城轨车设计流程技术研究

2018-08-17王思宇王野平

机电产品开发与创新 2018年4期

王思宇，王野平

（同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

0 引言

铁路是国家的重要基础设施，是我国主要运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用[1]。我国铁路行业近几年发展势头迅猛，截至年底，我国列车中机车的保有量已经达到19000辆，其中电力机车大约为7030辆，占总量的37%[2]。国内除中车外先后有近10家企业投入到城市轨道车辆产品的研发制造中，这些新兴投资主体起步晚，不受过去流程的限制，可以快速建立一个规范化的设计流程，与世界先进城轨车辆设计技术接轨。

1 城轨车设计流程技术研究

城轨车设计一般需要经过以下设计流程：

1.1 用户需求分析

城轨车用户首先对车辆各个系统、线路条件、车辆装备与铁路信号之间的关系提出详细要求，车辆制造商据此定义车辆的尺寸、重量、系统功能、电气及机械接口，制定自己制造部分和协作制造部分的分工，组建团队开始正式设计。

1.2 工业设计

通过工业设计，确定车辆产品的外观、内饰、车内外照明、座椅及扶手、HVAC、司机室布置、门窗布置、车辆连接形式等所有信息，是车辆各系统设计的基础，工业设计一般使用犀牛软件来完成。良好的工业设计，可以大大节约设计周期和提高设计质量。图1是车辆外观的工业设计方案比较。

图1 车辆外观工业设计方案比较Fig.1 A comparison between vehicle exterior industrial design schemes

1.3 3D机械设计

1.3.1 车体3D设计

（1）车体主结构的3D设计。车体主结构的3D设计分为：车体整体，底架，左/右侧墙，车顶，端墙，焊接、铆接、粘接技术的选择。

（2）固定车载设备所用焊接零件固定点的3D设计。车载设备根据车体主结构进行焊接连接件的设计，以下系统均需要在车体主结构上焊接零部件进行固定，这些焊接零部件的设计来源于车载设备供应商的信息和车体3D模型。

1.3.2 外装的3D设计

外装3D设计包含下列部件：左/右外侧墙，前端结构，车顶上部外结构，尾部结构，旅客到站信息显示。

1.3.3 内装的3D工程设计

内装的3D设计包含下列部件：左/右内侧墙，车顶内结构，内室照明，绝缘，门区，集成车窗，加热地板。

1.3.4 设备接口的3D工程设计

座椅扶手、扬声器、转向灯、消防/急救设备、视频监控、乘客信息系统、对讲系统与车辆接口的固定方式的3D设计。

1.3.5 司机室的3D工程设计

司机室的3D主结构设计包含以下内容：内装侧墙，检修口，地板，司机室端墙包括司机室门，司机台，电气柜。

司机室与设备的接口设计包括如下内容：挡风玻璃，，扬声器/麦克风，遮阳板，天线，外部摄像头，内室照明，司机座椅，雨刮器，车内后视镜，警铃。

1.3.6 空调系统（HVAC）的3D工程设计

空调系统包括司机室空调和客室空调两种，3D设计主要是设计风道、风口紧固方式、空调设备的固定、温度传感器的安装。

1.3.7 布线的3D工程设计

布线的3D设计包括线缆、线缆固定夹在车上的位置和连接方式，线缆主要包括如下：

控制线，辅助供给接线，高压线和电源线，接地和电位均衡，系统的接线，过桥线连接。

1.3.8 客室门的3D工程设计

车辆制造厂主要设计客室门的连接接口，门的集成3D设计由门专业厂家完成。

1.3.9 贯通道的3D工程设计

贯通道的3D工程设计包括贯通道的上部、下部连接装置，中间回转盘的连接方式以及折鹏的固定方式。

1.3.10 管路的3D工程设计

车辆的管路3D设计主要有制动布管、撒沙布管、轮缘润滑布管。

1.3.11 转向架构架的3D工程设计

创建构架的3D工程模型、定义焊缝坡口、母材及焊接材料。

1.3.12 吊座的3D工程设计

一系和二系悬挂的安装支架；一系和二系垂向减震器的安装支架；与车体连接的横向减震器的安装支架；与车体连接的抗蛇形减震器的安装支架；限制转向架与车体相对运动的止档；用于曲线变化以及倾角的角度止档；轮对的垂向和横向止档；制动缸安装座；转向架和车体间的牵引装置安装座；轮缘润滑安装座。

1.3.13 布线、布管、接地设计

把以下内容的3D模型放置到车体和转向架3D模型上。

电源线布线；传感器和控制线的布线；接地电阻；制动系统布管；空气弹簧布管；轮缘润滑布管；轴端接地装置。

1.4 工程图设计

3D模型建立完成并评审后，开始设计工程图，2D工程图内容如下：

车体结构的2D图纸；创建车体结构的物料清单；转向架的2D图纸；创建转向架物料清单；外装/内装的2D图纸；创建外装/内装组装的物料清单；电气的ELCAD图纸；电气的物料清单。

1.5 强度计算

强度计算主要应用有限元法，现在我们常用的有限元软件有：ANSYS，WORKBENCH，ABQUS，MARC，STAND，FEPG等[3]。

1.5.1 车体结构的静态和疲劳计算

通过划分网格创建车的有限元模型；根据DIN 12663标准中的特定的负载情况表创建静态和动态负载情况；使用MSC.NASTRAN来计算车体的静态和疲劳载荷情况。

1.5.2 螺栓连接的计算

根据VDI 2230标准计算转向架、车钩等设备螺栓连接件的连接强度，计算是通过软件Mdesign的有限元分析来实现的。

1.5.3 转向架构架的静态和疲劳计算

使用HyperMesh计算网格来创建有限元模型；根据DIN EN 13749载荷规范创建静态载荷状况和疲劳载荷状况。使用软件MSC.NASTRAN计算整个转向架构架的静态和疲劳载荷。

1.5.4 转向架上的附件强度计算

下列装配件的静态和疲劳载荷需要计算：排障器；轴承箱；转向架与车体的连接件。

1.5.5 运行特性的多体动力学仿真（MBS）

使用SIMPACK软件做防脱轨的安全性、直线上的稳定性评估

1.5.6 车体结构的碰撞计算

根据DIN 15227标准创建两个碰撞场景。

碰撞场景1：相同的列车编组以15km/h的时速碰撞；碰撞场景2：以25km/h的时速撞上重量为3吨的刚体障碍物。使用LS-DYNA处理碰撞计算，包含可能的车体变体；使用LS-DYAN做最终碰撞计算的预处理。创建最终分析的文档；检查司机与旅客的生还空间。

1.5.7 机械测试

车体静强度测试通过施加纵向、垂向载荷，根据应变片检测的数据计算应力数据与有限元计算数据进行对比分析，评估车体安全性。

转向架构架对于静态和疲劳测试的实验方法，根据相应标准进行，如有必要也要进行脱轨测试实验。

1.6 电气设计

电气设计包括主电路设计、牵引供电设计、辅助供电设计及供电控制设计，软件设计包括TCMS系统及系统功能内部软件设计，系统功能设计包括空调、门、PIS、撒砂等功能设计，系统功能设计一般都是由车辆制造厂的供应商完成。

车辆电气设计从供电上，划分为牵引供电、辅助供电、供电控制设计，从线路控制上，主要分为硬线控制、软件控制，在车辆电气设计过程中，牵引供电要保证车辆运行中的牵引电机供电，辅助供电要保证各个系统配电部分的电源接入。

2 设计流程中存在的主要难点和解决对策

设计流程中最主要的困难来源于车辆的工业化设计和TCMS系统的设计，这两项设计需要经验和时间的积累才能实现。工业设计一般用犀牛软件来完成，需要工程技术人员长时间培训软件的使用和绘图技巧。TCMS系统的设计，需要西创公司提供计算机硬件和初级编程平台，同时需要各个车辆设备制造商提供设备信息通讯接口和逻辑关系。这项技术的掌握需要一个漫长的过程和实践的积累。需要有专门的试验人员实验西创硬件、软件及编程。是目前车辆制造厂最瓶颈的技术，不掌握TCMS系统的设计，就不能谈的上能够进行整车技术的合成。城轨车辆新兴投资厂，目前还不具备这方面的能力，单独开辟中国轨道车辆市场还面临着巨大的受人制约的尴尬处境，需要迅速筹备人力、物力攻克这两个技术难点。