結(jié)合實例淺談地鐵工程車的設(shè)計優(yōu)化

姚杰

摘要：軌道工程車的廣泛應(yīng)用，提升了設(shè)計優(yōu)化的需求。以某平臺化車型使用和檢修時的問題實際，從方案分析出發(fā)，系統(tǒng)思考優(yōu)化變更差異，完成技術(shù)設(shè)計，到施工驗證的全過程進(jìn)行介紹，為工程車設(shè)計優(yōu)化工作提供參考。

關(guān)鍵詞：工程車;設(shè)計優(yōu)化;設(shè)備布置;計算分析;接口管理

0? 引言

根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中關(guān)于鼓勵開發(fā)使用節(jié)能環(huán)保和新型能源，建設(shè)資源節(jié)約型社會的要求，滿足地鐵限界要求且自帶裝機(jī)牽引功率容量自帶大容量儲能的蓄電池工程車越來越多的被應(yīng)用在各個城市，作為城市軌道交通的“保姆”，軌道工程車功能多樣，用于段內(nèi)調(diào)車、正線救援，牽引特殊用途車輛等。為了滿足多樣化需求，中車株洲電力機(jī)車有限公司搭建了基于電源制式、總體結(jié)構(gòu)的地鐵工程車平臺，制造了中央司機(jī)室雙外側(cè)走廊、雙端司機(jī)室中間內(nèi)走廊、單端司機(jī)室雙外側(cè)走廊及多流制混合動力的雙端司機(jī)室等多樣式工程車。

本文以某臺ZER3型工程車為例，針對原平臺車型設(shè)計中信號柜線纜檢修不便和遮擋司機(jī)前方觀察視野的問題，按照案例簡介、需求分析、方案分析、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計和裝車驗證的順序，說明設(shè)計優(yōu)化的過程方法。

1? 案例簡介

該案例屬于成熟的ZER3型平臺地鐵工程車的某城市車型，主要特征是中央單司機(jī)室、雙外側(cè)走廊布置，軸式B0-B0，司機(jī)室I、II端前方走廊圍繞在牽引蓄電池柜周圍，牽引蓄電池可儲存電能，為工程車在無電網(wǎng)區(qū)間提供牽引動能。車體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照布置可以劃分為兩側(cè)走廊、司機(jī)室間、蓄電池柜共三部分（圖1）。

司機(jī)室內(nèi)空間尺寸（長×寬×高）為2670×2550×2050mm，空間利用率高，司機(jī)室內(nèi)設(shè)備布置緊湊，布置有兩座操縱臺、信號柜、開關(guān)柜、司機(jī)座椅、添乘座椅、滅火器和暖風(fēng)機(jī)等。其中信號柜是用于安裝機(jī)車監(jiān)控、信號等系統(tǒng)主機(jī)的專門屏柜。信號柜柜體通過頂部的吊環(huán)螺釘座進(jìn)行起吊，通過底架的安裝座與機(jī)車進(jìn)行安裝，前門是一扇合頁開關(guān)的門，整體并不完全封閉，擁有開放式底部用于線纜進(jìn)出。ZER3型工程車無專門放置屏柜的機(jī)械間，且信號柜需要常被操作或查看，通常會安裝在司機(jī)室內(nèi)（圖2、圖3）。

2? 需求分析

原車型的信號柜安裝位于司機(jī)室內(nèi)，右側(cè)緊挨I端操縱臺左側(cè)，見圖3，柜體右側(cè)上部設(shè)置開關(guān)，便于司機(jī)觀察、操作。

經(jīng)過反饋，發(fā)現(xiàn)布置主要有兩個問題。

問題一：為保障安全，司機(jī)室前進(jìn)方向的兩端均設(shè)置有觀察玻璃，確保司機(jī)視野寬闊，在座椅上能看能瞭望前方線路，信號，接觸網(wǎng)和站臺等，但信號柜第三方設(shè)備數(shù)量和尺寸超出計劃，導(dǎo)致當(dāng)時設(shè)計的信號柜高度明顯偏高，遮擋了I端操縱臺左側(cè)玻璃;

問題二：設(shè)備數(shù)量多，柜內(nèi)線纜量增加，需要柜內(nèi)左、右兩側(cè)走線。根據(jù)信號柜檢修手冊中各修程，需要打開拆卸左、右側(cè)門板檢查線纜、接頭連接、螺栓松動等，而右側(cè)緊挨操縱臺無法打開。若設(shè)備故障需計劃外維修，可能也需要吊起信號柜檢修。

為使設(shè)備易于維修，必須避免柜體左右緊挨其他柜體，需要在做司機(jī)室設(shè)備布置規(guī)劃時留出左右操作空間;而為防止視野侵占，信號柜不能放置在前窗玻璃旁。兩個問題解決的辦法都是進(jìn)行安裝位置的優(yōu)化設(shè)計，重新安裝和布線。

3? 方案分析

方案分析是依據(jù)需求分析的要求，制訂總體及各子系統(tǒng)初步技術(shù)方案，以及初步的分析計算，初步識別并提出擬采用新技術(shù)、新材料、新工藝的創(chuàng)新點。

選擇新的安裝位置，必須要確保信號柜的前面板面朝司機(jī)，便于司機(jī)操作，再根據(jù)檢修文件修程，例行檢查要檢查柜內(nèi)各個設(shè)備的接線口和設(shè)備安裝螺栓，所以其左側(cè)和右側(cè)圍板要有可拆卸的空間。為進(jìn)一步識別選定新位置的對車輛設(shè)計方案的差異影響，協(xié)同制動管路設(shè)計、整車布線設(shè)計、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計和整車重量設(shè)計人員對位置變化產(chǎn)生的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析。分析結(jié)果主要有：新位置底部有管路經(jīng)過，底部進(jìn)出線纜需要注意避讓，以免路徑重合。

①線纜必須從司機(jī)室底部線槽重新打開缺口出去，穿進(jìn)軟管達(dá)到信號柜底部地板，在地板開孔后，從軟管中穿出，達(dá)到信號柜;

②地板開孔需要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，位置不得與車體底部的加強(qiáng)梁和設(shè)備安裝支架重合，開孔范圍不得超出信號柜柜體底部截面;

③除此之外，作為車輛總體設(shè)計，還需要考慮設(shè)備移動對整車重量、牽引、制動性能參數(shù)、防火，EMC，噪聲等的影響。

4? 技術(shù)設(shè)計

技術(shù)設(shè)計是在方案設(shè)計階段基礎(chǔ)上的進(jìn)一步細(xì)化，明確詳細(xì)方案及相關(guān)分析、計算，擬采用新技術(shù)、新材料、新工藝的驗證和確認(rèn)。

從檢修尺寸需求考量，信號柜位置必須滿足以下要求（表1）：

可供一人站立的依據(jù)在于，中國人普遍鞋碼39～44碼，即24.5～27cm，鞋邊擬定長度為280mm;可供一人半蹲的依據(jù)來自于實際測量，擬定長度500mm。信號柜底邊外邊界尺寸620×680mm，由此可將信號柜底面連帶檢修空間共同繪制成一個1120×960mm的長方形，在司機(jī)室平面圖上選擇空白區(qū)域放置這個長方形。需要注意，如果放置在司機(jī)室前進(jìn)方向兩端，則會遮擋前窗視野，因此只能選擇側(cè)墻邊緣或中央。同時，側(cè)墻的暖風(fēng)機(jī)、添乘座椅和滅火器體積小、重量輕、線纜少，容易安裝、布置，可暫時從圖中抹去，等信號柜確定位置后，再進(jìn)行放置，限于篇幅后文不再使用篇幅說明。

通過在平面圖上對信號柜及其所需檢修空間的虛擬安裝，可產(chǎn)生新位置方案（圖4），綠色馬賽克區(qū)即信號柜安裝底面與檢修尺寸。

技術(shù)設(shè)計需確定整個車型和各大部件的總體技術(shù)方案，完成機(jī)車總體及各部件的技術(shù)設(shè)計說明書、總圖、主要零部件草圖等工作，完成評審。針對平臺車型，經(jīng)由方案分析識別出差異性的部分需要重新計算，并進(jìn)行評審確認(rèn)，識別認(rèn)定無差異的部分可以沿用平臺設(shè)計。

此階段執(zhí)行的重點在于接口管理。接口分為外部接口和內(nèi)部接口，在確認(rèn)信號柜新的安裝位置后，研發(fā)人員內(nèi)部要分專業(yè)分別提出機(jī)械和布線新的接口需求。接口文件由項目助理管理，協(xié)助接口提出、接收方識別質(zhì)量隱患，協(xié)調(diào)干涉問題等。內(nèi)部接口為各專業(yè)設(shè)計組之間的接口，所有內(nèi)部接口應(yīng)以《設(shè)計接口通知書》的形式執(zhí)行，并有提出人、接受人和確認(rèn)人（設(shè)計經(jīng)理、總體主管、接口雙方主管設(shè)計）簽字。

信號柜移動的變更，主要是線纜布線接口和機(jī)械安裝接口。布線需要車體進(jìn)行地板切割開孔、焊接布線輔料。機(jī)械安裝需要車體焊接新的設(shè)備安裝底座，取消原位置底座。布線設(shè)計目的是在布線設(shè)計人員與信號柜設(shè)備供應(yīng)商簽署了外部接口合同后，清楚了信號柜所需布置的線纜數(shù)量、種類、連接方式、尺寸等信息，為線纜提供一個符合《機(jī)車布線設(shè)計技術(shù)規(guī)范》、《TB/T 1507-1993 機(jī)車電氣設(shè)備布線規(guī)則》、《TB/T 3153-2007 鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛布線規(guī)則》、《EN 50343：2014 鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛-布線規(guī)則》等企標(biāo)、鐵標(biāo)、國標(biāo)、國際標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的布線環(huán)境，然后選擇符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的線纜、接頭、連接器等材料，根據(jù)電氣原理圖進(jìn)行布線施工，從而實現(xiàn)可靠的供電、通信和控制。機(jī)械安裝接口同樣也需要滿足各類標(biāo)準(zhǔn)，企標(biāo)、歐盟標(biāo)準(zhǔn)（EN）、國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)（UIC）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)（ISO），如果產(chǎn)品銷往歐盟，還需要考慮歐洲鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范（TSI）等。

根據(jù)實際承載電壓、功率等級或用途，可將線纜分為四類：主電路、輔助電路、控制電路和信號線纜，信號柜設(shè)備線纜除柜內(nèi)設(shè)備主機(jī)電源供電線屬于輔助電路，其余均屬于控制電路和信號電纜，為盡量減少車用電線電纜的種類和規(guī)格型號，對于同一種類的電線，使用公司統(tǒng)型化的電纜，對于設(shè)備自帶線，由設(shè)計人員與設(shè)備制造商聯(lián)系獲得線纜信息，可確定信號柜所有電纜外徑（表2）。

平臺工程車常用的車外線纜保護(hù)方案是使用快速軟管接頭和電纜保護(hù)軟管，兩者螺紋尺寸配套，用于車外電纜的密封防水保護(hù)。蓋板是帶有圓形開孔的金屬板，可用螺母、螺栓、平墊和彈墊與地板牢固安裝。軟管接頭旋進(jìn)蓋板，線纜隨之穿過蓋板進(jìn)入車內(nèi)。信號柜底部地板處應(yīng)開孔、焊接螺柱以便安裝金屬蓋板和過線。為保證密封可靠，軟管接頭的外螺紋尺寸直徑加0.5mm為蓋板所需開孔的直徑，如選用M20的公制軟管接頭，則對應(yīng)開孔直徑為20.5mm，接頭內(nèi)螺紋14.5mm，可套緊17mm的軟管。短螺紋的軟管接頭一般用于連接器處，長螺紋的一般用于穿線蓋板處。

以M20接頭匹配M17軟管為例，探究所需軟管數(shù)量的過程（圖5）。

計算經(jīng)取整，所需尼龍軟管數(shù)量為5根，理論上可滿足承裝信號柜進(jìn)出線纜。但實際這些線纜中，一部分控制線連接到低壓柜、另一部分控制線連接到操縱臺，剩余八根多芯信號線連接至車頂前端、車頂后端、車底一位轉(zhuǎn)向架左、二位轉(zhuǎn)向架右等不同位置設(shè)備終端，并不能完全套在一根軟管內(nèi)，而是一根多芯電纜占用一根軟管。補(bǔ)充這方面的考慮，將所需軟管數(shù)量修正，確定布線要使用的總數(shù)為11根，留備用1根，因此信號柜底部需要安裝一塊能裝12根軟管接頭的蓋板。按照這個思路，也可以計算得到所需蓋板的面積和地板開孔面積，完成接口文件。

5? 施工設(shè)計和試裝驗證

根據(jù)接口文件的要求，接收方為信號柜的新安裝位置焊接安裝底座，為布線蓋板的安裝焊接緊固螺栓，為線纜進(jìn)出準(zhǔn)備足夠大小的開口等，這些需求的實現(xiàn)是通過相應(yīng)設(shè)計人員繪制正確、完整的設(shè)計圖紙，并通過校核、主管審批、工藝審批、標(biāo)準(zhǔn)化審批和領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)，歸檔至檔案存儲并發(fā)送到各子部件制造商。為了下一階段的生產(chǎn)試制，需要整理、編制整車各類目錄、明細(xì)表和匯總表。完成施工設(shè)計后，各項采購開始進(jìn)行，供應(yīng)商按照新圖紙制作的產(chǎn)品交付前，需要進(jìn)行首件檢查，已確認(rèn)滿足設(shè)計需求。而主要的車體結(jié)構(gòu)完成后，就可以試裝信號柜并布線，優(yōu)化設(shè)計方案得到施行和驗證。

6? 結(jié)語

工程車交付到客戶后，可維護(hù)性直接決定維修難度、影響運用成本，只有產(chǎn)品易用、易維護(hù)才有可能得到用戶的喜愛，科學(xué)設(shè)計十分重要。

根據(jù)“十三五”規(guī)劃，我國計劃新建城市軌道交通里程3500公里左右，即到2020年末，全國城軌交通運營線路7000公里左右，相當(dāng)于在五年內(nèi)將前50年城市軌道交通運營里程翻番。地鐵運營里程增加，未來工程車應(yīng)用需求還將提升。設(shè)計師要從用戶的真實場景出發(fā)，發(fā)掘優(yōu)化項點，把用戶便利當(dāng)成必要的功能來開發(fā)，從采購合同、用戶反饋等渠道中識別需求，立足平臺，既要牢牢把握成熟經(jīng)驗確保安全可靠，又要勇敢創(chuàng)新，守住嚴(yán)謹(jǐn)系統(tǒng)思考原則，遵守規(guī)范有序的設(shè)計流程規(guī)范，做好優(yōu)化設(shè)計工作。

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