基于CATIA的動車組電氣系統三維布線工藝應用研究

文強 董力群 趙婷婷

基于CATIA的動車組電氣系統三維布線工藝應用研究

文強 董力群 趙婷婷

以高速動車組整車電氣系統線束敷設為對象，結合在電氣布線工藝中的操作實踐，闡述基于CATIA的三維電氣布線工藝流程、關鍵問題解決方法和注意事項，并提出符合動車組生產要求的三維電氣布線規則。驗證了動車組運用三維技術進行電氣布線工藝的可行性，提高了電氣布線工藝的信息化和智能化程度，可以更高效地指導生產制造。

動車組；電氣系統；布線工藝；CATIA

目前高速動車組電氣系統的布線工藝從設計到制造，信息化程度相對較低，所有信息主要是通過二維層面來展現，主要的設計工具是AutoCAD，圖紙大多以CAD圖紙等形式進行編制，使用2D AutoCAD進行平面電氣圖紙設計。這種設計方式的缺點在于空間的布置只能依靠人腦的想像能力和工作經驗，容易造成實際生產裝配中的干涉或無法通過的問題，在制造源頭上就產生不少困難，而且效率低，易出錯。因此，為了提升電氣配線工藝水平，可靠、高效的三維電氣設計生產勢在必行。

1 CATIA電氣設計模塊

商業化的三維立體布線軟件很多，如Pro/E、UG、Solid Works等軟件都已應用非常廣泛[1-2]。CATIA是達索公司用于虛擬產品的設計軟件，功能強大，擁有完善的電氣系統設計解決方案。它提供的電氣設計模塊被廣泛應用于航天、汽車、船舶等領域[3]的電氣系統設計和虛擬裝配制造之中。

CATIA電氣設計模塊組成如下：

（1）電氣零部件庫（Electrical Library，ELB）。包括電氣裝配設計（Electrical Assembly Design，EAD)、電氣零件設計（Electrical Part Design，EPD）2個模塊，用于對三維實體添加電氣屬性。

（2）線束敷設（Electrical Harness Installation，EHI）。包括線束預組（Electrical Harness Assembly，EHA）、線束安裝（Electrical Harness Installation，EHI）2個模塊，用于進行電氣線束物理形狀設計[4]。

（3）電線路徑定義（Electrical Wire Routing，EWR）。結合邏輯電線信號與EHI中定義的線束進行電線的實際敷設。

（4）電氣線束展開（Electrical Harness Flattening，EHF）。對設計完成的電氣線束進行平面展開。

2 三維布線工藝設計

2.1 三維布線流程

根據CATIA電氣設計各組成模塊的功能，結合高速動車組的結構、各電氣系統的分布、線束回路特點，基于CATIA的電氣布線三維工藝設計基本流程見圖1。

2.2 前期準備

首先，在進行三維布線設計的準備階段，應熟悉和了解設計結構與配線線路之間的關系，結合線束布局的特點，建立配線的機械模型，即車體、線槽、電線支架、電氣設備等的機械外形構造，并根據設計圖紙尺寸準確裝配，搭建起三維布線的機械環境（見圖2、圖3）。

其次，根據設計圖紙的明細，建立所需要電氣零部件的3D外形，包括各種型號連接器、插頭、端子之類的電氣零件，再利用EPD模塊進行電氣零件的類型定義，也就是給普通的三維實體加上電氣屬性，存入Catalog建立電氣零件庫，為后續工作打好基礎，使用時再從Catalog中直接調用即可（見圖4）。

圖1 三維布線基本流程

圖2 動車組車體三維模型

圖3 車下線槽三維機械模型

2.3 線束敷設

2.3.1 線束分類

根據現車配線工藝要求，結合現車結構特點、線束布置特點，為使三維布線更規范化和系統化，要將線束分類。可采用的線束分類有多種形式。

圖4 電氣零件庫

（1）按系統分類。可劃分為主回路、低壓控制回路系統、影視系統、廣播系統、煙火系統、照明系統等，結合各自的配線布置特點，分別繪制。

（2）按部位分類。可劃分為車頂部分、車內配線、車下配線和轉向架配線部分。車內又可劃分為一位端部配線、客室頂板、二位端部配線、地板中配線、組合配電盤、終端裝置、司機室配線等；車下可劃分為一位側高壓、二位側低壓、設備分支線配線及特高壓配線等。

（3）按設備分類。按設備分類就比較細，需挑選有代表性的部分設備，如包括車下的一些大型設備（牽引變流器、制動控制裝置、輔助整流器箱、高壓接線箱、空調設備等），還有客室內的組合配電柜、司機室操縱臺及邊柜等。

2.3.2 創建線束總成

進入EHI模塊。根據線束的劃分，用Geometrical Bundle命令創建相應的PRODUCT，用以存儲不同類別的線束，并根據系統劃分分別進行命名，后續本類別線束的布置都在對應的線束PRODUCT下進行。線束的幾何信息都存放在此節點下，同時用到的接線端子、連接器等也都加在此節點下，線束總成即創建完成。

2.3.3 線纜設置

線束段的敷設有2種，Multi-branchable Document命令為多分支線束設計，當布線過程中需要向外分支時選用此命令定義線束；Bundle Segment命令為單線束段設計命令，不能增加分支線。

激活要進行線束敷設的線束系統名稱，根據實際情況使用上述兩者之一的線束設置命令進行單線束段定義（Bundle Segment Definition）的設置，輸入分線段的名稱、直徑、彎曲半徑、松弛度等信息參數，然后點擊線束路線定義（Route Definition）選項，設置線段的起始設備、經由點、終止設備、線束方向等參數，線束敷設完成。

線束路徑上的經由點可以是創建的點，也可以是按Ctrl鍵在設備和背景上選擇的點。在Route Definition中還可以設置更多的參數，如去掉相切、扭轉切向、線束與支撐面相切、線束與支撐面保持一定距離等。

若使用Multi-branchable Document命令需要增加分支線束時，點擊Add Branch Point命令，選擇要添加分支的點的線束，選擇長度或是比率選項，輸入相應數值，在分支點處再定義分支線束。

在線束敷設過程中，經常會有將不同的線束分支在同一線束模型下，但兩線束分支確屬于不同系統，此時可采用轉移分支命令即可將分支移到對應的系統中。

2.3.4 干涉檢查及修正

完成線束敷設后，運用CATIA自帶的干涉檢查功能，對線束和其他設備之間進行檢查，可以及時發現錯誤，并進行改正。對干涉進行修改后，重復運行干涉檢查命令，直到干涉結果為零（見圖5）。

2.4 報表數據輸出

2.4.1 線束報告

線束鋪設完成后，根據實際需求，可以將電線的鋪設信息生成報告，包括線束的名稱、所屬系統類別、線徑、長度、起始及終端設備名稱等線束全面數據。

2.4.2 電氣線束展開

使用EHF模塊，將線束在平面展開，方便用戶對線束進行整理。進行線束展開前需先建立Product類型文檔，再進入EHF模塊，定義線束展開的參數。根據實際需要，可以選擇對全部線束展開，或僅展開一部分（見圖6）。

2.4.3 設計方案2D工程圖輸出功能

在3D模型完成基礎上，使用工程制圖模塊可進行平面工程圖的輸出，并且針對企業標準定制圖框等（見圖7）。

圖5 干涉檢查顯示

圖6 線束展開

圖7 平面工程圖

3 注意要點及原則

（1）考慮到質量平衡、電磁干擾等原因，高壓主回路布置在車下一位側，低壓干線回路在車下二位側。連接設備的線束從線槽分出，通過支架固定在車底橫梁上。在車下配置有設備的狀態下，由于沒有更多空間，必須在有限空間內進行配管與配線。以電線的最大外徑計算，電線槽內的空間占用率以60%為界限標準，穿入線管或線槽的電線電纜，外徑面積之和不應超過線管、線槽內孔橫截面積的70%（單根電纜除外）[5]。

（2）主回路的線纜線徑較大，多為200 mm2、150 mm2的電纜。考慮到空間結構有限，且有利于線束的固定和散熱，高壓線槽內的線纜布置方式為大線徑貫通線纜在下部、小線徑線纜在上部的排列方式。若大線徑線纜不是貫通線，是到中間設備的分支線纜，則置于線槽的兩側邊緣易于出線的位置。主回路線槽內布線見圖8。

（3）對從線槽中分線出來到各設備的分支線進行繪制時，在線束布置時就應首先考慮帶分支的線束不能置于線槽底部，否則不易出線；其次是要考慮線束的彎曲半徑能否滿足要求。當電纜外徑小于或等于20 mm時，彎曲半徑不應小于電纜外徑的3倍；當電纜外徑大于20 mm 時，彎曲半徑不應小于電纜外徑的5倍。在繪制時可以設定彎曲半徑作為檢驗參考，然后要注意橫梁線架的容量、位置能否滿足對線束的固定。

圖8 主回路線槽內布線

4 結束語

使用CATIA進行三維布線工藝設計的目的：通過三維數據仿真，及時發現設計中存在的問題并將其改進和優化，生成一系列用于指導生產的更精確的二維工藝數據，包括線束下料表、施工圖、線束下料實尺圖等。

通過給出的CATIA三維布線的流程和規則，驗證了動車組運用三維技術進行電氣布線工藝的可行性，提高了動車組電氣布線工藝的信息化和智能化程度，并可達到以下目的：

（1）通過三維效果，優化現車各系統線束的走線路徑，并測算出起始設備到終點設備之間線束的精確長度，減輕下料人員勞動強度，節約線束用料，降低勞動成本，同時能夠生成指導實際生產用的工藝資料，提高了生產效率和質量。

（2）根據三維數據結果，對現車的整車結構、線束布置等關系提前核對與計算，進行結構干涉檢查，對結構不合理的位置、容易出現線束干涉的線束集中位置等進行改進，能夠實現對現車線束布置的重新優化，減少實際生產制造過程中的返工和修改，更高效地指導生產制造。

[1] 安利全，鄭建明，王永振，等． 三維布線技術在工藝中的應用[J]． 航天制造技術，2009(3)：22-26．

[2] 王廣坤，陳永麗． 淺談三維布線軟件在汽車線束設計中的應用[J]． 裝備制造技術，2011(9)：85-87．

[3] 于曉明，曾紅艷，楊紹田．CATIA電氣布線技術在摩托車上的應用[J]． 摩托車技術，2012(11)：34-36．

[4] HB 7756．14—2005 基于CATIA建模要求 第14部分：線束敷設[S]．

[5] TB/T 3153—2007 鐵路應用機車車輛布線規則[S]．

文 強：南車青島四方機車車輛股份有限公司，助理工程?師，山東?青島，266111

董力群：南車青島四方機車車輛股份有限公司，高級工程?師，山東?青島，266111

趙婷婷：南車青島四方機車車輛股份有限公司，工程師，?山東?青島，266111

責任編輯盧敏

U266

B

1672-061X（2014）04-0054-04