地铁车辆转向架柔性产品平台设计方法研究

任坤华 韩 鑫 张海柱 王晨曦 郭 恒

(1.中车工业研究院有限公司，100067，北京;2.西南交通大学机械工程学院先进设计与制造研究所，610031，成都∥第一作者，高级工程师)

转向架是地铁车辆的核心部件，直接影响到列车的牵引、制动、承载等性能。目前，地铁转向架研发面临以下挑战:其一是如何快速响应客户多样化、个性化的需求;其二是如何提高零部件的重用率。针对上述两个问题，目前学界与业界普遍采用产品平台与产品族策略予以应对［1］。产品平台是组成公共架构的子系统及其接口的集合，在架构基础上可以源源不断地派生出功能相似、性能不同的产品集合，即产品族［2］。产品平台与产品族策略可以在不牺牲企业规模经济的情况下，尽可能地满足客户多样化、个性化的需求，从而使企业获取范围经济效益［1］。国外的阿尔斯通公司、庞巴迪公司和西门子公司等知名企业，经过多年来的发展和技术积累，建立了内燃与电力机车产品平台［3］。近年来，中国中车股份有限公司的各大主机厂，如中车青岛四方机车车辆股份有限公司、中车长春轨道客车股份有限公司、中车唐山机车车辆有限公司、中车南京浦镇车辆有限公司等都已开始关注轨道交通车辆产品平台的建设［4］。

然而，目前我国轨道交通车辆产品平台多采用稳健设计思想进行构建，产品平台的组成元素主要是响应预定义需求的通用模块集合。此外，产品平台的研究多集中于模块划分与平台元素识别［5］，而针对平台模块如何设计的研究还较为匮乏。因此，针对上述问题，本文定义了地铁转向架柔性产品平台的内涵，并且提出了一套地铁转向架通用模块与柔性模块的设计方法，以提高企业响应多样性、个性化客户需求的能力。

1 地铁车辆转向架柔性产品平台定义

世界市场已从传统稳定型演变为动态多变型，企业的研发模式也相应地从大批量生产方式转变为MC(大规模定制)方式。“模块化”在21世纪初再次被提出并取得了较快的发展，其特点是将复杂系统化整为零进行处理，把高度困难的任务变得相对容易［6］。为平衡产品多样性与成本之间的矛盾，产品平台与产品族策略进一步被提出。该策略核心是构建产品主结构，并基于主结构不断衍生新产品。产品主结构由通用模块、定制模块，以及配置机制3部分组成［7］。其中，通用模块旨在帮助企业实现规模经济效益，而定制模块旨在满足客户定制化的需求，帮助企业实现范围经济效益。定制模块虽满足了客户多样化的需求，但其定制成本往往较高、定制时间较长。为此，第3类模块即柔性模块被提出，它旨在通过参数化变型设计以较低的投资成本达到定制模块的效果［8］。

柔性产品平台由通用模块与柔性模块组成［8］。地铁转向架柔性产品平台的内涵见表1。

表1 地铁车辆转向架柔性产品平台模块内涵Tab.1 Connotation of flexible product platform module for metro vehicle bogie

目前，学界已有大量关于产品平台元素识别的研究，包括定性识别与定量识别2个方面［5］。定性识别是一种主观分析方法，主要基于启发式规则识别模块类型;定量识别是指将平台元素识别视为一个分类问题，模块被划分到的区域即为该区域所定义的模块类型。目前，产品平台元素识别的研究已经日趋成熟，但是平台元素设计的研究还较为匮乏。因此，本文主要针对已识别的通用模块与柔性模块，分析其模块实例或变型结构的设计方法。

2 基于多属性决策的通用模块设计

本文采用多属性决策方法从已有实例中确定通用模块实例。由于转向架由自制件与外购件组成，因此，其决策模型亦包括自制件与外购件两部分，如图1所示。

图1 地铁转向架通用模块实例多属性决策模型Fig.1 Multi-attribute decision-making model of general module for metro bogie

自制件与外购件决策模型的结构相同，属性值不同。模型分为4层［9］:最高层是目标层，在已有的多个模块实例中选择符合要求的最优模块实例;第2层是准则层，针对研究对象从可重用性、可靠性、供应商评分、成本等4方面对模块实例评估;第3层是指标层，对准则层进一步细化;最底层是方案层，即已有的多个模块实例。

多属性决策模型的构建及求解步骤如下:

1)构建初始决策矩阵Y。基于k个方案与i个指标，构建k×i的初始化指标决策矩阵:

式中:

yk，i——第k个方案关于第i个指标的属性值;

m——方案总数;

n——指标总数。

2)构建规范化指标决策矩阵Y0。采用文献［10］中的规范化方法对决策矩阵Y进行规范化处理，得到规范化的指标决策矩阵Y0:

式中:

yk，i，0——第k个方案关于第i个指标的规范化属性值。

3)构建规范化准则决策矩阵R0。对同一准则层及其下属指标层的指标，采用层次分析法［10］确定指标层权重后，将指标层属性值加权平均得到的值作为准则层指标的属性值。显然，得到的准则层决策矩阵为规划化矩阵。

4)采用TOPSIS(理想解法)［10］求解最优方案。在获得规范化准则决策矩阵后，采用TOPSIS求解上述m个决策方案的权重并对方案进行排序，从而得到最优方案。

通过以上步骤决策出通用模块实例后，需要进一步进行计算校核、仿真、试验，以判断已有实例是否满足性能需求。若不满足，则需要重新设计1个模块实例并进行校核，直至满足需求。

3 基于关联设计的地铁车辆转向架柔性模块设计

地铁转向架柔性模块设计的关键是分析技术指标与模块设计参数之间的关系，构建支持参数化变型设计的3D结构模型。关联设计是实现变型设计的一种关键技术，该技术利用参数化设计原理建立零部件间的驱动关系，表现为零部件间几何元素的重用，并使用上游零部件设计信息对下游设计过程进行约束和控制［11］。目前，大部分CAD(计算机辅助设计)软件都支持产品的关联设计。CATIA(交互式CAD/CAE(计算机辅助工程)/CAM(计算机辅助制造)系统)软件通过发布、带链接粘贴等功能支持关联设计，并且这些功能可以有效梳理零部件之间的链接关系［11］。本文以CATIA软件为平台，结合CATIA中GSD(创成式外型设计)、KWE(知识工程)、ASD(装配体设计)和PDG(零件体设计)4个模块，采用关联设计技术构建柔性模块的变型结构模型，包括骨架模型与零件体三维模型。其中，骨架模型包括设计基准，设计参数，以及设计规则3类信息;零件三维模型除包含上述元素外，还有拉伸等实体特征。柔性模块的变型结构模型的构建流程及结果如图2所示，具体步骤如下:

图2 地铁车辆转向架柔性模块设计流程Fig.2 Design process of metro vehicle bogie flexible module

3.1 顶层骨架模型构建

1)分析转向架的结构、接口等信息。在GSD模块中，新建转向架的设计基准，如轨面、转向架纵(横)向平面等。

2)在KWE模块中，新建定位尺寸参数，如轴距、空气弹簧间距等。

3)分析设计基准之间的关系，添加参数间的约束关系。转向架骨架模型构建完成后，通过“发布”命令发布骨架元素。

3.2 下游骨架模型构建

下游骨架模型的构建方法与顶层骨架模型的构建方法类似。在ASD模块中，下游骨架模型需要基于顶层骨架模型构建，通过带链接粘贴的方式引用顶层骨架模型的元素，最后完成下游骨架的参数化建模并发布骨架元素。

3.3 零件体三维模型构建

1)在PDG模块中，引用上层骨架元素构建零件的三模实体模型;

2)创建零件的设计参数或引用上层骨架的设计参数;

3)添加参数间的约束关系，完成零件体的参数化建模。

采用关联设计技术构建的柔性模块将能有效支持转向架零部件的快速有序变型及装配。

4 实例分析

本文以A型地铁转向架为例，对提出的地铁转向架柔性产品平台设计方法进行验证，包括转向架通用模块与柔性模块的设计。

4.1 转向架通用模块设计

本文以侧梁梁体为例，阐述通用模块的设计过程及其方法。具体设计过程如下:

1)整理某主机关于A型地铁已有侧梁梁体实例，分析每个模块实例的差异度、使用度、MTBF(平均无故障时间)、成本等信息，构建3×5的初始化决策矩阵。

2)采用第2节所述方法形成归一化的准则决策矩阵，见表2。

表2 准则层多属性决策规范化矩阵Tab.2 Criterion-level multi-attribute decision-making normalization matrix

3)采用TOPSIS方法得到各方案的相对贴近度:{C1，C2，C3}={0.746 5，0.218 2，0.2535}。

由此可知，实例Sidebeam1-80的相对贴近度最大。在此基础上，进一步进行强度计算与仿真，以验证该实例是否满足A型地铁转向架平台所定义的性能需求。经校核，Sidebeam1-80满足要求。因此，将Sidebeam1-80视为A型地铁转向架平台侧梁梁体的通用实例。在后续A型地铁转向架订单中，可以直接重用该实例以降低模块的研发成本。

4.2 转向架柔性模块设计

A型地铁转向架平台的柔性模块包括车轮、车轴等。本文以车轴模块为例，阐述柔性模块的设计过程及方法:首先，构建转向架骨架模型;然后，引用转向架骨架模型信息构建轮对骨架模型;最后，基于轮对骨架模型，构建车轴三维模型。转向架柔性模块构建结果如图3所示。在后续A型地铁转向架订单中，可以直接重用该模型进行变型设计，从而提高模块的设计效率。

图3 地铁车辆转向架柔性模块(车轴)构建结果Fig.3 Construction result of metro vehicle bogie flexible module(axle)

5 结语

为了快速响应客户个性化的需求、提高零部件的重用率，本文定义了地铁车辆转向架柔性产品平台的内涵，提出一套地铁通用模块与柔性模块设计方法。前者所构建的通用模块实例可以提高模块的重用率，后者所构建的柔性模块模型可以提高模块的变型设计效率。以侧梁梁体和车轴为例，验证了所提方法的可行性与有效性。