軌道交通車門產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證體系的構(gòu)建研究

文：劉落明，朱文明，謝小剛｜南京康尼機(jī)電股份有限公司

本文闡述了將產(chǎn)品驗(yàn)證體系理念引入至軌道車門系統(tǒng)產(chǎn)品，以正向設(shè)計(jì)、RAMS 分析、可靠性試驗(yàn)為手段，使驗(yàn)證體系融入到產(chǎn)品生命周期的全階段；以運(yùn)營場景為依據(jù)，關(guān)聯(lián)可靠性分析及運(yùn)營數(shù)據(jù)，構(gòu)建從門系統(tǒng)到部件級的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，制定產(chǎn)品從上而下全面的驗(yàn)證規(guī)范；以建立完善的從門系統(tǒng)到零部件的試驗(yàn)驗(yàn)證能力為手段，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)從定性向定量的質(zhì)的轉(zhuǎn)變；構(gòu)建和實(shí)施軌道車門系統(tǒng)驗(yàn)證體系，顯著提升了軌道交通門系統(tǒng)的可靠性。

作為國家裝備制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)行業(yè)之一，軌道交通裝備產(chǎn)品開發(fā)和迭代的速度逐漸加快。車門是軌道交通車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其可靠性和安全性的要求不斷提高，亟需建立一套既滿足軌道行業(yè)零部件開發(fā)流程要求，又與實(shí)際應(yīng)用情況和自主設(shè)計(jì)能力相匹配的研發(fā)驗(yàn)證體系。

一、研究背景

南京康尼機(jī)電股份有限公司（以下簡稱康尼機(jī)電）意識到，僅依靠傳統(tǒng)的以客戶要求為準(zhǔn)則的型式試驗(yàn)作為驗(yàn)證手段和評判標(biāo)準(zhǔn)，難以符合越來越復(fù)雜的車門實(shí)際運(yùn)營工況，提高車門運(yùn)營可靠性；難以鎖定設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量；難以滿足新品的設(shè)計(jì)周期需求，提升客戶滿意度。因此必須打破行業(yè)束縛，建立一套以成熟度模型為主要架構(gòu)，以驗(yàn)證規(guī)范為依據(jù)、以驗(yàn)證能力為手段、以信息化管理平臺為載體的軌道交通車門產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證體系（以下簡稱研發(fā)驗(yàn)證體系，圖1），確保產(chǎn)品可靠性始終位于行業(yè)前列，打造軌道車門標(biāo)桿企業(yè)。

圖1 軌道交通車門產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證體系

車門與車輛的可靠性與安全性息息相關(guān)?？的釞C(jī)電將產(chǎn)品驗(yàn)證體系理念引入軌道車門系統(tǒng)產(chǎn)品通過建立可靠性增長管理理念，以識別設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、通過實(shí)物驗(yàn)證手段在產(chǎn)品定型前發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計(jì)問題為手段，通過可靠性建模、預(yù)計(jì)、影響及危害度分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）等設(shè)計(jì)分析方法，總結(jié)前期產(chǎn)品故障經(jīng)驗(yàn)，識別產(chǎn)品設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，針對性地策劃試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，通過試驗(yàn)- 改進(jìn)- 再試驗(yàn)循環(huán)，為車門系統(tǒng)高可靠性運(yùn)營提供保障，在實(shí)踐中取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，以期為國內(nèi)軌道交通行業(yè)車門領(lǐng)域的驗(yàn)證體系建設(shè)打造“康尼樣本”。

二、構(gòu)建研發(fā)驗(yàn)證體系的主要方法

（一）建立健全驗(yàn)證體系組織架構(gòu)

康尼機(jī)電產(chǎn)品驗(yàn)證部，下設(shè)驗(yàn)證支持、產(chǎn)品試制、RAMS 三個團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)產(chǎn)品試制、驗(yàn)證策劃、驗(yàn)證實(shí)施、RAMS 分析和評估等工作（圖2），并主導(dǎo)研發(fā)驗(yàn)證體系的構(gòu)建。其中驗(yàn)證支持團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)編制軌道車門驗(yàn)證規(guī)范和制定實(shí)物驗(yàn)證能力提升計(jì)劃，RAMS 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)推動虛擬驗(yàn)證能力提升，試制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)物驗(yàn)證能力落地和場地規(guī)劃。三個團(tuán)隊(duì)共同推進(jìn)驗(yàn)證流程和驗(yàn)證體系信息化建設(shè)。

圖2 研發(fā)驗(yàn)證部門組織架構(gòu)

（二）建立基于可靠性增長的設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程

建立研發(fā)驗(yàn)證體系的流程（圖3），從“車輛級- 門系統(tǒng)級-零部件級”逐級分解需求，逐級驗(yàn)證評估，梳理和建立產(chǎn)品驗(yàn)證核心流程，形成具有康尼特色的驗(yàn)證流程V 模型。V 模型的構(gòu)建中，融合了可靠性增長管理的理念，通過開展歷史故障數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析，針對風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證策劃和實(shí)施，以達(dá)到快速激發(fā)暴露問題和模擬各種工況評估產(chǎn)品可靠性增長效果的目的，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的持續(xù)增長。

圖3 研發(fā)驗(yàn)證體系設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程模型

根據(jù)驗(yàn)證流程V 模型，制定《產(chǎn)品驗(yàn)證控制程序》作為驗(yàn)證體系建設(shè)的綱領(lǐng)性文件，明確在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的過程中驗(yàn)證策劃和實(shí)施的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和職責(zé)分工。通過梳理驗(yàn)證業(yè)務(wù)流程，制定驗(yàn)證流程相關(guān)的管理辦法，規(guī)范流程，保證驗(yàn)證體系運(yùn)行。在執(zhí)行層面建立一系列工作模板，包括（仿真計(jì)算、臺架設(shè)計(jì)、驗(yàn)證）申請單、DVP 驗(yàn)證計(jì)劃、驗(yàn)證規(guī)范、試驗(yàn)程序、驗(yàn)證報(bào)告、診斷報(bào)告等。

（三）開發(fā)研發(fā)驗(yàn)證體系規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

策劃產(chǎn)品驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方案和產(chǎn)品驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)層級，構(gòu)建門系統(tǒng)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系框架（圖4）。L1 層為門系統(tǒng)級驗(yàn)證規(guī)范、L2 層為關(guān)鍵部件驗(yàn)證規(guī)范、L3 層為試驗(yàn)程序或任務(wù)單等執(zhí)行類文件。

圖4 車門驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系框架

對各平臺門系統(tǒng)車輛運(yùn)營場景進(jìn)行分析，并梳理車門國際、國內(nèi)各層次的標(biāo)準(zhǔn)，形成門系統(tǒng)功能需求矩陣；根據(jù)車門外部場景獲得車門性能技術(shù)要求；結(jié)合車門功能需求和性能技術(shù)要求，并關(guān)聯(lián)可靠性數(shù)據(jù)（FMECA、FRACAS），得出門系統(tǒng)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)參數(shù)，對設(shè)計(jì)質(zhì)量反思項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行梳理，重點(diǎn)關(guān)注前期驗(yàn)證未發(fā)現(xiàn)的問題項(xiàng)，總結(jié)試驗(yàn)方法，最終形成門系統(tǒng)驗(yàn)證規(guī)范（圖5）。

圖5 門系統(tǒng)驗(yàn)證規(guī)范編制技術(shù)路線

建立城軌塞拉門平臺從門系統(tǒng)級到部件級驗(yàn)證的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范12 份（圖6），形成康尼內(nèi)部城軌塞拉門驗(yàn)證規(guī)范手冊。驗(yàn)證規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)已在門系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的驗(yàn)證上取得了較好的運(yùn)用。利用驗(yàn)證規(guī)范文件，明確了驗(yàn)證策劃的方法論，提高了前期策劃的效率，統(tǒng)一了試驗(yàn)工況和評判標(biāo)準(zhǔn)，避免了試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)遺漏。

圖6 門系統(tǒng)和部件級驗(yàn)證規(guī)范

（四）推動軌道車門驗(yàn)證能力提升

1.提高虛擬驗(yàn)證能力

為提高設(shè)計(jì)效率，降低試驗(yàn)成本，根據(jù)可靠性分析評估開展虛擬驗(yàn)證?？的釞C(jī)電的虛擬驗(yàn)證管理采用成熟度評估法，包括采納級、重復(fù)級、預(yù)測級、驅(qū)動級和引領(lǐng)級，利用仿真技術(shù)優(yōu)化改造產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，利用仿真驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)。

通過ANSYS、Altair、Simulation和Recurdyn四款軟件，建立了靜力學(xué)、疲勞、非線性、熱力學(xué)、電磁學(xué)、多體動力學(xué)、動力學(xué)和熱-結(jié)構(gòu)耦合七個大類的仿真能力。通過Simulation推廣使用，主管設(shè)計(jì)師具備零件級和簡單裝配件的靜力學(xué)仿真、膠條非線性仿真及簡單的疲勞分析能力，提高了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)校核能力和工作效率。仿真工程師，Hyperworks的常規(guī)仿真能力、快速仿真能力和疲勞分析能力三個模塊的導(dǎo)入實(shí)施，根據(jù)不同領(lǐng)域的車門系統(tǒng)選擇不同仿真軟件和仿真模塊，高質(zhì)量、高效率地完成計(jì)算分析。

通過可靠性分析技術(shù)，評估分析產(chǎn)品安全可靠性關(guān)鍵零部件，針對結(jié)構(gòu)件提出仿真計(jì)算減輕措施，代替部分實(shí)物驗(yàn)證，可快速高效進(jìn)行方案對比和優(yōu)化，指導(dǎo)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.提升實(shí)物驗(yàn)證能力

重點(diǎn)建立關(guān)鍵件的承載驗(yàn)證能力、極限工況驗(yàn)證能力和加速耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證能力，以滿足可靠性增長課題和設(shè)計(jì)開發(fā)的需要。以驗(yàn)證規(guī)范中涉及到的核心部件驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)為指引，規(guī)劃各項(xiàng)實(shí)物驗(yàn)證能力建設(shè)，制定建設(shè)目標(biāo)、實(shí)施計(jì)劃和實(shí)施要求，主要實(shí)施過程如下：

一是通過開發(fā)車門專用檢測設(shè)備和部件級試驗(yàn)設(shè)備，將單一的門系統(tǒng)級試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為部件級加速試驗(yàn)，通過采集扭矩、力、位移等關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高了試驗(yàn)效率和精度，在部件級試驗(yàn)裝置上可方便的調(diào)控不同的試驗(yàn)配置，為關(guān)鍵部件可靠性研究提供有效方法。其中《扭簧耐久試驗(yàn)裝置》《可自復(fù)位電鑰匙耐久試驗(yàn)工裝》獲得實(shí)用新型專利。

二是建立了門系統(tǒng)運(yùn)動特性研究能力，為深入研究鎖閉系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等提供了試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集方法，掌握未知的車門運(yùn)動特性，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了新思路、新方向。其中《一種軌道車輛門傳動力測量裝置及測量方法》、《一種面向軌道車輛車門運(yùn)動的視覺檢測方法》授權(quán)了發(fā)明專利。

三是通過自主開發(fā)、聯(lián)合研發(fā)等方式先后實(shí)施了8 項(xiàng)實(shí)物驗(yàn)證能力建設(shè)項(xiàng)目（圖7），建立了門系統(tǒng)型式試驗(yàn)和元器件試驗(yàn)以外的實(shí)物驗(yàn)證能力，豐富了試驗(yàn)驗(yàn)證方法，將驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)從定性向定量轉(zhuǎn)變，為故障分析、優(yōu)化方案、提升產(chǎn)品可靠性等方面提供更多專業(yè)化手段。

圖7 實(shí)物驗(yàn)證能力建設(shè)項(xiàng)目

（五）構(gòu)建研發(fā)驗(yàn)證體系信息化平臺

1.驗(yàn)證流程信息化

根據(jù)驗(yàn)證體系的規(guī)劃，拓展康尼機(jī)電PLM 系統(tǒng)功能，以驗(yàn)證申請為輸入，通過策劃驗(yàn)證計(jì)劃、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)實(shí)施、報(bào)告管理及發(fā)布，利用信息化管理手段實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證全流程的管理，大大降低了文件簽審所需時(shí)間，提高了驗(yàn)證流程效率和規(guī)范性。

第一步驗(yàn)證申請：由設(shè)計(jì)部門明確驗(yàn)證需求，并提出驗(yàn)證申請；由驗(yàn)證部門主管審核，審核通過后分發(fā)給驗(yàn)證工師或產(chǎn)品試制室開展驗(yàn)證策劃和實(shí)施；

第二步試驗(yàn)計(jì)劃：根據(jù)梳理設(shè)計(jì)變更點(diǎn)、RAMS 評估、故障數(shù)據(jù)等，策劃驗(yàn)證項(xiàng)點(diǎn)及實(shí)施計(jì)劃；由驗(yàn)證工程師編制，驗(yàn)證部門主管審核，設(shè)計(jì)部門主管會簽；

第三步試驗(yàn)實(shí)施：由驗(yàn)證及試制團(tuán)隊(duì)按照試驗(yàn)程序?qū)嵤^程若出現(xiàn)異常，按照異常管理方式處理；

第四步試驗(yàn)報(bào)告：試驗(yàn)結(jié)束后，驗(yàn)證工程師按照試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)結(jié)果編制試驗(yàn)報(bào)告；設(shè)計(jì)師、驗(yàn)證部門主管審核，驗(yàn)證部門部長批準(zhǔn)發(fā)布。

2.驗(yàn)證開口項(xiàng)線上閉環(huán)管理

通過開口項(xiàng)信息化管理流程，使各職能部門聯(lián)動高效地開展工作，通過開口項(xiàng)信息化閉環(huán)管理，進(jìn)一步提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低因設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的質(zhì)量損失，利用QIS 系統(tǒng)的異常管理模塊，開發(fā)了試驗(yàn)和試制異常線上管理流程，將產(chǎn)品問題通過異常系統(tǒng)填報(bào)后提交給設(shè)計(jì)分析，通過信息化管理平臺可以定期分析數(shù)據(jù)，對于按期關(guān)閉率不達(dá)標(biāo)的開口項(xiàng)進(jìn)行通報(bào)，工作效率得到進(jìn)一步提升。

三、創(chuàng)新成果

本文論述了康尼機(jī)電將產(chǎn)品驗(yàn)證體系理念引入軌道車門系統(tǒng)產(chǎn)品的構(gòu)建和實(shí)施，軌交車門驗(yàn)證領(lǐng)域的主要創(chuàng)新成果如下：

一是首創(chuàng)融合可靠性增長管理的產(chǎn)品驗(yàn)證體系，顛覆公司傳統(tǒng)型式試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶桶l(fā)生故障再解決故障的試錯觀念，以正向設(shè)計(jì)、RAMS 分析、可靠性試驗(yàn)為手段，從設(shè)計(jì)源頭實(shí)現(xiàn)可靠性增長。

二是以車門運(yùn)營場景為依據(jù)，關(guān)聯(lián)可靠性分析及運(yùn)營數(shù)據(jù)（FMECA、FRACAS），構(gòu)建從門系統(tǒng)級到部件級驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的新思路，制定產(chǎn)品從上至下全面的驗(yàn)證規(guī)范，形成驗(yàn)證規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。

三是建立完善的從門系統(tǒng)到零部件的試驗(yàn)驗(yàn)證能力和多功能場景試驗(yàn)驗(yàn)證區(qū)域，具備系統(tǒng)級、部件級和零件級驗(yàn)證能力，從而實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)從定性向定量的質(zhì)的轉(zhuǎn)變。通過Simulation 仿真工具推廣，提高主管設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)校核能力，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

四是拓展PLM 系統(tǒng)功能，開發(fā)QIS 系統(tǒng)異常管理模塊，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證全流程管理的信息化和設(shè)計(jì)驗(yàn)證開口項(xiàng)線上全閉環(huán)管理，有效推動設(shè)計(jì)整改，提高產(chǎn)品可靠性。

五是對比體系建設(shè)之初和研發(fā)驗(yàn)證體系運(yùn)用1年后的可靠性數(shù)據(jù)，對國內(nèi)地鐵、和諧號和復(fù)興號標(biāo)準(zhǔn)動車組等的累計(jì)服務(wù)可靠性分別提升42.5%和35.7%。技術(shù)中心責(zé)任年度累計(jì)損失率（KPI）從0.414%降至0.221%。設(shè)計(jì)質(zhì)量損失金額近三年下降約1000 萬元。