城市軌道交通模型車制作的研究

□ 呂元穎

上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245

1 研究背景

在軌道交通領域,通過三維機械設計軟件和數字化平臺,雖然可以快速高效地進行整車數字化三維設計[1],但是無法親身體驗和掌控每一處設計的合理性。

模型車的生產制作可以彌補軟件的缺陷。模型車的作用是驗證設計結構的合理性,比如各部件之間是否產生干涉,布局是否合理,維修維護是否方便等[2],可以指導真車的量產安裝。在城市軌道交通車輛投入生產之前,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計和工藝方面的合理性,及時發現制造、安裝、維護中的各種問題,為批量化生產清除技術障礙,降低批量化生產帶來的風險[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

模型車根據結構尺寸、接口完整性等因素,可以分為四類。

(1) 全尺寸完整模型車。包含完整車體結構、安全吸能部件、底架設備、空調設備、車內裝飾、乘客信息系統等,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,以及車內裝飾、車內設備、乘客信息系統等,制作周期約三個月。

(3) 非完整區域模型車。包含部分車體外形、安裝接口,以及車內裝飾、車內設備、乘客信息系統等部件,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,以及轉向架、底架電氣設備、制動設備、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) 設計周期。國內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,模型車應在實車投產前完成驗收。

(2) 項目類型。通常包括新研發平臺車輛項目、增購車輛項目、改造車輛項目。

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

(4) 啟動節點。根據項目風險評估,應盡可能早開始物料生產工作。

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

在制作模型車時,應考慮上述影響因素,選擇適當的方案以匹配項目周期。

4 城市軌道交通項目模型車制作現狀

4.1 國內

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裝模型車為主。國內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,其中設計周期為8～10個月,車體部位的設計周期更為緊張。以鋁車體為例,大斷面鋁型材斷面圖往往要求在設計開始后的6～7個月確定投產,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工作。此時,內裝設備及電氣等剛進入裝配圖紙歸檔階段,以此為節點的模型車制作,幾乎與車體投產工作同步推進。由此,國內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設計效果、材料選擇正確性,以及內裝和設備等部件供應商的設計、制造、質量保證能力,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,相對于國內項目,具有更長的設計周期。國外城市軌道交通項目通常在系統設計結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、導流罩、防爬器、車鉤等均安裝齊備。采用實物形式安裝,車輛內部采用真實部件,并按照實車接口方式進行組裝,驗證乘客界面工業設計效果和材料選擇的正確性。底架存在較多的電氣、制動設備布置,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。通過模型車的驗證,可以減少首批實車物料的更改風險和損失。

5 城市軌道交通項目模型車制作分析

5.1 國內

國內城市軌道交通項目通常首列車交付周期為18個月,其中設計周期為8～10個月,模型車主要驗證乘客界面工業設計的效果和材料選擇的正確性[5-6]。國內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構件[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、導流罩、防爬器、車鉤等車外可見部件采用玻璃鋼、碳鋼或木質等其它材質代替制作模型[8]。模型車內部采用真實部件,按照實車的接口方式裝配。在項目正常執行的情況下,模型車與首列車的生產進度如圖1所示。

圖1 國內城市軌道交通項目模型車與首列車生產進度

根據上述分析,模型車驗收完成除了用于展示外,還用于驗證模型車內部物料的接口與工業設計效果,指導首列車物料的整改和首列車的裝配。在項目執行中,會存在諸多不確定因素,導致模型車生產無法推進,如供應商未確定,工業設計方案未得到批復,設計方案存在較大等。模型車驗收節點遠落后于車體物料的準備和生產工作,若為了驗證車體內外部接口,采用與實車一致的結構車體,則由于模型車整體進度落后于首列車車體物料生產工作,無法指導首列車車體的生產。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) 在詳細設計階段之前,確定車輛工業設計方案。

(2) 方案設計結束后,在承受一定風險的情況下,與詳細設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。與型材原供應商溝通,采用現有的庫存材料進行車體加工和組焊[9-10]。在三維設計結束后,對車體上的部件安裝接口進行加工。

(4) 對現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,后驗證模型車內部的安裝接口。

優化后的國內城市軌道交通項目模型車與首列車生產進度如圖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。通過優化后的模型車制作流程,提前實現了對車體及設備所有內外部接口、尺寸、基本功能的驗證,對首列車及后續批量車生產具有重要意義。

圖2 優化后國內城市軌道交通項目模型車與首列車生產進度

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計周期與國內項目存在較大差異。國外城市軌道交通項目通常在方案設計階段已經完成車輛各個系統的設計方案,車體的安裝接口也已經確定,并且得到用戶批準,已經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,安裝車內的可見部件,實現部分電氣功能。

為了驗證車體各部位的接口,通常有三種形式模型車。

(1) 內裝模型車。車體的主體結構外形尺寸與實車一致,車體各部件和各零件的材質、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,主要用于車體與內部部件安裝接口的驗證。內裝模型車是目前國內城市軌道交通項目模型車的主流形式。

(2) 含主體鋼結構的模型車。車體的組件、部件采用與實車一致的結構和形式,除了驗證車輛內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,完成之后開始投產車體。車體的設計驗證周期較長,并且試驗完成之后就是正式車輛投產,沒有足夠的時間對車體主體鋼結構和內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制作中,已對大部分主體鋼結構進行了驗證,因此國外城市軌道交通項目很少采用含主體鋼結構的模型車。

(3) 整車模型車。車體的主體結構外形尺寸與實車一致,車體各部件和各零件的材質、連接形式、焊接方式與實車不同,采用簡化方式,車體內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、車下設備安裝操作檢修空間合理性的驗證。對于整車模型車,應在系統設計和車體三維設計完成之后,立即開展模型車簡化車體制作和裝配物料生產,車下設備箱采用外殼件或木質件代替,采取一系列措施,縮短模型車制作周期。

與國內項目對比,國外城市軌道交通項目模型車制作存在四方面區別。

(1) 設計周期。模型車啟動節點通常為方案設計結束后,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構、車體內部安裝滑槽等。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。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備。在模型車制作時,為了縮短制作周期,減少設備投入,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。通常情況下,車體圖紙歸檔晚于模型車啟動節點,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構,則需要車體圖紙歸檔早于內裝圖紙歸檔,以便先啟動模型車鋼結構的生產工作,并預留安裝滑槽和安裝座接口。

針對國外城市軌道交通項目設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) 在方案設計階段完成鋼主體結構的詳細設計,模型車的車體結構與實車一致,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) 在方案設計階段確定裝配部件在車體鋼結構的安裝接口,在模型車車體外部預留滑槽和安裝孔等,以便驗證車體與其它系統之間的安裝接口。

(3) 裝配部件除現有的車內部件外,增加底架設備,用于驗證車體與其它系統之間的安裝接口,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

現有的模型車制作主要驗證內飾、車內設備安裝接口與工業設計效果,能有效減少首列車安裝時的問題,但車體內外部接口沒有得到完全驗證,首列車生產時依然有較多生產問題。車體是車輛各種設備、線纜、管道等的安裝載體,在模型車制作中應盡可能多地驗證車體鋼結構內外部接口。通過制作全尺寸完整模型車,可以對車體內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構內外部接口。

6.1 車體工裝準備

在現有平臺化工裝基礎上,對組焊、組成工裝進行改造,適應新項目的焊接要求。工裝應盡量與后續生產一致,避免前后工裝不一致,造成批量生產出現問題。

6.2 車體設計

車體底架、側墻、車頂、端墻的大部件應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,車體內部的長焊縫采用手工焊。車體內側可以不加工坡口,直接裝配焊接,保證車體的外形尺寸即可,這樣可以節約制作時間和成本。車體內外的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 內部裝飾

模型車在車內可見的內裝件主要有邊頂板、中頂板、側墻、地板布、間壁柜、端墻、隔斷、平頂板、司機室內裝件,這些部件均為真實產品,且均要安裝,接口要求與實車結構保持一致。

6.4 車內設備

車內所見設備主要包括車窗、車門、座椅、滅火器、緊急錘、扶手等,這些均應按照實車結構與部件進行安裝。在多扇車門中,設置一兩扇車門為實車結構,為車門安裝門機構及其它附件,實現電動開閉功能。其余車門采用鋁蜂窩結構門板來代替。

6.5 車內電氣

車內電氣主要包含乘客信息系統、照明系統、電氣柜設備等。電氣柜設備采用實車部件及木質件元器件,用于驗證布局的合理性。乘客信息系統、照明系統的各部件均需要按照實車結構與部件進行安裝,并且需要保持與實車一致的接線,保證各功能的實現。可以通過模型車對攝像頭的視野效果進行校核。乘客信息系統的主要設備有系統控制器、車廂控制器、司機室監控屏、廣播控制盒、揚聲器、車內外信息顯示器、動態地圖、車內電視、攝像頭、乘客緊急對講裝置等,照明系統的主要設備有客室燈具、平頂板頂燈、頭尾燈、運行燈、電源模塊等。

6.6 空調系統

為驗證空調系統的安裝接口,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機組,客室空調機組、整車風道、排水結構等與實車的結構和安裝方式一致。其余客室空調機組采用碳鋼制作外殼。結構完整的客室空調機組具備正常的制冷送風功能。

6.7 底架制動設備與電氣設備

底架制動設備與電氣設備種類繁多,數量龐大,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 轉向架

轉向架構造簡單,但尺寸較大。在模型車中,由于轉向架構架尺寸大,并且要吊裝在底架鋼結構下,因此只能采用木材作為代替材料。完工后的轉向架經過噴漆后,很難看出是木材制作的。

7 結束語

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中起著承上啟下的作用。模型車是設計和制造的溝通橋梁,將工程數據轉化為實物模型,可以更為具體、直觀地呈現車輛外觀內飾,校核零部件之間接口尺寸,并可以對功能設計方案進行可行性驗證,在首列車和批量生產之前預先發現風險,及時改進設計方案,縮短生產周期,降低項目變更成本。模型車還可用于后期展示和教學,并用于對司乘和維修人員的培訓工作,使參訓人員能夠快速熟悉了解車輛結構及基本功能。