铁路客车车体模块化设计技术

铁路客车车体模块化设计技术

作者 廖平

为了适应现代客车的大规模生产，努力提高客车的设计制造水平，近几年来，在客车设计中全面贯彻模块化设计理念，在制动、车电、暖通和车体的设计中广泛展开了模块化设计，在简化设计工作、提高产品质量、缩短组装周期和提升工厂产量方面取得了巨大的成果。本文着重对车体模块化设计技术进行介绍，供相关设计人员学习参考。

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1模块化概念

所谓模块，实际上就是某一系统集成后所形成的功能单元。一个模块可以具有一种功能，也可以具有多种功能。各模块通过插接或连接即形成一个局部或整机系统，再通过一定的包装和装饰即形成产品。

随着社会的发展和技术的进步，“模块化”概念已广泛应用于各个领域，尤其在电气行业，由简单的线排到大规模集成电路，电器元件的模块化已普遍采用，一个复杂的电气控制系统现在只要一个电路板和几个功能模块插件就可以实现，并使非常复杂的电气系统变得结构简单，条理清晰，维修方便，计算机行业尤其在集成电路方面取得了高速发展。

一般地说，模块化程度越高，产品就越先进。模块本身必须具有技术上的先进性，设计上的合理性，性能上的可靠性，成本方面的经济性和寿命长等优势，才能使该产品具有生命力。当前，铁路客车的设计制造技术正在进入与世界同步发展的轨道，高速动车组设计制造技术已达到世界先进水平，尤其在牵引、制动、控制和转向架等性能方面有了极大的提高，其装备也逐步现代化，舒适度明显改善，但本厂生产的客车在车体结构方面却明显落后，与高速技术的发展和现代化大生产方式不相适应。为了解决这种状况，引入“模块化”的设计理念就显得十分重要。

2 模块化设计的发展

1975以前，钢结构的生产仅有底架和端墙两个胎模，侧墙和车顶的组成均采用散件组装，各梁、柱均采用“搭积木”的方式进行逐件组焊，然后蒙上墙板和顶板。一辆车体钢结构组成，至少要一个星期，最快也要三天左右，这样的生产方式要想大幅度提高产量和产品质量是根本不可能的，直到1985年钢结构的六大片才实现部件设计并按部件生产，组装开始实现胎膜化。实现胎膜组装以后，钢结构组装进度明显加快，可实现日产一辆，最快可达日产两辆，至此钢结构的模块化设计已初见成效。

但是车体内部结构多年来一直采用散组装，所谓散组装就是把各种零部件在车上逐件进行组装然后进行调整、找平，车上似乎变成了一个临时“加工场”，车上配件散乱，加工后杂物满地，这样的组装方式如何能够保证产品的进度和质量。2005年客车设计部开始在内装方面引入模块化设计理念，并着手进行模块化设计研究，并在2005年的屯兵车上进行了试装，取得明显效果。工厂突破日产两辆，2006年日产四辆，经过短短五年的发展，现在25G新造客车的产能已达到日产10辆的水平。虽然日产水平的大幅度提高是工厂各方面组合能力的体现，但可以明显看出模块化设计对推进生产进程所起的主导作用。

本文就车体模块化设计思路、模块的形成和模块化设计中应注意的事项进行简要介绍，供相关人员

学习参考。

3车体模块化设计

3.1车体模块的基本形式

车体的模块化设计实际上是一种结构集成，把客车的散组装设计变为模块化设计，这一过程既是设计思路的转变，也是设计方法的改变。 “思路”和“方法”的确立是模块化设计的关键所在。

对于车体钢结构，其底架、侧墙、端墙和车顶四大部件从整体上来说已实现的模块化设计和生产，但从各部件的细部结构来看，在近几年的模块化设计进程中部分结构虽已体现了模块化设计思想，但对于如何深入实现钢结构各大部件的模块化设计，仍需要进一步研究和探讨。本文重点介绍车体内部结构的模块化设计技术，并对车顶钢结构的初步模块化设计进行简要介绍。

车体内部结构的模块化设计一般有两种方式：

一种是骨架先组成模块，在车上与钢结构进行组装，然后进行内饰板的安装。目前铁路客车的设计中这种方式也有广泛的应用，我厂T型样板车墙板、软卧车卧室顶板安装采用了这种方式，其它工厂对于这种方式也有较多的应用。这种方式一般对于内饰板采用玻璃钢或金属板材模压成型或者吸塑成型的结构时较为有利。该方式的优点是骨架模块安装时有足够的空间进行操作和调整，内饰板安装时与周边关系容易调整和处理，维修成本相对较低，缺点是骨架模块本身需要有足够的刚度和强度，相对下面要讲的的整体方式对骨架的要求要高一些，对于常规客车来说其制造成本相对较高。

另一种是骨架与蒙板一体化模块，在车上与钢结构一次完成组装。我厂普遍采用的是这种方式。例如我厂设计的25G型车车内墙板、平顶板等都是采用这种方式。该方式的优点是模块的形成比较完整，整体刚度较好，安装简单，大大缩短生产周期，尤其适用于大批量生产，且骨架与蒙板融合成整体，对骨架的要求相对较低，尤其适用于常规客车全木结构的模块化设计。缺点是由于受到安装空间的制约，设计难度相对较大，尤其对于模压成型的蒙板与骨架组成整体模块时需要进行二次加工，也就是要把骨架与内饰板进行可靠的粘结才能形成整体模块，这种方式其制造成本会有所增加。

3.2车顶模块化设计

原来车顶钢结构的设计中，车内风道吊铁、间壁安装和水箱吊铁等都是和车顶钢结构密切相关的，基本上都是靠弯梁进行焊接和把固的，所以弯梁的排列受到吊铁位置和间壁连接的制约，且车种不同弯梁的排列方式就不一样，即使是同一个车种在内部结构发生变化时，弯梁的位置就要随之变化，车顶钢结构就必须重新设计，既增加了设计工作量，又会出现大量不同规格的配件，给配件制作和管理带来难度，且不同的设计在车顶钢结构组成时胎膜工装都要调整一次，这种设计难以适应现代化大生产。

车顶模块化设计思路：

引入模块化设计的理念是解决以上问题的有效途径。首先要设法解除内部结构对车顶钢结构之间的约束，我们在车顶内部设置的两根贯通客室的四面都带T型槽的铝合金纵向梁，在车顶钢结构上的任意位置均可设置吊铁与该纵向梁实现连接，车内主风道和内顶结构也通过铝合金纵向梁进行连接,这两根

纵向梁的设置作为车顶钢结构和内部结构之间的过渡，给车顶部分的模块化设计起到了关键作用。这样就解除了吊铁、间壁与弯梁之间的直接约束关系，为车顶钢结构和车顶内部结构的模块化设计铺平了道路。

车顶钢结构的模块化形成：

对于空调客车来说，车顶钢结构一般由圆顶和平顶组成，圆顶部分由于解除了内部结构的约束，弯梁排列就可以实现均布，两端平顶根据常规客车采用的两种不同外形尺寸的空调机组形成两种不同的平顶，对于常规客车来说，车顶钢结构仅仅是两种平顶的模块和圆顶的不同组合，不再随内部结构的变化而改变，实际上车顶钢结构已向模块化设计大大前进了一大步，这样既减少了设计工作量，又规范了零部件的设计和生产，有效地缩短了配件制作和钢结构组装周期。

内顶结构模块化形成：

车顶内部结构的客室部分是通过设置的两根纵向梁进行悬吊组成的，纵向梁由四面设有T型滑槽的铝合金型材制作，这贯通型的纵向梁起着车顶钢结构与内顶结构之间承上启下的核心作用，图1所示为25G硬座车内顶铝合金纵向梁设置示意图。整个客室内顶可以看成是一个大型模块，通过这两根纵向梁吊起。而这个大型模块又是由内顶结构框架为主的侧顶板和中顶板子模块组合而成。

图2为25G硬座车内顶结构示意图。这种设计结构简单，条理清晰，调整容易，安装方便快捷，适于现代化大生产。

图1 25G硬座车内顶铝合金纵向梁设置结构示意图

3.3侧墙模块化设计

原侧墙内装结构完全是散组装状态,内墙板的横向接缝处均设有木立柱，各木立柱与钢结构立柱把固，纵向接缝处设置木拉条，木拉条和木立柱固定，木结构组装后须进行调平处理，然后逐块安装内墙板。各车型由于窗开档、横向和纵向接缝不同，木结构的布置也不相同，即使是同一车种，内部结构稍

图2 25G硬座车内顶结构示意图

有变动，其钢木结构就必须重新设计，造成图样繁多，木结构配件繁多，给设计、配件制作、管理和安装带来极大难度。

侧墙模块设计思路：

a) 要解决侧墙内部结构散组装问题，首先必须解除侧墙内部结构对钢结造成的约束，理顺内部结构与钢结构之间的直接连接关系；

b) 侧墙内装结构必须自成体系形成独立框架或单元模块，然后通过若干支点与钢结构连接；

c) 与模块相连接的钢结构立柱上必须具有方便安装的眼孔（本厂采用的是钥匙孔，并配有特制防转螺栓进行连接把固），确保安装的工艺性和可靠性；

d) 模块上的连接铁和钢结构立柱之间的连接必须方便横向纵向的调整，确保模块安装到位。

侧墙模块形成：

对于常规客车，侧墙内装基本上采用的是木结构，所以其侧墙模块也采用木结构方式。对于客室部分，标准模块一般为每窗一组。每个模块由四部分组成：内饰板（贴面胶合板）模块＋框架模块＋防寒材＋连接铁。

其制作工序为：内饰板模块按设计图样要求加工成形后与框架模块粘结形成基体模块（背面须进行防腐防火处理），再填粘防塞材，最后安装连接铁。

框架模块采用20㎜厚胶合板拼装制作。内饰板模块为6㎜厚，由5㎜胶合板和1㎜贴面板粘合而成。为了减少变形和工艺制作方便，框架采用20㎜厚胶合板制作；连接铁由3～4㎜厚钢板制作，设安装调节长圆孔；防塞材采用20㎜厚聚乙烯板材,用以提高防寒性能和控制模块的变形。侧墙内装模块的形成过程示意图见图3所示。

3.4平顶模块化设计

平顶包括客车两端小走廊平顶、餐车和卧车大走廊平顶及通过台平顶。

常规客车平顶均为木制结构，原平顶设计采用木骨架＋贴面胶合板方式，木骨架为散组装方式，部分采用框架设计。

在现车安装过程一般采用先安装间壁后安装平顶的办法，往往造成平顶安装空间尺寸不能保证，所

图3 侧墙内装模块的形成过程示意图

以在平顶结构安装时需要进行再加工，框架结构往往需要拆散后重新调整尺寸再进行安装。内饰板采用20㎜厚胶合板＋1㎜贴面板粘合而成。在木结构安装后再安装内饰板，并用木螺钉进行固定。由于实际空间误差，板材经常需要通过现车再加工进行安装。

可以看出，平顶的安装尺寸由于受到周边结构的影响而不可能得到保证，如何才能改变这种费时费力又难以保证质量不合理的状态，实践证明通过平顶的模块化设计后问题可基本得到解决。

平顶模块设计思路：

a) 优先保证平顶安装空间（开档和高度），确保模块的整体制作和安装；

b) 周边结构尺寸采用可调设计，在优先对平顶模块定位的情况下也能使其相邻结构合理安装到位，尤其是间壁结构，其位置尺寸在安装过程中均可实现调整，这也反过来为平顶模块化的实现提供了可行性。

c) 采用铝合金框架和贴面胶合板一体化设计模块，结构统一规范；

d) 采用铝合金型材整体框架，重量轻，连接、安装方便，自然缝处理规范。

平顶模块形成：

平顶模块采用铝木混合结构，由骨架模块、内饰板模块和安装连接铁组成。

骨架模块由铝型材制作，各型材交接处采用厚2～4㎜铁板连接，利用型材上的滑槽连接成框；内饰板模块的材料及其组成方式与内墙板完全一致。骨架模块与内饰板模块进行粘接形成平顶模块。型材断面的设计具有适合连接、吊挂和安装的多重功能，并适应各型客车的平顶模块结构。

对于多重模块的设计，其思路应该是采用主模块和子模块逐级组合的方式设计，由车下整体配套制

作，现车逐级组装。利用模块型材的滑槽设置连接铁或吊装结构，完成平顶模块的安装。

图4为通过台模块的基本形式及其形成过程。通过台平顶模块的内饰板模块由两端子模块和中间活门模块三部分组成。两端子模块采用插接方式安装，中间活门采用锁定方式安装，并加设安全带。

图5所示为通过台平顶模块的安装关系。

图4 通过台模块的基本形式及其形成过程

以上重点介绍了车顶钢结构、车顶和侧墙内部结构及平顶结构的模块化设计的思路和形成。其共性的思路是一致的，就是通过对各部分结构、功能及其周边关系的综合分析，找出问题，然后结合安装工艺对结构进行有效的集成，最后完成模块化设计工作。

图5 通过台平顶模块的安装关系

4模块设计的基本要求

a) 模块本身要自成一体，模块与基体的连接简单；

b) 各模块之间及模块与周边结构关系处理合理，各自然缝协调一致，保证达到工业设计外观效果；

c) 模块本身应具有足够的刚度，连接模块的连接铁也应具有足够的强度和刚度；

d) 模块的结构及选材应有利于控制模块的变形；

e) 模块应便于安装，其周边应有一定的调整空间；

f) 模块与车体结构的连接应设置不同方向的长圆孔，便于安装和调整；

g) 模块设计一定要考虑通用性，不同车种同一部位同一结构同一材料其模块应统一型式；

h) 模块的外形尺寸要进行控制，要能自由进入车厢，在安装过程中要便于在车厢内进行位置的调整，并要符合组装工艺流程；

i) 要控制模块的整体重量，要考虑搬运和安装过程中的劳动强度。

5 车体模块化设计的初步成效

经过近几年的努力，常规客车的车体模块化设计已初见成效，尤其在车体侧墙、车顶和平顶结构的模块化设计方面效果明显，通过模块化设计，车体结构的规范化、标准化和通用化程度进一步提高,在此列举以下几个方面来说明模块化的发展给客车设计产生的积极效果和影响。

a)地板梁

由于制动模块、中间管排和电气线槽采用了模块化设计，解除了该部分的结构对底架的约束，使底架从无序的眼孔和管卡设置中解放出来，尤其是枕内已趋于规范和统一，正常情况下枕内横梁可完全实现均布，且断面一致。常规客车各品种枕内横梁基本实现了通用和规范。

b)侧墙立柱

由于侧墙内部结构采用了模块化设计，解除了原散组装的木梁安装对立柱的约束，使立柱上的眼孔设置规范有序，同时兼顾到其它常规客车的安装要求，统一进行了安装孔的设置，使得同一侧墙立柱既

可适用于全车，还适用于同型客车多个品种，侧墙内装结构的模块化设计使得侧墙立柱实现了通用和规范。

c)车顶钢结构

由于采用了模块化设计方法，解除了内顶结构对车顶钢结构的约束，车顶钢结构得到了解放，使得车顶钢结构完全可以根据自身的需要来进行设计，它不仅可以实现弯梁的均布，更重要的是使得常规客车各品种的车顶钢结构的基本形式和结构趋于统一和规范，弯梁等主要配件实现了通用。对于空调机组安装方式相同的不同车种，其车顶钢结构基本一致，即使对于餐车厨房这样有特殊要求的，也仅需要作局部的针对性改动。

d) 侧墙结构

由于侧墙内装结构采用了模块化设计，解除了内部结构的约束，使得各车种侧墙钢结构的结构、梁柱和基本形式得到统一和规范。原侧墙钢结构上的各种内部结构的安装设置进行了彻底清理，取消了安装连接铁和巴爪，各种安装孔进行了规范。在常规客车设计中，对于不同的平面布置仅需对窗立柱开档进行适当调整，对于不同的外部门，仅需对局部结构进行调整。

在内部结构方面，侧墙模块基本形式得到了统一，对于不同的窗开档，只要对模块的尺寸进行调整便可完成设计。硬座车客室、餐车餐厅、软卧车和硬卧车的走廊侧墙模块其形式基本一致，也是常规客车设计中的标准模块之一。对于硬卧车和软卧车客室侧墙模块，其基本形式与标准模块是基本相同，仅仅因周边结构不同而有所差异。

d)平顶结构

由于采用了平顶优先的设计思路，使得平顶结构、安装及其周边结构的设计概念产生了根本性的变化，原来难以保证的平顶安装空间及安装质量得到了保证，并促使了周边结构的改进，使得间壁等结构安装变为可调，有效地化解了原平顶与其周边结构之间在安装过程难以解决的矛盾。

尽管在屯兵车的设计和生产中，为了降本增效，对25G型客车的部分模块进行材料替代，例如平顶骨架由木结构代替铝型材结构等，但模块化设计和安装的思路并没有改变。

6.结束语

模块化设计给客车设计所产生的影响是积极而深远的，从传统的设计方法到模块化设计概念的应用，既是一种创新，也是一次革命。这项工作才走完第一步，要想在客车设计中全面实现模块化设计仍需要在今后的设计工作中不断研究、进一步探索，以上所介绍的仅仅是模块化设计的一部分，仅供相关设计师学习和参考。

随着我国铁路的快速发展，对高速列车技术的引进、消化、吸收再创新的同时，铁路客车经历了一个由非模块化到模块化再到模块集成化的发展历程，每一次的发展，对于铁路客车的生产、质量以及价格优势都是一次飞跃。集成化技术如何应用到铁路客车上，将是今后研究的一项新课题。集成化的程度在一定程度上将决定工厂的实力，它是一个工厂设计能力，工艺水平，生产能力的综合体现。