廠修、段修合一動車段的工藝設計研究

湯友富

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司, 北京 102600)

CRH (China Railway High-speed)系列動力分散型動車組動力車分散在全列車中,沒有嚴格區分意義的機車和車輛,動車組車廂之間采用密結式車鉤進行連接,不能輕易分解,結構特點決定了動車組整備檢修與傳統的機車和車輛分別在機務段、車輛段進行不同,動車組要求整列一起運行或整列一起檢修,機務段或車輛段不能承擔動車組動力車和拖車整備檢修,需重新研究設計新的檢修基地,完成動車組的整備檢修.

列車運行達到一定的走行里程或年限后,機車和車輛需從各鐵路局分別送到機車、車輛制造工廠進行(大)廠修,待修機車車輛在鐵路局與機車車輛制造工廠之間往返過程中有占用鐵路通過能力、干擾正線運營、檢修周期長的弊病,為了克服上述弊病,動車組出廠后不再返回工廠修理,需要研究設計廠修、段修合一的動車段.

武漢作為中國鐵路重要樞紐之一,根據鐵路部門的規劃,將新建武漢動車段,該段以CRH2型動車組為主要檢修對象,承擔400列動車組三～五級(廠修)的檢修作業[1],在檢修范圍上立足時速200 km/h,涵蓋時速300 km/h及以上動車組,與此同時承擔武廣高鐵配屬開行的250～300 km/h高速動車組一、二級修及客運整備任務.

2004年武漢動車段開始工程設計的時候,世界上高鐵代表性國家的主要有德國、法國和日本,當時這3個國家的高鐵動車組差異較大,例如牽引動力方式各不同(德國動車組有動力集中和動力分散兩種牽引方式,法國動車組只有動力集中一種牽引方式,日本只有動力分散牽引方式),牽引電壓不同(有交流1.5 kV和2.5 kV),車體長度和寬度不同(詳見表1[2]),動車組的差異引起動車組檢修模式各不相同.德國、法國動車組檢修主要以換件修為主,除轉向架、車體修理在動車段或大修廠集中檢修外,其余大多數部件主要在各專業部件生產工廠完成檢修任務,所以德國、法國動車段的檢修功能不足,設施比較簡陋;日本以運營現場修為主,一個動車段要同時兼顧好幾代動車組的檢修,其設備實施都比較陳舊老化,自動化程度低、檢修質量控制靠人工經驗成分較多.上述德國、法國和日本動車段或是由于動車組檢修模式不符合中國國情、或是檢修質量靠人工經驗控制,可供參考的地方不多.

表1　國外高速動車組主要技術參數Tab.1　Main technical parameters of foreign high-speed EMU

武漢動車段的工藝設計從一開始就面臨諸多難題,主要難點有:(1) 國內沒有類似工程經驗,國外動車組檢修模式各不同,沒有直接可供設計參考的動車段;(2) 武漢動車段一、二級修需要兼容4種不同類型動車組,三級修兼容日系CRH2型動車組和歐系CRH3型動車組[2],檢修工藝及設備全兼容性設計難度大;(3) 武漢動車段不僅要實現CRH2型動車組三級修(段修),還要實現CRH2型車四、五級修(廠修);(4) 動車段占地較大,選址和總平面布局存在一定困難和限制.

1　動車段的設計需求

經計算,武漢動車段設走行線4條、存車線49條(預留15條),不落輪及臨修庫線各1條,檢查庫線10條、檢修庫線8條(預留2條)、房屋總面積19.4萬m2,鋪軌長度67.59 km,占地面積142 hm2[3].根據動車段功能,武漢動車段由存車場、檢查庫、臨修庫、不落輪鏇庫、外皮清洗庫(棚)、檢修庫、材料庫及其配套設備設施和出入段線、存車線、檢查(檢修)線、輪對踏面診斷線、列車外皮清洗線、走行線、臨修線、不落輪鏇線、解編線、動態試驗線等以及生產辦公生活房屋等組成.動車段滿足功能的前提下,要求布局緊湊、節省用地.

動車段功能齊全具有客運整備、檢修、零部件存儲的功能;動車段檢修效率高和檢修質量穩定;動車段一、二級修需要兼容4種不同類型動車組,三級修兼容日系CRH2型動車組和歐系CRH3型動車組;開發柔性化檢修作業線滿足多種車型檢修.

實現不同工位專業化檢修,減少檢修專業間交叉作業,保證車體部件組裝工位環境潔凈度,提高檢修效率和質量.

2　動車段的關鍵工藝設計研究

2.1　武漢動車段段址方案選擇

(1) 舊改造方案:利用既有武昌鐵路北環線上的武昌北、八大家、楠姆廟車站改造成動車組存車場,原武昌車輛廠改造成動車組檢修基地,武昌鐵路北環線改造成動車組走行線.經過研究,改造方案基本不可行.武昌鐵路北環線改造成動車組走行線需要進行電氣化改造,不符合城市發展規劃;原武昌車輛廠已被武漢市規劃成武昌中央商務文化區,改造成動車組檢修基地不可行;武昌北、八大家、楠姆廟3個車站相距較遠,動車組檢修需要多次調車作業,效率低下,也不利于安全統一管理.所以未能采納利舊改建方案.

(2) 新址建設方案:新址建設方案研究了新武東村段址和流芳段址兩個方案.由于流芳段址方案距離武漢站10 km,走行線距離長引起工程建設費、動車組空走運營費均較武昌東段址方案高.經技術經濟比較,最終推薦距離武漢站直線距離2.5 km的新武東村新建武漢動車段.

2.2　總平面布局比選

在確定動車段的段址后,動車段總平面布置根據動車段運用檢修流程的需要、動車段的規模、用地條件、周邊道路、物流方向、氣象、水文、地質等情況確定.動車段總平面布局一般有橫列式布置和貫通式布置兩種形式.

2.2.1橫列式方案

動車段規模小時,用地緊張的情況下,總平面布局一般采用橫列式,檢修庫與存車場并列布置,存車線和檢修庫線均采用盡頭式布置,如圖1所示.

圖1　盡頭式總平面布置Fig.1　General plane layout of the end type

2.2.2縱列式方案

動車段規模大時,在用地許可的前提下,總圖布置采用縱列式布置,檢修庫與存車場串聯,存車線和檢修庫均貫通,如圖2所示.

圖2　貫通式總平面布置Fig.2　General plane layout of the through type

2.2.3武漢動車段總平面布局實施方案

根據前面確定的武漢動車段的規模和動車組運用檢修工藝流程的需要,充分利用武漢站、東湖風景區和武東編組站之間新武東村狹長地形,在規劃段址用地范圍內自北向南依次設有存車一場(49條)和10線動車組檢查庫,在咽喉區兩側分別布置有10線檢修庫和預留存車二場(15條),在10線檢修庫的南側依次設計有車體部件解裝庫、車體檢修油漆庫、材料倉庫等.在存車一場與10線檢查庫之間共設有6條線,線上布置有人工和自動列車外皮清洗設備各2臺.其他生產房屋有設備車間(機械加工)、空壓機間、變電所、信號樓、給水加壓站、污水處理場等.規劃后的武漢動車段呈南北縱列式布置,總長約2 800 m,最寬處約520 m,如圖3所示.

2.3　動車組整列整備檢查關鍵技術

動車組整備檢查,需要解決的問題有:(1) 普通客車整備庫停時間為6.0 h,動車組整備檢查庫停時間較短只有3.5 h,在規定的時間內需完成動車組底部、車廂內部、車廂頂部各項檢查,完成上水、吸污、列車外皮清洗等客運整備工作[4];(2) 需要在入庫時間內對輪對、受電弓進行檢測,動車組輪對、受電弓狀態好壞直接影響列車行車安全和運行舒適度;(3) 整備檢查庫能夠適應4種CRH動車組作業;(4) 整備檢查庫車頂設置電壓2.5 kV的接觸網,存在安全隱患.

圖3　武漢動車段總平面布置示意Fig.3　General plane layout of Wuhan EMU Depot

為此,研究了以下解決方案:

(1) 在出入段線上設置輪對、受電弓檢測裝置,利用動車組入段走行時間進行動車組輪對、受電弓在線檢測,減少檢查庫作業停留消耗時間.輪對檢查的主要內容有輪對踏面擦傷、裂紋、圓度等.

(2) 在停車場和檢查庫之間設置列車外皮清洗裝置,動車組從停車場到檢查庫的走行過程中,列車外皮清洗裝置自動對車體頭部、裙部、側面進行了清洗,減少檢查庫洗車停留消耗時間.

(3) 在檢查庫內設置3層作業平臺[5],增加檢查動車組作業面,實現3個層面的平行作業,提高檢查效率.底層作業面對轉向架牽引、制動、減振等系統進行狀態、外觀、尺寸檢查;通過2層作業面到達車廂內部檢查司機室、廁所、盥洗室、熱水器、風口、座椅等的狀況;3層作業面對受電弓碳滑板、升降裝置、高壓絕緣子、高壓電纜接頭等進行外觀、性能狀態檢查.

(4) 根據兼容4種CRH動車組整備檢查的需要,設置滿足4種電壓等級的地面電源,設置滿足4種動車組接口的上水、吸污接口等.

(5) 整備檢查庫車頂3層平臺設置安全監控系統和門禁系統,門禁與電壓2.5 kV的接觸網實施安全聯鎖,接觸網通電時上車頂的門打不開;登頂人員在3層作業平臺作業時,接觸網通不了電,只有在登頂所有人員撤離3層平臺后才能通電,確保人員安全.

(6) 動車組整備檢查庫停時間較短,檢查項點多,設置整備檢查作業監控評價系統,對作業人員各項工作進行監控、跟蹤和評價,確保各項檢查規范標準、不漏項.

2.4　廠修、段修合一工藝及廠房組合研究

2.4.1段修工藝研究

根據客戶需求,段修需滿足CRH2型、CRH3型動車組三級修(段修)兼容修,需要解決的問題有:(1) CRH2型和CRH3型動車組車輛定距參數不同,分別為17.500 m和17.375 m,由于定距不同引起兩種車型車體架車點不同,需要重新研究適應兩種車型的地坑式固定架車設備;(2) 一條檢修線檢修兩組8輛編組的動車組,又能檢修16輛固定編組動車組;(3) 有整列動車組一起更換轉向架的功能外,還需具備單獨更換某個轉向架.

為此,經過研究得到以下解決方案:(1) 設置具有17個架車單元的地坑式架車機;(2) 為適應CRH2型和CRH3型兩種動車組架車,研究出縱向間距在17.375～17.500 m范圍可調的車體架車單元;轉向架架車單元舉伸軌尺寸在基本尺寸的基礎上增加0.2 m;(3) 當架1組8輛編組動車組時,利用1～8號架車單元架車;(4) 當分別架2組8輛編組動車組時,利用1～8號架車單元架其中1組動車組,10～17個架車單元架另外1組動車組;(5) 當架1組16輛編組動車組時,利用1～16號架車單元架車.

上述研究方案在現場實施后,武漢動車段段修彎臂式地坑同步架車機一次托舉16輛編組動車組,實現了三級修轉向架依次或任意更換作業.

你可以用兩種方法混合場景中的顏色。第一種是用相機拖曳技術，用相機本身來實現。降低快門速度（先嘗試設置為1秒，不合適的話再調整），打開快門后進行搖攝，這既可以用手完成，也可以使用三腳架。

2.4.2CRH2型車四、五級修(廠修)

根據CRH2型動車組運用維修手冊,動車組四、五級檢修是在三級修的基礎上實施動車組解編、大部件拆卸維修、車體油漆、大部件組裝檢測、編組、靜調、動調等.根據用戶要求,武漢動車段日均四、五級檢修近/遠期車廂數分別為5/10輛,動車組廠修一般采用定位修的檢修模式,但日均檢修的數量增加后定位修存在以下問題:

(1) 定位修的主檢修庫臺位較多,庫房面積偏大,工程造價高.根據測算武漢動車段日均檢修5輛,動車組四、五級修檢修停時分別為45 d和50 d,定位修的檢修臺位需要20列位,檢修股道多、庫房面積大,工程造價高.

(2) 定位修的臺位功能同質化嚴重,檢修工裝設備重復配備數量多,投資高.動車組定位修時,車廂一般不移位,由于每節車廂檢修內容大體一致,每個臺位所需檢修工裝設備基本相同,為了防止檢修工裝設備不足引起的檢修效率低下的問題出現,各檢修臺位配備檢修工裝設備重復數量較多,引起項目工程投資增多.

(3) 定位修增加檢修工種銜接管理難度.由于每個臺位功能基本雷同,各檢修工種在臺位平行或交叉作業,加大生產調度難度,如果工種工序銜接不順,影響檢修動車組效率.

(4) 定位修的檢修工位潔污不分.每個臺位有車廂設備的拆卸又有車廂設備的組裝,車廂設備拆卸時造成本臺位和相鄰臺位場地、空氣污染,影響后續車廂設備裝車環境,對動車組檢修質量存在隱患.

為解決上述定位修存在的不足,研究了動車組四、五級修采用流水檢修方案[6],具體如下:

(1) 按檢修手冊的檢修作業內容要求,將動車組解編、檢修前處理作業、車底高壓氣吹掃、轉向架更換、車體部件解體和組裝、車體檢修、車體油漆等作業分配到不同的工位,車廂檢修過程中連續移動,不同的檢修工作在不同的工位,實現動車組流水檢修,詳見圖4.

圖4　流水檢修工位布置示意Fig.4　Layout of flow-line maintenance station

(3) 確定的每個工位檢修作業時間為80 min,考慮到組裝工序由于部件需要對位調整、測試等作業,確定組裝工位的作業時間為160 min,因此車體部件組裝工位(18～27工位)為10個,較車體部件拆卸工位(6～10工位)多1倍.

武漢動車段采取流水檢修作業后,實現各檢修工位工序專業化檢修,避免了各檢修專業間交叉作業,保證車體部件組裝工位環境清潔,提高了檢修效率和質量,實現文明作業,目前根據反饋情況現場使用效果很好.

2.4.3檢修廠房合并設置

根據上述研究結論,廠修與段修檢修工藝完全不同:(1) 動車組廠修需要解編,段修不需要解編;(2) 廠修采用流水檢修,段修采用定位檢修;(3) 廠修作業場地多,段修作業少.

為了實現廠修、段修廠房有機組合,研究了以下方案:(1) 將三級修轉向架檢修區與四五級修轉向架檢修區合并設置成轉向架檢修庫;(2) 為了減少轉向架更換區與運輸區之間的運輸距離,將三級修轉向架更換區與四、五級修轉向架更換區毗鄰設置;(3) 車體解體組裝庫、車體檢修油漆庫分庫設置,為了減少車體部件的運輸距離,將車體部件檢修區布置在車體部件解體工區與車體組裝工區的中間;(4) 動車組車廂在檢修廠房間的移動通過庫間移車臺實現,如圖5所示.

圖5　動車段廠修、段修檢修廠房組合Fig.5　Workshop combination of Wuhan EMU Depot

武漢動車段廠修、段修檢修廠房實現了有機組合后,各檢修工區既相互獨立又相互銜接,在滿足動車組檢修需求下,實現物盡其流、人行其道,改善了檢修工作環境.

3　武漢動車段主要設計特點

3.1　設計檢修能力

根據原鐵道部《關于動車基地(段)檢修調整方案的通知》[2010]263號,北京按300列、上海按250列、武漢按400列、廣州按250列配屬設計能力,武漢檢修能力國內最大.

3.2　設計起點瞄準世界

為將武漢動車段打造成國內動車段的標桿工程并指導廣州及上海動車段設計,針對性研究了國外已建成動車段設計技術,數度與德國、法國、瑞士、日本專家在動車組運用、檢修技術等方面進行了全方位的交流與合作,引進了先進的動車組運用檢修技術與裝備.

3.3　設計檢修兼容日系、歐系車型

武漢動車段設計不僅要檢修日系動車組,還要求檢修歐系動車組,檢修工藝及設備全兼容各型動車組;不僅要完成動車組段修,還要完成動車組的廠修等,具體是滿足各型CRH動車組的一、二級檢修、動車組臨修、客運整備以及存車作業要求的同時,還要求滿足CRH3型動車組三級檢修及CRH2型動車組(200 km/h和300 km/h)的三、四、五級檢修.

為了實現檢修兼容日系、歐系車型,開發了柔性化檢修作業線,滿足多種車型檢修.例如檢查庫的地面電源設計有多種接口,滿足4種車型檢修;三級修庫設計有17個舉升單元,既可滿足整列16輛編組動車組架車,也可以同時滿足2個8輛編組動車組架車.

3.4　采用80 min/節拍檢修方式

國內首次對動車組四、五級采用流水檢修方式,采用80 min/節拍流水線方式,提高了每個工位專業化檢修水平,充分發揮每個工位的勞動生產率,可以滿足近期200列(1 600輛)、遠期400列(3 200輛)的檢修任務,較常規定位修的檢修模式,房屋面積節省20%,節省工程投資.

3.5　科研支撐設計取得的系列成果

設計人員對武漢動車段總體布局、三、四、五級修庫的廠房組合、運用檢修流程、設備配置、運用檢修信息化系統等進行系統研究,對動車組的兼容修、轉向架檢修流水線、車體分解組裝檢修、車體油漆流水線等技術難點均進行了攻關,研究成果由原鐵道部評審并批準后,首次形成了我國動車段建設、設計的一系列指導性文件和標準,為動車段的成功建設奠定了良好的總體設計方案和設計標準.

全球首創彎臂式地坑同步架車機[9],一次托舉16輛編組動車組進行三級修轉向架依次或任意更換作業,創造了世界架車維修的最長編組動車組的記錄,實現了動車組架車機技術上的新突破,技術水平國際領先,如圖6所示.

圖6　彎臂式地坑同步架車機Fig.6　Curved arm pit type synchronous carlifte

3.6　檢修車間采用三維設計

針對需要對動車組的底部、中部、上部等不同部位的檢修,設置了立體檢修工位和工裝設備,為了防止不同工位、設備平面、立面相互干涉,采用了三維設計方式,克服平面二維設計的不足,實現了二維設計向三維設計的轉化.

國內首創轉向架檢修輸送線研究,涵蓋5條轉向架三級修工藝流水線,7條轉向架四、五級修工藝流水線,研究成果在國內各動車段得到廣泛的推廣應用.仿真模擬技術如圖7所示.

圖7　利用仿真模擬技術進行工藝流程設計Fig.7　Process design by using simulation technology

4　結束語

武漢動車段是國內首批設計建成的高速動車組運用和檢修的基地,在本項目研究中提出了綜合各型動車組檢修要求,設計了柔性化檢修作業線滿足多種車型檢修,采用計算機仿真模擬技術指導工藝設計等.武漢動車段動車組的兼容修、車體分解組裝檢修流水檢修作業在時過5年后至今還具有技術的先進性和生命力,例如與武漢動車段同期建成的其他動車段目前正在技術改造,動車組四、五級修由原來的定位修改成了流水修.

武漢動車段的建成運營開創了中國動車組白天上線高速安全運營、晚間回段進行高質量、高效率技術檢查維修作業模式,達到動車組日運行2 200～2 500 km的高效業績,相比德國、日本、法國,在同等運量的情況下,可減少動車組配屬量27%以上,節省動車組購置費,相應減少動車段工程項目占地,經濟效益非常可觀.