基于全要素仿真的高铁动车组清洗中心设备配置研究

朱泽群

（中铁第四勘察设计院集团有限公司机动院，湖北 武汉 430063）

1 概述

随着铁路建设的推进，铁路配属动车组日益增多，根据国铁集团文件，预计2025 年全路配属动车组4512 组，2030 年规划配属动车组5541 组，中国高铁动车组的检修面临极大的“提质增效，减员降本”的压力。

在动车组的检修过程中，零部件的清洗占整个作业过程的11%～16%，是动车组检修工艺中一个关键环节。长期以来，由于动车组部件外形复杂，清洁度要求高，我国铁路动车组检修部件清洗任务十分繁重。现有多采用简单的清洗机和人工手持喷枪清洗，清洗劳动强度大，生产效率低，有害物严重地影响工人的身体健康，环境污染严重，劳动保护等问题一直是困扰检修部门的一大难题。

经过高速铁路建设的发展，清洗设备已经获得了一定层度的发展，智能、高效的专用清洗设备，铁路集中设置的清洗中心及其关键技术、零散零部件自动清洗装部，也基本实现了应用。但是动车组部件的清洗效率，除了与清洗设备的功能本身有关，其清洗件的到达、缓存区域的设置、部件的配送路径均对清洗效率有决定性的影响，整个清洗工艺过程的瓶颈，决定了总体的清洗效率。要想获得合理的清洗设备配置，合理确定清洗设备配置，主要解决拆解和安装的节拍问题。

解决这类问题需充分考虑车间布局、部件拆解时序，拆解用时，运输路径，运输工具，部件清洗时间，工作时间等要素，才能对工艺过程进行分析，给设备数量的配备，缓存区域的大小，提供满足要求且经济可行方案。因为轨道交通车辆的特殊性，车体拆装流程必须遵循特有原则和专用工装才能完成，目前，已有相关的工艺仿真技术如Flexsim 在动车所工艺研究，Plant Simulation 在动车组轴箱生产线的相关研究，可以解决动车作业过程中的工艺问题，但尚无在清洗工艺方面的研究。

2 清洗需求及工艺研究

动车组检修清洗要求的核心就是基于动车组部件拆解、组装的时序被洗零部件达到检修工艺要求的清洁度，以满足部件检查检修的要求，部件清洗完成时间，对后续组装节拍影响很大，直接关系动车组完成检修的时间。虽然部分动车段已开始配备自动化、半自动化的清洗设备，但部件清洗工作总体效率低，没有完整、顺畅的流水线式作业。

2.1 动车组检修需求

经过对某动车段主修车型进行了调研，对动车组需清洗的部件进行了调研统计，该d 段主修车型车体（按8 辆编组）含各主要部件30 类，共计1300 余件，转向架含各主要部件33 类1500 余件。

清洗环境潮湿，不利于一般检修工作的开展，因此部件清洗宜集中考虑设置清洗中心。清洗中心的工作流程与清洗部件的拆装密切相关。根据部件在动车段内拆解位置、拆解时序以及零部件形状和转运工具等要素，将动车组零部件的清洗单元分为6 类，包括裙板、边梁、车体零部件、构架、轮对、转向架零部件。

动车组部件按既定时序进行拆解，并沿着规划路径运送至清洗位置，轮对、构架、转向架部件等清洗完成后在转向架库内完成组装；车体部件从车体分解台位拆卸，完成清洗后运送至车体组装台位进行安装。

2.2 清洗设备

根据动车组大部件清洗市场所有的设备清洗情况，主流清洗设备的相关要素如表1 中所示。

表1 清洗设备关键要素

表2 清洗对象要素表

表3 来件时序节拍表

3 仿真研究

3.1 仿真平台选取

产线工艺的可视化仿真是指通过抽象模型来模拟实际的生产线运行，帮助我们了解真实的生产过程，并对其进行分析与优化，然后实施设计和规划的活动。

经对比市场工艺仿真软件，Plant Simulation 在工艺节拍，逻辑设置上，更具有灵活性，可以从工位时间、启动方式、故障方式等多个角度去控制与工位相关的要素，还可以通过编程，赋予对象属性和行为，且能通过多种方式为用户提供了数据分析的功能，还集成了遗传算法、试验分析器等数据分析功能。本次仿真拟采用Plant Simulation。

3.2 车间级仿真目标

时间要求：根据动车段实际工作时间，需设置班次日历（每日工作时间按上午8：00 ～下午18：00，中午12：00 ～下午14：00 为休息时间。周一至周六为工作时间考虑），仿真时间以1 年计算。

仿真目标：满足该动车段动车组车组检修产能配套的清洗作业。

3.3 仿真要素确定

要完成清洗中心的仿真，首先，需确定清洗中心的清洗对象、来件节拍、清洗中心初步布局等，以初步估算清洗中心的设备配置情况。

（1）清洗对象。

（2）来件时序。

4 仿真实例

某动车段解体组装检修库自东至西依次布置部件组装、部件检修区、部件解体区、部件检修区。车体检修及油漆库自东向西依次布置。本次清洗中心需解决动车组高级修拆装的车体部件、转向架部件的清洗工作。清洗方案和路径如图1 中所示。

图1 清洗中心走行径路方案示意图

4.1 仿真模型

首先，根据已经调研的资料和工艺流程，我们对建模的思路进行了分析：（1）分析实际工艺情况，决定需要哪些功能模块；（2）关键工位流转的逻辑。

然后，结合既有工艺、功能和现场沟通调研的结果，提出方案布局图，采集仿真区域的正射影像图。

调整好各模块布局后，获得的基于实景的仿真图像，模型搭建完成后，在仿真运行前，还需要进行以下操作：①班次日历的设置。通过对班次日历控制工人的实际工作时间；②设置清洗工人。软件通过工人池实现工人的调度，每个工人可以有自己独特的技能，也可以是多功能型工人，从而满足实际生产的需求；③仿真初始化参数设置。在仿真初始阶段，将图表、裙底板输入窗口、转向架缓存出口等参数进行初始化设置，以满足仿真的基本数据要求。

4.2 仿真运行过程

本次仿真所用的动车组采用源产生，可以通过设置动车组入段均匀间隔来设置动车组的产生，当有具体的订单计划后，可以采用表格定义时间序列，控制仿真模型中每列车进入的时间。通过模型设置的程序控制算法，列车进入后按照既定的程序完成拆装后送至下一工位，完成拆卸的部件，且清洗中心前置缓存区还有缓存工位时，通过转运中心的控制，由AGV 小车将部件运送至清洗中心缓存区，缓存区满后，暂停转运。当零部件由拆卸工位运送到清洗中心时，先存放在前置清洗缓存区内，当对应的零部件清洗机空闲后，由天车运送至后置的缓存区，在后置缓存区等待AGV。

4.3 仿真结果分析

根据某动车段工作量预测，近期三/四级修检修任务分别为150/77 列，来车间隔约每22h；远期为188/97 列，来车间隔约为17h。首先，通过设置各类部件清洗设备数量均为1，找到工艺瓶颈，确定试验分析器的分析参数，仿真结果如图2 所示。

图2 清洗中心设备占用率情况

在一年的仿真时段内，约完成了90 组动车组部件的清洗，与每年完成285 组车的任务量相差较远。鉴于构架清洗、轮对清洗耗时较长，且在仿真结果数据中，工作状态占用比例较大，构架清洗设备、轮对清洗设备为关键设备，而零部件、裙板、边梁等清洗设备工作状态占比相对较低，可推定非产能瓶颈，因此，维持其数量为1 台。分别1、2、3 台构架清洗机，1、2、3 台轮对清洗机进行9 组实验，经测算在上述布局下，清洗中心在研究年度需配备的清洗设备如表4 中所示。

表4 各研究年度设备配置数量表

5 研究结论与展望

5.1 研究结论

本文根据某动车段的调研情况，充分考虑了动车组部件拆解时序，拆解用时，运输路径，运输工具具体参数，部件清洗时间，工作时间等要素，运用了工艺仿真的全新工艺设计手段，对工艺流程进行了数字化、可视化处理，将工艺设计中的众多要素都通过工艺流程的逻辑控制，纳入模型的逻辑控制中，验证了部件清洗布局、部件转运路径的可行性，并提供了设计中需要研究年度清洗设备设置数量的建议，为后续同类项目的工艺设计和设备配置提供了参考。

5.2 展望

由于对机辆设施研究的范围广，工艺流程的调研不够彻底，需在后续设计任务中，结合工艺设计深广度的扩充，更详尽地调研机辆检修设施的工艺，为革新工艺手段储备一手技术资料。