□ 吕元颖

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 研究背景

在轨道交通领域,通过三维机械设计软件和数字化平台,虽然可以快速高效地进行整车数字化三维设计[1],但是无法亲身体验和掌控每一处设计的合理性。

模型车的生产制作可以弥补软件的缺陷。模型车的作用是验证设计结构的合理性,比如各部件之间是否产生干涉,布局是否合理,维修维护是否方便等[2],可以指导真车的量产安装。在城市轨道交通车辆投入生产之前,制造1∶1实体模型车可以充分展示车辆的实际效果,同时提前验证新造项目在设计和工艺方面的合理性,及时发现制造、安装、维护中的各种问题,为批量化生产清除技术障碍,降低批量化生产带来的风险[3]。

模型车制作的需求主要来源于轨道交通车辆用户或新平台的设计验证,笔者对城市轨道交通模型车的制作进行研究。

2 模型车分类

模型车根据结构尺寸、接口完整性等因素,可以分为四类。

(1) 全尺寸完整模型车。包含完整车体结构、安全吸能部件、底架设备、空调设备、车内装饰、乘客信息系统等,制作周期约五个月。

(2) 全尺寸部分模型车。包含完整车体外形、部分安装接口,以及车内装饰、车内设备、乘客信息系统等,制作周期约三个月。

(3) 非完整区域模型车。包含部分车体外形、安装接口,以及车内装饰、车内设备、乘客信息系统等部件,制作周期约三个月。

(4) 底架模型车。包含底架下部外形、安装接口,以及转向架、底架电气设备、制动设备、线缆管道等,制作周期约两个月。

3 模型车制作主要影响因素

(1) 设计周期。国内项目首列车交车周期通常为18个月,国外项目首列车交车周期为24～36个月不等,模型车应在实车投产前完成验收。

(2) 项目类型。通常包括新研发平台车辆项目、增购车辆项目、改造车辆项目。

(3) 客户需求或设计验证范围。根据实际项目的需求或所需要进行的设计验证,确定具体的物料范围。

(4) 启动节点。根据项目风险评估,应尽可能早开始物料生产工作。

(5) 项目预算。根据项目预算,确定模型车安装物料采用真实物料还是由木质件代替。

在制作模型车时,应考虑上述影响因素,选择适当的方案以匹配项目周期。

4 城市轨道交通项目模型车制作现状

4.1 国内

由于项目时间紧张,出于模型车成本控制,城市轨道交通项目模型车通常以内装模型车为主。国内城市轨道交通项目从合同签订到首列车交付的周期通常为18个月,其中设计周期为8～10个月,车体部位的设计周期更为紧张。以铝车体为例,大断面铝型材断面图往往要求在设计开始后的6～7个月确定投产,车体的整车图纸也需要在之后的一个月进行归档,紧接着进行车体部位的首列车投产工作。此时,内装设备及电气等刚进入装配图纸归档阶段,以此为节点的模型车制作,几乎与车体投产工作同步推进。由此,国内城市轨道交通项目模型车制作往往用于验证乘客界面工业设计效果、材料选择正确性,以及内装和设备等部件供应商的设计、制造、质量保证能力,并不注重车体接口的验证,只需要车体外形尺寸与设计一致即可。在模型车验收后,需要对图纸进行修改,对首批物料进行整改,存在一定的风险和损失。

4.2 国外

国外城市轨道交通项目首列车交车周期通常为24～36个月,相对于国内项目,具有更长的设计周期。国外城市轨道交通项目通常在系统设计结束后开始制作全尺寸部分模型车,采用与真车一致的车体,车外可见附件,如前端、导流罩、防爬器、车钩等均安装齐备。采用实物形式安装,车辆内部采用真实部件,并按照实车接口方式进行组装,验证乘客界面工业设计效果和材料选择的正确性。底架存在较多的电气、制动设备布置,与车体存在较多接口,通过制造底架模型,单独验证车下设备是否存在部件干涉,布置是否合理等[4]。模型车验收完成后,对归档图纸完善,进行首列车投产。通过模型车的验证,可以减少首批实车物料的更改风险和损失。

5 城市轨道交通项目模型车制作分析

5.1 国内

国内城市轨道交通项目通常首列车交付周期为18个月,其中设计周期为8～10个月,模型车主要验证乘客界面工业设计的效果和材料选择的正确性[5-6]。国内城市轨道交通项目中,全尺寸部分模型车车体是车辆的承载结构件[7]。在模型车搭建中,通过钢梁、蒙皮组合的形式制作,C形滑槽、支架等小件通过焊接方式,位置与实车保持一致。前端、导流罩、防爬器、车钩等车外可见部件采用玻璃钢、碳钢或木质等其它材质代替制作模型[8]。模型车内部采用真实部件,按照实车的接口方式装配。在项目正常执行的情况下,模型车与首列车的生产进度如图1所示。

图1 国内城市轨道交通项目模型车与首列车生产进度

根据上述分析,模型车验收完成除了用于展示外,还用于验证模型车内部物料的接口与工业设计效果,指导首列车物料的整改和首列车的装配。在项目执行中,会存在诸多不确定因素,导致模型车生产无法推进,如供应商未确定,工业设计方案未得到批复,设计方案存在较大等。模型车验收节点远落后于车体物料的准备和生产工作,若为了验证车体内外部接口,采用与实车一致的结构车体,则由于模型车整体进度落后于首列车车体物料生产工作,无法指导首列车车体的生产。为验证更多的车体接口,制作全尺寸完整模型车,提出六方面建议。

(1) 在详细设计阶段之前,确定车辆工业设计方案。

(2) 方案设计结束后,在承受一定风险的情况下,与详细设计同步开展模型车车体制作与标准件采购工作。

(3) 选用具有相同安装接口的车体型材,验证车体型材之间的接口匹配性。与型材原供应商沟通,采用现有的库存材料进行车体加工和组焊[9-10]。在三维设计结束后,对车体上的部件安装接口进行加工。

(4) 对现有车体工装进行改造,以满足紧张的模型车制作周期要求。

(5) 采用碳钢或木质件代替模型车外非标部件,缩短部件制作周期,同时验证模型车底架滑槽、安装孔等接口。

(6) 先验证模型车车体型材接口和车体外部接口,后验证模型车内部的安装接口。

优化后的国内城市轨道交通项目模型车与首列车生产进度如图2所示。上海全自动无人驾驶轨道交通15号线模型车如图3所示。通过优化后的模型车制作流程,提前实现了对车体及设备所有内外部接口、尺寸、基本功能的验证,对首列车及后续批量车生产具有重要意义。

图2 优化后国内城市轨道交通项目模型车与首列车生产进度

图3 上海轨道交通15号线模型车

5.2 国外

国外城市轨道交通项目的设计周期与国内项目存在较大差异。国外城市轨道交通项目通常在方案设计阶段已经完成车辆各个系统的设计方案,车体的安装接口也已经确定,并且得到用户批准,已经具备模型车制作的条件,可以按照车辆合同中的要求搭建模型车车体,安装车内的可见部件,实现部分电气功能。

为了验证车体各部位的接口,通常有三种形式模型车。

(1) 内装模型车。车体的主体结构外形尺寸与实车一致,车体各部件和各零件的材质、连接形式、焊接方式与实车不同,采用简化方式,仅保留车辆内部部件的安装接口位置和形式与实车一致,主要用于车体与内部部件安装接口的验证。内装模型车是目前国内城市轨道交通项目模型车的主流形式。

(2) 含主体钢结构的模型车。车体的组件、部件采用与实车一致的结构和形式,除了验证车辆内部各部件安装接口外,还用于验证车体零件连接形式、工装合理性、大部件组焊等。国外城市轨道交通项目通常要求模型车进行碰撞试验、车体强度试验,完成之后开始投产车体。车体的设计验证周期较长,并且试验完成之后就是正式车辆投产,没有足够的时间对车体主体钢结构和内部安装接口进行验证。加之在用于车体碰撞和强度试验的车体接口生产制作中,已对大部分主体钢结构进行了验证,因此国外城市轨道交通项目很少采用含主体钢结构的模型车。

(3) 整车模型车。车体的主体结构外形尺寸与实车一致,车体各部件和各零件的材质、连接形式、焊接方式与实车不同,采用简化方式,车体内外部部件的安装接口位置和形式与实车一致,主要用于车体与整车装配部件安装接口、车下设备安装操作检修空间合理性的验证。对于整车模型车,应在系统设计和车体三维设计完成之后,立即开展模型车简化车体制作和装配物料生产,车下设备箱采用外壳件或木质件代替,采取一系列措施,缩短模型车制作周期。

与国内项目对比,国外城市轨道交通项目模型车制作存在四方面区别。

(1) 设计周期。模型车启动节点通常为方案设计结束后,此时制作模型车,对整车车体的部分接口进行验证,主要包括车体主体钢结构、车体内部安装滑槽等。国外城市轨道交通项目模型车与首列车生产进度如图4所示。

图4 国外城市轨道交通项目模型车与首列车生产进度

(2) 需求与功能。车辆合同中详细描述了模型车的制作需求和各部件功能。

(3) 车体材质。实车以不锈钢或铝合金车体为主,需要专用的工装夹具和大型激光焊接设备。在模型车制作时,为了缩短制作周期,减少设备投入,尽量采用碳钢材料和手工焊方式来制作简易的车体钢骨架。

(4) 车体强度。国外城市轨道交通项目车体强度要求较高,一般要求在车体碰撞试验和强度试验完成后才能开始实车投产。通常情况下,车体图纸归档晚于模型车启动节点,模型车制作时可以仅验证车体与装配部分的接口。如要在模型车制作时验证实车车体结构,则需要车体图纸归档早于内装图纸归档,以便先启动模型车钢结构的生产工作,并预留安装滑槽和安装座接口。

针对国外城市轨道交通项目设计周期较长且用户要求较高的情况,提出三方面模型车制作建议。

(1) 在方案设计阶段完成钢主体结构的详细设计,模型车的车体结构与实车一致,将底架材料由不锈钢改为碳钢,焊接方式由激光焊、压焊等改为操作性更强的氩弧焊,提高模型车车体的可操作性。

(2) 在方案设计阶段确定装配部件在车体钢结构的安装接口,在模型车车体外部预留滑槽和安装孔等,以便验证车体与其它系统之间的安装接口。

(3) 装配部件除现有的车内部件外,增加底架设备,用于验证车体与其它系统之间的安装接口,并检查安装检修空间的合理性。

6 全尺寸完整模型车制作方案

现有的模型车制作主要验证内饰、车内设备安装接口与工业设计效果,能有效减少首列车安装时的问题,但车体内外部接口没有得到完全验证,首列车生产时依然有较多生产问题。车体是车辆各种设备、线缆、管道等的安装载体,在模型车制作中应尽可能多地验证车体钢结构内外部接口。通过制作全尺寸完整模型车,可以对车体内外部接口进行充分验证。

笔者介绍全尺寸完整模型车各部位的制作方案,通过制作方案可以缩短模型车制作周期,降低成本,尽可能多地验证车体钢结构内外部接口。

6.1 车体工装准备

在现有平台化工装基础上,对组焊、组成工装进行改造,适应新项目的焊接要求。工装应尽量与后续生产一致,避免前后工装不一致,造成批量生产出现问题。

6.2 车体设计

车体底架、侧墙、车顶、端墙的大部件应尽量采用以往平台项目的铝型材、铝板等进行拼焊、组焊,形成相同的型材接口形式。焊接时,车体内部的长焊缝采用手工焊。车体内侧可以不加工坡口,直接装配焊接,保证车体的外形尺寸即可,这样可以节约制作时间和成本。车体内外的C形滑槽可以通过型材焊接或铆接至车体,确保安装接口尺寸与实车一致。枕梁可以采用碳钢板或铝板拼焊,牵引梁、防爬器等部件可以采用铝板或木质件制造。司机室面罩采用玻璃钢制作,满足曲面易成型的特点。

6.3 内部装饰

模型车在车内可见的内装件主要有边顶板、中顶板、侧墙、地板布、间壁柜、端墙、隔断、平顶板、司机室内装件,这些部件均为真实产品,且均要安装,接口要求与实车结构保持一致。

6.4 车内设备

车内所见设备主要包括车窗、车门、座椅、灭火器、紧急锤、扶手等,这些均应按照实车结构与部件进行安装。在多扇车门中,设置一两扇车门为实车结构,为车门安装门机构及其它附件,实现电动开闭功能。其余车门采用铝蜂窝结构门板来代替。

6.5 车内电气

车内电气主要包含乘客信息系统、照明系统、电气柜设备等。电气柜设备采用实车部件及木质件元器件,用于验证布局的合理性。乘客信息系统、照明系统的各部件均需要按照实车结构与部件进行安装,并且需要保持与实车一致的接线,保证各功能的实现。可以通过模型车对摄像头的视野效果进行校核。乘客信息系统的主要设备有系统控制器、车厢控制器、司机室监控屏、广播控制盒、扬声器、车内外信息显示器、动态地图、车内电视、摄像头、乘客紧急对讲装置等,照明系统的主要设备有客室灯具、平顶板顶灯、头尾灯、运行灯、电源模块等。

6.6 空调系统

为验证空调系统的安装接口,并且保证模型车外观与实车一致,模型车采用一组客室空调机组,客室空调机组、整车风道、排水结构等与实车的结构和安装方式一致。其余客室空调机组采用碳钢制作外壳。结构完整的客室空调机组具备正常的制冷送风功能。

6.7 底架制动设备与电气设备

底架制动设备与电气设备种类繁多,数量庞大,工序烦琐,制作非常麻烦。如制动部分的管件都要进行拉丝抛光处理,电气部分的箱柜虽然只制作外壳,但是箱门要具有防水功能,并且箱柜内要制作与实物大小相等的模型体,检查实物拿出、放进是否方便。

6.8 转向架

转向架构造简单,但尺寸较大。在模型车中,由于转向架构架尺寸大,并且要吊装在底架钢结构下,因此只能采用木材作为代替材料。完工后的转向架经过喷漆后,很难看出是木材制作的。

7 结束语

笔者对城市轨道交通模型车的制作进行了研究,提出了城市轨道交通全尺寸完整模型车的制作方案。轨道交通模型车的制作在轨道交通车辆生产中起着承上启下的作用。模型车是设计和制造的沟通桥梁,将工程数据转化为实物模型,可以更为具体、直观地呈现车辆外观内饰,校核零部件之间接口尺寸,并可以对功能设计方案进行可行性验证,在首列车和批量生产之前预先发现风险,及时改进设计方案,缩短生产周期,降低项目变更成本。模型车还可用于后期展示和教学,并用于对司乘和维修人员的培训工作,使参训人员能够快速熟悉了解车辆结构及基本功能。