轨道交通领域车辆再制造技术的应用分析

赫宏联， 杨雪峰， 黄德敏， 王宏远

(唐山轨道客车有限责任公司　制造技术中心， 河北唐山 063035)



轨道交通领域车辆再制造技术的应用分析

赫宏联， 杨雪峰， 黄德敏， 王宏远

(唐山轨道客车有限责任公司制造技术中心， 河北唐山 063035)

从宏观角度分析了轨道车辆的再制造背景和主要技术，介绍了轨道交通车辆的再制造工艺流程和评价方法，并对产品方案设计和相关标准制定时应充分考虑可维修性和再制造特性提出合理建议，为后续轨道交通领域车辆再制造技术研究打下了基础。

轨道车辆； 再制造； 技术分析

轨道交通领域装备再制造是采用退役车辆再设计与评价技术、车辆整机再制造与综合提升技术、再制造质量控制技术，车辆零部件绿色修复与再制造技术等，使报废车辆设备及其零部件恢复形状、尺寸和性能，形成轨道交通领域再制造装备的一系列技术措施或工程活动。可以预测在大量的轨道交通车辆服役期结束后将面临着产品报废或再制造的选择，目前急待开展报废轨道车辆再制造相关工作，并进行有针对性的课题研究、标准研究、方案研究以及报废车辆的资源化处理。

装备再制造是一个以装备全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，来修复或改造废旧装备的一系列技术措施或工程活动的总称。不难看出，维修与装备再制造实现的目标和取得效果不尽相同，装备再制造是较装备维修更加高级的生产制造活动，两者在装备全寿命周期中的阶段不同，地位和作用均不同。目前，轨道交通领域内的再制造业务还处于起步阶段，存在对车辆维修和车辆再制造的的概念混淆，显然通过对再制造业务的深入研究我们发现了两者之间存在着质的区别。如图1所示，装备再制造与维修在装备全寿命周期中处于不同的阶段。

1　轨道车辆再制造发展趋势及主要目标

《国务院关于加快发展循环经济的若干意见》(国发[2005] 22号)明确提出废旧机电产品的再制造是我国加快发展循环经济及建设资源节约型社会的重点工作。再制造技术的研究工作已凸显成效，在国内学术界以及产业界均有不小的影响力。

对于轨道交通领域来讲，宏观上的再制造业务对象应该为报废的轨道列车；微观层面上，轨道列车上的各零部件在列车检修过程中也存在发生再制造业务的可能。这就需要各大主机厂根据具体情况，因地制宜地开展再制造业务，提高车辆再制造效率，降低全寿命周期成本，保证车辆的运行安全和可靠性，提升车辆的再制造设计和工艺水平，从而使自身的车辆产品在市场竞争中取得巨大的优势。

图1　再制造与维修在装备全寿命周期中的位置

1.1轨道车辆再制造发展趋势

(1) 运营车辆上零部件的再制造业务

轨道交通领域再制造业务的基础是轨道列车及其零部件的生命周期状态监测和分析，通过将产品所有历史运营数据存储，并进行数学模型的建立，对存储的数据进行挖掘，得出轨道列车零部件的长期服役变化规律，对零部件所处的生命周期阶段进行判断，在下一个维修周期之前对产生故障的可能性进行预测，以提供个性化再制造方案，调整维修周期，提高列车检修效率，压缩停运检修时间，降低检修成本，实现能力保持与优化。

(2) 报废车辆的再制造业务

轨道交通领域里，列车的寿命主要受车体寿命的影响。以高速列车为例，车体为铝合金材质，一般寿命在30年左右。到2030年左右，我国将出现大量到达使用寿命的高速列车，如何资源化再利用这些报废车辆产品是轨道交通领域再制造业务研究的主要目标。

为了实现报废列车内废旧零部件资源的最优化利用，通过对列车的全寿命周期管理，从剩余使用寿命的角度，建立轨道车辆废旧零部件再制造方案模型。以零部件失效数据和历史服役工况数据为基础，联合威布尔分布和人工神经网络模型来评估废旧零部件的剩余使用寿命。对于具有剩余使用寿命的废旧零部件,以定量的方式分析其第一次寿命末期和剩余寿命末期的可靠性，参考轨道车辆零部件可靠性阈值，得出轨道车辆废旧零部件的再制造方案，即再利用、再制造或再循环。

1.2轨道车辆再制造主要目标

在“十三五”期间，规划研究、建设提升轨道交通车辆核心零部件和整机的再制造能力。整机和大部件级包括：系统集成、铝合金车体、转向架、牵引电机、牵引变压器、牵引变流器、牵引控制、列车网络控制、制动系统；零部件级包括：橡胶类部件(空气弹簧、橡胶节点、橡胶软管等)、铸锻件(齿轮箱、轴箱体、铸铝横梁)、金属运动件(轴承、车轴、车轮)，玻璃钢件(导流罩、前端外壳)，电线电缆及连接器类、板卡及模块类。再制造生产规模将实现整车替换下部件的70%以上产品具备再制造能力，技术上要至少实现能够延长2个厂修级，使用寿命由原设计30年增加到40年。

2　轨道车辆再制造现状分析

我国高速列车产品社会保有量快速增长，再制造产业发展潜力巨大。截止到2015年5月，中国高速铁路运营里程为16 509 km，截止到目前动车组市场投放量超过1 284标列，其中CRH1175标列，CRH2365标列，CRH380标列，CRH5149标列，CRH67标列，CRH380 508标列。高速列车即将或已经进入大修期，维修服务压力与日俱增。可以预测今后20～30年国内将会面临大批量高速列车产品报废的情景，国内各主机厂和相关部门还没有进行有针对性的理论研究和方案研究，这些报废列车的资源化处理或将成为各主机厂面临的一大难题。

再制造作为循环经济的重要组成部分，是有利于环境保护的产品寿命终结后的处理方法之一。然而，由于废旧产品服役工况的差异性，即使是相同类型的产品，所得到零部件的寿命特征也不一样，其是否具有剩余使用寿命，其剩余使用寿命能否维持下一个寿命周期直接影响着再制造产品的质量和可靠性。因此，轨道车辆的再制造必须对废旧零部件的再制造方案进行综合评估，按照不同寿命特征采取不同的再制造方案原则进行决策，使轨道车辆废旧零部件的利用价值最大化。

对于列车零部件的生命周期分析，当今各大世界级的主机厂，如西门子、阿尔斯通、庞巴迪、日立等均开发了自己的列车智能维护系统，将计算机及网络技术和产品生命周期研究应用于轨道交通车辆，通过实时监控列车各零部件工作状态，利用后台分析系统可分析并预测列车各零部件的服役状态，做到在故障发生前预警，并依据列车各零部件的生命周期状态设计修程和再制造方案。

以阿尔斯通公司Pendolino列车为例，在绝大多数情况下每秒钟可提供8 000个关于不同系统变量的数据点，并进入后台进行处理，空压机、液压机等平均使用里程提高了50%以上，扇涡轮、转向架、万向轴平均使用里程提高了100%以上，外部车门和空调通风系统实现了由检测状态决定继续使用与否，无确定上限，维护效率提升显著。而智能化系统给车辆设计制造改进带来的有力支持更是无法估价的。

因此，列车零部件的再制造能力和智能维护功能的提升对国内主机厂具有极为重大的现实意义。可以说，如果某家国内主机厂能集中力量快速突破这些瓶颈，就能迎头赶上国外同行、大幅领先国内同行，并显著的提高车辆维护效率，降低全寿命周期成本，减少运行安全事故数量，提升车辆的再制造业务的设计和制造工艺水平，从而使自身的车辆产品在市场竞争中取得巨大的优势。

3　轨道车辆再制造主要技术

3.1车辆再制造主要特点

(1) 车辆再制造既不是传统意义上的大修、也不是新造。它是将不能继续使用的产品、处理成近似新产品的特殊过程。机电产品首先被完全拆解、清洗；而后按制造标准对基础件进行检测，有修复价值的留下；然后用专用设备，按照严格的修复工艺重新修复，对易损件、紧固件、密封件等采用新件；最后按制造工艺进行装配和整机调试，检验合格后喷涂出厂。

(2) 再制造产品的基础部件都是由高精度的专用设备进行特殊修复和加工处理，主要磨损件全部更换为正常的原厂配件，机电产品都须通过严格的调试、检验才能出厂，因此可完全达到与新机一样的技术指标。

(3) 再制造产品与新机相比，其价格优势非常明显。这是因为再制造充分挖掘了旧件基础件的潜在价值，和传统的大修相比，再制造产品采用专业化、批量化、定制化的生产方式，极大地提高了生产效率，降低了生产成本，保证了再制造机电产品的价格远低于新机，甚至接近大修成本。

(4) 再制造产品与新造产品不同的是，执行的是逆向物流(从用户手里将旧件回收—进行再制造-再制造产品交到用户手里)，逆向生产(比如机电产品先解体清洗—检测试验—修复—组装)，执行的工艺路线等与新造机电产品不同。

(5) 再制造产品都提供保质期，质量有保障。

(6) 再制造是循环经济"再利用"的高级形式，加快发展再制造产业是促进制造业与现代服务业发展的有效途径，是参与国际竞争的必然要求。随着“一带一路”成为中国的国家发展战略，铁路作为高端装备出口，必然接受国际“绿色、环保、社会责任”等方面的要求，再制造业务的及时开展，有利于保护生态环境，也是为用户负责任的大型企业必然要承担的社会责任。

根据轨道车辆再制造的特性，制定轨道车辆再制造工艺流程。如图2所示。

图2　轨道车辆再制造工艺流程图

由图2所示，轨道车辆再制造是一个循环再制造过程，再制造的对象是轨道车辆的零部件，再制造的目的是提升轨道车辆的性能。

3.2车辆再制造综合技术体系

轨道交通车辆再制造技术涉及内容非常广泛，涵盖了车辆设计与制造技术、先进制造技术、绿色制造技术、维修及表面工程技术、管理科学与工程等多种学科的技术及研究成果。通过集成各种相关技术，建立轨道车辆再制造的技术体系，主要包括退役车辆零部件修复与再制造技术、整车再制造与综合提升技术(包括车辆绿色化改进技术、车辆节能性提升技术、车辆信息化提升技术等)、质量控制技术以及其他支撑技术等关键技术，如表1所示。

从表1可知，大部分技术都是在轨道车辆制造技术和维修改造技术基础上，通过技术创新，形成适合批量生产的轨道车辆再制造与综合提升专门技术和装备。

3.3车辆再制造方案设计

轨道车辆再制造方案设计是一种面向再制造生命周期，并在一定的设计准则下综合考虑客户需求和轨道车辆性能的旨在完成再制造过程的方法和策略。轨道车辆再制造设计是再制造活动的核心工作，一个成功有效的方案设计既是再制造活动得以顺利进行的保障，又是再制造企业实现社会利益和经济效益的根本。

表1　车辆再制造与综合提升技术框架表

轨道车辆再制造方案设计总共包含7个流程，即①旧件回收及存储→②旧件拆解→③旧件清洗→④旧件质量检测→⑤再制造产品加工工艺→⑥再制造产品装配工艺→⑦再制造产品质量检测检验。方案设计包括轨道车辆的电气部分、机械部分、辅助部分以及轨道车辆其他部分的设计内容。首先，通过油液检测、温度检测、电气参数检测、表面形貌检测、强度检测、无损检测、光学检测、压力检测等故障判定方法，分析车辆机械及电器零部件的完好状态，按照技术性原则、成本性原则、资源性原则、环境性原则来进行零部件检测与分类，确定再制造、再利用、升级改造、废弃处理等处置方法。

通过利用系统工程理论对轨道车辆的可靠性、可维修性、可用性进行研究，并对动车组再制造方案的各个环节(方案策划、设计、制造、安装、运用、维修、改进、更新改造)进行综合分析，建立轨道车辆再制造方案设计体系和工艺过程体系，分别如图3和图4所示。

图3　车辆再制造方案设计体系结构

图4　车辆再制造工艺过程体系结构

4　结论及建议

今后若干年，随着投放市场的轨道车辆越来越多的进入报废期，铁道车辆将面临循环再利用的问题，特别是大量服役期满的高速列车及其零部件将给环境保护带来巨大压力。开展轨道车辆再制造业务，是大力发展循环经济的需要，体现了社会责任感。发展再制造，可为顾客创造价值、为企业增加效益；发展再制造，对于支持后市场服务战略，促进新机销售，提高客户忠诚度，加强企业与经销商之间的联系具有重要的意义。轨道车辆应持续开展再制造相关研究工作，特别是标准研究、方法研究、趋势研究。要建立车辆再制造综合支持体系，按照专业化、综合化、规范化、产业化的技术路径深化相关工作。

动车组各主要结构(主要涉及车体以及机电产品)要充分考虑再制造特性，在RAMS设计阶段，分析并预测列车各零部件的服役状态和寿命周期，设备设施应利于轨道列车及其零部件的生命周期状态监测和分析，当产品在服役后应能采用再制造的手段，实现资源的循环利用，采用先进的再制造技术，恢复装备使用性能，延长装备寿命周期。相关再制造要求符合《国务院关于加快发展循环经济的若干意见》(国发[2005] 22号)。在铁道车辆相关技术标准中要提出关于车辆可维修性指标、服役时间、寿命周期的控制参数，提出可维修性修程和检修周期表，提出资源的循环利用水平和限度要求，从源头来保证和促进车辆的再制造设计和工艺技术水平。

轨道车辆再制造的下一步主要任务可归纳为3个方面：

(1) 核心技术突破。针对不同种类部件，要系统研究其再制造技术，并进行试验验证，争取用第1个3年时间完成再制造产品核心技术突破。

(2) 小批量试制。完成再制造产品认证和品质检测、运用考核，争取用第2个3年时间完成此项工作。

(3) 车辆再制造标准化、规范化。要搭建完善的技术支撑层，建立完备的再制造技术体系，主要研究工作包括：车辆零部件再制造技术标准和规范、整机功能升级技术标准和规范、车辆系统节能优化再设计技术标准和规范、车辆再制造方案设计技术标准和规范、车辆再制造方案评估技术标准和规范、相关软件开发应用技术标准和规范。

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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，教授级高级工程师(

2015-10-10)

U270.6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.23