作分析

5.1 國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目通常首列車交付周期為18個(gè)月,其中設(shè)計(jì)周期為8～10個(gè)月,模型車主要驗(yàn)證乘客界面工業(yè)設(shè)計(jì)的效果和材料選擇的正確性[5-6]。國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目中,全尺寸部分模型車車體是車輛的承載結(jié)構(gòu)件[7]。在模型車搭建中,通過(guò)鋼梁、蒙皮組合的形式制作,C形滑槽、支架等小件通過(guò)焊接方式,位置與實(shí)車保持一致。前端、導(dǎo)流罩、防爬器、車鉤等車外可見(jiàn)部件采用玻璃鋼、碳鋼或木質(zhì)等其它材質(zhì)代替制作模型[8]。模型車內(nèi)部采用真實(shí)部件,按照實(shí)車的接口方式裝配。在項(xiàng)目正常執(zhí)行的情況下,模型車與首列車的生產(chǎn)進(jìn)度如圖1所示。

圖1 國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目模型車與首列車生產(chǎn)進(jìn)度

根據(jù)上述分析,模型車驗(yàn)收完成除了用于展示外,還用于驗(yàn)證模型車內(nèi)部物料的接口與工業(yè)設(shè)計(jì)效果,指導(dǎo)首列車物料的整改和首列車的裝配。在項(xiàng)目執(zhí)行中,會(huì)存在諸多不確定因素,導(dǎo)致模型車生產(chǎn)無(wú)法推進(jìn),如供應(yīng)商未確定,工業(yè)設(shè)計(jì)方案未得到批復(fù),設(shè)計(jì)方案存在較大等。模型車驗(yàn)收節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)落后于車體物料的準(zhǔn)備和生產(chǎn)工作,若為了驗(yàn)證車體內(nèi)外部接口,采用與實(shí)車一致的結(jié)構(gòu)車體,則由于模型車整體進(jìn)度落后于首列車車體物料生產(chǎn)工作,無(wú)法指導(dǎo)首列車車體的生產(chǎn)。為驗(yàn)證更多的車體接口,制作全尺寸完整模型車,提出六方面建議。

(1) 在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段之前,確定車輛工業(yè)設(shè)計(jì)方案。

(2) 方案設(shè)計(jì)結(jié)束后,在承受一定風(fēng)險(xiǎn)的情況下,與詳細(xì)設(shè)計(jì)同步開(kāi)展模型車車體制作與標(biāo)準(zhǔn)件采購(gòu)工作。

(3) 選用具有相同安裝接口的車體型材,驗(yàn)證車體型材之間的接口匹配性。與型材原供應(yīng)商溝通,采用現(xiàn)有的庫(kù)存材料進(jìn)行車體加工和組焊[9-10]。在三維設(shè)計(jì)結(jié)束后,對(duì)車體上的部件安裝接口進(jìn)行加工。

(4) 對(duì)現(xiàn)有車體工裝進(jìn)行改造,以滿足緊張的模型車制作周期要求。

(5) 采用碳鋼或木質(zhì)件代替模型車外非標(biāo)部件,縮短部件制作周期,同時(shí)驗(yàn)證模型車底架滑槽、安裝孔等接口。

(6) 先驗(yàn)證模型車車體型材接口和車體外部接口,后驗(yàn)證模型車內(nèi)部的安裝接口。

優(yōu)化后的國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目模型車與首列車生產(chǎn)進(jìn)度如圖2所示。上海全自動(dòng)無(wú)人駕駛軌道交通15號(hào)線模型車如圖3所示。通過(guò)優(yōu)化后的模型車制作流程,提前實(shí)現(xiàn)了對(duì)車體及設(shè)備所有內(nèi)外部接口、尺寸、基本功能的驗(yàn)證,對(duì)首列車及后續(xù)批量車生產(chǎn)具有重要意義。

圖2 優(yōu)化后國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目模型車與首列車生產(chǎn)進(jìn)度

圖3 上海軌道交通15號(hào)線模型車

5.2 國(guó)外

國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期與國(guó)內(nèi)項(xiàng)目存在較大差異。國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目通常在方案設(shè)計(jì)階段已經(jīng)完成車輛各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,車體的安裝接口也已經(jīng)確定,并且得到用戶批準(zhǔn),已經(jīng)具備模型車制作的條件,可以按照車輛合同中的要求搭建模型車車體,安裝車內(nèi)的可見(jiàn)部件,實(shí)現(xiàn)部分電氣功能。

為了驗(yàn)證車體各部位的接口,通常有三種形式模型車。

(1) 內(nèi)裝模型車。車體的主體結(jié)構(gòu)外形尺寸與實(shí)車一致,車體各部件和各零件的材質(zhì)、連接形式、焊接方式與實(shí)車不同,采用簡(jiǎn)化方式,僅保留車輛內(nèi)部部件的安裝接口位置和形式與實(shí)車一致,主要用于車體與內(nèi)部部件安裝接口的驗(yàn)證。內(nèi)裝模型車是目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目模型車的主流形式。

(2) 含主體鋼結(jié)構(gòu)的模型車。車體的組件、部件采用與實(shí)車一致的結(jié)構(gòu)和形式,除了驗(yàn)證車輛內(nèi)部各部件安裝接口外,還用于驗(yàn)證車體零件連接形式、工裝合理性、大部件組焊等。國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目通常要求模型車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)、車體強(qiáng)度試驗(yàn),完成之后開(kāi)始投產(chǎn)車體。車體的設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期較長(zhǎng),并且試驗(yàn)完成之后就是正式車輛投產(chǎn),沒(méi)有足夠的時(shí)間對(duì)車體主體鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部安裝接口進(jìn)行驗(yàn)證。加之在用于車體碰撞和強(qiáng)度試驗(yàn)的車體接口生產(chǎn)制作中,已對(duì)大部分主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證,因此國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目很少采用含主體鋼結(jié)構(gòu)的模型車。

(3) 整車模型車。車體的主體結(jié)構(gòu)外形尺寸與實(shí)車一致,車體各部件和各零件的材質(zhì)、連接形式、焊接方式與實(shí)車不同,采用簡(jiǎn)化方式,車體內(nèi)外部部件的安裝接口位置和形式與實(shí)車一致,主要用于車體與整車裝配部件安裝接口、車下設(shè)備安裝操作檢修空間合理性的驗(yàn)證。對(duì)于整車模型車,應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和車體三維設(shè)計(jì)完成之后,立即開(kāi)展模型車簡(jiǎn)化車體制作和裝配物料生產(chǎn),車下設(shè)備箱采用外殼件或木質(zhì)件代替,采取一系列措施,縮短模型車制作周期。

與國(guó)內(nèi)項(xiàng)目對(duì)比,國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目模型車制作存在四方面區(qū)別。

(1) 設(shè)計(jì)周期。模型車啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)通常為方案設(shè)計(jì)結(jié)束后,此時(shí)制作模型車,對(duì)整車車體的部分接口進(jìn)行驗(yàn)證,主要包括車體主體鋼結(jié)構(gòu)、車體內(nèi)部安裝滑槽等。國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目模型車與首列車生產(chǎn)進(jìn)度如圖4所示。

圖4 國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目模型車與首列車生產(chǎn)進(jìn)度

(2) 需求與功能。車輛合同中詳細(xì)描述了模型車的制作需求和各部件功能。

(3) 車體材質(zhì)。實(shí)車以不銹鋼或鋁合金車體為主,需要專用的工裝夾具和大型激光焊接設(shè)備。在模型車制作時(shí),為了縮短制作周期,減少設(shè)備投入,盡量采用碳鋼材料和手工焊方式來(lái)制作簡(jiǎn)易的車體鋼骨架。

(4) 車體強(qiáng)度。國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目車體強(qiáng)度要求較高,一般要求在車體碰撞試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)完成后才能開(kāi)始實(shí)車投產(chǎn)。通常情況下,車體圖紙歸檔晚于模型車啟動(dòng)節(jié)點(diǎn),模型車制作時(shí)可以僅驗(yàn)證車體與裝配部分的接口。如要在模型車制作時(shí)驗(yàn)證實(shí)車車體結(jié)構(gòu),則需要車體圖紙歸檔早于內(nèi)裝圖紙歸檔,以便先啟動(dòng)模型車鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工作,并預(yù)留安裝滑槽和安裝座接口。

針對(duì)國(guó)外城市軌道交通項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)且用戶要求較高的情況,提出三方面模型車制作建議。

(1) 在方案設(shè)計(jì)階段完成鋼主體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),模型車的車體結(jié)構(gòu)與實(shí)車一致,將底架材料由不銹鋼改為碳鋼,焊接方式由激光焊、壓焊等改為操作性更強(qiáng)的氬弧焊,提高模型車車體的可操作性。

(2) 在方案設(shè)計(jì)階段確定裝配部件在車體鋼結(jié)構(gòu)的安裝接口,在模型車車體外部預(yù)留滑槽和安裝孔等,以便驗(yàn)證車體與其它系統(tǒng)之間的安裝接口。

(3) 裝配部件除現(xiàn)有的車內(nèi)部件外,增加底架設(shè)備,用于驗(yàn)證車體與其它系統(tǒng)之間的安裝接口,并檢查安裝檢修空間的合理性。

6 全尺寸完整模型車制作方案

現(xiàn)有的模型車制作主要驗(yàn)證內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備安裝接口與工業(yè)設(shè)計(jì)效果,能有效減少首列車安裝時(shí)的問(wèn)題,但車體內(nèi)外部接口沒(méi)有得到完全驗(yàn)證,首列車生產(chǎn)時(shí)依然有較多生產(chǎn)問(wèn)題。車體是車輛各種設(shè)備、線纜、管道等的安裝載體,在模型車制作中應(yīng)盡可能多地驗(yàn)證車體鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外部接口。通過(guò)制作全尺寸完整模型車,可以對(duì)車體內(nèi)外部接口進(jìn)行充分驗(yàn)證。

筆者介紹全尺寸完整模型車各部位的制作方案,通過(guò)制作方案可以縮短模型車制作周期,降低成本,盡可能多地驗(yàn)證車體鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外部接口。

6.1 車體工裝準(zhǔn)備

在現(xiàn)有平臺(tái)化工裝基礎(chǔ)上,對(duì)組焊、組成工裝進(jìn)行改造,適應(yīng)新項(xiàng)目的焊接要求。工裝應(yīng)盡量與后續(xù)生產(chǎn)一致,避免前后工裝不一致,造成批量生產(chǎn)出現(xiàn)問(wèn)題。

6.2 車體設(shè)計(jì)

車體底架、側(cè)墻、車頂、端墻的大部件應(yīng)盡量采用以往平臺(tái)項(xiàng)目的鋁型材、鋁板等進(jìn)行拼焊、組焊,形成相同的型材接口形式。焊接時(shí),車體內(nèi)部的長(zhǎng)焊縫采用手工焊。車體內(nèi)側(cè)可以不加工坡口,直接裝配焊接,保證車體的外形尺寸即可,這樣可以節(jié)約制作時(shí)間和成本。車體內(nèi)外的C形滑槽可以通過(guò)型材焊接或鉚接至車體,確保安裝接口尺寸與實(shí)車一致。枕梁可以采用碳鋼板或鋁板拼焊,牽引梁、防爬器等部件可以采用鋁板或木質(zhì)件制造。司機(jī)室面罩采用玻璃鋼制作,滿足曲面易成型的特點(diǎn)。

6.3 內(nèi)部裝飾

模型車在車內(nèi)可見(jiàn)的內(nèi)裝件主要有邊頂板、中頂板、側(cè)墻、地板布、間壁柜、端墻、隔斷、平頂板、司機(jī)室內(nèi)裝件,這些部件均為真實(shí)產(chǎn)品,且均要安裝,接口要求與實(shí)車結(jié)構(gòu)保持一致。

6.4 車內(nèi)設(shè)備

車內(nèi)所見(jiàn)設(shè)備主要包括車窗、車門、座椅、滅火器、緊急錘、扶手等,這些均應(yīng)按照實(shí)車結(jié)構(gòu)與部件進(jìn)行安裝。在多扇車門中,設(shè)置一兩扇車門為實(shí)車結(jié)構(gòu),為車門安裝門機(jī)構(gòu)及其它附件,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)開(kāi)閉功能。其余車門采用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)門板來(lái)代替。

6.5 車內(nèi)電氣

車內(nèi)電氣主要包含乘客信息系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電氣柜設(shè)備等。電氣柜設(shè)備采用實(shí)車部件及木質(zhì)件元器件,用于驗(yàn)證布局的合理性。乘客信息系統(tǒng)、照明系統(tǒng)的各部件均需要按照實(shí)車結(jié)構(gòu)與部件進(jìn)行安裝,并且需要保持與實(shí)車一致的接線,保證各功能的實(shí)現(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)模型車對(duì)攝像頭的視野效果進(jìn)行校核。乘客信息系統(tǒng)的主要設(shè)備有系統(tǒng)控制器、車廂控制器、司機(jī)室監(jiān)控屏、廣播控制盒、揚(yáng)聲器、車內(nèi)外信息顯示器、動(dòng)態(tài)地圖、車內(nèi)電視、攝像頭、乘客緊急對(duì)講裝置等,照明系統(tǒng)的主要設(shè)備有客室燈具、平頂板頂燈、頭尾燈、運(yùn)行燈、電源模塊等。

6.6 空調(diào)系統(tǒng)

為驗(yàn)證空調(diào)系統(tǒng)的安裝接口,并且保證模型車外觀與實(shí)車一致,模型車采用一組客室空調(diào)機(jī)組,客室空調(diào)機(jī)組、整車風(fēng)道、排水結(jié)構(gòu)等與實(shí)車的結(jié)構(gòu)和安裝方式一致。其余客室空調(diào)機(jī)組采用碳鋼制作外殼。結(jié)構(gòu)完整的客室空調(diào)機(jī)組具備正常的制冷送風(fēng)功能。

6.7 底架制動(dòng)設(shè)備與電氣設(shè)備

底架制動(dòng)設(shè)備與電氣設(shè)備種類繁多,數(shù)量龐大,工序煩瑣,制作非常麻煩。如制動(dòng)部分的管件都要進(jìn)行拉絲拋光處理,電氣部分的箱柜雖然只制作外殼,但是箱門要具有防水功能,并且箱柜內(nèi)要制作與實(shí)物大小相等的模型體,檢查實(shí)物拿出、放進(jìn)是否方便。

6.8 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架構(gòu)造簡(jiǎn)單,但尺寸較大。在模型車中,由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架尺寸大,并且要吊裝在底架鋼結(jié)構(gòu)下,因此只能采用木材作為代替材料。完工后的轉(zhuǎn)向架經(jīng)過(guò)噴漆后,很難看出是木材制作的。

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)城市軌道交通模型車的制作進(jìn)行了研究,提出了城市軌道交通全尺寸完整模型車的制作方案。軌道交通模型車的制作在軌道交通車輛生產(chǎn)中起著承上啟下的作用。模型車是設(shè)計(jì)和制造的溝通橋梁,將工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型,可以更為具體、直觀地呈現(xiàn)車輛外觀內(nèi)飾,校核零部件之間接口尺寸,并可以對(duì)功能設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證,在首列車和批量生產(chǎn)之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn),及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,縮短生產(chǎn)周期,降低項(xiàng)目變更成本。模型車還可用于后期展示和教學(xué),并用于對(duì)司乘和維修人員的培訓(xùn)工作,使參訓(xùn)人員能夠快速熟悉了解車輛結(jié)構(gòu)及基本功能。