铝合金地铁车辆的统型研究

李华丽，王兴文，黄莉莉，王春萌

(中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031)

地铁作为最主要的交通运输工具之一，具有节约能源、运量大、准时、速度快等优势。随着社会经济的发展，支撑地铁车辆的相关专业技术也在发生日新月异的变化，加之不同城市对轨道交通的需求不尽相同，导致地铁车辆在制造材料、车型、速度等级等方面多种多样，这势必造成车辆制造及设计成本增加，维保难度加大，质量问题增多。

地铁车辆之所以会形成这种局面，原因是多方面的。一是早期为了解决产品有无问题，从多国引进产品技术进行合作研制或引进消化吸收再改进；二是为了创新而创新，标新立异的无价值增值性的重复设计，形成高密度品种规格产品[1]；三是车辆制造商对部分子产品或子设备的技术掌握不够，从而依赖或受制于供应商，导致接口和产品的多样化；四是用户提出不同需求时没有经过充分的统筹规划，从而在产品发展的初期，不清楚产品品种、规格和型号合理的发展方向，任由产品品种、规格自由发展。而统型就是对现有产品品种、规格和型号进行的统一集中梳理和标准化整顿的行为[1]。

1 地铁车辆统型的总体思路

统型是进行通用化、系列化和模块化的梳理整顿工作，那么地铁车辆的统型就可以从梳理出影响车辆的关键因素出发，找出现有产品的种类以及不同类型产品出现的频次，再逐步开展系列化、模块化和通用化的工作。以中车南京浦镇车辆有限公司现有52个项目的铝合金地铁车辆为例，同时选取3个决定车辆种类的强相关因素——车辆轮廓断面形式、客室门形式以及空调送回风形式来说明。将车辆轮廓断面形式中梯形和鼓形分别编号为(1)和(2)，客室门形式中塞拉门、内藏门和外挂门分别编号为(1)、(2)和(3)，空调送回风形式中前送前回、下送下回和前送下回分别编号为(1)、(2)和(3)，那么由这3个因素组成的车辆编号经过排列组合原则上会有18种。但是根据现有产品(52个项目)的现状分析，有些组合的车辆目前并没有出现过，从而最终得到的车辆编号有(2)-(1)-(1)，(1)-(1)-(3)，(2)-(1)-(2)，(1)-(1)-(1)，(1)-(2)-(1)，(1)-(2)-(2)，(2)-(3)-(1)，(1)-(3)-(3)共8种(表1)。

表1 由3个强相关因素组合的车辆种类表

由表1可以看出，编号为(2)-(1)-(2)的车辆出现了18次，频次最高，其次是编号为(2)-(1)-(1)的车辆，而出现最少的车辆编号为(1)-(2)-(1)、(1)-(2)-(2)以及(2)-(3)-(1)。由此可以分析出，断面为鼓形、客室门为塞拉门、空调为下送下回的地铁车辆最常见，这说明此种类型的车辆是目前城市轨道交通地铁车辆的主流。那么接下来的总体统型方案则可以以此车型展开，梳理此车型各个系统的方案种类，从而形成不同的模块，其思路是相通的。比如：尽管客室门都是塞拉门，但塞拉门与塞拉门之间有可能在其内部零部件上、接口上甚至尺寸上存在差异，根据影响塞拉门的关键因素，梳理出塞拉门的种类，分析现有不同种类之间的异同，再考虑通用化、系列化、模块化的统型。

当然，以上因素只是影响车辆种类众多因素中的3个，可以根据各个产品的特点，把影响车辆种类的强相关因素都梳理出来，如：车辆长度、车辆最大宽度、车辆高度、受流方式、监控装置、空气弹簧及地板面高度等。按照此种排列筛选方法，从总体方案到子系统、子部件进行梳理。也就是说确立了统型目标，再进一步开展具体的通用化、系列化以及模块化的“三化”统型工作。

2 铝合金地铁车辆统型举例

前文介绍了地铁车辆统型的总体思路。那么如何将梳理出来的车辆种类、子系统种类和子部件种类进行下一步的统型工作，文献[1]中给出了如图1所示的统型原理。

图1 统型原理图

依据图1的原理，可以将前文梳理出的车辆编号种类进行系列化统型，即可以保留频次较高的产品，适当取消频次低的产品，从而做成不同的车辆统型平台。每一个平台都由不同的子系统构成，子系统依据功能、结构或接口进行分解，构建成具有互换性接口并可传递功能的子模块，这便是子系统的模块化统型。

以某车体车顶结构举例说明。车顶由边梁、弯梁、圆顶以及空调平顶组成，见图2。

图2 车顶组成图

其中空调平顶受空调机组的送回风形式影响，可以将空调平顶做成1个子模块，将空调平顶模块1(图3(a))作为适用于下送下回的空调方案，空调平顶模块2(图3(b))作为适用于前送前回的空调方案。在设计这2种模块时，首先应确保其与周边接口的一致性(如图3中端板用于连接平顶与圆顶，吊挂臂用于连接平顶与边梁)，其次给2种模块赋予相应的属性特征(如长、宽、高、送回风形式等)。产品设计时即可依据关键属性选择模块，组合成满足不同客户需求的车顶结构。

图3 空调平顶模块示意图

在进行系列化和模块化统型工作时，一定会有通用化的统型，因为在形成不同的标准化模块前，同一种模块可能会存在某些细节上的差异，必须将现有的相近的多品种压缩或归并为一种通用模块，是“多成一”的通用化。例如：地铁列车需考虑碰撞设计，低速碰撞时，碰撞所产生的能量只依赖于车钩缓冲装置来吸收是不够的，需要考虑多级能量吸收系统来有序地耗散能量[2-4]。一般情况，当列车以大于20 km/h的速度发生碰撞时，列车最前端的车钩吸收完能量后过载保护装置将动作，使车钩与车体分离。车钩安装座作为列车最前端车钩的安装载体，因为车钩供应商的不同，导致其接口存在较大差异，其中以安装座的退钩孔(用于车钩与车体分离后，车钩往后退的接口)的差异最大。图4是车钩安装座矩形退钩孔的示意图。该结构的形状和尺寸差异较大：在形状上，有圆孔、方孔、不规则形状孔等；在尺寸上，即便是矩形孔，尺寸(宽×高)存在315 mm×250 mm、290 mm×290 mm、300 mm×270 mm、330 mm×270 mm、330 mm×293 mm等十几种，圆角尺寸也多种多样。综合考虑，最终选取330 mm×293 mm的矩形退钩孔作为通用接口，而摒弃其他形状的孔。一旦将该形状该尺寸的车钩安装座退钩孔定为通用接口，那么在以后的项目执行过程中，则需要求车钩供应商按照此接口设计，提供相应的车钩产品。

图4 车钩安装座矩形退钩孔示意图

以上只是地铁车辆中一个很小部件的通用化统型举例，是利用现有的某个接口尺寸代替其他接口尺寸实现的通用化。当一些产品不能通过现有品种的归并实现通用化的目的时，则需采用重新设计的通用化统型，从而实现接口通用化、结构通用化以及功能通用化等。当然，统型并不是简单的做加减法，需要综合考虑各方面的因素，如成本、生产加工的难易程度、相关系统的影响、结构的强度刚度及功能等，从而形成相对通用的标准模块化、系列化较优方案。

3 结束语

目前，中车南京浦镇车辆有限公司已经完成了B型铝合金地铁车辆的统型工作，并已在多个项目上运用，取得了较好的效果，不仅提高了设计、工艺及生产效率，而且降低了制造成本，减少了质量问题。