地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺設(shè)計方法研究

任坤華 韓 鑫 張海柱 王晨曦 郭 恒

(1.中車工業(yè)研究院有限公司，100067，北京;2.西南交通大學機械工程學院先進設(shè)計與制造研究所，610031，成都∥第一作者，高級工程師)

轉(zhuǎn)向架是地鐵車輛的核心部件，直接影響到列車的牽引、制動、承載等性能。目前，地鐵轉(zhuǎn)向架研發(fā)面臨以下挑戰(zhàn):其一是如何快速響應客戶多樣化、個性化的需求;其二是如何提高零部件的重用率。針對上述兩個問題，目前學界與業(yè)界普遍采用產(chǎn)品平臺與產(chǎn)品族策略予以應對［1］。產(chǎn)品平臺是組成公共架構(gòu)的子系統(tǒng)及其接口的集合，在架構(gòu)基礎(chǔ)上可以源源不斷地派生出功能相似、性能不同的產(chǎn)品集合，即產(chǎn)品族［2］。產(chǎn)品平臺與產(chǎn)品族策略可以在不犧牲企業(yè)規(guī)模經(jīng)濟的情況下，盡可能地滿足客戶多樣化、個性化的需求，從而使企業(yè)獲取范圍經(jīng)濟效益［1］。國外的阿爾斯通公司、龐巴迪公司和西門子公司等知名企業(yè)，經(jīng)過多年來的發(fā)展和技術(shù)積累，建立了內(nèi)燃與電力機車產(chǎn)品平臺［3］。近年來，中國中車股份有限公司的各大主機廠，如中車青島四方機車車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、中車唐山機車車輛有限公司、中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司等都已開始關(guān)注軌道交通車輛產(chǎn)品平臺的建設(shè)［4］。

然而，目前我國軌道交通車輛產(chǎn)品平臺多采用穩(wěn)健設(shè)計思想進行構(gòu)建，產(chǎn)品平臺的組成元素主要是響應預定義需求的通用模塊集合。此外，產(chǎn)品平臺的研究多集中于模塊劃分與平臺元素識別［5］，而針對平臺模塊如何設(shè)計的研究還較為匱乏。因此，針對上述問題，本文定義了地鐵轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺的內(nèi)涵，并且提出了一套地鐵轉(zhuǎn)向架通用模塊與柔性模塊的設(shè)計方法，以提高企業(yè)響應多樣性、個性化客戶需求的能力。

1 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺定義

世界市場已從傳統(tǒng)穩(wěn)定型演變?yōu)閯討B(tài)多變型，企業(yè)的研發(fā)模式也相應地從大批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)镸C(大規(guī)模定制)方式。“模塊化”在21世紀初再次被提出并取得了較快的發(fā)展，其特點是將復雜系統(tǒng)化整為零進行處理，把高度困難的任務(wù)變得相對容易［6］。為平衡產(chǎn)品多樣性與成本之間的矛盾，產(chǎn)品平臺與產(chǎn)品族策略進一步被提出。該策略核心是構(gòu)建產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)，并基于主結(jié)構(gòu)不斷衍生新產(chǎn)品。產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)由通用模塊、定制模塊，以及配置機制3部分組成［7］。其中，通用模塊旨在幫助企業(yè)實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟效益，而定制模塊旨在滿足客戶定制化的需求，幫助企業(yè)實現(xiàn)范圍經(jīng)濟效益。定制模塊雖滿足了客戶多樣化的需求，但其定制成本往往較高、定制時間較長。為此，第3類模塊即柔性模塊被提出，它旨在通過參數(shù)化變型設(shè)計以較低的投資成本達到定制模塊的效果［8］。

柔性產(chǎn)品平臺由通用模塊與柔性模塊組成［8］。地鐵轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺的內(nèi)涵見表1。

表1 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺模塊內(nèi)涵Tab.1 Connotation of flexible product platform module for metro vehicle bogie

目前，學界已有大量關(guān)于產(chǎn)品平臺元素識別的研究，包括定性識別與定量識別2個方面［5］。定性識別是一種主觀分析方法，主要基于啟發(fā)式規(guī)則識別模塊類型;定量識別是指將平臺元素識別視為一個分類問題，模塊被劃分到的區(qū)域即為該區(qū)域所定義的模塊類型。目前，產(chǎn)品平臺元素識別的研究已經(jīng)日趨成熟，但是平臺元素設(shè)計的研究還較為匱乏。因此，本文主要針對已識別的通用模塊與柔性模塊，分析其模塊實例或變型結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

2 基于多屬性決策的通用模塊設(shè)計

本文采用多屬性決策方法從已有實例中確定通用模塊實例。由于轉(zhuǎn)向架由自制件與外購件組成，因此，其決策模型亦包括自制件與外購件兩部分，如圖1所示。

圖1 地鐵轉(zhuǎn)向架通用模塊實例多屬性決策模型Fig.1 Multi-attribute decision-making model of general module for metro bogie

自制件與外購件決策模型的結(jié)構(gòu)相同，屬性值不同。模型分為4層［9］:最高層是目標層，在已有的多個模塊實例中選擇符合要求的最優(yōu)模塊實例;第2層是準則層，針對研究對象從可重用性、可靠性、供應商評分、成本等4方面對模塊實例評估;第3層是指標層，對準則層進一步細化;最底層是方案層，即已有的多個模塊實例。

多屬性決策模型的構(gòu)建及求解步驟如下:

1)構(gòu)建初始決策矩陣Y。基于k個方案與i個指標，構(gòu)建k×i的初始化指標決策矩陣:

式中:

yk，i——第k個方案關(guān)于第i個指標的屬性值;

m——方案總數(shù);

n——指標總數(shù)。

2)構(gòu)建規(guī)范化指標決策矩陣Y0。采用文獻［10］中的規(guī)范化方法對決策矩陣Y進行規(guī)范化處理，得到規(guī)范化的指標決策矩陣Y0:

式中:

yk，i，0——第k個方案關(guān)于第i個指標的規(guī)范化屬性值。

3)構(gòu)建規(guī)范化準則決策矩陣R0。對同一準則層及其下屬指標層的指標，采用層次分析法［10］確定指標層權(quán)重后，將指標層屬性值加權(quán)平均得到的值作為準則層指標的屬性值。顯然，得到的準則層決策矩陣為規(guī)劃化矩陣。

4)采用TOPSIS(理想解法)［10］求解最優(yōu)方案。在獲得規(guī)范化準則決策矩陣后，采用TOPSIS求解上述m個決策方案的權(quán)重并對方案進行排序，從而得到最優(yōu)方案。

通過以上步驟決策出通用模塊實例后，需要進一步進行計算校核、仿真、試驗，以判斷已有實例是否滿足性能需求。若不滿足，則需要重新設(shè)計1個模塊實例并進行校核，直至滿足需求。

3 基于關(guān)聯(lián)設(shè)計的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計

地鐵轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計的關(guān)鍵是分析技術(shù)指標與模塊設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建支持參數(shù)化變型設(shè)計的3D結(jié)構(gòu)模型。關(guān)聯(lián)設(shè)計是實現(xiàn)變型設(shè)計的一種關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)利用參數(shù)化設(shè)計原理建立零部件間的驅(qū)動關(guān)系，表現(xiàn)為零部件間幾何元素的重用，并使用上游零部件設(shè)計信息對下游設(shè)計過程進行約束和控制［11］。目前，大部分CAD(計算機輔助設(shè)計)軟件都支持產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)設(shè)計。CATIA(交互式CAD/CAE(計算機輔助工程)/CAM(計算機輔助制造)系統(tǒng))軟件通過發(fā)布、帶鏈接粘貼等功能支持關(guān)聯(lián)設(shè)計，并且這些功能可以有效梳理零部件之間的鏈接關(guān)系［11］。本文以CATIA軟件為平臺，結(jié)合CATIA中GSD(創(chuàng)成式外型設(shè)計)、KWE(知識工程)、ASD(裝配體設(shè)計)和PDG(零件體設(shè)計)4個模塊，采用關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)構(gòu)建柔性模塊的變型結(jié)構(gòu)模型，包括骨架模型與零件體三維模型。其中，骨架模型包括設(shè)計基準，設(shè)計參數(shù)，以及設(shè)計規(guī)則3類信息;零件三維模型除包含上述元素外，還有拉伸等實體特征。柔性模塊的變型結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建流程及結(jié)果如圖2所示，具體步驟如下:

圖2 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計流程Fig.2 Design process of metro vehicle bogie flexible module

3.1 頂層骨架模型構(gòu)建

1)分析轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)、接口等信息。在GSD模塊中，新建轉(zhuǎn)向架的設(shè)計基準，如軌面、轉(zhuǎn)向架縱(橫)向平面等。

2)在KWE模塊中，新建定位尺寸參數(shù)，如軸距、空氣彈簧間距等。

3)分析設(shè)計基準之間的關(guān)系，添加參數(shù)間的約束關(guān)系。轉(zhuǎn)向架骨架模型構(gòu)建完成后，通過“發(fā)布”命令發(fā)布骨架元素。

3.2 下游骨架模型構(gòu)建

下游骨架模型的構(gòu)建方法與頂層骨架模型的構(gòu)建方法類似。在ASD模塊中，下游骨架模型需要基于頂層骨架模型構(gòu)建，通過帶鏈接粘貼的方式引用頂層骨架模型的元素，最后完成下游骨架的參數(shù)化建模并發(fā)布骨架元素。

3.3 零件體三維模型構(gòu)建

1)在PDG模塊中，引用上層骨架元素構(gòu)建零件的三模實體模型;

2)創(chuàng)建零件的設(shè)計參數(shù)或引用上層骨架的設(shè)計參數(shù);

3)添加參數(shù)間的約束關(guān)系，完成零件體的參數(shù)化建模。

采用關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)構(gòu)建的柔性模塊將能有效支持轉(zhuǎn)向架零部件的快速有序變型及裝配。

4 實例分析

本文以A型地鐵轉(zhuǎn)向架為例，對提出的地鐵轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺設(shè)計方法進行驗證，包括轉(zhuǎn)向架通用模塊與柔性模塊的設(shè)計。

4.1 轉(zhuǎn)向架通用模塊設(shè)計

本文以側(cè)梁梁體為例，闡述通用模塊的設(shè)計過程及其方法。具體設(shè)計過程如下:

1)整理某主機關(guān)于A型地鐵已有側(cè)梁梁體實例，分析每個模塊實例的差異度、使用度、MTBF(平均無故障時間)、成本等信息，構(gòu)建3×5的初始化決策矩陣。

2)采用第2節(jié)所述方法形成歸一化的準則決策矩陣，見表2。

表2 準則層多屬性決策規(guī)范化矩陣Tab.2 Criterion-level multi-attribute decision-making normalization matrix

3)采用TOPSIS方法得到各方案的相對貼近度:{C1，C2，C3}={0.746 5，0.218 2，0.2535}。

由此可知，實例Sidebeam1-80的相對貼近度最大。在此基礎(chǔ)上，進一步進行強度計算與仿真，以驗證該實例是否滿足A型地鐵轉(zhuǎn)向架平臺所定義的性能需求。經(jīng)校核，Sidebeam1-80滿足要求。因此，將Sidebeam1-80視為A型地鐵轉(zhuǎn)向架平臺側(cè)梁梁體的通用實例。在后續(xù)A型地鐵轉(zhuǎn)向架訂單中，可以直接重用該實例以降低模塊的研發(fā)成本。

4.2 轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計

A型地鐵轉(zhuǎn)向架平臺的柔性模塊包括車輪、車軸等。本文以車軸模塊為例，闡述柔性模塊的設(shè)計過程及方法:首先，構(gòu)建轉(zhuǎn)向架骨架模型;然后，引用轉(zhuǎn)向架骨架模型信息構(gòu)建輪對骨架模型;最后，基于輪對骨架模型，構(gòu)建車軸三維模型。轉(zhuǎn)向架柔性模塊構(gòu)建結(jié)果如圖3所示。在后續(xù)A型地鐵轉(zhuǎn)向架訂單中，可以直接重用該模型進行變型設(shè)計，從而提高模塊的設(shè)計效率。

圖3 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性模塊(車軸)構(gòu)建結(jié)果Fig.3 Construction result of metro vehicle bogie flexible module(axle)

5 結(jié)語

為了快速響應客戶個性化的需求、提高零部件的重用率，本文定義了地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺的內(nèi)涵，提出一套地鐵通用模塊與柔性模塊設(shè)計方法。前者所構(gòu)建的通用模塊實例可以提高模塊的重用率，后者所構(gòu)建的柔性模塊模型可以提高模塊的變型設(shè)計效率。以側(cè)梁梁體和車軸為例，驗證了所提方法的可行性與有效性。