厂修、段修合一动车段的工艺设计研究

汤友富

(中铁第五勘察设计院集团有限公司, 北京 102600)

CRH (China Railway High-speed)系列动力分散型动车组动力车分散在全列车中,没有严格区分意义的机车和车辆,动车组车厢之间采用密结式车钩进行连接,不能轻易分解,结构特点决定了动车组整备检修与传统的机车和车辆分别在机务段、车辆段进行不同,动车组要求整列一起运行或整列一起检修,机务段或车辆段不能承担动车组动力车和拖车整备检修,需重新研究设计新的检修基地,完成动车组的整备检修.

列车运行达到一定的走行里程或年限后,机车和车辆需从各铁路局分别送到机车、车辆制造工厂进行(大)厂修,待修机车车辆在铁路局与机车车辆制造工厂之间往返过程中有占用铁路通过能力、干扰正线运营、检修周期长的弊病,为了克服上述弊病,动车组出厂后不再返回工厂修理,需要研究设计厂修、段修合一的动车段.

武汉作为中国铁路重要枢纽之一,根据铁路部门的规划,将新建武汉动车段,该段以CRH2型动车组为主要检修对象,承担400列动车组三～五级(厂修)的检修作业[1],在检修范围上立足时速200 km/h,涵盖时速300 km/h及以上动车组,与此同时承担武广高铁配属开行的250～300 km/h高速动车组一、二级修及客运整备任务.

2004年武汉动车段开始工程设计的时候,世界上高铁代表性国家的主要有德国、法国和日本,当时这3个国家的高铁动车组差异较大,例如牵引动力方式各不同(德国动车组有动力集中和动力分散两种牵引方式,法国动车组只有动力集中一种牵引方式,日本只有动力分散牵引方式),牵引电压不同(有交流1.5 kV和2.5 kV),车体长度和宽度不同(详见表1[2]),动车组的差异引起动车组检修模式各不相同.德国、法国动车组检修主要以换件修为主,除转向架、车体修理在动车段或大修厂集中检修外,其余大多数部件主要在各专业部件生产工厂完成检修任务,所以德国、法国动车段的检修功能不足,设施比较简陋;日本以运营现场修为主,一个动车段要同时兼顾好几代动车组的检修,其设备实施都比较陈旧老化,自动化程度低、检修质量控制靠人工经验成分较多.上述德国、法国和日本动车段或是由于动车组检修模式不符合中国国情、或是检修质量靠人工经验控制,可供参考的地方不多.

表1　国外高速动车组主要技术参数Tab.1　Main technical parameters of foreign high-speed EMU

武汉动车段的工艺设计从一开始就面临诸多难题,主要难点有:(1) 国内没有类似工程经验,国外动车组检修模式各不同,没有直接可供设计参考的动车段;(2) 武汉动车段一、二级修需要兼容4种不同类型动车组,三级修兼容日系CRH2型动车组和欧系CRH3型动车组[2],检修工艺及设备全兼容性设计难度大;(3) 武汉动车段不仅要实现CRH2型动车组三级修(段修),还要实现CRH2型车四、五级修(厂修);(4) 动车段占地较大,选址和总平面布局存在一定困难和限制.

1　动车段的设计需求

经计算,武汉动车段设走行线4条、存车线49条(预留15条),不落轮及临修库线各1条,检查库线10条、检修库线8条(预留2条)、房屋总面积19.4万m2,铺轨长度67.59 km,占地面积142 hm2[3].根据动车段功能,武汉动车段由存车场、检查库、临修库、不落轮镟库、外皮清洗库(棚)、检修库、材料库及其配套设备设施和出入段线、存车线、检查(检修)线、轮对踏面诊断线、列车外皮清洗线、走行线、临修线、不落轮镟线、解编线、动态试验线等以及生产办公生活房屋等组成.动车段满足功能的前提下,要求布局紧凑、节省用地.

动车段功能齐全具有客运整备、检修、零部件存储的功能;动车段检修效率高和检修质量稳定;动车段一、二级修需要兼容4种不同类型动车组,三级修兼容日系CRH2型动车组和欧系CRH3型动车组;开发柔性化检修作业线满足多种车型检修.

实现不同工位专业化检修,减少检修专业间交叉作业,保证车体部件组装工位环境洁净度,提高检修效率和质量.

2　动车段的关键工艺设计研究

2.1　武汉动车段段址方案选择

(1) 旧改造方案:利用既有武昌铁路北环线上的武昌北、八大家、楠姆庙车站改造成动车组存车场,原武昌车辆厂改造成动车组检修基地,武昌铁路北环线改造成动车组走行线.经过研究,改造方案基本不可行.武昌铁路北环线改造成动车组走行线需要进行电气化改造,不符合城市发展规划;原武昌车辆厂已被武汉市规划成武昌中央商务文化区,改造成动车组检修基地不可行;武昌北、八大家、楠姆庙3个车站相距较远,动车组检修需要多次调车作业,效率低下,也不利于安全统一管理.所以未能采纳利旧改建方案.

(2) 新址建设方案:新址建设方案研究了新武东村段址和流芳段址两个方案.由于流芳段址方案距离武汉站10 km,走行线距离长引起工程建设费、动车组空走运营费均较武昌东段址方案高.经技术经济比较,最终推荐距离武汉站直线距离2.5 km的新武东村新建武汉动车段.

2.2　总平面布局比选

在确定动车段的段址后,动车段总平面布置根据动车段运用检修流程的需要、动车段的规模、用地条件、周边道路、物流方向、气象、水文、地质等情况确定.动车段总平面布局一般有横列式布置和贯通式布置两种形式.

2.2.1横列式方案

动车段规模小时,用地紧张的情况下,总平面布局一般采用横列式,检修库与存车场并列布置,存车线和检修库线均采用尽头式布置,如图1所示.

图1　尽头式总平面布置Fig.1　General plane layout of the end type

2.2.2纵列式方案

动车段规模大时,在用地许可的前提下,总图布置采用纵列式布置,检修库与存车场串联,存车线和检修库均贯通,如图2所示.

图2　贯通式总平面布置Fig.2　General plane layout of the through type

2.2.3武汉动车段总平面布局实施方案

根据前面确定的武汉动车段的规模和动车组运用检修工艺流程的需要,充分利用武汉站、东湖风景区和武东编组站之间新武东村狭长地形,在规划段址用地范围内自北向南依次设有存车一场(49条)和10线动车组检查库,在咽喉区两侧分别布置有10线检修库和预留存车二场(15条),在10线检修库的南侧依次设计有车体部件解装库、车体检修油漆库、材料仓库等.在存车一场与10线检查库之间共设有6条线,线上布置有人工和自动列车外皮清洗设备各2台.其他生产房屋有设备车间(机械加工)、空压机间、变电所、信号楼、给水加压站、污水处理场等.规划后的武汉动车段呈南北纵列式布置,总长约2 800 m,最宽处约520 m,如图3所示.

2.3　动车组整列整备检查关键技术

动车组整备检查,需要解决的问题有:(1) 普通客车整备库停时间为6.0 h,动车组整备检查库停时间较短只有3.5 h,在规定的时间内需完成动车组底部、车厢内部、车厢顶部各项检查,完成上水、吸污、列车外皮清洗等客运整备工作[4];(2) 需要在入库时间内对轮对、受电弓进行检测,动车组轮对、受电弓状态好坏直接影响列车行车安全和运行舒适度;(3) 整备检查库能够适应4种CRH动车组作业;(4) 整备检查库车顶设置电压2.5 kV的接触网,存在安全隐患.

图3　武汉动车段总平面布置示意Fig.3　General plane layout of Wuhan EMU Depot

为此,研究了以下解决方案:

(1) 在出入段线上设置轮对、受电弓检测装置,利用动车组入段走行时间进行动车组轮对、受电弓在线检测,减少检查库作业停留消耗时间.轮对检查的主要内容有轮对踏面擦伤、裂纹、圆度等.

(2) 在停车场和检查库之间设置列车外皮清洗装置,动车组从停车场到检查库的走行过程中,列车外皮清洗装置自动对车体头部、裙部、侧面进行了清洗,减少检查库洗车停留消耗时间.

(3) 在检查库内设置3层作业平台[5],增加检查动车组作业面,实现3个层面的平行作业,提高检查效率.底层作业面对转向架牵引、制动、减振等系统进行状态、外观、尺寸检查;通过2层作业面到达车厢内部检查司机室、厕所、盥洗室、热水器、风口、座椅等的状况;3层作业面对受电弓碳滑板、升降装置、高压绝缘子、高压电缆接头等进行外观、性能状态检查.

(4) 根据兼容4种CRH动车组整备检查的需要,设置满足4种电压等级的地面电源,设置满足4种动车组接口的上水、吸污接口等.

(5) 整备检查库车顶3层平台设置安全监控系统和门禁系统,门禁与电压2.5 kV的接触网实施安全联锁,接触网通电时上车顶的门打不开;登顶人员在3层作业平台作业时,接触网通不了电,只有在登顶所有人员撤离3层平台后才能通电,确保人员安全.

(6) 动车组整备检查库停时间较短,检查项点多,设置整备检查作业监控评价系统,对作业人员各项工作进行监控、跟踪和评价,确保各项检查规范标准、不漏项.

2.4　厂修、段修合一工艺及厂房组合研究

2.4.1段修工艺研究

根据客户需求,段修需满足CRH2型、CRH3型动车组三级修(段修)兼容修,需要解决的问题有:(1) CRH2型和CRH3型动车组车辆定距参数不同,分别为17.500 m和17.375 m,由于定距不同引起两种车型车体架车点不同,需要重新研究适应两种车型的地坑式固定架车设备;(2) 一条检修线检修两组8辆编组的动车组,又能检修16辆固定编组动车组;(3) 有整列动车组一起更换转向架的功能外,还需具备单独更换某个转向架.

为此,经过研究得到以下解决方案:(1) 设置具有17个架车单元的地坑式架车机;(2) 为适应CRH2型和CRH3型两种动车组架车,研究出纵向间距在17.375～17.500 m范围可调的车体架车单元;转向架架车单元举伸轨尺寸在基本尺寸的基础上增加0.2 m;(3) 当架1组8辆编组动车组时,利用1～8号架车单元架车;(4) 当分别架2组8辆编组动车组时,利用1～8号架车单元架其中1组动车组,10～17个架车单元架另外1组动车组;(5) 当架1组16辆编组动车组时,利用1～16号架车单元架车.

上述研究方案在现场实施后,武汉动车段段修弯臂式地坑同步架车机一次托举16辆编组动车组,实现了三级修转向架依次或任意更换作业.

你可以用两种方法混合场景中的颜色。第一种是用相机拖曳技术，用相机本身来实现。降低快门速度（先尝试设置为1秒，不合适的话再调整），打开快门后进行摇摄，这既可以用手完成，也可以使用三脚架。

2.4.2CRH2型车四、五级修(厂修)

根据CRH2型动车组运用维修手册,动车组四、五级检修是在三级修的基础上实施动车组解编、大部件拆卸维修、车体油漆、大部件组装检测、编组、静调、动调等.根据用户要求,武汉动车段日均四、五级检修近/远期车厢数分别为5/10辆,动车组厂修一般采用定位修的检修模式,但日均检修的数量增加后定位修存在以下问题:

(1) 定位修的主检修库台位较多,库房面积偏大,工程造价高.根据测算武汉动车段日均检修5辆,动车组四、五级修检修停时分别为45 d和50 d,定位修的检修台位需要20列位,检修股道多、库房面积大,工程造价高.

(2) 定位修的台位功能同质化严重,检修工装设备重复配备数量多,投资高.动车组定位修时,车厢一般不移位,由于每节车厢检修内容大体一致,每个台位所需检修工装设备基本相同,为了防止检修工装设备不足引起的检修效率低下的问题出现,各检修台位配备检修工装设备重复数量较多,引起项目工程投资增多.

(3) 定位修增加检修工种衔接管理难度.由于每个台位功能基本雷同,各检修工种在台位平行或交叉作业,加大生产调度难度,如果工种工序衔接不顺,影响检修动车组效率.

(4) 定位修的检修工位洁污不分.每个台位有车厢设备的拆卸又有车厢设备的组装,车厢设备拆卸时造成本台位和相邻台位场地、空气污染,影响后续车厢设备装车环境,对动车组检修质量存在隐患.

为解决上述定位修存在的不足,研究了动车组四、五级修采用流水检修方案[6],具体如下:

(1) 按检修手册的检修作业内容要求,将动车组解编、检修前处理作业、车底高压气吹扫、转向架更换、车体部件解体和组装、车体检修、车体油漆等作业分配到不同的工位,车厢检修过程中连续移动,不同的检修工作在不同的工位,实现动车组流水检修,详见图4.

图4　流水检修工位布置示意Fig.4　Layout of flow-line maintenance station

(3) 确定的每个工位检修作业时间为80 min,考虑到组装工序由于部件需要对位调整、测试等作业,确定组装工位的作业时间为160 min,因此车体部件组装工位(18～27工位)为10个,较车体部件拆卸工位(6～10工位)多1倍.

武汉动车段采取流水检修作业后,实现各检修工位工序专业化检修,避免了各检修专业间交叉作业,保证车体部件组装工位环境清洁,提高了检修效率和质量,实现文明作业,目前根据反馈情况现场使用效果很好.

2.4.3检修厂房合并设置

根据上述研究结论,厂修与段修检修工艺完全不同:(1) 动车组厂修需要解编,段修不需要解编;(2) 厂修采用流水检修,段修采用定位检修;(3) 厂修作业场地多,段修作业少.

为了实现厂修、段修厂房有机组合,研究了以下方案:(1) 将三级修转向架检修区与四五级修转向架检修区合并设置成转向架检修库;(2) 为了减少转向架更换区与运输区之间的运输距离,将三级修转向架更换区与四、五级修转向架更换区毗邻设置;(3) 车体解体组装库、车体检修油漆库分库设置,为了减少车体部件的运输距离,将车体部件检修区布置在车体部件解体工区与车体组装工区的中间;(4) 动车组车厢在检修厂房间的移动通过库间移车台实现,如图5所示.

图5　动车段厂修、段修检修厂房组合Fig.5　Workshop combination of Wuhan EMU Depot

武汉动车段厂修、段修检修厂房实现了有机组合后,各检修工区既相互独立又相互衔接,在满足动车组检修需求下,实现物尽其流、人行其道,改善了检修工作环境.

3　武汉动车段主要设计特点

3.1　设计检修能力

根据原铁道部《关于动车基地(段)检修调整方案的通知》[2010]263号,北京按300列、上海按250列、武汉按400列、广州按250列配属设计能力,武汉检修能力国内最大.

3.2　设计起点瞄准世界

为将武汉动车段打造成国内动车段的标杆工程并指导广州及上海动车段设计,针对性研究了国外已建成动车段设计技术,数度与德国、法国、瑞士、日本专家在动车组运用、检修技术等方面进行了全方位的交流与合作,引进了先进的动车组运用检修技术与装备.

3.3　设计检修兼容日系、欧系车型

武汉动车段设计不仅要检修日系动车组,还要求检修欧系动车组,检修工艺及设备全兼容各型动车组;不仅要完成动车组段修,还要完成动车组的厂修等,具体是满足各型CRH动车组的一、二级检修、动车组临修、客运整备以及存车作业要求的同时,还要求满足CRH3型动车组三级检修及CRH2型动车组(200 km/h和300 km/h)的三、四、五级检修.

为了实现检修兼容日系、欧系车型,开发了柔性化检修作业线,满足多种车型检修.例如检查库的地面电源设计有多种接口,满足4种车型检修;三级修库设计有17个举升单元,既可满足整列16辆编组动车组架车,也可以同时满足2个8辆编组动车组架车.

3.4　采用80 min/节拍检修方式

国内首次对动车组四、五级采用流水检修方式,采用80 min/节拍流水线方式,提高了每个工位专业化检修水平,充分发挥每个工位的劳动生产率,可以满足近期200列(1 600辆)、远期400列(3 200辆)的检修任务,较常规定位修的检修模式,房屋面积节省20%,节省工程投资.

3.5　科研支撑设计取得的系列成果

设计人员对武汉动车段总体布局、三、四、五级修库的厂房组合、运用检修流程、设备配置、运用检修信息化系统等进行系统研究,对动车组的兼容修、转向架检修流水线、车体分解组装检修、车体油漆流水线等技术难点均进行了攻关,研究成果由原铁道部评审并批准后,首次形成了我国动车段建设、设计的一系列指导性文件和标准,为动车段的成功建设奠定了良好的总体设计方案和设计标准.

全球首创弯臂式地坑同步架车机[9],一次托举16辆编组动车组进行三级修转向架依次或任意更换作业,创造了世界架车维修的最长编组动车组的记录,实现了动车组架车机技术上的新突破,技术水平国际领先,如图6所示.

图6　弯臂式地坑同步架车机Fig.6　Curved arm pit type synchronous carlifte

3.6　检修车间采用三维设计

针对需要对动车组的底部、中部、上部等不同部位的检修,设置了立体检修工位和工装设备,为了防止不同工位、设备平面、立面相互干涉,采用了三维设计方式,克服平面二维设计的不足,实现了二维设计向三维设计的转化.

国内首创转向架检修输送线研究,涵盖5条转向架三级修工艺流水线,7条转向架四、五级修工艺流水线,研究成果在国内各动车段得到广泛的推广应用.仿真模拟技术如图7所示.

图7　利用仿真模拟技术进行工艺流程设计Fig.7　Process design by using simulation technology

4　结束语

武汉动车段是国内首批设计建成的高速动车组运用和检修的基地,在本项目研究中提出了综合各型动车组检修要求,设计了柔性化检修作业线满足多种车型检修,采用计算机仿真模拟技术指导工艺设计等.武汉动车段动车组的兼容修、车体分解组装检修流水检修作业在时过5年后至今还具有技术的先进性和生命力,例如与武汉动车段同期建成的其他动车段目前正在技术改造,动车组四、五级修由原来的定位修改成了流水修.

武汉动车段的建成运营开创了中国动车组白天上线高速安全运营、晚间回段进行高质量、高效率技术检查维修作业模式,达到动车组日运行2 200～2 500 km的高效业绩,相比德国、日本、法国,在同等运量的情况下,可减少动车组配属量27%以上,节省动车组购置费,相应减少动车段工程项目占地,经济效益非常可观.