□ 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,通過三維機械設(shè)計軟件和數(shù)字化平臺,雖然可以快速高效地進行整車數(shù)字化三維設(shè)計[1],但是無法親身體驗和掌控每一處設(shè)計的合理性。

模型車的生產(chǎn)制作可以彌補軟件的缺陷。模型車的作用是驗證設(shè)計結(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實體模型車可以充分展示車輛的實際效果,同時提前驗證新造項目在設(shè)計和工藝方面的合理性,及時發(fā)現(xiàn)制造、安裝、維護中的各種問題,為批量化生產(chǎn)清除技術(shù)障礙,降低批量化生產(chǎn)帶來的風(fēng)險[3]。

模型車制作的需求主要來源于軌道交通車輛用戶或新平臺的設(shè)計驗證,筆者對城市軌道交通模型車的制作進行研究。

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、制動設(shè)備、線纜管道等,制作周期約兩個月。

3 模型車制作主要影響因素

(1) 設(shè)計周期。國內(nèi)項目首列車交車周期通常為18個月,國外項目首列車交車周期為24～36個月不等,模型車應(yīng)在實車投產(chǎn)前完成驗收。

(2) 項目類型。通常包括新研發(fā)平臺車輛項目、增購車輛項目、改造車輛項目。

(3) 客戶需求或設(shè)計驗證范圍。根據(jù)實際項目的需求或所需要進行的設(shè)計驗證,確定具體的物料范圍。

(4) 啟動節(jié)點。根據(jù)項目風(fēng)險評估,應(yīng)盡可能早開始物料生產(chǎn)工作。

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

在制作模型車時,應(yīng)考慮上述影響因素,選擇適當?shù)姆桨敢云ヅ漤椖恐芷凇?/p>

4 城市軌道交通項目模型車制作現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)

由于項目時間緊張,出于模型車成本控制,城市軌道交通項目模型車通常以內(nèi)裝模型車為主。國內(nèi)城市軌道交通項目從合同簽訂到首列車交付的周期通常為18個月,其中設(shè)計周期為8～10個月,車體部位的設(shè)計周期更為緊張。以鋁車體為例,大斷面鋁型材斷面圖往往要求在設(shè)計開始后的6～7個月確定投產(chǎn),車體的整車圖紙也需要在之后的一個月進行歸檔,緊接著進行車體部位的首列車投產(chǎn)工作。此時,內(nèi)裝設(shè)備及電氣等剛進入裝配圖紙歸檔階段,以此為節(jié)點的模型車制作,幾乎與車體投產(chǎn)工作同步推進。由此,國內(nèi)城市軌道交通項目模型車制作往往用于驗證乘客界面工業(yè)設(shè)計效果、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、制造、質(zhì)量保證能力,并不注重車體接口的驗證,只需要車體外形尺寸與設(shè)計一致即可。在模型車驗收后,需要對圖紙進行修改,對首批物料進行整改,存在一定的風(fēng)險和損失。

4.2 國外

國外城市軌道交通項目首列車交車周期通常為24～36個月,相對于國內(nèi)項目,具有更長的設(shè)計周期。國外城市軌道交通項目通常在系統(tǒng)設(shè)計結(jié)束后開始制作全尺寸部分模型車,采用與真車一致的車體,車外可見附件,如前端、導(dǎo)流罩、防爬器、車鉤等均安裝齊備。采用實物形式安裝,車輛內(nèi)部采用真實部件,并按照實車接口方式進行組裝,驗證乘客界面工業(yè)設(shè)計效果和材料選擇的正確性。底架存在較多的電氣、制動設(shè)備布置,與車體存在較多接口,通過制造底架模型,單獨驗證車下設(shè)備是否存在部件干涉,布置是否合理等[4]。模型車驗收完成后,對歸檔圖紙完善,進行首列車投產(chǎn)。通過模型車的驗證,可以減少首批實車物料的更改風(fēng)險和損失。

5 城市軌道交通項目模型車制作分析

5.1 國內(nèi)

國內(nèi)城市軌道交通項目通常首列車交付周期為18個月,其中設(shè)計周期為8～10個月,模型車主要驗證乘客界面工業(yè)設(shè)計的效果和材料選擇的正確性[5-6]。國內(nèi)城市軌道交通項目中,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,通過鋼梁、蒙皮組合的形式制作,C形滑槽、支架等小件通過焊接方式,位置與實車保持一致。前端、導(dǎo)流罩、防爬器、車鉤等車外可見部件采用玻璃鋼、碳鋼或木質(zhì)等其它材質(zhì)代替制作模型[8]。模型車內(nèi)部采用真實部件,按照實車的接口方式裝配。在項目正常執(zhí)行的情況下,模型車與首列車的生產(chǎn)進度如圖1所示。

圖1 國內(nèi)城市軌道交通項目模型車與首列車生產(chǎn)進度

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

(1) 在詳細設(shè)計階段之前,確定車輛工業(yè)設(shè)計方案。

(2) 方案設(shè)計結(jié)束后,在承受一定風(fēng)險的情況下,與詳細設(shè)計同步開展模型車車體制作與標準件采購工作。

(3) 選用具有相同安裝接口的車體型材,驗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)有的庫存材料進行車體加工和組焊[9-10]。在三維設(shè)計結(jié)束后,對車體上的部件安裝接口進行加工。

(4) 對現(xiàn)有車體工裝進行改造,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部件,縮短部件制作周期,同時驗證模型車底架滑槽、安裝孔等接口。

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

優(yōu)化后的國內(nèi)城市軌道交通項目模型車與首列車生產(chǎn)進度如圖2所示。上海全自動無人駕駛軌道交通15號線模型車如圖3所示。通過優(yōu)化后的模型車制作流程,提前實現(xiàn)了對車體及設(shè)備所有內(nèi)外部接口、尺寸、基本功能的驗證,對首列車及后續(xù)批量車生產(chǎn)具有重要意義。

圖2 優(yōu)化后國內(nèi)城市軌道交通項目模型車與首列車生產(chǎn)進度

圖3 上海軌道交通15號線模型車

5.2 國外

國外城市軌道交通項目的設(shè)計周期與國內(nèi)項目存在較大差異。國外城市軌道交通項目通常在方案設(shè)計階段已經(jīng)完成車輛各個系統(tǒng)的設(shè)計方案,車體的安裝接口也已經(jīng)確定,并且得到用戶批準,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)的可見部件,實現(xiàn)部分電氣功能。

為了驗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、焊接方式與實車不同,采用簡化方式,僅保留車輛內(nèi)部部件的安裝接口位置和形式與實車一致,主要用于車體與內(nèi)部部件安裝接口的驗證。內(nèi)裝模型車是目前國內(nèi)城市軌道交通項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、部件采用與實車一致的結(jié)構(gòu)和形式,除了驗證車輛內(nèi)部各部件安裝接口外,還用于驗證車體零件連接形式、工裝合理性、大部件組焊等。國外城市軌道交通項目通常要求模型車進行碰撞試驗、車體強度試驗,完成之后開始投產(chǎn)車體。車體的設(shè)計驗證周期較長,并且試驗完成之后就是正式車輛投產(chǎn),沒有足夠的時間對車體主體鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部安裝接口進行驗證。加之在用于車體碰撞和強度試驗的車體接口生產(chǎn)制作中,已對大部分主體鋼結(jié)構(gòu)進行了驗證,因此國外城市軌道交通項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、焊接方式與實車不同,采用簡化方式,車體內(nèi)外部部件的安裝接口位置和形式與實車一致,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證。對于整車模型車,應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計和車體三維設(shè)計完成之后,立即開展模型車簡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。

與國內(nèi)項目對比,國外城市軌道交通項目模型車制作存在四方面區(qū)別。

(1) 設(shè)計周期。模型車啟動節(jié)點通常為方案設(shè)計結(jié)束后,此時制作模型車,對整車車體的部分接口進行驗證,主要包括車體主體鋼結(jié)構(gòu)、車體內(nèi)部安裝滑槽等。國外城市軌道交通項目模型車與首列車生產(chǎn)進度如圖4所示。

圖4 國外城市軌道交通項目模型車與首列車生產(chǎn)進度

(2) 需求與功能。車輛合同中詳細描述了模型車的制作需求和各部件功能。

(3) 車體材質(zhì)。實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,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制作簡易的車體鋼骨架。

(4) 車體強度。國外城市軌道交通項目車體強度要求較高,一般要求在車體碰撞試驗和強度試驗完成后才能開始實車投產(chǎn)。通常情況下,車體圖紙歸檔晚于模型車啟動節(jié)點,模型車制作時可以僅驗證車體與裝配部分的接口。如要在模型車制作時驗證實車車體結(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。

針對國外城市軌道交通項目設(shè)計周期較長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)計階段完成鋼主體結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計,模型車的車體結(jié)構(gòu)與實車一致,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的氬弧焊,提高模型車車體的可操作性。

(2) 在方案設(shè)計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證內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備安裝接口與工業(yè)設(shè)計效果,能有效減少首列車安裝時的問題,但車體內(nèi)外部接口沒有得到完全驗證,首列車生產(chǎn)時依然有較多生產(chǎn)問題。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)盡可能多地驗證車體鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外部接口。通過制作全尺寸完整模型車,可以對車體內(nèi)外部接口進行充分驗證。

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

6.1 車體工裝準備

在現(xiàn)有平臺化工裝基礎(chǔ)上,對組焊、組成工裝進行改造,適應(yīng)新項目的焊接要求。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)問題。

6.2 車體設(shè)計

車體底架、側(cè)墻、車頂、端墻的大部件應(yīng)盡量采用以往平臺項目的鋁型材、鋁板等進行拼焊、組焊,形成相同的型材接口形式。焊接時,車體內(nèi)部的長焊縫采用手工焊。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)約制作時間和成本。車體內(nèi)外的C形滑槽可以通過型材焊接或鉚接至車體,確保安裝接口尺寸與實車一致。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。司機室面罩采用玻璃鋼制作,滿足曲面易成型的特點。

6.3 內(nèi)部裝飾

模型車在車內(nèi)可見的內(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、司機室內(nèi)裝件,這些部件均為真實產(chǎn)品,且均要安裝,接口要求與實車結(jié)構(gòu)保持一致。

6.4 車內(nèi)設(shè)備

車內(nèi)所見設(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)按照實車結(jié)構(gòu)與部件進行安裝。在多扇車門中,設(shè)置一兩扇車門為實車結(jié)構(gòu),為車門安裝門機構(gòu)及其它附件,實現(xiàn)電動開閉功能。其余車門采用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)門板來代替。

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)備采用實車部件及木質(zhì)件元器件,用于驗證布局的合理性。乘客信息系統(tǒng)、照明系統(tǒng)的各部件均需要按照實車結(jié)構(gòu)與部件進行安裝,并且需要保持與實車一致的接線,保證各功能的實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^模型車對攝像頭的視野效果進行校核。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、司機室監(jiān)控屏、廣播控制盒、揚聲器、車內(nèi)外信息顯示器、動態(tài)地圖、車內(nèi)電視、攝像頭、乘客緊急對講裝置等,照明系統(tǒng)的主要設(shè)備有客室燈具、平頂板頂燈、頭尾燈、運行燈、電源模塊等。

6.6 空調(diào)系統(tǒng)

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

6.7 底架制動設(shè)備與電氣設(shè)備

底架制動設(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。如制動部分的管件都要進行拉絲拋光處理,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)要制作與實物大小相等的模型體,檢查實物拿出、放進是否方便。

6.8 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架構(gòu)造簡單,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)過噴漆后,很難看出是木材制作的。

7 結(jié)束語

筆者對城市軌道交通模型車的制作進行了研究,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)計和制造的溝通橋梁,將工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實物模型,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,并可以對功能設(shè)計方案進行可行性驗證,在首列車和批量生產(chǎn)之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)風(fēng)險,及時改進設(shè)計方案,縮短生產(chǎn)周期,降低項目變更成本。模型車還可用于后期展示和教學(xué),并用于對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。