基于CATIA的动车组电气系统三维布线工艺应用研究

文强 董力群 赵婷婷

基于CATIA的动车组电气系统三维布线工艺应用研究

文强 董力群 赵婷婷

以高速动车组整车电气系统线束敷设为对象，结合在电气布线工艺中的操作实践，阐述基于CATIA的三维电气布线工艺流程、关键问题解决方法和注意事项，并提出符合动车组生产要求的三维电气布线规则。验证了动车组运用三维技术进行电气布线工艺的可行性，提高了电气布线工艺的信息化和智能化程度，可以更高效地指导生产制造。

动车组；电气系统；布线工艺；CATIA

目前高速动车组电气系统的布线工艺从设计到制造，信息化程度相对较低，所有信息主要是通过二维层面来展现，主要的设计工具是AutoCAD，图纸大多以CAD图纸等形式进行编制，使用2D AutoCAD进行平面电气图纸设计。这种设计方式的缺点在于空间的布置只能依靠人脑的想像能力和工作经验，容易造成实际生产装配中的干涉或无法通过的问题，在制造源头上就产生不少困难，而且效率低，易出错。因此，为了提升电气配线工艺水平，可靠、高效的三维电气设计生产势在必行。

1 CATIA电气设计模块

商业化的三维立体布线软件很多，如Pro/E、UG、Solid Works等软件都已应用非常广泛[1-2]。CATIA是达索公司用于虚拟产品的设计软件，功能强大，拥有完善的电气系统设计解决方案。它提供的电气设计模块被广泛应用于航天、汽车、船舶等领域[3]的电气系统设计和虚拟装配制造之中。

CATIA电气设计模块组成如下：

（1）电气零部件库（Electrical Library，ELB）。包括电气装配设计（Electrical Assembly Design，EAD)、电气零件设计（Electrical Part Design，EPD）2个模块，用于对三维实体添加电气属性。

（2）线束敷设（Electrical Harness Installation，EHI）。包括线束预组（Electrical Harness Assembly，EHA）、线束安装（Electrical Harness Installation，EHI）2个模块，用于进行电气线束物理形状设计[4]。

（3）电线路径定义（Electrical Wire Routing，EWR）。结合逻辑电线信号与EHI中定义的线束进行电线的实际敷设。

（4）电气线束展开（Electrical Harness Flattening，EHF）。对设计完成的电气线束进行平面展开。

2 三维布线工艺设计

2.1 三维布线流程

根据CATIA电气设计各组成模块的功能，结合高速动车组的结构、各电气系统的分布、线束回路特点，基于CATIA的电气布线三维工艺设计基本流程见图1。

2.2 前期准备

首先，在进行三维布线设计的准备阶段，应熟悉和了解设计结构与配线线路之间的关系，结合线束布局的特点，建立配线的机械模型，即车体、线槽、电线支架、电气设备等的机械外形构造，并根据设计图纸尺寸准确装配，搭建起三维布线的机械环境（见图2、图3）。

其次，根据设计图纸的明细，建立所需要电气零部件的3D外形，包括各种型号连接器、插头、端子之类的电气零件，再利用EPD模块进行电气零件的类型定义，也就是给普通的三维实体加上电气属性，存入Catalog建立电气零件库，为后续工作打好基础，使用时再从Catalog中直接调用即可（见图4）。

图1 三维布线基本流程

图2 动车组车体三维模型

图3 车下线槽三维机械模型

2.3 线束敷设

2.3.1 线束分类

根据现车配线工艺要求，结合现车结构特点、线束布置特点，为使三维布线更规范化和系统化，要将线束分类。可采用的线束分类有多种形式。

图4 电气零件库

（1）按系统分类。可划分为主回路、低压控制回路系统、影视系统、广播系统、烟火系统、照明系统等，结合各自的配线布置特点，分别绘制。

（2）按部位分类。可划分为车顶部分、车内配线、车下配线和转向架配线部分。车内又可划分为一位端部配线、客室顶板、二位端部配线、地板中配线、组合配电盘、终端装置、司机室配线等；车下可划分为一位侧高压、二位侧低压、设备分支线配线及特高压配线等。

（3）按设备分类。按设备分类就比较细，需挑选有代表性的部分设备，如包括车下的一些大型设备（牵引变流器、制动控制装置、辅助整流器箱、高压接线箱、空调设备等），还有客室内的组合配电柜、司机室操纵台及边柜等。

2.3.2 创建线束总成

进入EHI模块。根据线束的划分，用Geometrical Bundle命令创建相应的PRODUCT，用以存储不同类别的线束，并根据系统划分分别进行命名，后续本类别线束的布置都在对应的线束PRODUCT下进行。线束的几何信息都存放在此节点下，同时用到的接线端子、连接器等也都加在此节点下，线束总成即创建完成。

2.3.3 线缆设置

线束段的敷设有2种，Multi-branchable Document命令为多分支线束设计，当布线过程中需要向外分支时选用此命令定义线束；Bundle Segment命令为单线束段设计命令，不能增加分支线。

激活要进行线束敷设的线束系统名称，根据实际情况使用上述两者之一的线束设置命令进行单线束段定义（Bundle Segment Definition）的设置，输入分线段的名称、直径、弯曲半径、松弛度等信息参数，然后点击线束路线定义（Route Definition）选项，设置线段的起始设备、经由点、终止设备、线束方向等参数，线束敷设完成。

线束路径上的经由点可以是创建的点，也可以是按Ctrl键在设备和背景上选择的点。在Route Definition中还可以设置更多的参数，如去掉相切、扭转切向、线束与支撑面相切、线束与支撑面保持一定距离等。

若使用Multi-branchable Document命令需要增加分支线束时，点击Add Branch Point命令，选择要添加分支的点的线束，选择长度或是比率选项，输入相应数值，在分支点处再定义分支线束。

在线束敷设过程中，经常会有将不同的线束分支在同一线束模型下，但两线束分支确属于不同系统，此时可采用转移分支命令即可将分支移到对应的系统中。

2.3.4 干涉检查及修正

完成线束敷设后，运用CATIA自带的干涉检查功能，对线束和其他设备之间进行检查，可以及时发现错误，并进行改正。对干涉进行修改后，重复运行干涉检查命令，直到干涉结果为零（见图5）。

2.4 报表数据输出

2.4.1 线束报告

线束铺设完成后，根据实际需求，可以将电线的铺设信息生成报告，包括线束的名称、所属系统类别、线径、长度、起始及终端设备名称等线束全面数据。

2.4.2 电气线束展开

使用EHF模块，将线束在平面展开，方便用户对线束进行整理。进行线束展开前需先建立Product类型文档，再进入EHF模块，定义线束展开的参数。根据实际需要，可以选择对全部线束展开，或仅展开一部分（见图6）。

2.4.3 设计方案2D工程图输出功能

在3D模型完成基础上，使用工程制图模块可进行平面工程图的输出，并且针对企业标准定制图框等（见图7）。

图5 干涉检查显示

图6 线束展开

图7 平面工程图

3 注意要点及原则

（1）考虑到质量平衡、电磁干扰等原因，高压主回路布置在车下一位侧，低压干线回路在车下二位侧。连接设备的线束从线槽分出，通过支架固定在车底横梁上。在车下配置有设备的状态下，由于没有更多空间，必须在有限空间内进行配管与配线。以电线的最大外径计算，电线槽内的空间占用率以60%为界限标准，穿入线管或线槽的电线电缆，外径面积之和不应超过线管、线槽内孔横截面积的70%（单根电缆除外）[5]。

（2）主回路的线缆线径较大，多为200 mm2、150 mm2的电缆。考虑到空间结构有限，且有利于线束的固定和散热，高压线槽内的线缆布置方式为大线径贯通线缆在下部、小线径线缆在上部的排列方式。若大线径线缆不是贯通线，是到中间设备的分支线缆，则置于线槽的两侧边缘易于出线的位置。主回路线槽内布线见图8。

（3）对从线槽中分线出来到各设备的分支线进行绘制时，在线束布置时就应首先考虑带分支的线束不能置于线槽底部，否则不易出线；其次是要考虑线束的弯曲半径能否满足要求。当电缆外径小于或等于20 mm时，弯曲半径不应小于电缆外径的3倍；当电缆外径大于20 mm 时，弯曲半径不应小于电缆外径的5倍。在绘制时可以设定弯曲半径作为检验参考，然后要注意横梁线架的容量、位置能否满足对线束的固定。

图8 主回路线槽内布线

4 结束语

使用CATIA进行三维布线工艺设计的目的：通过三维数据仿真，及时发现设计中存在的问题并将其改进和优化，生成一系列用于指导生产的更精确的二维工艺数据，包括线束下料表、施工图、线束下料实尺图等。

通过给出的CATIA三维布线的流程和规则，验证了动车组运用三维技术进行电气布线工艺的可行性，提高了动车组电气布线工艺的信息化和智能化程度，并可达到以下目的：

（1）通过三维效果，优化现车各系统线束的走线路径，并测算出起始设备到终点设备之间线束的精确长度，减轻下料人员劳动强度，节约线束用料，降低劳动成本，同时能够生成指导实际生产用的工艺资料，提高了生产效率和质量。

（2）根据三维数据结果，对现车的整车结构、线束布置等关系提前核对与计算，进行结构干涉检查，对结构不合理的位置、容易出现线束干涉的线束集中位置等进行改进，能够实现对现车线束布置的重新优化，减少实际生产制造过程中的返工和修改，更高效地指导生产制造。

[1] 安利全，郑建明，王永振，等． 三维布线技术在工艺中的应用[J]． 航天制造技术，2009(3)：22-26．

[2] 王广坤，陈永丽． 浅谈三维布线软件在汽车线束设计中的应用[J]． 装备制造技术，2011(9)：85-87．

[3] 于晓明，曾红艳，杨绍田．CATIA电气布线技术在摩托车上的应用[J]． 摩托车技术，2012(11)：34-36．

[4] HB 7756．14—2005 基于CATIA建模要求 第14部分：线束敷设[S]．

[5] TB/T 3153—2007 铁路应用机车车辆布线规则[S]．

文 强：南车青岛四方机车车辆股份有限公司，助理工程 师，山东 青岛，266111

董力群：南车青岛四方机车车辆股份有限公司，高级工程 师，山东 青岛，266111

赵婷婷：南车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师， 山东 青岛，266111

责任编辑卢敏

U266

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1672-061X（2014）04-0054-04