基于全要素仿真的高鐵動車組清洗中心設備配置研究

朱澤群

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司機動院，湖北 武漢 430063）

1 概述

隨著鐵路建設的推進，鐵路配屬動車組日益增多，根據國鐵集團文件，預計2025 年全路配屬動車組4512 組，2030 年規劃配屬動車組5541 組，中國高鐵動車組的檢修面臨極大的“提質增效，減員降本”的壓力。

在動車組的檢修過程中，零部件的清洗占整個作業過程的11%～16%，是動車組檢修工藝中一個關鍵環節。長期以來，由于動車組部件外形復雜，清潔度要求高，我國鐵路動車組檢修部件清洗任務十分繁重。現有多采用簡單的清洗機和人工手持噴槍清洗，清洗勞動強度大，生產效率低，有害物嚴重地影響工人的身體健康，環境污染嚴重，勞動保護等問題一直是困擾檢修部門的一大難題。

經過高速鐵路建設的發展，清洗設備已經獲得了一定層度的發展，智能、高效的專用清洗設備，鐵路集中設置的清洗中心及其關鍵技術、零散零部件自動清洗裝部，也基本實現了應用。但是動車組部件的清洗效率，除了與清洗設備的功能本身有關，其清洗件的到達、緩存區域的設置、部件的配送路徑均對清洗效率有決定性的影響，整個清洗工藝過程的瓶頸，決定了總體的清洗效率。要想獲得合理的清洗設備配置，合理確定清洗設備配置，主要解決拆解和安裝的節拍問題。

解決這類問題需充分考慮車間布局、部件拆解時序，拆解用時，運輸路徑，運輸工具，部件清洗時間，工作時間等要素，才能對工藝過程進行分析，給設備數量的配備，緩存區域的大小，提供滿足要求且經濟可行方案。因為軌道交通車輛的特殊性，車體拆裝流程必須遵循特有原則和專用工裝才能完成，目前，已有相關的工藝仿真技術如Flexsim 在動車所工藝研究，Plant Simulation 在動車組軸箱生產線的相關研究，可以解決動車作業過程中的工藝問題，但尚無在清洗工藝方面的研究。

2 清洗需求及工藝研究

動車組檢修清洗要求的核心就是基于動車組部件拆解、組裝的時序被洗零部件達到檢修工藝要求的清潔度，以滿足部件檢查檢修的要求，部件清洗完成時間，對后續組裝節拍影響很大，直接關系動車組完成檢修的時間。雖然部分動車段已開始配備自動化、半自動化的清洗設備，但部件清洗工作總體效率低，沒有完整、順暢的流水線式作業。

2.1 動車組檢修需求

經過對某動車段主修車型進行了調研，對動車組需清洗的部件進行了調研統計，該d 段主修車型車體（按8 輛編組）含各主要部件30 類，共計1300 余件，轉向架含各主要部件33 類1500 余件。

清洗環境潮濕，不利于一般檢修工作的開展，因此部件清洗宜集中考慮設置清洗中心。清洗中心的工作流程與清洗部件的拆裝密切相關。根據部件在動車段內拆解位置、拆解時序以及零部件形狀和轉運工具等要素，將動車組零部件的清洗單元分為6 類，包括裙板、邊梁、車體零部件、構架、輪對、轉向架零部件。

動車組部件按既定時序進行拆解，并沿著規劃路徑運送至清洗位置，輪對、構架、轉向架部件等清洗完成后在轉向架庫內完成組裝；車體部件從車體分解臺位拆卸，完成清洗后運送至車體組裝臺位進行安裝。

2.2 清洗設備

根據動車組大部件清洗市場所有的設備清洗情況，主流清洗設備的相關要素如表1 中所示。

表1 清洗設備關鍵要素

表2 清洗對象要素表

表3 來件時序節拍表

3 仿真研究

3.1 仿真平臺選取

產線工藝的可視化仿真是指通過抽象模型來模擬實際的生產線運行，幫助我們了解真實的生產過程，并對其進行分析與優化，然后實施設計和規劃的活動。

經對比市場工藝仿真軟件，Plant Simulation 在工藝節拍，邏輯設置上，更具有靈活性，可以從工位時間、啟動方式、故障方式等多個角度去控制與工位相關的要素，還可以通過編程，賦予對象屬性和行為，且能通過多種方式為用戶提供了數據分析的功能，還集成了遺傳算法、試驗分析器等數據分析功能。本次仿真擬采用Plant Simulation。

3.2 車間級仿真目標

時間要求：根據動車段實際工作時間，需設置班次日歷（每日工作時間按上午8：00 ～下午18：00，中午12：00 ～下午14：00 為休息時間。周一至周六為工作時間考慮），仿真時間以1 年計算。

仿真目標：滿足該動車段動車組車組檢修產能配套的清洗作業。

3.3 仿真要素確定

要完成清洗中心的仿真，首先，需確定清洗中心的清洗對象、來件節拍、清洗中心初步布局等，以初步估算清洗中心的設備配置情況。

（1）清洗對象。

（2）來件時序。

4 仿真實例

某動車段解體組裝檢修庫自東至西依次布置部件組裝、部件檢修區、部件解體區、部件檢修區。車體檢修及油漆庫自東向西依次布置。本次清洗中心需解決動車組高級修拆裝的車體部件、轉向架部件的清洗工作。清洗方案和路徑如圖1 中所示。

圖1 清洗中心走行徑路方案示意圖

4.1 仿真模型

首先，根據已經調研的資料和工藝流程，我們對建模的思路進行了分析：（1）分析實際工藝情況，決定需要哪些功能模塊；（2）關鍵工位流轉的邏輯。

然后，結合既有工藝、功能和現場溝通調研的結果，提出方案布局圖，采集仿真區域的正射影像圖。

調整好各模塊布局后，獲得的基于實景的仿真圖像，模型搭建完成后，在仿真運行前，還需要進行以下操作：①班次日歷的設置。通過對班次日歷控制工人的實際工作時間；②設置清洗工人。軟件通過工人池實現工人的調度，每個工人可以有自己獨特的技能，也可以是多功能型工人，從而滿足實際生產的需求；③仿真初始化參數設置。在仿真初始階段，將圖表、裙底板輸入窗口、轉向架緩存出口等參數進行初始化設置，以滿足仿真的基本數據要求。

4.2 仿真運行過程

本次仿真所用的動車組采用源產生，可以通過設置動車組入段均勻間隔來設置動車組的產生，當有具體的訂單計劃后，可以采用表格定義時間序列，控制仿真模型中每列車進入的時間。通過模型設置的程序控制算法，列車進入后按照既定的程序完成拆裝后送至下一工位，完成拆卸的部件，且清洗中心前置緩存區還有緩存工位時，通過轉運中心的控制，由AGV 小車將部件運送至清洗中心緩存區，緩存區滿后，暫停轉運。當零部件由拆卸工位運送到清洗中心時，先存放在前置清洗緩存區內，當對應的零部件清洗機空閑后，由天車運送至后置的緩存區，在后置緩存區等待AGV。

4.3 仿真結果分析

根據某動車段工作量預測，近期三/四級修檢修任務分別為150/77 列，來車間隔約每22h；遠期為188/97 列，來車間隔約為17h。首先，通過設置各類部件清洗設備數量均為1，找到工藝瓶頸，確定試驗分析器的分析參數，仿真結果如圖2 所示。

圖2 清洗中心設備占用率情況

在一年的仿真時段內，約完成了90 組動車組部件的清洗，與每年完成285 組車的任務量相差較遠。鑒于構架清洗、輪對清洗耗時較長，且在仿真結果數據中，工作狀態占用比例較大，構架清洗設備、輪對清洗設備為關鍵設備，而零部件、裙板、邊梁等清洗設備工作狀態占比相對較低，可推定非產能瓶頸，因此，維持其數量為1 臺。分別1、2、3 臺構架清洗機，1、2、3 臺輪對清洗機進行9 組實驗，經測算在上述布局下，清洗中心在研究年度需配備的清洗設備如表4 中所示。

表4 各研究年度設備配置數量表

5 研究結論與展望

5.1 研究結論

本文根據某動車段的調研情況，充分考慮了動車組部件拆解時序，拆解用時，運輸路徑，運輸工具具體參數，部件清洗時間，工作時間等要素，運用了工藝仿真的全新工藝設計手段，對工藝流程進行了數字化、可視化處理，將工藝設計中的眾多要素都通過工藝流程的邏輯控制，納入模型的邏輯控制中，驗證了部件清洗布局、部件轉運路徑的可行性，并提供了設計中需要研究年度清洗設備設置數量的建議，為后續同類項目的工藝設計和設備配置提供了參考。

5.2 展望

由于對機輛設施研究的范圍廣，工藝流程的調研不夠徹底，需在后續設計任務中，結合工藝設計深廣度的擴充，更詳盡地調研機輛檢修設施的工藝，為革新工藝手段儲備一手技術資料。