CRH5動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 動(dòng)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(shí)間內(nèi)快速掌握檢修技能的要求。針對(duì)CRH5動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，采用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體和仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)，可以清晰地表達(dá)轉(zhuǎn)向架的技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝順序以及工藝要求等。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和方法。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)不僅為動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的維護(hù)和人員培訓(xùn)提供了一個(gè)可視化的多媒體信息平臺(tái)，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(dòng)車組;轉(zhuǎn)向架;虛擬現(xiàn)實(shí);仿真;培訓(xùn);檢修;VRML

轉(zhuǎn)向架是高速動(dòng)車組的核心部件之一，對(duì)車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性及安全性影響很大，在列車運(yùn)營中需要對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行日常及周期性的檢修與維護(hù)，以確保列車行駛安全。CRH5動(dòng)車組是目前我國列車運(yùn)營的主要車型，承載著大量的旅客運(yùn)輸任務(wù)。隨著運(yùn)輸量的增加，轉(zhuǎn)向架的維護(hù)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(shí)間內(nèi)讓檢修人員快速掌握檢修技能，同時(shí)在檢修維護(hù)過程中也需要相應(yīng)的技術(shù)手段來幫助隨時(shí)查看技術(shù)資料。

對(duì)檢修維護(hù)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(shí)間內(nèi)快速對(duì)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征形成感觀認(rèn)識(shí)，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(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)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(rèn)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(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體和仿真技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(diǎn)、裝配順序以及工藝要求。在這個(gè)可視化的多媒體信息平臺(tái)上，可以更高效地進(jìn)行動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的人員培訓(xùn)，支持檢修維護(hù)工作中的技術(shù)資料動(dòng)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(jì)工具和關(guān)鍵技術(shù)等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能

CRH5動(dòng)車組采用動(dòng)力分布式設(shè)計(jì)，其CW250型轉(zhuǎn)向架包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。每列8節(jié)車編組， 5節(jié)動(dòng)車、3節(jié)拖車，最高運(yùn)營時(shí)速為250 km/h。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的主要區(qū)別為：

動(dòng)力轉(zhuǎn)向架：(1)有1根動(dòng)力軸和1根非動(dòng)力軸;(2)動(dòng)力軸上裝有2個(gè)制動(dòng)軸盤和1組齒輪箱;(3)非動(dòng)力軸上裝有3個(gè)制動(dòng)軸盤。

非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架：(1)有2根非動(dòng)力軸;(2)非動(dòng)力軸上各裝有3個(gè)制動(dòng)軸盤。

轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對(duì)、牽引裝置、傳動(dòng)裝置、一系懸掛、二系懸掛、制動(dòng)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(dòng)力;傳動(dòng)裝置由齒輪箱、萬向軸、安全裝置和體懸式電機(jī)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(dòng)裝置采用軸盤制動(dòng)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(diǎn)和功能，系統(tǒng)由7個(gè)模塊組成：總體概述、構(gòu)架組成、制動(dòng)系統(tǒng)、輪對(duì)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(gè)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(shí)、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(dá)的轉(zhuǎn)向架技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組成;提供的人機(jī)交互方式，使用戶通過仿真動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)、輪對(duì)組成、一系懸掛、二系懸掛和總體裝配6個(gè)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(dá)零部件名稱、安裝技術(shù)信息以及工藝要求?？傮w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(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工具

(1)系統(tǒng)集成工具

Authorware 是面向?qū)ο蟮亩嗝襟w開發(fā)工具，以圖標(biāo)為基礎(chǔ)，通過流程線來建立各圖標(biāo)的邏輯結(jié)構(gòu)，還提供了函數(shù)、變量和交互等功能，其圖形化的程序結(jié)構(gòu)清晰、簡捷，便于調(diào)試，本系統(tǒng)采用該軟件作為系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)工具。

(2)仿真動(dòng)畫制作工具

VRML是一種具有沉浸感、交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言[3]，占據(jù)存儲(chǔ)空間很小，它與CATIA和Pro/E等三維軟件具有標(biāo)準(zhǔn)接口，還提供了動(dòng)畫插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬場景的動(dòng)畫效果。Cosmo Worlds則是針對(duì)VRML開發(fā)的可視化編輯器，尤其對(duì)于動(dòng)畫制作提供了非常直觀的平臺(tái)，運(yùn)行快捷，所見即所得。系統(tǒng)采用該軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的虛擬裝配過程仿真。

(3)多媒體制作工具

系統(tǒng)利用圖像處理軟件Photoshop制作文字信息以表達(dá)零部件的名稱、安裝技術(shù)信息和工藝要求，利用Premiere視頻編輯軟件進(jìn)行仿真動(dòng)畫的后期制作。

3.2 虛擬裝配技術(shù)

系統(tǒng)采用虛擬裝配技術(shù)[4]，通過創(chuàng)建三維模型、模型格式轉(zhuǎn)換、裝配順序和路徑規(guī)劃以及制作仿真動(dòng)畫幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、輪對(duì)、一系懸掛和二系懸掛等大部件以及總體裝配過程的仿真。使用戶可以快速建立對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特征的感觀認(rèn)識(shí)，有助于理解和掌握轉(zhuǎn)向架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系。

3.2.1 坐標(biāo)變換及模型格式轉(zhuǎn)換