高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗的建設(shè)

馬 軍, 喬 磊, 張嘉鷺, 王柏華

(江蘇師范大學 機電工程學院, 江蘇 徐州 221116)

我國2008年修訂的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》確定:2020年,全國鐵路營業(yè)里程達到12 萬km以上,建設(shè)高速鐵路1.6 萬km以上,并在全國形成“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)。截至2016年底,國內(nèi)高速鐵路營運里程已達到2.2 萬km,占世界總營運里程的60%,穩(wěn)居世界首位[1]。

為滿足行業(yè)需求,江蘇師范大學于2011年與上海鐵路局達成了共同培養(yǎng)軌道交通類專業(yè)人才的戰(zhàn)略意向,在上海鐵路局徐州電務(wù)段建立了“大學生實習實訓基地”。同年11月，在機械基礎(chǔ)、電工電子兩個省級實驗教學示范中心的基礎(chǔ)上,成立了“軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心”,該中心于2015年獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心。

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)是軌道交通車輛的大型核心部件,由3 000多個零件組成,屬于典型的復雜高新技術(shù)設(shè)備。轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)包含構(gòu)架、一系懸掛裝置、輪對軸箱裝置、基礎(chǔ)制動裝置、二系懸掛裝置、驅(qū)動裝置、牽引裝置等7個主要部件。

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)牽引和引導車輛沿著軌道行駛,并承受和傳遞來自車體及線路的各種載荷,直接影響列車運行的安全性和穩(wěn)定性。動車組的高速行駛,轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)上的磨耗部件(如輪對、軸承等)和減振部件(如空氣彈簧、減振器等)都存在疲勞失效的可能。因此,在列車運營中需要對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)進行日常及周期性的檢修與維護,以確保列車行駛安全[2]。

按規(guī)范規(guī)定:動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)每運行4 000 km或48 h后需要進行一次一級檢修；每運行30 000 km或30天進行二級檢修；每運行45 萬km或1年進行一次三級檢修。若不按規(guī)定對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)進行檢修,則極有可能發(fā)生制動失效、輪軸斷裂、車輛脫軌等的安全事故。因此,鐵路部門對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修人員的需求極大。

我校車輛工程專業(yè)致力于培養(yǎng)具有較強實踐能力的動車組車輛檢修應(yīng)用型人才,特別重視培養(yǎng)動車組維護檢修方面的工程技術(shù)人才；而加強實踐訓練是學生學好該專業(yè)技能的重要途徑。若利用轉(zhuǎn)向架實體進行實驗教學,存在成本高、效率低、很難模擬異常工況等問題。因此,借助虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修課程的實驗教學是很好的實驗教學方式[3]。

1 虛擬仿真實驗項目建設(shè)思路

以高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗教學資源為核心,營造開放、共享的虛擬仿真實驗教學環(huán)境,最終建設(shè)成集虛擬資源、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導和教學管理于一體,具有良好自主性、交互性、可擴展性和安全性的虛擬仿真實驗教學項目[4]。

1.1 創(chuàng)建共建共享的“教學—實訓—研發(fā)”項目

依托上海鐵路局的先進技術(shù)力量、實體資源、運行數(shù)據(jù)及其研發(fā)實力,借助我校“軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心”和江蘇省優(yōu)勢學科教學資源,實現(xiàn)校企共同研發(fā)、共同使用高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗項目。結(jié)合我校現(xiàn)有的虛擬仿真實驗教學平臺、工程實訓中心和職業(yè)技能培訓中心,推進校企深度合作,共同打造虛實結(jié)合、數(shù)據(jù)共享、信息交互、職前培養(yǎng)、職后培訓的“教學—實訓—研發(fā)”項目,實現(xiàn)人才培養(yǎng)、工程應(yīng)用與就業(yè)的無縫對接。

1.2 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)

根據(jù)軌道交通類課程的教學需求和人才培養(yǎng)目標,確定轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗項目資源的研發(fā)重點,提出“裝配技術(shù)虛擬仿真、故障處理虛擬仿真、檢修維護虛擬仿真”教學資源的構(gòu)建模式。這3方面的實驗教學資源相互聯(lián)系、相互支撐,形成“一縱三橫多分支”的實驗教學系統(tǒng)(見圖1),學生可以在虛擬環(huán)境中進行實驗活動,提高學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

圖1 “一縱三橫多分支”的實驗教學系統(tǒng)

1.3 自主學習+自我激勵的虛擬仿真實驗教學方法

在實際教學中,教師可借助該實驗教學項目引導學生進行自主學習和自主探究,通過“動車幣激勵插件”累計每個學生的在線時長、項目完成次數(shù),進行動車幣獎勵。獎勵辦法是:每名學生每在線1小時即獎勵1枚動車幣,每完成一項檢修子項目再額外獎勵1枚動車幣；當學生積累了50枚動車幣,即可由“學員”升級為“助理工程師”,積累150枚動車幣則可升級為“檢修工程師”,積累500枚動車幣則可晉升為“高級檢修工程師”。動車幣還可作為學生平時成績考評的依據(jù)之一[5]。

自主學習+自我激勵的實驗教學方法可激發(fā)學生自主學習的動力。學生為了晉升高級別“職稱”,會積極利用課后時間進行虛擬仿真檢修訓練,由淺入深地掌握轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的技術(shù)信息、裝配順序以及復雜的檢修工藝流程[6]。

2 虛擬仿真實驗項目建設(shè)實踐

2.1 實驗方法設(shè)計

按照動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修工藝規(guī)程要求,交互式虛擬仿真檢修系統(tǒng)的操作界面應(yīng)包括系統(tǒng)的注冊及登錄方法,導航欄和選單欄的具體功能,設(shè)置學習、訓練、考核等3種操作模式。用戶可進行以下學習和訓練：

(1) 參照該系統(tǒng)的使用說明書,掌握注冊及登錄方法、導航欄和選單欄的具體功能、3種操作模式的選取方法、各功能模塊的使用方法[7]；

(2) 通過技術(shù)說明書掌握動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)、功能原理和組成結(jié)構(gòu)；

(3) 通過動車組轉(zhuǎn)向架檢修作業(yè)指導書模塊和維修計劃模塊,掌握轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的檢修理論、檢修工藝、檢修項目、維修制度和維修組織；

(4) 通過圖解零部件目錄手冊模塊、電/氣路模擬模塊,掌握動車組零部件的結(jié)構(gòu)原理、制動氣路和控制電路原理；

(5) 通過故障手冊模塊、通用檢測和實驗?zāi)K、主要設(shè)備和工具模塊,掌握動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)零部件的禁止使用限度、常見故障形式和修復方法,以及檢修工具的使用方法。

教師根據(jù)具體項目預設(shè)故障點,學生結(jié)合工藝流程演示模塊在交互式工藝流程模塊中選取相應(yīng)的檢修項目進行虛擬檢修訓練,在訓練過程中檢查并排除預設(shè)故障。學生應(yīng)先選取學習模式進行導引式學習,進而選取練習模式進行提示性訓練。教師指定某個或某幾個檢修項目作為考核內(nèi)容,學生在考核模式下進行項目的虛擬檢修,系統(tǒng)會自動評分。

系統(tǒng)操作界面如圖2所示,交互式工藝流程模塊如圖3所示,技術(shù)說明書模塊如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)操作界面圖

圖3 交互式工藝流程模塊圖

圖4 技術(shù)說明書模塊圖

2.2 實驗資源建設(shè)

我校根據(jù)人才培養(yǎng)方案要求,提出了高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗資源建設(shè)方案,由學校專業(yè)教師和企業(yè)工程技術(shù)人員合作開發(fā)。動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗教學資源包含動力轉(zhuǎn)向架檢修、拖車轉(zhuǎn)向架檢修、輪對軸箱分解檢修、研磨子更換作業(yè)、制動系統(tǒng)檢修等25個檢修實驗項目。本文僅以“動力轉(zhuǎn)向架檢修”項目為例予以介紹。

“動力轉(zhuǎn)向架檢修”項目是轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)解體后各部件檢修的前提和基礎(chǔ),其檢修流程復雜,且在系統(tǒng)部件分解過程中還需檢查各部件的損耗程度[8]。這一檢修項目包含13個實驗步驟,每個步驟均針對性地培養(yǎng)學生的實踐能力(見表1)。每一步均有學習、訓練和考核3種模式。

表1 “動力轉(zhuǎn)向架檢修”項目的步驟及培養(yǎng)目標

在學習模式下,學生可以學習檢修工藝流程。轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)虛擬仿真模型按照檢修工藝流程自動播放,各關(guān)鍵步驟會彈出操作注意事項警示框,學生參照界面左側(cè)的文檔部分按步驟學習各檢修要點。

在訓練模式下,學生以練習檢修工藝流程為目的,此時轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)虛擬仿真模型不會自動播放,學生需要單步操作檢修步驟,但在界面左側(cè)的文檔部分會有單個步驟操作步驟以及零件定位提示[9]。

在考核模式下,學生可以對自己的學習過程在規(guī)定的時間內(nèi)進行自測。此時界面左側(cè)的文檔部分不會有任何步驟提示以及零件定位提示,全憑學生自行操作,系統(tǒng)會提示操作是否正確并評分[10]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)共享實驗技術(shù)方案

高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗的共享網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)(見圖5)。在這種架構(gòu)下,用戶工作界面是通過Web瀏覽器來實現(xiàn)的,極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實現(xiàn)。主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實現(xiàn),形成3層(3-tier)架構(gòu)。這樣的體系架構(gòu)設(shè)計,全部支持瀏覽器進行操作,無需安裝任何客戶端軟件,真正實現(xiàn)客戶端零維護[11]。網(wǎng)站的建設(shè)、維護、管理只需通過瀏覽器就可以完成,易學易用。無論何時何地,管理員都可以通過瀏覽器登錄系統(tǒng)后臺來遠程管理和維護網(wǎng)站[12]。

采用3D虛擬仿真技術(shù)還原動車檢修場景、呈現(xiàn)動車故障檢修流程；采用3ds MAX開發(fā)工具進行虛擬場景的搭建以及材質(zhì)的調(diào)整；采用Cortona 3D引擎搭建轉(zhuǎn)向架交互式虛擬仿真模塊；采用Java語言進行管理平臺的后臺功能開發(fā),包括人員信息管理、權(quán)限管理、成績管理、日志管理；采用Visual Studio工具進行整個后臺管理平臺的開發(fā)[13]；采用Mysql進行數(shù)據(jù)功能開發(fā),用于存儲人員信息、考核成績、理論試題等內(nèi)容[14]。

圖5 實驗共享網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 結(jié)語

高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗利用現(xiàn)代信息手段開發(fā),具有建設(shè)和維護成本低、平臺擴展性好、利用效率高等優(yōu)勢。對于高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修實驗,利用虛擬仿真技術(shù)可有效節(jié)省實驗設(shè)備購置經(jīng)費、減輕學校的資金壓力。另外,軌道交通設(shè)備先進,自動化技術(shù)程度高,對實驗實訓教學的要求也很高；而傳統(tǒng)的專業(yè)實驗設(shè)備和技術(shù)條件無法進行多人、多任務(wù)的實驗和實訓,不能滿足教學需要。虛擬仿真實驗教學資源依托數(shù)字虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機技術(shù)、360°全景展示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和人機交互技術(shù)等現(xiàn)代教育信息化技術(shù),可實現(xiàn)的功能豐富,且不受設(shè)備臺套數(shù)的限制。同時,還可以通過模擬故障、事故預警技術(shù),進行特殊工況難以展現(xiàn)、不可及、不可逆的實驗操作,為科學研究提供實驗支撐和數(shù)據(jù)支持。虛擬仿真實驗教學資源可以方便、快捷地形成共享資源,滿足學生學習、職工培訓、科技服務(wù)等需求,輻射人群廣泛。

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