基于Cortona 3D的动车组转向架虚拟仿真检修实验系统的设计

张嘉鹭, 邢邦圣, 马 军, 邵明辉

(江苏师范大学 机电工程学院, 江苏 徐州 221116)

高速铁路是一个国家铁路现代化水平的显著标志,也是国家软实力的重要组成部分。现代化轨道交通具有运载能力大、运行速度快、运行时间准确等特点,已成为解决城市交通问题的有效途径。轨道交通类专业的实验资源建设是提升学科专业水平、提高人才培养质量的重要手段。由于真实实验平台设备价格昂贵且不适合进行极端条件下的实验,开发车辆工程专业虚拟仿真实验教学资源势在必行[1-3]。

面向国内主流车型CRH380AL的动车组转向架虚拟仿真检修工艺实验系统基于Cortona 3D开发,使学生能够在短时间内认识转向架的结构特征并掌握复杂的检修工艺流程,最终促进轨道交通类专业实验教学资源的拓展和培养目标的实现[4]。

1 转向架检修工艺虚拟仿真实验的必要性

1.1 转向架检修的重要性

转向架是轨道交通车辆的大型核心部件,是比较典型的复杂高新技术装备，包含构架、一系悬挂装置、轮对组成、基础制动装置、二系悬挂装置、驱动装置、牵引装置等7个部件(见图1)。转向架牵引和引导车辆沿着轨道行驶,并承受和传递来自车体及线路的各种载荷,直接影响列车运行的安全性、稳定性和平顺性[5-6]。

由于动车组的高速行驶,转向架上的磨耗部件(如轮对、轴承等)和减振部件(如空气弹簧、减振器等)存在疲劳失效的可能。若不按规定对转向架进行检修,则极有可能发生制动失效、轮轴断裂、车辆脱轨等安全事故。因此,在列车运营中需要对转向架进行日常及周期性的检修与维护,以确保列车行驶安全[7]。

图1 转向架结构原理图

1.2 开发虚拟仿真实验的必要性

仅通过转向架实体实验教学存在一些局限性,使实验教学的效果不甚理想。

(1) 转向架实体实验成本高。转向架系统实体价格昂贵。以CRH380AL动车组为例,其动力转向架系统的价格近1千万元。若建立较完善的转向架系统检修实训室,需配备众多的检修辅助设备,例如带轨道桥的架空轨道系统、轮对快速更换设备、盘型制动装置试验台、转向架系统落成后的专用加载试验台等。这些检修辅助设备的购置费用和维护费用也极为昂贵。另外,由于转向架系统实体重量近8 t,若想对其进行拆装检修作业,需提供行车、龙门吊车等大型起重设备,且必须配套专用厂房。而上述条件在实际教学中是很难满足的。

(2) 转向架实体实验教学效率低。若通过转向架实体进行实验教学,受设备数量限制,单次受训学生仅为4人/台,每次实训时间要超过8学时,实验效率很低。又由于转向架的零部件之间配合精度极高,因此不宜进行反复拆装训练。而通过对转向架系统虚拟仿真教学资源的在线共享,可突破时间和空间的限制,进行大批量学生的实验教学,实验效率大幅提升。

(3) 转向架实体实验不能模拟异常工况。转向架系统在实际运行中可能出现轴承烧毁、制动盘破损失效等异常工况。异常工况虽极为少见,但在实际教学中却要求学生牢固掌握。在转向架系统实体实验教学中难以模拟异常工况；而通过虚拟仿真技术,则可以生动再现转向架系统检修过程中各类失效工况,较之传统教学方法优势明显。

由此可见,借助虚拟仿真技术实现转向架系统检修课程的实验教学,是很好的实验教学方式。

2 系统开发过程

2.1 检修工艺的确定

为确保技术资料的实时性与准确性,笔者多次前往上海铁路局南京动车段进行现场调研,总结和梳理了CRH380AL车型转向架的检修理论和工艺流程(基于最新版本《南京动车段企业标准—CRH380AL型动车组二级修作业指导书》《南京动车段企业标准—CRH380AL型动车组三级修作业指导书》),使系统的开发具有理论参照和工程基础。

2.2 三维模型的建立

CRH380AL型动车组转向架的三维建模是系统开发的重点与难点。为确保模型尺寸与真车转向架尺寸完全一致,笔者在动车组检修基地对CRH380AL车型的转向架进行了细致的零部件测绘,并根据南京动车段提供的技术资料,采用Pro/Engineer软件对转向架的三维模型进行了构建,并导入3ds MAX软件进行渲染及优化,最终导出扩展名为*.wrl格式的文件。转向架三维模型的渲染如图2所示。

图2 转向架三维模型渲染图

2.3 开发工具选取

为实现系统的开放性与共享性,采用Web 3D技术对所建立的三维模型进行交互式检修步骤的添加,以实现用户在Web网页上对虚拟仿真系统的在线访问。

目前应用较多的Web 3D技术开发工具有Unity 3D、Cortona 3D、Cult 3D、View point等,其各自特点如表1所示。

表1 Web 3D技术开发工具的比较

经对比发现,Cortona 3D软件可利用其Rapid Manual模块快速制作IETM(交互式电子技术手册),而IETM是目前主流大型装备技术文档的呈现方式[8-10]。因此,本文拟选用Cortona 3D软件作为转向架交互式虚拟检修模型的开发工具[11]。

2.4 开发过程概述

通过在Cortona 3D软件中添加装配、拆卸、测量等一系列动作,即可生成动车组转向架交互式虚拟检修模型。具体过程概述如下。

(1) 导入文件。通过3ds MAX软件将渲染优化后的转向架实体模型保存为后缀名为.wrl的文件,并导入Cortona 3D软件中进行后续处理。

(2) 进行三维模型的二次渲染。在Cortona 3D软件中修改周围的光照强度(ambient intensity)、自身的反光度(shininess)及透明度(opacity)等参数,对导入的三维模型进行二次渲染以使其更逼真。

(3) 整理动车组转向架三维模型的树状列表。将转向架模型按零件、部件、总装体3种类型形成上下级关系,继而在同一根目录下导入软件中进行读取。

(4) 添加交互式检修步骤。转向架的检修步骤都是通过添加相应的动作(如视图的整体旋转、模型的放大/缩小、部件的显示/隐藏等)来实现的。在这一过程中，会运用相应命令及函数实现具体的检修动作，也会用到多种工具模型,如量具模型、扳手模型等[11]。

以转向架的一系悬挂部件的检修为例,其基于Cortona 3D软件的开发过程如图3所示。

图3 交互式虚拟检修模型的开发过程

2.5 系统的构建与实现

本系统以Visual Studio 2012为开发平台,以SQL Server 2012构建后台数据库系统,使用ASP.NET实现Web服务器与数据库的连接,同时基于B/S架构的网络模式对系统进行了搭建。

为便于学生查阅和使用该虚拟仿真实验系统,借鉴IETM的技术规范构建了动车组转向架检修工艺虚拟仿真系统的页面流程图以及最终的前端网页呈现方式,供学生进行交互式的操作和查阅。

3 系统使用说明

3.1 系统界面组成

系统基于IETM技术规范设计,操作界面采用标准的Web浏览器窗口,且为典型的三框架结构。系统主界面如图4所示。

图4 系统主界面

系统中共包含“维修计划”“技术说明书”“检修作业指导书”“交互式工艺流程”等10个模块(见表2),学生可选择模块进行自主学习和训练。

表2 虚拟检修系统各功能模块

3.2 转向架交互式工艺流程模块应用实例

转向架交互式检修工艺流程模块是虚拟仿真系统的核心模块,也是虚拟现实技术的集中体现。在这一模块中,共含有“动车转向架分解装配”“拖车转向架分解装配”“研磨子更换”“制动闸盘更换”等25项训练项目,可满足转向架检修工艺中所有检修项目的虚拟仿真教学需求。操作界面由项目选择区、文档提示区和虚拟仿真区组成(见图5)。部分虚拟检修项目如图6所示。

图5 转向架交互式工艺流程模块操作界面

图6 模块中的部分虚拟检修项目

交互式工艺流程模块主要有3种模式:

(1) 学习模式:该模式下,学生以学习检修工艺流程为目的,转向架系统虚拟仿真模型按照检修工艺流程自动播放,学生参照界面左侧的文档部分按步骤学习各检修要点；

(2) 训练模式:该模式下,学生以练习检修工艺流程为目的,此时转向架系统虚拟仿真模型不会自动播放,学生需要单步操作检修步骤,但在界面左侧的文档部分会有单个步骤操作以及零件定位提示；

(3) 考核模式:学生采用该模式可以对自己的学习过程在规定的时间内进行自测,界面左侧的文档部分不会有任何步骤提示以及零件定位提示,全凭学生自行操作。

3.3 考核要求

为进行转向架系统虚拟检修实验考核,学生应选取“考核模式”,并在规定时间内完成相应项目的检修内容,且单一项目出错次数不应超过5次,否则即判定考核不合格。若单一项目出错次数少于5次,系统会根据学生操作的完整度、流畅度以及故障处理正确率自动进行综合打分,见图7。

图7 转向架交互式虚拟拆装与检修模块

4 结语

动车组转向架虚拟检修实验系统在我校使用后,教学效果显著。

(1) 激发了学生自主学习的动力。交互式虚拟仿真实验模式激发了学生自主学习的动力。根据后台数据显示,相当一部分学生不仅在课堂练习,还积极利用课后时间进行虚拟仿真检修训练。

(2) 提高了实验教学的效率。虚拟检修实验系统开放共享的特点,使单一实验项目的实验时间由原来的12 h降至2 h；同时实验人数由实体设备实验的4人/台提升至在线实验的数百人。

(3) 降低了实验教学的成本。“车间式”的实验教学需耗费大量资金采购转向架实体、检修辅助设备等,至少需花费1 500万元,而通过虚拟仿真系统进行自主实验教学,所需成本最多为50万元。

因此,动车组转向架虚拟检修系统值得在相关院校及铁路部门推广应用。

[1] 金燕,兆文忠,梁树林,等.动车组转向架虚拟仿真系统设计与实现[J].微型机与应用,2012(8):6-9,12.

[2] 金燕,米小珍,甄晓阳,等.基于虚拟仿真的动车组转向架检修支持系统开发[J].计算机与数字工程,2013,41(2):229-232.

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