轨道交通车门产品研发验证体系的构建研究

文：刘落明，朱文明，谢小刚｜南京康尼机电股份有限公司

本文阐述了将产品验证体系理念引入至轨道车门系统产品，以正向设计、RAMS 分析、可靠性试验为手段，使验证体系融入到产品生命周期的全阶段；以运营场景为依据，关联可靠性分析及运营数据，构建从门系统到部件级的验证标准，制定产品从上而下全面的验证规范；以建立完善的从门系统到零部件的试验验证能力为手段，实现验证标准从定性向定量的质的转变；构建和实施轨道车门系统验证体系，显著提升了轨道交通门系统的可靠性。

作为国家装备制造业发展的重点行业之一，轨道交通装备产品开发和迭代的速度逐渐加快。车门是轨道交通车辆的关键系统之一，其可靠性和安全性的要求不断提高，亟需建立一套既满足轨道行业零部件开发流程要求，又与实际应用情况和自主设计能力相匹配的研发验证体系。

一、研究背景

南京康尼机电股份有限公司（以下简称康尼机电）意识到，仅依靠传统的以客户要求为准则的型式试验作为验证手段和评判标准，难以符合越来越复杂的车门实际运营工况，提高车门运营可靠性；难以锁定设计薄弱环节，提升产品设计质量；难以满足新品的设计周期需求，提升客户满意度。因此必须打破行业束缚，建立一套以成熟度模型为主要架构，以验证规范为依据、以验证能力为手段、以信息化管理平台为载体的轨道交通车门产品研发验证体系（以下简称研发验证体系，图1），确保产品可靠性始终位于行业前列，打造轨道车门标杆企业。

图1 轨道交通车门产品研发验证体系

车门与车辆的可靠性与安全性息息相关。康尼机电将产品验证体系理念引入轨道车门系统产品通过建立可靠性增长管理理念，以识别设计风险、通过实物验证手段在产品定型前发现潜在设计问题为手段，通过可靠性建模、预计、影响及危害度分析（FMECA）和故障树分析（FTA）等设计分析方法，总结前期产品故障经验，识别产品设计薄弱环节，针对性地策划试验项点，通过试验- 改进- 再试验循环，为车门系统高可靠性运营提供保障，在实践中取得了显著的经济和社会效益，以期为国内轨道交通行业车门领域的验证体系建设打造“康尼样本”。

二、构建研发验证体系的主要方法

（一）建立健全验证体系组织架构

康尼机电产品验证部，下设验证支持、产品试制、RAMS 三个团队负责产品试制、验证策划、验证实施、RAMS 分析和评估等工作（图2），并主导研发验证体系的构建。其中验证支持团队负责编制轨道车门验证规范和制定实物验证能力提升计划，RAMS 团队负责推动虚拟验证能力提升，试制团队负责实物验证能力落地和场地规划。三个团队共同推进验证流程和验证体系信息化建设。

图2 研发验证部门组织架构

（二）建立基于可靠性增长的设计验证流程

建立研发验证体系的流程（图3），从“车辆级- 门系统级-零部件级”逐级分解需求，逐级验证评估，梳理和建立产品验证核心流程，形成具有康尼特色的验证流程V 模型。V 模型的构建中，融合了可靠性增长管理的理念，通过开展历史故障数据分析和产品设计风险分析，针对风险点进行设计验证策划和实施，以达到快速激发暴露问题和模拟各种工况评估产品可靠性增长效果的目的，从而实现产品可靠性的持续增长。

图3 研发验证体系设计验证流程模型

根据验证流程V 模型，制定《产品验证控制程序》作为验证体系建设的纲领性文件，明确在产品设计和开发的过程中验证策划和实施的时间节点和职责分工。通过梳理验证业务流程，制定验证流程相关的管理办法，规范流程，保证验证体系运行。在执行层面建立一系列工作模板，包括（仿真计算、台架设计、验证）申请单、DVP 验证计划、验证规范、试验程序、验证报告、诊断报告等。

（三）开发研发验证体系规范和标准

策划产品验证标准体系建设方案和产品验证标准层级，构建门系统验证标准体系框架（图4）。L1 层为门系统级验证规范、L2 层为关键部件验证规范、L3 层为试验程序或任务单等执行类文件。

图4 车门验证标准体系框架

对各平台门系统车辆运营场景进行分析，并梳理车门国际、国内各层次的标准，形成门系统功能需求矩阵；根据车门外部场景获得车门性能技术要求；结合车门功能需求和性能技术要求，并关联可靠性数据（FMECA、FRACAS），得出门系统的试验方法和试验参数，对设计质量反思项点进行梳理，重点关注前期验证未发现的问题项，总结试验方法，最终形成门系统验证规范（图5）。

图5 门系统验证规范编制技术路线

建立城轨塞拉门平台从门系统级到部件级验证的各项标准和规范12 份（图6），形成康尼内部城轨塞拉门验证规范手册。验证规范标准已在门系统及关键部件的验证上取得了较好的运用。利用验证规范文件，明确了验证策划的方法论，提高了前期策划的效率，统一了试验工况和评判标准，避免了试验项点遗漏。

图6 门系统和部件级验证规范

（四）推动轨道车门验证能力提升

1.提高虚拟验证能力

为提高设计效率，降低试验成本，根据可靠性分析评估开展虚拟验证。康尼机电的虚拟验证管理采用成熟度评估法，包括采纳级、重复级、预测级、驱动级和引领级，利用仿真技术优化改造产品设计流程，利用仿真驱动产品研发。

通过ANSYS、Altair、Simulation和Recurdyn四款软件，建立了静力学、疲劳、非线性、热力学、电磁学、多体动力学、动力学和热-结构耦合七个大类的仿真能力。通过Simulation推广使用，主管设计师具备零件级和简单装配件的静力学仿真、胶条非线性仿真及简单的疲劳分析能力，提高了设计师的设计校核能力和工作效率。仿真工程师，Hyperworks的常规仿真能力、快速仿真能力和疲劳分析能力三个模块的导入实施，根据不同领域的车门系统选择不同仿真软件和仿真模块，高质量、高效率地完成计算分析。

通过可靠性分析技术，评估分析产品安全可靠性关键零部件，针对结构件提出仿真计算减轻措施，代替部分实物验证，可快速高效进行方案对比和优化，指导设计，提高产品设计质量。

2.提升实物验证能力

重点建立关键件的承载验证能力、极限工况验证能力和加速耐久性试验验证能力，以满足可靠性增长课题和设计开发的需要。以验证规范中涉及到的核心部件验证标准为指引，规划各项实物验证能力建设，制定建设目标、实施计划和实施要求，主要实施过程如下：

一是通过开发车门专用检测设备和部件级试验设备，将单一的门系统级试验转化为部件级加速试验，通过采集扭矩、力、位移等关键试验参数实现闭环控制，提高了试验效率和精度，在部件级试验装置上可方便的调控不同的试验配置，为关键部件可靠性研究提供有效方法。其中《扭簧耐久试验装置》《可自复位电钥匙耐久试验工装》获得实用新型专利。

二是建立了门系统运动特性研究能力，为深入研究锁闭系统、密封系统等提供了试验和数据采集方法，掌握未知的车门运动特性，为产品结构设计优化提供了新思路、新方向。其中《一种轨道车辆门传动力测量装置及测量方法》、《一种面向轨道车辆车门运动的视觉检测方法》授权了发明专利。

三是通过自主开发、联合研发等方式先后实施了8 项实物验证能力建设项目（图7），建立了门系统型式试验和元器件试验以外的实物验证能力，丰富了试验验证方法，将验证标准从定性向定量转变，为故障分析、优化方案、提升产品可靠性等方面提供更多专业化手段。

图7 实物验证能力建设项目

（五）构建研发验证体系信息化平台

1.验证流程信息化

根据验证体系的规划，拓展康尼机电PLM 系统功能，以验证申请为输入，通过策划验证计划、试验程序、试验实施、报告管理及发布，利用信息化管理手段实现验证全流程的管理，大大降低了文件签审所需时间，提高了验证流程效率和规范性。

第一步验证申请：由设计部门明确验证需求，并提出验证申请；由验证部门主管审核，审核通过后分发给验证工师或产品试制室开展验证策划和实施；

第二步试验计划：根据梳理设计变更点、RAMS 评估、故障数据等，策划验证项点及实施计划；由验证工程师编制，验证部门主管审核，设计部门主管会签；

第三步试验实施：由验证及试制团队按照试验程序实施，过程若出现异常，按照异常管理方式处理；

第四步试验报告：试验结束后，验证工程师按照试验项点、试验内容、试验结果编制试验报告；设计师、验证部门主管审核，验证部门部长批准发布。

2.验证开口项线上闭环管理

通过开口项信息化管理流程，使各职能部门联动高效地开展工作，通过开口项信息化闭环管理，进一步提升产品设计质量，降低因设计问题导致的质量损失，利用QIS 系统的异常管理模块，开发了试验和试制异常线上管理流程，将产品问题通过异常系统填报后提交给设计分析，通过信息化管理平台可以定期分析数据，对于按期关闭率不达标的开口项进行通报，工作效率得到进一步提升。

三、创新成果

本文论述了康尼机电将产品验证体系理念引入轨道车门系统产品的构建和实施，轨交车门验证领域的主要创新成果如下：

一是首创融合可靠性增长管理的产品验证体系，颠覆公司传统型式试验模式和发生故障再解决故障的试错观念，以正向设计、RAMS 分析、可靠性试验为手段，从设计源头实现可靠性增长。

二是以车门运营场景为依据，关联可靠性分析及运营数据（FMECA、FRACAS），构建从门系统级到部件级验证标准的新思路，制定产品从上至下全面的验证规范，形成验证规范和标准数据库。

三是建立完善的从门系统到零部件的试验验证能力和多功能场景试验验证区域，具备系统级、部件级和零件级验证能力，从而实现验证标准从定性向定量的质的转变。通过Simulation 仿真工具推广，提高主管设计师的设计校核能力，缩短产品设计开发周期。

四是拓展PLM 系统功能，开发QIS 系统异常管理模块，实现验证全流程管理的信息化和设计验证开口项线上全闭环管理，有效推动设计整改，提高产品可靠性。

五是对比体系建设之初和研发验证体系运用1年后的可靠性数据，对国内地铁、和谐号和复兴号标准动车组等的累计服务可靠性分别提升42.5%和35.7%。技术中心责任年度累计损失率（KPI）从0.414%降至0.221%。设计质量损失金额近三年下降约1000 万元。