軌道交通領域車輛再制造技術的應用分析

赫宏聯(lián)， 楊雪峰， 黃德敏， 王宏遠

(唐山軌道客車有限責任公司　制造技術中心， 河北唐山 063035)

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軌道交通領域車輛再制造技術的應用分析

赫宏聯(lián)， 楊雪峰， 黃德敏， 王宏遠

(唐山軌道客車有限責任公司制造技術中心， 河北唐山 063035)

從宏觀角度分析了軌道車輛的再制造背景和主要技術，介紹了軌道交通車輛的再制造工藝流程和評價方法，并對產品方案設計和相關標準制定時應充分考慮可維修性和再制造特性提出合理建議，為后續(xù)軌道交通領域車輛再制造技術研究打下了基礎。

軌道車輛； 再制造； 技術分析

軌道交通領域裝備再制造是采用退役車輛再設計與評價技術、車輛整機再制造與綜合提升技術、再制造質量控制技術，車輛零部件綠色修復與再制造技術等，使報廢車輛設備及其零部件恢復形狀、尺寸和性能，形成軌道交通領域再制造裝備的一系列技術措施或工程活動?？梢灶A測在大量的軌道交通車輛服役期結束后將面臨著產品報廢或再制造的選擇，目前急待開展報廢軌道車輛再制造相關工作，并進行有針對性的課題研究、標準研究、方案研究以及報廢車輛的資源化處理。

裝備再制造是一個以裝備全壽命周期設計和管理為指導，以優(yōu)質、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為目標，以先進技術和產業(yè)化生產為手段，來修復或改造廢舊裝備的一系列技術措施或工程活動的總稱。不難看出，維修與裝備再制造實現(xiàn)的目標和取得效果不盡相同，裝備再制造是較裝備維修更加高級的生產制造活動，兩者在裝備全壽命周期中的階段不同，地位和作用均不同。目前，軌道交通領域內的再制造業(yè)務還處于起步階段，存在對車輛維修和車輛再制造的的概念混淆，顯然通過對再制造業(yè)務的深入研究我們發(fā)現(xiàn)了兩者之間存在著質的區(qū)別。如圖1所示，裝備再制造與維修在裝備全壽命周期中處于不同的階段。

1　軌道車輛再制造發(fā)展趨勢及主要目標

《國務院關于加快發(fā)展循環(huán)經濟的若干意見》(國發(fā)[2005] 22號)明確提出廢舊機電產品的再制造是我國加快發(fā)展循環(huán)經濟及建設資源節(jié)約型社會的重點工作。再制造技術的研究工作已凸顯成效，在國內學術界以及產業(yè)界均有不小的影響力。

對于軌道交通領域來講，宏觀上的再制造業(yè)務對象應該為報廢的軌道列車；微觀層面上，軌道列車上的各零部件在列車檢修過程中也存在發(fā)生再制造業(yè)務的可能。這就需要各大主機廠根據具體情況，因地制宜地開展再制造業(yè)務，提高車輛再制造效率，降低全壽命周期成本，保證車輛的運行安全和可靠性，提升車輛的再制造設計和工藝水平，從而使自身的車輛產品在市場競爭中取得巨大的優(yōu)勢。

圖1　再制造與維修在裝備全壽命周期中的位置

1.1軌道車輛再制造發(fā)展趨勢

(1) 運營車輛上零部件的再制造業(yè)務

軌道交通領域再制造業(yè)務的基礎是軌道列車及其零部件的生命周期狀態(tài)監(jiān)測和分析，通過將產品所有歷史運營數據存儲，并進行數學模型的建立，對存儲的數據進行挖掘，得出軌道列車零部件的長期服役變化規(guī)律，對零部件所處的生命周期階段進行判斷，在下一個維修周期之前對產生故障的可能性進行預測，以提供個性化再制造方案，調整維修周期，提高列車檢修效率，壓縮停運檢修時間，降低檢修成本，實現(xiàn)能力保持與優(yōu)化。

(2) 報廢車輛的再制造業(yè)務

軌道交通領域里，列車的壽命主要受車體壽命的影響。以高速列車為例，車體為鋁合金材質，一般壽命在30年左右。到2030年左右，我國將出現(xiàn)大量到達使用壽命的高速列車，如何資源化再利用這些報廢車輛產品是軌道交通領域再制造業(yè)務研究的主要目標。

為了實現(xiàn)報廢列車內廢舊零部件資源的最優(yōu)化利用，通過對列車的全壽命周期管理，從剩余使用壽命的角度，建立軌道車輛廢舊零部件再制造方案模型。以零部件失效數據和歷史服役工況數據為基礎，聯(lián)合威布爾分布和人工神經網絡模型來評估廢舊零部件的剩余使用壽命。對于具有剩余使用壽命的廢舊零部件,以定量的方式分析其第一次壽命末期和剩余壽命末期的可靠性，參考軌道車輛零部件可靠性閾值，得出軌道車輛廢舊零部件的再制造方案，即再利用、再制造或再循環(huán)。

1.2軌道車輛再制造主要目標

在“十三五”期間，規(guī)劃研究、建設提升軌道交通車輛核心零部件和整機的再制造能力。整機和大部件級包括：系統(tǒng)集成、鋁合金車體、轉向架、牽引電機、牽引變壓器、牽引變流器、牽引控制、列車網絡控制、制動系統(tǒng)；零部件級包括：橡膠類部件(空氣彈簧、橡膠節(jié)點、橡膠軟管等)、鑄鍛件(齒輪箱、軸箱體、鑄鋁橫梁)、金屬運動件(軸承、車軸、車輪)，玻璃鋼件(導流罩、前端外殼)，電線電纜及連接器類、板卡及模塊類。再制造生產規(guī)模將實現(xiàn)整車替換下部件的70%以上產品具備再制造能力，技術上要至少實現(xiàn)能夠延長2個廠修級，使用壽命由原設計30年增加到40年。

2　軌道車輛再制造現(xiàn)狀分析

我國高速列車產品社會保有量快速增長，再制造產業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。截止?015年5月，中國高速鐵路運營里程為16 509 km，截止到目前動車組市場投放量超過1 284標列，其中CRH1175標列，CRH2365標列，CRH380標列，CRH5149標列，CRH67標列，CRH380 508標列。高速列車即將或已經進入大修期，維修服務壓力與日俱增。可以預測今后20～30年國內將會面臨大批量高速列車產品報廢的情景，國內各主機廠和相關部門還沒有進行有針對性的理論研究和方案研究，這些報廢列車的資源化處理或將成為各主機廠面臨的一大難題。

再制造作為循環(huán)經濟的重要組成部分，是有利于環(huán)境保護的產品壽命終結后的處理方法之一。然而，由于廢舊產品服役工況的差異性，即使是相同類型的產品，所得到零部件的壽命特征也不一樣，其是否具有剩余使用壽命，其剩余使用壽命能否維持下一個壽命周期直接影響著再制造產品的質量和可靠性。因此，軌道車輛的再制造必須對廢舊零部件的再制造方案進行綜合評估，按照不同壽命特征采取不同的再制造方案原則進行決策，使軌道車輛廢舊零部件的利用價值最大化。

對于列車零部件的生命周期分析，當今各大世界級的主機廠，如西門子、阿爾斯通、龐巴迪、日立等均開發(fā)了自己的列車智能維護系統(tǒng)，將計算機及網絡技術和產品生命周期研究應用于軌道交通車輛，通過實時監(jiān)控列車各零部件工作狀態(tài)，利用后臺分析系統(tǒng)可分析并預測列車各零部件的服役狀態(tài)，做到在故障發(fā)生前預警，并依據列車各零部件的生命周期狀態(tài)設計修程和再制造方案。

以阿爾斯通公司Pendolino列車為例，在絕大多數情況下每秒鐘可提供8 000個關于不同系統(tǒng)變量的數據點，并進入后臺進行處理，空壓機、液壓機等平均使用里程提高了50%以上，扇渦輪、轉向架、萬向軸平均使用里程提高了100%以上，外部車門和空調通風系統(tǒng)實現(xiàn)了由檢測狀態(tài)決定繼續(xù)使用與否，無確定上限，維護效率提升顯著。而智能化系統(tǒng)給車輛設計制造改進帶來的有力支持更是無法估價的。

因此，列車零部件的再制造能力和智能維護功能的提升對國內主機廠具有極為重大的現(xiàn)實意義?？梢哉f，如果某家國內主機廠能集中力量快速突破這些瓶頸，就能迎頭趕上國外同行、大幅領先國內同行，并顯著的提高車輛維護效率，降低全壽命周期成本，減少運行安全事故數量，提升車輛的再制造業(yè)務的設計和制造工藝水平，從而使自身的車輛產品在市場競爭中取得巨大的優(yōu)勢。

3　軌道車輛再制造主要技術

3.1車輛再制造主要特點

(1) 車輛再制造既不是傳統(tǒng)意義上的大修、也不是新造。它是將不能繼續(xù)使用的產品、處理成近似新產品的特殊過程。機電產品首先被完全拆解、清洗；而后按制造標準對基礎件進行檢測，有修復價值的留下；然后用專用設備，按照嚴格的修復工藝重新修復，對易損件、緊固件、密封件等采用新件；最后按制造工藝進行裝配和整機調試，檢驗合格后噴涂出廠。

(2) 再制造產品的基礎部件都是由高精度的專用設備進行特殊修復和加工處理，主要磨損件全部更換為正常的原廠配件，機電產品都須通過嚴格的調試、檢驗才能出廠，因此可完全達到與新機一樣的技術指標。

(3) 再制造產品與新機相比，其價格優(yōu)勢非常明顯。這是因為再制造充分挖掘了舊件基礎件的潛在價值，和傳統(tǒng)的大修相比，再制造產品采用專業(yè)化、批量化、定制化的生產方式，極大地提高了生產效率，降低了生產成本，保證了再制造機電產品的價格遠低于新機，甚至接近大修成本。

(4) 再制造產品與新造產品不同的是，執(zhí)行的是逆向物流(從用戶手里將舊件回收—進行再制造-再制造產品交到用戶手里)，逆向生產(比如機電產品先解體清洗—檢測試驗—修復—組裝)，執(zhí)行的工藝路線等與新造機電產品不同。

(5) 再制造產品都提供保質期，質量有保障。

(6) 再制造是循環(huán)經濟"再利用"的高級形式，加快發(fā)展再制造產業(yè)是促進制造業(yè)與現(xiàn)代服務業(yè)發(fā)展的有效途徑，是參與國際競爭的必然要求。隨著“一帶一路”成為中國的國家發(fā)展戰(zhàn)略，鐵路作為高端裝備出口，必然接受國際“綠色、環(huán)保、社會責任”等方面的要求，再制造業(yè)務的及時開展，有利于保護生態(tài)環(huán)境，也是為用戶負責任的大型企業(yè)必然要承擔的社會責任。

根據軌道車輛再制造的特性，制定軌道車輛再制造工藝流程。如圖2所示。

圖2　軌道車輛再制造工藝流程圖

由圖2所示，軌道車輛再制造是一個循環(huán)再制造過程，再制造的對象是軌道車輛的零部件，再制造的目的是提升軌道車輛的性能。

3.2車輛再制造綜合技術體系

軌道交通車輛再制造技術涉及內容非常廣泛，涵蓋了車輛設計與制造技術、先進制造技術、綠色制造技術、維修及表面工程技術、管理科學與工程等多種學科的技術及研究成果。通過集成各種相關技術，建立軌道車輛再制造的技術體系，主要包括退役車輛零部件修復與再制造技術、整車再制造與綜合提升技術(包括車輛綠色化改進技術、車輛節(jié)能性提升技術、車輛信息化提升技術等)、質量控制技術以及其他支撐技術等關鍵技術，如表1所示。

從表1可知，大部分技術都是在軌道車輛制造技術和維修改造技術基礎上，通過技術創(chuàng)新，形成適合批量生產的軌道車輛再制造與綜合提升專門技術和裝備。

3.3車輛再制造方案設計

軌道車輛再制造方案設計是一種面向再制造生命周期，并在一定的設計準則下綜合考慮客戶需求和軌道車輛性能的旨在完成再制造過程的方法和策略。軌道車輛再制造設計是再制造活動的核心工作，一個成功有效的方案設計既是再制造活動得以順利進行的保障，又是再制造企業(yè)實現(xiàn)社會利益和經濟效益的根本。

表1　車輛再制造與綜合提升技術框架表

軌道車輛再制造方案設計總共包含7個流程，即①舊件回收及存儲→②舊件拆解→③舊件清洗→④舊件質量檢測→⑤再制造產品加工工藝→⑥再制造產品裝配工藝→⑦再制造產品質量檢測檢驗。方案設計包括軌道車輛的電氣部分、機械部分、輔助部分以及軌道車輛其他部分的設計內容。首先，通過油液檢測、溫度檢測、電氣參數檢測、表面形貌檢測、強度檢測、無損檢測、光學檢測、壓力檢測等故障判定方法，分析車輛機械及電器零部件的完好狀態(tài)，按照技術性原則、成本性原則、資源性原則、環(huán)境性原則來進行零部件檢測與分類，確定再制造、再利用、升級改造、廢棄處理等處置方法。

通過利用系統(tǒng)工程理論對軌道車輛的可靠性、可維修性、可用性進行研究，并對動車組再制造方案的各個環(huán)節(jié)(方案策劃、設計、制造、安裝、運用、維修、改進、更新改造)進行綜合分析，建立軌道車輛再制造方案設計體系和工藝過程體系，分別如圖3和圖4所示。

圖3　車輛再制造方案設計體系結構

圖4　車輛再制造工藝過程體系結構

4　結論及建議

今后若干年，隨著投放市場的軌道車輛越來越多的進入報廢期，鐵道車輛將面臨循環(huán)再利用的問題，特別是大量服役期滿的高速列車及其零部件將給環(huán)境保護帶來巨大壓力。開展軌道車輛再制造業(yè)務，是大力發(fā)展循環(huán)經濟的需要，體現(xiàn)了社會責任感。發(fā)展再制造，可為顧客創(chuàng)造價值、為企業(yè)增加效益；發(fā)展再制造，對于支持后市場服務戰(zhàn)略，促進新機銷售，提高客戶忠誠度，加強企業(yè)與經銷商之間的聯(lián)系具有重要的意義。軌道車輛應持續(xù)開展再制造相關研究工作，特別是標準研究、方法研究、趨勢研究。要建立車輛再制造綜合支持體系，按照專業(yè)化、綜合化、規(guī)范化、產業(yè)化的技術路徑深化相關工作。

動車組各主要結構(主要涉及車體以及機電產品)要充分考慮再制造特性，在RAMS設計階段，分析并預測列車各零部件的服役狀態(tài)和壽命周期，設備設施應利于軌道列車及其零部件的生命周期狀態(tài)監(jiān)測和分析，當產品在服役后應能采用再制造的手段，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，采用先進的再制造技術，恢復裝備使用性能，延長裝備壽命周期。相關再制造要求符合《國務院關于加快發(fā)展循環(huán)經濟的若干意見》(國發(fā)[2005] 22號)。在鐵道車輛相關技術標準中要提出關于車輛可維修性指標、服役時間、壽命周期的控制參數，提出可維修性修程和檢修周期表，提出資源的循環(huán)利用水平和限度要求，從源頭來保證和促進車輛的再制造設計和工藝技術水平。

軌道車輛再制造的下一步主要任務可歸納為3個方面：

(1) 核心技術突破。針對不同種類部件，要系統(tǒng)研究其再制造技術，并進行試驗驗證，爭取用第1個3年時間完成再制造產品核心技術突破。

(2) 小批量試制。完成再制造產品認證和品質檢測、運用考核，爭取用第2個3年時間完成此項工作。

(3) 車輛再制造標準化、規(guī)范化。要搭建完善的技術支撐層，建立完備的再制造技術體系，主要研究工作包括：車輛零部件再制造技術標準和規(guī)范、整機功能升級技術標準和規(guī)范、車輛系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化再設計技術標準和規(guī)范、車輛再制造方案設計技術標準和規(guī)范、車輛再制造方案評估技術標準和規(guī)范、相關軟件開發(fā)應用技術標準和規(guī)范。

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Application Analysis on Remanufacturing Technology of Railway Vehicles

HAOHonglian,YANGXuefeng,HUANGDemin,WANGHongyuan

(Manufacture Process Technology Center, Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

This paper introduces the background, major technology and process flow and evaluation method of railway vehicles remanufacturing, and puts forward the reasonable proposals which can lay the foundation for subsequent technological research of rail vehicles remanufacturing.

railway vehicle; remanufacturing; technology analysis

1008-7842 (2016) 02-0090-05

??)男，教授級高級工程師(

2015-10-10)

U270.6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.23