城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)*

王東星 秦佳穎 李化明 杜群威 單亞男

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,063035,唐山∥工程師)

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城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)*

王東星 秦佳穎 李化明 杜群威 單亞男

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,063035,唐山∥工程師)

模塊化設(shè)計(jì)是軌道交通車輛行業(yè)廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法。通過城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施模塊化設(shè)計(jì),能夠整合不同供應(yīng)商的產(chǎn)品,豐富城際動(dòng)車組的配置,滿足不同客戶的需求。通過對(duì)城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行單元化、區(qū)域化和功能性劃分,完成了制動(dòng)系統(tǒng)不同功能模塊的模塊化設(shè)計(jì);分析了模塊化設(shè)計(jì)的工藝需求以及優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行了展望。

城際鐵路; 動(dòng)車組; 制動(dòng)系統(tǒng); 模塊化設(shè)計(jì)

Author′s address Product Development Center of CRRC Tangshan Co.,Ltd.,063035,Tangshan,China

模塊化設(shè)計(jì)對(duì)于軌道交通車輛的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、運(yùn)用和維護(hù)等方面的影響極大,徹底改變了這些工作的傳統(tǒng)模式[1-3]。我國城際動(dòng)車組面臨著多樣化的市場化需求,因此，必須考慮模塊化設(shè)計(jì),以滿足用戶的多方面的需求,為顧客創(chuàng)造價(jià)值[4]。

制動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)車組的九大關(guān)鍵系統(tǒng)之一,是動(dòng)車組上較早實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)[5]。在現(xiàn)有動(dòng)車組的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中,制動(dòng)系統(tǒng)一般均由單一供應(yīng)商供貨。這就容易在售價(jià)和技術(shù)上出現(xiàn)“一家獨(dú)大”的局面,形成技術(shù)封閉和不良售后服務(wù)等各種問題。因此,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)整體模塊化設(shè)計(jì),整合不同供應(yīng)商的產(chǎn)品,打破單一供應(yīng)商的壟斷,是一個(gè)亟待解決的問題。

近年來,國內(nèi)各主機(jī)廠在模塊化組裝生產(chǎn)技術(shù)中已取得了迅速發(fā)展。模塊化、單元化設(shè)計(jì)成為業(yè)內(nèi)重點(diǎn)開發(fā)和應(yīng)用的新技術(shù)。單元模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)施,能夠?qū)崿F(xiàn)車體和其他部位組裝的并行化作業(yè),改善施工環(huán)境,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,可有效地控制裝配質(zhì)量,保證安全作業(yè),提高工作效率,大大縮短了動(dòng)車組的組裝周期[6]。

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的思想,制動(dòng)系統(tǒng)的單元模塊化基本上可分為功能性單元、組合性單元、區(qū)域性單元、設(shè)備或箱柜單元及管排單元等五大類[7]。這種單元?jiǎng)澐?便于開展針對(duì)性的設(shè)計(jì)。在單元模塊內(nèi),設(shè)備的布置可以任意組合規(guī)劃,以尋求并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最優(yōu)布置[8]。

1 城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)過程

一個(gè)成功的單元模塊設(shè)計(jì)要考慮很多方面的因素,如車體結(jié)構(gòu)、設(shè)備艙布置、管路布置、電氣設(shè)備布置、主干電纜布置等情況，以及車間設(shè)備起吊能力、裝配工藝等。綜合考慮上述因素后,根據(jù)模塊化劃分的思路對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧卧獎(jiǎng)澐值脑瓌t是：能進(jìn)行單元組裝的就不到車上散裝;在起吊能力足夠的情況下,盡可能把單元的尺度設(shè)計(jì)大一些(因?yàn)閱卧叫?單元的數(shù)量就越多,所花費(fèi)的“裝—拆—裝”的重復(fù)勞作就越多,而且增加了安裝誤差,加大了起吊和單元定位的工作量),同類、相近功能的機(jī)械設(shè)備盡可能設(shè)計(jì)在一個(gè)單元內(nèi);與車體結(jié)構(gòu)的連接方法也盡可能地簡單、可行、可靠。總之,單元模塊化設(shè)計(jì)要力求緊湊。在不影響設(shè)備日常操作及維護(hù)保養(yǎng)工作的情況下,盡可能地縮短管路,減輕單元質(zhì)量。

在進(jìn)行城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮車下設(shè)備模塊化裝車的需求。車下設(shè)備分成風(fēng)源模塊、制動(dòng)控制模塊及管排模塊。通過管路的連接,可實(shí)現(xiàn)車下設(shè)備艙的整體模塊化裝車。制動(dòng)系統(tǒng)的其他部位,根據(jù)安裝區(qū)域性單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。1.1 風(fēng)源模塊

根據(jù)功能相近原則,將主空壓機(jī)和輔助空壓機(jī)等供風(fēng)設(shè)備集成在風(fēng)源模塊中。風(fēng)源模塊主要包括空壓機(jī)子模塊、主風(fēng)缸、輔助空壓機(jī)、升弓小風(fēng)缸等。其中，空壓機(jī)模塊又集成了空氣壓縮機(jī)、干燥器、安全閥、軟管等部件。因供應(yīng)商的不同,空壓機(jī)的安裝接口和尺寸等都有很大區(qū)別。為了能使設(shè)計(jì)的風(fēng)源模塊吊架同時(shí)適用主要廠家的空壓機(jī)型號(hào)要求,根據(jù)輔助空壓機(jī)和主空壓機(jī)的氣路原理圖(見圖1),設(shè)計(jì)了風(fēng)源模塊，其設(shè)計(jì)方案圖見圖2。據(jù)此對(duì)風(fēng)源模塊進(jìn)行三維設(shè)計(jì),如圖3所示。

圖1 空壓機(jī)氣路原理圖

圖2 風(fēng)源模塊的設(shè)計(jì)方案

由圖1可知，風(fēng)源模塊的設(shè)計(jì)整合了不同廠商的主空壓機(jī)和輔助空壓機(jī)的安裝接口，并與外部形成了一致接口,從而保證制動(dòng)系統(tǒng)整體的模塊化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)真正做到了風(fēng)源系統(tǒng)的集成,既能滿足功能的要求,又節(jié)約了寶貴的車下設(shè)計(jì)空間。

1.2 制動(dòng)控制模塊

根據(jù)業(yè)主的要求不同,城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)可配置不同供應(yīng)商的產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于不同供應(yīng)商的產(chǎn)品開發(fā)過程和實(shí)現(xiàn)功能的方式不同,其機(jī)械接口、電氣接口和軟件協(xié)議各不相同,故很難將不同供應(yīng)商的產(chǎn)品整合。只能通過單元模塊,將不同產(chǎn)品的差異化縮減到最小。

圖4為某供應(yīng)商提供的TP車(帶受電弓的拖車)制動(dòng)控制柜的外部氣路原理圖(局部)。由圖4可見，該制動(dòng)控制柜已將制動(dòng)系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行了模塊化集成,在柜內(nèi)分為停放制動(dòng)控制模塊、制動(dòng)控制模塊、供風(fēng)及空簧控制模塊、輔助升弓模塊和壓力傳感模塊5個(gè)模塊。該制動(dòng)控制柜與外部接口共有10個(gè)接口,從1到10編號(hào)的接口分別為:停放缸壓力輸出(P口)、制動(dòng)缸壓力輸出(C口)、空簧壓力輸入1(T1口)、空簧壓力輸入2(T2口)、空簧供風(fēng)輸出(AS口)、制動(dòng)風(fēng)缸輸入口(R口)、總風(fēng)風(fēng)缸輸入口(MR1)、升弓裝置總風(fēng)輸入口(PH2)、升弓裝置輔助空壓機(jī)輸入口(PH1)和升弓壓力輸出口(PH3),共計(jì)“6入4出”。根據(jù)該氣路原理圖,設(shè)計(jì)了制動(dòng)控制單元模塊。根據(jù)制動(dòng)控制單元模塊的設(shè)計(jì)方案(見圖5),將制動(dòng)控制柜和風(fēng)缸模塊進(jìn)行集成(見圖6)。

圖5 制動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)方案

圖6 制動(dòng)控制模塊三維設(shè)計(jì)

制動(dòng)控制模塊集成了制動(dòng)控制柜、控制閥板、管路及附件、風(fēng)缸模塊等,具有完整的功能。能保證不同車型(如動(dòng)車及拖車)的不同功能配置,且與外部接口基本一致。若更換供應(yīng)商,則只需對(duì)制動(dòng)控制柜和管路進(jìn)行變動(dòng),而只在該單元模塊內(nèi)就能夠進(jìn)行配置的調(diào)整,從而保證了制動(dòng)控制模塊單元與車體和外部接口的一致性。

1.3 區(qū)域管排模塊

管路模塊化設(shè)計(jì)主要考慮工藝性能。根據(jù)氣路原理圖及對(duì)車輛的接口分析,將遍布全車的管路最大程度地實(shí)現(xiàn)模塊化。模塊化設(shè)計(jì)要做到接口簡化和安裝簡化。車下管路主要集中在車體的一二位側(cè),向車下引出的連接管路主要是風(fēng)源模塊和制動(dòng)控制模塊2個(gè)模塊。管排的設(shè)計(jì)思路為:非連接區(qū)域外,其他部位全部設(shè)計(jì)為直通的互聯(lián)管路,以簡化管路間的接口;連接區(qū)域通過軟管實(shí)現(xiàn)連接的柔性化,且能夠消除安裝誤差[9]。

與制動(dòng)控制模塊相連的管路局部會(huì)有大量的接口。模塊化設(shè)計(jì)將大量接口集中到1個(gè)固定的安裝板上。組裝時(shí)只需將對(duì)應(yīng)的軟管對(duì)接上即可。這一設(shè)計(jì)改進(jìn)了傳統(tǒng)車下接口排布松散且亂的設(shè)計(jì)。接口部位三維設(shè)計(jì)見圖7。

圖7 接口部位三維設(shè)計(jì)

針對(duì)互聯(lián)性質(zhì)的管路的日常操作和檢修基本沒有,主要的操作檢修保養(yǎng)工作集中在依靠其連接的各個(gè)功能元件和設(shè)備上。設(shè)計(jì)時(shí),可將管接頭、截?cái)嗳T、閥等集中到一側(cè),并便于維護(hù)人員接近,以提高管排的可維護(hù)性。將管路布置在車體的兩側(cè),保證了其可接近性,便于維護(hù)檢查;同時(shí)，為了管路的簡潔,中部的管路應(yīng)盡量都設(shè)計(jì)成直管。可將同樣走向的管路集中布置在支架上形成管排(見圖8),以實(shí)現(xiàn)整體管排的上車安裝。

圖8 制動(dòng)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)效果圖

要實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)車下設(shè)備的整體模塊化安裝,還需對(duì)連接管路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。由于管路這類互聯(lián)功能的零件較難實(shí)現(xiàn)模塊化,而且更換不同供應(yīng)商產(chǎn)品時(shí)不可避免地會(huì)導(dǎo)致管路的調(diào)整；因此，管路的模塊化設(shè)計(jì)主要考慮預(yù)留安裝空間,以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的供應(yīng)商產(chǎn)品的適應(yīng)性。

2 模塊化單元的工藝要求

(1) 組裝要求。模塊化單元的組裝是將設(shè)備、管、構(gòu)架等組成一體,需要根據(jù)單元安裝圖及管路布置進(jìn)行工藝安排。組裝前,先在預(yù)裝平臺(tái)上設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)位置；然后，制作單元框架，安裝設(shè)備基座,安裝設(shè)備;最后，安裝管路。預(yù)組裝工作平臺(tái)能根據(jù)不同車型和系列來設(shè)計(jì)不同的工裝,以滿足制動(dòng)系統(tǒng)的不同模塊化單元框架和設(shè)備基座的裝配要求。

(2) 吊裝要求。吊裝前,需將單元加強(qiáng),增加便于拆卸的臨時(shí)支撐固定工裝,通過翻轉(zhuǎn)工裝將組裝好的單元模塊翻轉(zhuǎn)。在車體上做好主要定位點(diǎn)和坐標(biāo),將翻轉(zhuǎn)后的單元模塊通過運(yùn)輸小車運(yùn)輸和舉升裝置抬舉,按照工藝順序進(jìn)行整體吊裝。

3 制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

模塊化組裝是一種先進(jìn)的工藝措施,依賴于模塊化設(shè)計(jì),其主要目標(biāo)在于簡化生產(chǎn)流程。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有:

(1) 模塊化設(shè)計(jì)使制動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)更加簡單,加快了新產(chǎn)品開發(fā)的速度,并提高了制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

(2) 模塊化設(shè)計(jì)能打破單一供應(yīng)商供貨的局面,使動(dòng)車組產(chǎn)品的配置更加豐富,以滿足不同客戶的多樣化需求。

(3) 模塊化設(shè)計(jì)使零部件集成化程度較高,減少了零散部件,減小了整車組裝難度與工作量,大大縮短了整車的組裝時(shí)間,改善了車下安裝的工作環(huán)境,降低了生產(chǎn)成本[10]。

(4) 模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)零部件的單元化,便于完成部件的例行和型式試驗(yàn),縮短了整車的試驗(yàn)認(rèn)證周期。

(5) 模塊化設(shè)計(jì)可使單獨(dú)的部件便于檢修維護(hù)和清理,減少檢修維護(hù)工作量和工作時(shí)間。

制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、運(yùn)用、維護(hù)及檢修等方面都得到了充分的體現(xiàn),給動(dòng)車組帶來了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。雖然制動(dòng)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)也有一些小的負(fù)面作用(例如,部分空氣管路由于模塊化而加長，當(dāng)然也有部分空氣管路因此而縮短;模塊化會(huì)增加部分原材料的使用等),但這些與模塊化帶來的好處相比顯得微不足道。

4 結(jié)語

模塊化設(shè)計(jì)是軌道交通客車領(lǐng)域的一大趨勢(shì),也是主機(jī)廠綜合設(shè)計(jì)能力的體現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)不但可以加強(qiáng)設(shè)計(jì)的規(guī)范性、通用性和拓展性,縮短設(shè)計(jì)周期,而且能夠提高制造的精確性,減少裝配工時(shí),降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。城際動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì),初步實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)主要部件的模塊化整合,能夠適應(yīng)不同供應(yīng)商不同接口的同類產(chǎn)品。但實(shí)際上,還只是機(jī)械接口的整合,距離電氣接口和控制軟件的整合,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的整體模塊化還有一定差距,為此還需進(jìn)一步探索。

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Design of Modularized Braking System for Intercity EMU

WANG Dongxing, QIN Jiaying, LI Huaming, DU Qunwei, SHAN Yanan

Modular design is widely used in railway vehicle industry. Through the implementation of modular design for braking system of intercity EMU, products of different suppliers could be integrated, the allocation of EMU be enriched, and different requirements of customers be satisfied. After the division of EMU braking system, including the unit, region and functions, the design of different functional modules of the braking system is completed. The technical requirements of the modular design, their advantages and disadvantages are analyzed, the prospect of module design for intercity EMU brake system is carried out.

intertity railway; electronic multiple unit (EMU); braking system; modularized design

*鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012J003-C);中車唐山機(jī)車車輛有限公司研究開發(fā)項(xiàng)目(2013TCY022)

U 266.235

10.16037/j.1007-869x.2016.06.027

2014-07-16)