軌道交通車門產品研發驗證體系的構建研究

文：劉落明，朱文明，謝小剛｜南京康尼機電股份有限公司

本文闡述了將產品驗證體系理念引入至軌道車門系統產品，以正向設計、RAMS 分析、可靠性試驗為手段，使驗證體系融入到產品生命周期的全階段；以運營場景為依據，關聯可靠性分析及運營數據，構建從門系統到部件級的驗證標準，制定產品從上而下全面的驗證規范；以建立完善的從門系統到零部件的試驗驗證能力為手段，實現驗證標準從定性向定量的質的轉變；構建和實施軌道車門系統驗證體系，顯著提升了軌道交通門系統的可靠性。

作為國家裝備制造業發展的重點行業之一，軌道交通裝備產品開發和迭代的速度逐漸加快。車門是軌道交通車輛的關鍵系統之一，其可靠性和安全性的要求不斷提高，亟需建立一套既滿足軌道行業零部件開發流程要求，又與實際應用情況和自主設計能力相匹配的研發驗證體系。

一、研究背景

南京康尼機電股份有限公司（以下簡稱康尼機電）意識到，僅依靠傳統的以客戶要求為準則的型式試驗作為驗證手段和評判標準，難以符合越來越復雜的車門實際運營工況，提高車門運營可靠性；難以鎖定設計薄弱環節，提升產品設計質量；難以滿足新品的設計周期需求，提升客戶滿意度。因此必須打破行業束縛，建立一套以成熟度模型為主要架構，以驗證規范為依據、以驗證能力為手段、以信息化管理平臺為載體的軌道交通車門產品研發驗證體系（以下簡稱研發驗證體系，圖1），確保產品可靠性始終位于行業前列，打造軌道車門標桿企業。

圖1 軌道交通車門產品研發驗證體系

車門與車輛的可靠性與安全性息息相關。康尼機電將產品驗證體系理念引入軌道車門系統產品通過建立可靠性增長管理理念，以識別設計風險、通過實物驗證手段在產品定型前發現潛在設計問題為手段，通過可靠性建模、預計、影響及危害度分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）等設計分析方法，總結前期產品故障經驗，識別產品設計薄弱環節，針對性地策劃試驗項點，通過試驗- 改進- 再試驗循環，為車門系統高可靠性運營提供保障，在實踐中取得了顯著的經濟和社會效益，以期為國內軌道交通行業車門領域的驗證體系建設打造“康尼樣本”。

二、構建研發驗證體系的主要方法

（一）建立健全驗證體系組織架構

康尼機電產品驗證部，下設驗證支持、產品試制、RAMS 三個團隊負責產品試制、驗證策劃、驗證實施、RAMS 分析和評估等工作（圖2），并主導研發驗證體系的構建。其中驗證支持團隊負責編制軌道車門驗證規范和制定實物驗證能力提升計劃，RAMS 團隊負責推動虛擬驗證能力提升，試制團隊負責實物驗證能力落地和場地規劃。三個團隊共同推進驗證流程和驗證體系信息化建設。

圖2 研發驗證部門組織架構

（二）建立基于可靠性增長的設計驗證流程

建立研發驗證體系的流程（圖3），從“車輛級- 門系統級-零部件級”逐級分解需求，逐級驗證評估，梳理和建立產品驗證核心流程，形成具有康尼特色的驗證流程V 模型。V 模型的構建中，融合了可靠性增長管理的理念，通過開展歷史故障數據分析和產品設計風險分析，針對風險點進行設計驗證策劃和實施，以達到快速激發暴露問題和模擬各種工況評估產品可靠性增長效果的目的，從而實現產品可靠性的持續增長。

圖3 研發驗證體系設計驗證流程模型

根據驗證流程V 模型，制定《產品驗證控制程序》作為驗證體系建設的綱領性文件，明確在產品設計和開發的過程中驗證策劃和實施的時間節點和職責分工。通過梳理驗證業務流程，制定驗證流程相關的管理辦法，規范流程，保證驗證體系運行。在執行層面建立一系列工作模板，包括（仿真計算、臺架設計、驗證）申請單、DVP 驗證計劃、驗證規范、試驗程序、驗證報告、診斷報告等。

（三）開發研發驗證體系規范和標準

策劃產品驗證標準體系建設方案和產品驗證標準層級，構建門系統驗證標準體系框架（圖4）。L1 層為門系統級驗證規范、L2 層為關鍵部件驗證規范、L3 層為試驗程序或任務單等執行類文件。

圖4 車門驗證標準體系框架

對各平臺門系統車輛運營場景進行分析，并梳理車門國際、國內各層次的標準，形成門系統功能需求矩陣；根據車門外部場景獲得車門性能技術要求；結合車門功能需求和性能技術要求，并關聯可靠性數據（FMECA、FRACAS），得出門系統的試驗方法和試驗參數，對設計質量反思項點進行梳理，重點關注前期驗證未發現的問題項，總結試驗方法，最終形成門系統驗證規范（圖5）。

圖5 門系統驗證規范編制技術路線

建立城軌塞拉門平臺從門系統級到部件級驗證的各項標準和規范12 份（圖6），形成康尼內部城軌塞拉門驗證規范手冊。驗證規范標準已在門系統及關鍵部件的驗證上取得了較好的運用。利用驗證規范文件，明確了驗證策劃的方法論，提高了前期策劃的效率，統一了試驗工況和評判標準，避免了試驗項點遺漏。

圖6 門系統和部件級驗證規范

（四）推動軌道車門驗證能力提升

1.提高虛擬驗證能力

為提高設計效率，降低試驗成本，根據可靠性分析評估開展虛擬驗證。康尼機電的虛擬驗證管理采用成熟度評估法，包括采納級、重復級、預測級、驅動級和引領級，利用仿真技術優化改造產品設計流程，利用仿真驅動產品研發。

通過ANSYS、Altair、Simulation和Recurdyn四款軟件，建立了靜力學、疲勞、非線性、熱力學、電磁學、多體動力學、動力學和熱-結構耦合七個大類的仿真能力。通過Simulation推廣使用，主管設計師具備零件級和簡單裝配件的靜力學仿真、膠條非線性仿真及簡單的疲勞分析能力，提高了設計師的設計校核能力和工作效率。仿真工程師，Hyperworks的常規仿真能力、快速仿真能力和疲勞分析能力三個模塊的導入實施，根據不同領域的車門系統選擇不同仿真軟件和仿真模塊，高質量、高效率地完成計算分析。

通過可靠性分析技術，評估分析產品安全可靠性關鍵零部件，針對結構件提出仿真計算減輕措施，代替部分實物驗證，可快速高效進行方案對比和優化，指導設計，提高產品設計質量。

2.提升實物驗證能力

重點建立關鍵件的承載驗證能力、極限工況驗證能力和加速耐久性試驗驗證能力，以滿足可靠性增長課題和設計開發的需要。以驗證規范中涉及到的核心部件驗證標準為指引，規劃各項實物驗證能力建設，制定建設目標、實施計劃和實施要求，主要實施過程如下：

一是通過開發車門專用檢測設備和部件級試驗設備，將單一的門系統級試驗轉化為部件級加速試驗，通過采集扭矩、力、位移等關鍵試驗參數實現閉環控制，提高了試驗效率和精度，在部件級試驗裝置上可方便的調控不同的試驗配置，為關鍵部件可靠性研究提供有效方法。其中《扭簧耐久試驗裝置》《可自復位電鑰匙耐久試驗工裝》獲得實用新型專利。

二是建立了門系統運動特性研究能力，為深入研究鎖閉系統、密封系統等提供了試驗和數據采集方法，掌握未知的車門運動特性，為產品結構設計優化提供了新思路、新方向。其中《一種軌道車輛門傳動力測量裝置及測量方法》、《一種面向軌道車輛車門運動的視覺檢測方法》授權了發明專利。

三是通過自主開發、聯合研發等方式先后實施了8 項實物驗證能力建設項目（圖7），建立了門系統型式試驗和元器件試驗以外的實物驗證能力，豐富了試驗驗證方法，將驗證標準從定性向定量轉變，為故障分析、優化方案、提升產品可靠性等方面提供更多專業化手段。

圖7 實物驗證能力建設項目

（五）構建研發驗證體系信息化平臺

1.驗證流程信息化

根據驗證體系的規劃，拓展康尼機電PLM 系統功能，以驗證申請為輸入，通過策劃驗證計劃、試驗程序、試驗實施、報告管理及發布，利用信息化管理手段實現驗證全流程的管理，大大降低了文件簽審所需時間，提高了驗證流程效率和規范性。

第一步驗證申請：由設計部門明確驗證需求，并提出驗證申請；由驗證部門主管審核，審核通過后分發給驗證工師或產品試制室開展驗證策劃和實施；

第二步試驗計劃：根據梳理設計變更點、RAMS 評估、故障數據等，策劃驗證項點及實施計劃；由驗證工程師編制，驗證部門主管審核，設計部門主管會簽；

第三步試驗實施：由驗證及試制團隊按照試驗程序實施，過程若出現異常，按照異常管理方式處理；

第四步試驗報告：試驗結束后，驗證工程師按照試驗項點、試驗內容、試驗結果編制試驗報告；設計師、驗證部門主管審核，驗證部門部長批準發布。

2.驗證開口項線上閉環管理

通過開口項信息化管理流程，使各職能部門聯動高效地開展工作，通過開口項信息化閉環管理，進一步提升產品設計質量，降低因設計問題導致的質量損失，利用QIS 系統的異常管理模塊，開發了試驗和試制異常線上管理流程，將產品問題通過異常系統填報后提交給設計分析，通過信息化管理平臺可以定期分析數據，對于按期關閉率不達標的開口項進行通報，工作效率得到進一步提升。

三、創新成果

本文論述了康尼機電將產品驗證體系理念引入軌道車門系統產品的構建和實施，軌交車門驗證領域的主要創新成果如下：

一是首創融合可靠性增長管理的產品驗證體系，顛覆公司傳統型式試驗模式和發生故障再解決故障的試錯觀念，以正向設計、RAMS 分析、可靠性試驗為手段，從設計源頭實現可靠性增長。

二是以車門運營場景為依據，關聯可靠性分析及運營數據（FMECA、FRACAS），構建從門系統級到部件級驗證標準的新思路，制定產品從上至下全面的驗證規范，形成驗證規范和標準數據庫。

三是建立完善的從門系統到零部件的試驗驗證能力和多功能場景試驗驗證區域，具備系統級、部件級和零件級驗證能力，從而實現驗證標準從定性向定量的質的轉變。通過Simulation 仿真工具推廣，提高主管設計師的設計校核能力，縮短產品設計開發周期。

四是拓展PLM 系統功能，開發QIS 系統異常管理模塊，實現驗證全流程管理的信息化和設計驗證開口項線上全閉環管理，有效推動設計整改，提高產品可靠性。

五是對比體系建設之初和研發驗證體系運用1年后的可靠性數據，對國內地鐵、和諧號和復興號標準動車組等的累計服務可靠性分別提升42.5%和35.7%。技術中心責任年度累計損失率（KPI）從0.414%降至0.221%。設計質量損失金額近三年下降約1000 萬元。