混合供水系统模块化解决方案

李学远胡传捷李伟陈丽雯颜田芬

唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心李学远胡传捷李伟陈丽雯颜田芬

摘要：混合供水系统因控制逻辑繁琐，包含零部件多，造成客车设计及生产周期较长，质量控制环节多，一直被认为是最复杂的供水系统。针对该供水系统的特点，我们提出一套模块化解决方案和实施方法，逐级分解模块，简化设计方法，增强模块通用性，从而达到企业产品效益最优化的目标。

关键词：供水系统；模块化设计；解决方案

概述车下水箱车上供水是车下水箱直接供水与车上水箱重力供水的混合形式，相对于重力供水，系统零部件种类繁杂，涉及流体、机电、自控等专业技术领域较多，系统控制复杂。因此该系统投入的人力大，设计、生产及维护周期较长，质量控制环节多，费用投入较高。满足客户需求的同时为保证企业的综合收益，基于高质量、少投入、多产出的原则，在研制该类型的供水系统时适当考虑模块化设计思想，从而简化生产环节，将供水系统的综合效益提升到最高点，是较为恰当的解决方法。

模块化的意义在于采用通用模块及个性模块构建多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品，从而提高当前及未来产品投入市场的竞争力。

系统分析模块化是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，模块应具有互换性、通用性的特征。通过抽象化系统方案，确定开发系列化产品的三个层次：产品层，部件层和零件层，如图一所示，零件层是组成模块的标准化零件，是模块化的基础；部件层是对应不同功能的各种独立的模块，是模块化设计的核心层；通过选择不同的模块组合构成系列化产品。

图一系列化产品构成层次混合供水系统构成复杂，对其进行模块化研究应进行从上到下逐级模块化的开发过程，增强系统及各模块的可移植性。

此过程应首先将供水系统抽象化进行独立性研究，确定供水方式及与相关系统接口关系，以便进一步合理划分模块。

该系统主要由车下水箱、注水机构、动力设备、控制系统、车上水箱及管路等基本部件构成，动力设备为水泵或压缩空气。

系统对外接口为电气（包括控制电源和主电源）、气源、安装接口：根据动力设备，确定主电源制式、气源供应能力；根据控制系统确定控制电源制式；根据安装位置确定安装接口概念。动力设备为核心部件，直接决定系统的供水方式，该特征足以让其成为独立模块，由此形成水泵供水系统或者压力供水系统等系列化产品；水箱的有效容积体现该系统的供水能力，位置相对独立，也可称为基础模块；不同供水方式的控制系统具有基本相同的控制逻辑，但依托动力设备、传感器及控制器而存在，因此会被作为最下级的零件级模块整合入相关部件级模块中。

部件级模块划分混合供水系统按功能性可分为：车下水箱、车上水箱、动力设备及控制系统。除控制系统外的其它部件具有相对独立性，可以将它们作为部件级模块划分时的基础模型，注水机构、管路、截断水阀等可按就近原则进行归属进而形成部件级模块。

如通过注水机构完成向车下水箱的补水工作，可将其归入车下水箱模块；再如，车上水箱各供水管路上游的截断水阀，可以适当的归入车上水箱模块。控制系统是该供水系统核心，控制功能完整，自成系统，它包括传感器、监控器、执行器等关键零件，这些零件将按功能分别置于各个部件级模块上，而监控器或将安装于人机界面。因此，将控制系统划分为独立模块交由专业团队设计制造较为合理。

部件级模块化完成后，需要明确并统一各模块之间的接口，如车下水箱模块与动力模块之间、动力模块与车上水箱模块之间、控制系统与各模块之间。部件模块的具体形式可以互相独立，亦可互相组合，如车下水箱模块与动力设备构成整体形式。

部件级模块的划分关系到系统的系列化和可移植性，比如更换不同的动力模块可以适应不同的客户需求；更换不同的车上水箱模块适应车上空间，降低控制系统启/停频次，提供系统的可靠性；更换不同的水箱模块增强耐候性及适应定员用水需求。

以我公司研制的安哥拉客车为例，根据客户提供参数进行计算时，座车净水箱容积约为850L，行李车和发电车的水箱容积为200L。虽然水箱需求容积不同，但都有一个共同的特点，就是内装顶板与钢结构车顶之间的空间较为狭小，车下空间相对较大，为此在方案选择之初，我们确定了车下水箱车上供水的方案。

经分析压缩空气泵水动力为机车供压缩空气，将车下净水“顶”到车上水箱或供水节点，为此需为其配套提供大容量风缸，耗气量大，对供水管路的密封性要求较高，考虑可靠性及研制成本，决定采用水泵向车上泵水。至此，我们将混合供水系统的电气接口确定下来：主电路采用AC220V，控制回路采用DC48V。接下来通过比对座车、餐车、发电车、行李车断面进行详细对比，在原理框图上划分部件级模块：车下水箱模块、泵水模块、车上水箱模块、控制系统，如图二示。按不同车型再具体研究各模块的通用性：如不同座车的水箱容积需求相近，可以统一座车车下水箱容积，统一接口；统一泵水模块的水电接口及安装接口；分别设计车上水箱模块，但只是简单的改变箱体的长度而不改变形式。首辆车研制过程，各模块同步推进设计、生产，缩短系统并保证整车的研制周期及质量，而在第二类车型研制过程中，通过更改水箱容积并更改传感器类型，在控制原理不变的情况下，更改供水方式，验证了模块化通用性的优点。

零件级模块划分通过统一接口增强零件的可互换性，减少配件种类，零件级的模块化降低系统维护成本，提高其可维护性。如监控器，为保证其通用性，我们要求在之前各种车型上一直在用的液位显示仪安装接口不变的前提下，拓展其内部集成电路板及外部针脚，限制输入输出的信号只为开关量，这样其能够控制或受控于触点类的各种形式传感器。低水位触感器或低压力传感器、满水位传感器或高压力传感器，都可以是提供启动或停止动力设备的触点式传感器，这样，通过更换统一接口的各类传感器，可以很快速的将水泵泵水系统更换为压力供水系统。

结束语

图三系列化产品的产生通过对不同的产品进行横向对比分析，合理纵向划分单一产品的模块，如图三示意，通过对模块的不同组合构成系列产品，对于单一产品通过逐级模块化设计，可将工作由顺序进行变为并行，供应商按统一的接口提供近乎一致的零部件，组装过程中按不同需求进行有序拼接，简化工艺流程；对于系列产品则可不断积累技术成果，优化升级产品模块，快速形成性能可靠的产品族应对市场变化，提高产品性价比，增强市场竞争力。

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