城軌車設計流程技術研究

王思宇，王野平

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

0 引言

鐵路是國家的重要基礎設施，是我國主要運輸方式，在國民經濟中起著非常重要的作用[1]。我國鐵路行業近幾年發展勢頭迅猛，截至年底，我國列車中機車的保有量已經達到19000輛，其中電力機車大約為7030輛，占總量的37%[2]。國內除中車外先后有近10家企業投入到城市軌道車輛產品的研發制造中，這些新興投資主體起步晚，不受過去流程的限制，可以快速建立一個規范化的設計流程，與世界先進城軌車輛設計技術接軌。

1 城軌車設計流程技術研究

城軌車設計一般需要經過以下設計流程：

1.1 用戶需求分析

城軌車用戶首先對車輛各個系統、線路條件、車輛裝備與鐵路信號之間的關系提出詳細要求，車輛制造商據此定義車輛的尺寸、重量、系統功能、電氣及機械接口，制定自己制造部分和協作制造部分的分工，組建團隊開始正式設計。

1.2 工業設計

通過工業設計，確定車輛產品的外觀、內飾、車內外照明、座椅及扶手、HVAC、司機室布置、門窗布置、車輛連接形式等所有信息，是車輛各系統設計的基礎，工業設計一般使用犀牛軟件來完成。良好的工業設計，可以大大節約設計周期和提高設計質量。圖1是車輛外觀的工業設計方案比較。

圖1 車輛外觀工業設計方案比較Fig.1 A comparison between vehicle exterior industrial design schemes

1.3 3D機械設計

1.3.1 車體3D設計

（1）車體主結構的3D設計。車體主結構的3D設計分為：車體整體，底架，左/右側墻，車頂，端墻，焊接、鉚接、粘接技術的選擇。

（2）固定車載設備所用焊接零件固定點的3D設計。車載設備根據車體主結構進行焊接連接件的設計，以下系統均需要在車體主結構上焊接零部件進行固定，這些焊接零部件的設計來源于車載設備供應商的信息和車體3D模型。

1.3.2 外裝的3D設計

外裝3D設計包含下列部件：左/右外側墻，前端結構，車頂上部外結構，尾部結構，旅客到站信息顯示。

1.3.3 內裝的3D工程設計

內裝的3D設計包含下列部件：左/右內側墻，車頂內結構，內室照明，絕緣，門區，集成車窗，加熱地板。

1.3.4 設備接口的3D工程設計

座椅扶手、揚聲器、轉向燈、消防/急救設備、視頻監控、乘客信息系統、對講系統與車輛接口的固定方式的3D設計。

1.3.5 司機室的3D工程設計

司機室的3D主結構設計包含以下內容：內裝側墻，檢修口，地板，司機室端墻包括司機室門，司機臺，電氣柜。

司機室與設備的接口設計包括如下內容：擋風玻璃，，揚聲器/麥克風，遮陽板，天線，外部攝像頭，內室照明，司機座椅，雨刮器，車內后視鏡，警鈴。

1.3.6 空調系統（HVAC）的3D工程設計

空調系統包括司機室空調和客室空調兩種，3D設計主要是設計風道、風口緊固方式、空調設備的固定、溫度傳感器的安裝。

1.3.7 布線的3D工程設計

布線的3D設計包括線纜、線纜固定夾在車上的位置和連接方式，線纜主要包括如下：

控制線，輔助供給接線，高壓線和電源線，接地和電位均衡，系統的接線，過橋線連接。

1.3.8 客室門的3D工程設計

車輛制造廠主要設計客室門的連接接口，門的集成3D設計由門專業廠家完成。

1.3.9 貫通道的3D工程設計

貫通道的3D工程設計包括貫通道的上部、下部連接裝置，中間回轉盤的連接方式以及折鵬的固定方式。

1.3.10 管路的3D工程設計

車輛的管路3D設計主要有制動布管、撒沙布管、輪緣潤滑布管。

1.3.11 轉向架構架的3D工程設計

創建構架的3D工程模型、定義焊縫坡口、母材及焊接材料。

1.3.12 吊座的3D工程設計

一系和二系懸掛的安裝支架；一系和二系垂向減震器的安裝支架；與車體連接的橫向減震器的安裝支架；與車體連接的抗蛇形減震器的安裝支架；限制轉向架與車體相對運動的止檔；用于曲線變化以及傾角的角度止檔；輪對的垂向和橫向止檔；制動缸安裝座；轉向架和車體間的牽引裝置安裝座；輪緣潤滑安裝座。

1.3.13 布線、布管、接地設計

把以下內容的3D模型放置到車體和轉向架3D模型上。

電源線布線；傳感器和控制線的布線；接地電阻；制動系統布管；空氣彈簧布管；輪緣潤滑布管；軸端接地裝置。

1.4 工程圖設計

3D模型建立完成并評審后，開始設計工程圖，2D工程圖內容如下：

車體結構的2D圖紙；創建車體結構的物料清單；轉向架的2D圖紙；創建轉向架物料清單；外裝/內裝的2D圖紙；創建外裝/內裝組裝的物料清單；電氣的ELCAD圖紙；電氣的物料清單。

1.5 強度計算

強度計算主要應用有限元法，現在我們常用的有限元軟件有：ANSYS，WORKBENCH，ABQUS，MARC，STAND，FEPG等[3]。

1.5.1 車體結構的靜態和疲勞計算

通過劃分網格創建車的有限元模型；根據DIN 12663標準中的特定的負載情況表創建靜態和動態負載情況；使用MSC.NASTRAN來計算車體的靜態和疲勞載荷情況。

1.5.2 螺栓連接的計算

根據VDI 2230標準計算轉向架、車鉤等設備螺栓連接件的連接強度，計算是通過軟件Mdesign的有限元分析來實現的。

1.5.3 轉向架構架的靜態和疲勞計算

使用HyperMesh計算網格來創建有限元模型；根據DIN EN 13749載荷規范創建靜態載荷狀況和疲勞載荷狀況。使用軟件MSC.NASTRAN計算整個轉向架構架的靜態和疲勞載荷。

1.5.4 轉向架上的附件強度計算

下列裝配件的靜態和疲勞載荷需要計算：排障器；軸承箱；轉向架與車體的連接件。

1.5.5 運行特性的多體動力學仿真（MBS）

使用SIMPACK軟件做防脫軌的安全性、直線上的穩定性評估

1.5.6 車體結構的碰撞計算

根據DIN 15227標準創建兩個碰撞場景。

碰撞場景1：相同的列車編組以15km/h的時速碰撞；碰撞場景2：以25km/h的時速撞上重量為3噸的剛體障礙物。使用LS-DYNA處理碰撞計算，包含可能的車體變體；使用LS-DYAN做最終碰撞計算的預處理。創建最終分析的文檔；檢查司機與旅客的生還空間。

1.5.7 機械測試

車體靜強度測試通過施加縱向、垂向載荷，根據應變片檢測的數據計算應力數據與有限元計算數據進行對比分析，評估車體安全性。

轉向架構架對于靜態和疲勞測試的實驗方法，根據相應標準進行，如有必要也要進行脫軌測試實驗。

1.6 電氣設計

電氣設計包括主電路設計、牽引供電設計、輔助供電設計及供電控制設計，軟件設計包括TCMS系統及系統功能內部軟件設計，系統功能設計包括空調、門、PIS、撒砂等功能設計，系統功能設計一般都是由車輛制造廠的供應商完成。

車輛電氣設計從供電上，劃分為牽引供電、輔助供電、供電控制設計，從線路控制上，主要分為硬線控制、軟件控制，在車輛電氣設計過程中，牽引供電要保證車輛運行中的牽引電機供電，輔助供電要保證各個系統配電部分的電源接入。

2 設計流程中存在的主要難點和解決對策

設計流程中最主要的困難來源于車輛的工業化設計和TCMS系統的設計，這兩項設計需要經驗和時間的積累才能實現。工業設計一般用犀牛軟件來完成，需要工程技術人員長時間培訓軟件的使用和繪圖技巧。TCMS系統的設計，需要西創公司提供計算機硬件和初級編程平臺，同時需要各個車輛設備制造商提供設備信息通訊接口和邏輯關系。這項技術的掌握需要一個漫長的過程和實踐的積累。需要有專門的試驗人員實驗西創硬件、軟件及編程。是目前車輛制造廠最瓶頸的技術，不掌握TCMS系統的設計，就不能談的上能夠進行整車技術的合成。城軌車輛新興投資廠，目前還不具備這方面的能力，單獨開辟中國軌道車輛市場還面臨著巨大的受人制約的尷尬處境，需要迅速籌備人力、物力攻克這兩個技術難點。

3 結論

（1）規范化的城軌車設計流程一般需要經過用戶需求分析、工業設計、機械3D設計、機械2D設計、機械設計強度計算和試驗、牽引供電設計、輔助供電設計、供電控制設計、系統控制硬線設計、程序軟件設計（TCMS）等基本流程。

（2）工業設計、程序軟件設計（TCMS）是設計流程中的兩個主要難點，是車輛制造企業最先需要解決的技術問題。

（3）工業設計、程序軟件設計（TCMS）不是一個不可以解決的問題，硬件設施可以購買到，軟件的基礎平臺已經在硬件供貨中完成，軟件的搭建只是需要技術團隊的試驗攻關來完成。