動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要： 動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,使得傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式已不能滿足檢修人員短時間內(nèi)快速掌握檢修技能的要求。針對CRH5動車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點和功能,采用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)，可以清晰地表達轉(zhuǎn)向架的技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)特點、安裝順序以及工藝要求等。詳細介紹了該系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和方法。實際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)不僅為動車組轉(zhuǎn)向架的維護和人員培訓(xùn)提供了一個可視化的多媒體信息平臺,也為其他場合的交流提供了直觀的溝通方式。
關(guān)鍵詞： CRH5動車組；轉(zhuǎn)向架；虛擬現(xiàn)實；仿真；培訓(xùn)；檢修；VRML

轉(zhuǎn)向架是高速動車組的核心部件之一，對車輛的運行平穩(wěn)性及安全性影響很大，在列車運營中需要對轉(zhuǎn)向架進行日常及周期性的檢修與維護，以確保列車行駛安全。CRH5動車組是目前我國列車運營的主要車型，承載著大量的旅客運輸任務(wù)。隨著運輸量的增加，轉(zhuǎn)向架的維護檢修工作量及檢修人員的培訓(xùn)需求也隨之增加。由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)方法很難在短時間內(nèi)讓檢修人員快速掌握檢修技能，同時在檢修維護過程中也需要相應(yīng)的技術(shù)手段來幫助隨時查看技術(shù)資料。
對檢修維護人員培訓(xùn)的傳統(tǒng)方法多采用幻燈片、掛圖授課和師徒傳授等方式，被培訓(xùn)者難以在短時間內(nèi)快速對轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征形成感觀認識，掌握復(fù)雜的裝配關(guān)系，而且成本高、效率低。近年來廣泛應(yīng)用的計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)[1]能夠支持一種新的培訓(xùn)模式，可以改變傳統(tǒng)培訓(xùn)模式缺乏直觀的信息呈現(xiàn)手段的狀況，創(chuàng)建逼真形象的產(chǎn)品裝配仿真環(huán)境，使被培訓(xùn)者在虛擬環(huán)境中以交互方式了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和裝配過程，這有助于快速理解和認知產(chǎn)品，既提高了培訓(xùn)效率，也降低了成本。筆者在分析CRH5動車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和功能特點的基礎(chǔ)上，綜合利用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計實現(xiàn)了動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真[2]系統(tǒng)，它可以全方位地形象呈現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)特點、裝配順序以及工藝要求。在這個可視化的多媒體信息平臺上，可以更高效地進行動車組轉(zhuǎn)向架的人員培訓(xùn)，支持檢修維護工作中的技術(shù)資料動態(tài)查詢，還可以為相關(guān)人員在其他場合的交流提供直觀的溝通方式。本文將從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能、設(shè)計工具和關(guān)鍵技術(shù)等幾個方面詳細介紹虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。
1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點及功能
CRH5動車組采用動力分布式設(shè)計,其CW250型轉(zhuǎn)向架包括動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架。每列8節(jié)車編組, 5節(jié)動車、3節(jié)拖車，最高運營時速為250 km/h。動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架的主要區(qū)別為：
動力轉(zhuǎn)向架：(1)有1根動力軸和1根非動力軸;(2)動力軸上裝有2個制動軸盤和1組齒輪箱;(3)非動力軸上裝有3個制動軸盤。
非動力轉(zhuǎn)向架：(1)有2根非動力軸;(2)非動力軸上各裝有3個制動軸盤。
轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對、牽引裝置、傳動裝置、一系懸掛、二系懸掛、制動裝置、輔助裝置、管路布置等組成。其中：牽引裝置采用“Z”字形雙牽引，傳遞牽引力和制動力；傳動裝置由齒輪箱、萬向軸、安全裝置和體懸式電機組成；一系懸掛采用雙拉桿軸箱定位方式；二系懸掛主要由枕梁、空氣彈簧、抗側(cè)滾扭桿、橫向減振器、垂向減振器、抗蛇行減振器等組成；制動裝置采用軸盤制動方式；輔助裝置包括輪緣潤滑和撒砂等裝置,輪緣潤滑用于改善輪軌之間的潤滑性能,撒砂裝置用于增大輪軌之間的摩擦力。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
CRH5轉(zhuǎn)向架的零部件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和功能，系統(tǒng)由7個模塊組成：總體概述、構(gòu)架組成、制動系統(tǒng)、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛、總體裝配。除了總體概述模塊，其余6個模塊還分別包括結(jié)構(gòu)介紹和裝配演示子模塊。
(2)系統(tǒng)功能
系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術(shù)，提供以文本、圖形和圖像等多媒體方式表達的轉(zhuǎn)向架技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)特點和組成；提供的人機交互方式，使用戶通過仿真動畫演示，瀏覽轉(zhuǎn)向架各大部件和總體的裝配過程，快速查詢轉(zhuǎn)向架的相關(guān)信息。
系統(tǒng)界面與模塊功能如圖1所示，其中構(gòu)架組成、制動系統(tǒng)、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛和總體裝配6個模塊的結(jié)構(gòu)分別介紹相應(yīng)大部件的組成，它們的裝配演示子模塊則分別演示各大部件和總體轉(zhuǎn)向架的虛擬裝配仿真過程，并配以文字信息表達零部件名稱、安裝技術(shù)信息以及工藝要求。總體概述模塊如圖2，二系懸掛組成圖如圖3所示，圖4為二系懸掛搖枕裝配過程。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)工具