结合实例浅谈地铁工程车的设计优化

姚杰

摘要：轨道工程车的广泛应用，提升了设计优化的需求。以某平台化车型使用和检修时的问题实际，从方案分析出发，系统思考优化变更差异，完成技术设计，到施工验证的全过程进行介绍，为工程车设计优化工作提供参考。

关键词：工程车;设计优化;设备布置;计算分析;接口管理

0  引言

根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中关于鼓励开发使用节能环保和新型能源，建设资源节约型社会的要求，满足地铁限界要求且自带装机牵引功率容量自带大容量储能的蓄电池工程车越来越多的被应用在各个城市，作为城市轨道交通的“保姆”，轨道工程车功能多样，用于段内调车、正线救援，牵引特殊用途车辆等。为了满足多样化需求，中车株洲电力机车有限公司搭建了基于电源制式、总体结构的地铁工程车平台，制造了中央司机室双外侧走廊、双端司机室中间内走廊、单端司机室双外侧走廊及多流制混合动力的双端司机室等多样式工程车。

本文以某台ZER3型工程车为例，针对原平台车型设计中信号柜线缆检修不便和遮挡司机前方观察视野的问题，按照案例简介、需求分析、方案分析、技术设计、施工设计和装车验证的顺序，说明设计优化的过程方法。

1  案例简介

该案例属于成熟的ZER3型平台地铁工程车的某城市车型，主要特征是中央单司机室、双外侧走廊布置，轴式B0-B0，司机室I、II端前方走廊围绕在牵引蓄电池柜周围，牵引蓄电池可储存电能，为工程车在无电网区间提供牵引动能。车体结构复杂，按照布置可以划分为两侧走廊、司机室间、蓄电池柜共三部分（图1）。

司机室内空间尺寸（长×宽×高）为2670×2550×2050mm，空间利用率高，司机室内设备布置紧凑，布置有两座操纵台、信号柜、开关柜、司机座椅、添乘座椅、灭火器和暖风机等。其中信号柜是用于安装机车监控、信号等系统主机的专门屏柜。信号柜柜体通过顶部的吊环螺钉座进行起吊，通过底架的安装座与机车进行安装，前门是一扇合页开关的门，整体并不完全封闭，拥有开放式底部用于线缆进出。ZER3型工程车无专门放置屏柜的机械间，且信号柜需要常被操作或查看，通常会安装在司机室内（图2、图3）。

2  需求分析

原车型的信号柜安装位于司机室内，右侧紧挨I端操纵台左侧，见图3，柜体右侧上部设置开关，便于司机观察、操作。

经过反馈，发现布置主要有两个问题。

问题一：为保障安全，司机室前进方向的两端均设置有观察玻璃，确保司机视野宽阔，在座椅上能看能瞭望前方线路，信号，接触网和站台等，但信号柜第三方设备数量和尺寸超出计划，导致当时设计的信号柜高度明显偏高，遮挡了I端操纵台左侧玻璃;

问题二：设备数量多，柜内线缆量增加，需要柜内左、右两侧走线。根据信号柜检修手册中各修程，需要打开拆卸左、右侧门板检查线缆、接头连接、螺栓松动等，而右侧紧挨操纵台无法打开。若设备故障需计划外维修，可能也需要吊起信号柜检修。

为使设备易于维修，必须避免柜体左右紧挨其他柜体，需要在做司机室设备布置规划时留出左右操作空间;而为防止视野侵占，信号柜不能放置在前窗玻璃旁。两个问题解决的办法都是进行安装位置的优化设计，重新安装和布线。

3  方案分析

方案分析是依据需求分析的要求，制订总体及各子系统初步技术方案，以及初步的分析计算，初步识别并提出拟采用新技术、新材料、新工艺的创新点。

选择新的安装位置，必须要确保信号柜的前面板面朝司机，便于司机操作，再根据检修文件修程，例行檢查要检查柜内各个设备的接线口和设备安装螺栓，所以其左侧和右侧围板要有可拆卸的空间。为进一步识别选定新位置的对车辆设计方案的差异影响，协同制动管路设计、整车布线设计、车体结构设计和整车重量设计人员对位置变化产生的影响进行系统分析。分析结果主要有：新位置底部有管路经过，底部进出线缆需要注意避让，以免路径重合。

①线缆必须从司机室底部线槽重新打开缺口出去，穿进软管达到信号柜底部地板，在地板开孔后，从软管中穿出，达到信号柜;

②地板开孔需要考虑结构强度，位置不得与车体底部的加强梁和设备安装支架重合，开孔范围不得超出信号柜柜体底部截面;

③除此之外，作为车辆总体设计，还需要考虑设备移动对整车重量、牵引、制动性能参数、防火，EMC，噪声等的影响。

4  技术设计

技术设计是在方案设计阶段基础上的进一步细化，明确详细方案及相关分析、计算，拟采用新技术、新材料、新工艺的验证和确认。

从检修尺寸需求考量，信号柜位置必须满足以下要求（表1）：

可供一人站立的依据在于，中国人普遍鞋码39～44码，即24.5～27cm，鞋边拟定长度为280mm;可供一人半蹲的依据来自于实际测量，拟定长度500mm。信号柜底边外边界尺寸620×680mm，由此可将信号柜底面连带检修空间共同绘制成一个1120×960mm的长方形，在司机室平面图上选择空白区域放置这个长方形。需要注意，如果放置在司机室前进方向两端，则会遮挡前窗视野，因此只能选择侧墙边缘或中央。同时，侧墙的暖风机、添乘座椅和灭火器体积小、重量轻、线缆少，容易安装、布置，可暂时从图中抹去，等信号柜确定位置后，再进行放置，限于篇幅后文不再使用篇幅说明。

通过在平面图上对信号柜及其所需检修空间的虚拟安装，可产生新位置方案（图4），绿色马赛克区即信号柜安装底面与检修尺寸。

技术设计需确定整个车型和各大部件的总体技术方案，完成机车总体及各部件的技术设计说明书、总图、主要零部件草图等工作，完成评审。针对平台车型，经由方案分析识别出差异性的部分需要重新计算，并进行评审确认，识别认定无差异的部分可以沿用平台设计。

此阶段执行的重点在于接口管理。接口分为外部接口和内部接口，在确认信号柜新的安装位置后，研发人员内部要分专业分别提出机械和布线新的接口需求。接口文件由项目助理管理，协助接口提出、接收方识别质量隐患，协调干涉问题等。内部接口为各专业设计组之间的接口，所有内部接口应以《设计接口通知书》的形式执行，并有提出人、接受人和确认人（设计经理、总体主管、接口双方主管设计）签字。

信号柜移动的变更，主要是线缆布线接口和机械安装接口。布线需要车体进行地板切割开孔、焊接布线辅料。机械安装需要车体焊接新的设备安装底座，取消原位置底座。布线设计目的是在布线设计人员与信号柜设备供应商签署了外部接口合同后，清楚了信号柜所需布置的线缆数量、种类、连接方式、尺寸等信息，为线缆提供一个符合《机车布线设计技术规范》、《TB/T 1507-1993 机车电气设备布线规则》、《TB/T 3153-2007 铁路应用-机车车辆布线规则》、《EN 50343：2014 铁路应用-机车车辆-布线规则》等企标、铁标、国标、国际标准等设计标准的布线环境，然后选择符合产品标准的线缆、接头、连接器等材料，根据电气原理图进行布线施工，从而实现可靠的供电、通信和控制。机械安装接口同样也需要满足各类标准，企标、欧盟标准（EN）、国际铁路联盟标准（UIC）、国际标准化组织标准（ISO），如果产品销往欧盟，还需要考虑欧洲铁路互联互通技术规范（TSI）等。

根据实际承载电压、功率等级或用途，可将线缆分为四类：主电路、辅助电路、控制电路和信号线缆，信号柜设备线缆除柜内设备主机电源供电线属于辅助电路，其余均属于控制电路和信号电缆，为尽量减少车用电线电缆的种类和规格型号，对于同一种类的电线，使用公司统型化的电缆，对于设备自带线，由设计人员与設备制造商联系获得线缆信息，可确定信号柜所有电缆外径（表2）。

平台工程车常用的车外线缆保护方案是使用快速软管接头和电缆保护软管，两者螺纹尺寸配套，用于车外电缆的密封防水保护。盖板是带有圆形开孔的金属板，可用螺母、螺栓、平垫和弹垫与地板牢固安装。软管接头旋进盖板，线缆随之穿过盖板进入车内。信号柜底部地板处应开孔、焊接螺柱以便安装金属盖板和过线。为保证密封可靠，软管接头的外螺纹尺寸直径加0.5mm为盖板所需开孔的直径，如选用M20的公制软管接头，则对应开孔直径为20.5mm，接头内螺纹14.5mm，可套紧17mm的软管。短螺纹的软管接头一般用于连接器处，长螺纹的一般用于穿线盖板处。

以M20接头匹配M17软管为例，探究所需软管数量的过程（图5）。

计算经取整，所需尼龙软管数量为5根，理论上可满足承装信号柜进出线缆。但实际这些线缆中，一部分控制线连接到低压柜、另一部分控制线连接到操纵台，剩余八根多芯信号线连接至车顶前端、车顶后端、车底一位转向架左、二位转向架右等不同位置设备终端，并不能完全套在一根软管内，而是一根多芯电缆占用一根软管。补充这方面的考虑，将所需软管数量修正，确定布线要使用的总数为11根，留备用1根，因此信号柜底部需要安装一块能装12根软管接头的盖板。按照这个思路，也可以计算得到所需盖板的面积和地板开孔面积，完成接口文件。

5  施工设计和试装验证

根据接口文件的要求，接收方为信号柜的新安装位置焊接安装底座，为布线盖板的安装焊接紧固螺栓，为线缆进出准备足够大小的开口等，这些需求的实现是通过相应设计人员绘制正确、完整的设计图纸，并通过校核、主管审批、工艺审批、标准化审批和领导批准，归档至档案存储并发送到各子部件制造商。为了下一阶段的生产试制，需要整理、编制整车各类目录、明细表和汇总表。完成施工设计后，各项采购开始进行，供应商按照新图纸制作的产品交付前，需要进行首件检查，已确认满足设计需求。而主要的车体结构完成后，就可以试装信号柜并布线，优化设计方案得到施行和验证。

6  结语

工程车交付到客户后，可维护性直接决定维修难度、影响运用成本，只有产品易用、易维护才有可能得到用户的喜爱，科学设计十分重要。

根据“十三五”规划，我国计划新建城市轨道交通里程3500公里左右，即到2020年末，全国城轨交通运营线路7000公里左右，相当于在五年内将前50年城市轨道交通运营里程翻番。地铁运营里程增加，未来工程车应用需求还将提升。设计师要从用户的真实场景出发，发掘优化项点，把用户便利当成必要的功能来开发，从采购合同、用户反馈等渠道中识别需求，立足平台，既要牢牢把握成熟经验确保安全可靠，又要勇敢创新，守住严谨系统思考原则，遵守规范有序的设计流程规范，做好优化设计工作。

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