基于Cortona 3D的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真檢修實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張嘉鷺, 邢邦圣, 馬 軍, 邵明輝

(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

高速鐵路是一個(gè)國家鐵路現(xiàn)代化水平的顯著標(biāo)志,也是國家軟實(shí)力的重要組成部分。現(xiàn)代化軌道交通具有運(yùn)載能力大、運(yùn)行速度快、運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確等特點(diǎn),已成為解決城市交通問題的有效途徑。軌道交通類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)是提升學(xué)科專業(yè)水平、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要手段。由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備價(jià)格昂貴且不適合進(jìn)行極端條件下的實(shí)驗(yàn),開發(fā)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源勢在必行[1-3]。

面向國內(nèi)主流車型CRH380AL的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真檢修工藝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于Cortona 3D開發(fā),使學(xué)生能夠在短時(shí)間內(nèi)認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征并掌握復(fù)雜的檢修工藝流程,最終促進(jìn)軌道交通類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的拓展和培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[4]。

1 轉(zhuǎn)向架檢修工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

1.1 轉(zhuǎn)向架檢修的重要性

轉(zhuǎn)向架是軌道交通車輛的大型核心部件,是比較典型的復(fù)雜高新技術(shù)裝備，包含構(gòu)架、一系懸掛裝置、輪對組成、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、二系懸掛裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、牽引裝置等7個(gè)部件(見圖1)。轉(zhuǎn)向架牽引和引導(dǎo)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(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和平順性[5-6]。

由于動(dòng)車組的高速行駛,轉(zhuǎn)向架上的磨耗部件(如輪對、軸承等)和減振部件(如空氣彈簧、減振器等)存在疲勞失效的可能。若不按規(guī)定對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行檢修,則極有可能發(fā)生制動(dòng)失效、輪軸斷裂、車輛脫軌等安全事故。因此,在列車運(yùn)營中需要對轉(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[7]。

圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

僅通過轉(zhuǎn)向架實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些局限性,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不甚理想。

(1) 轉(zhuǎn)向架實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本高。轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)實(shí)體價(jià)格昂貴。以CRH380AL動(dòng)車組為例,其動(dòng)力轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的價(jià)格近1千萬元。若建立較完善的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修實(shí)訓(xùn)室,需配備眾多的檢修輔助設(shè)備,例如帶軌道橋的架空軌道系統(tǒng)、輪對快速更換設(shè)備、盤型制動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)落成后的專用加載試驗(yàn)臺(tái)等。這些檢修輔助設(shè)備的購置費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用也極為昂貴。另外,由于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)實(shí)體重量近8 t,若想對其進(jìn)行拆裝檢修作業(yè),需提供行車、龍門吊車等大型起重設(shè)備,且必須配套專用廠房。而上述條件在實(shí)際教學(xué)中是很難滿足的。

(2) 轉(zhuǎn)向架實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低。若通過轉(zhuǎn)向架實(shí)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),受設(shè)備數(shù)量限制,單次受訓(xùn)學(xué)生僅為4人/臺(tái),每次實(shí)訓(xùn)時(shí)間要超過8學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)效率很低。又由于轉(zhuǎn)向架的零部件之間配合精度極高,因此不宜進(jìn)行反復(fù)拆裝訓(xùn)練。而通過對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)資源的在線共享,可突破時(shí)間和空間的限制,進(jìn)行大批量學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)驗(yàn)效率大幅提升。

(3) 轉(zhuǎn)向架實(shí)體實(shí)驗(yàn)不能模擬異常工況。轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)軸承燒毀、制動(dòng)盤破損失效等異常工況。異常工況雖極為少見,但在實(shí)際教學(xué)中卻要求學(xué)生牢固掌握。在轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以模擬異常工況；而通過虛擬仿真技術(shù),則可以生動(dòng)再現(xiàn)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修過程中各類失效工況,較之傳統(tǒng)教學(xué)方法優(yōu)勢明顯。

由此可見,借助虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),是很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。

2 系統(tǒng)開發(fā)過程

2.1 檢修工藝的確定

為確保技術(shù)資料的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性,筆者多次前往上海鐵路局南京動(dòng)車段進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研,總結(jié)和梳理了CRH380AL車型轉(zhuǎn)向架的檢修理論和工藝流程(基于最新版本《南京動(dòng)車段企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—CRH380AL型動(dòng)車組二級(jí)修作業(yè)指導(dǎo)書》《南京動(dòng)車段企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—CRH380AL型動(dòng)車組三級(jí)修作業(yè)指導(dǎo)書》),使系統(tǒng)的開發(fā)具有理論參照和工程基礎(chǔ)。

2.2 三維模型的建立

CRH380AL型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的三維建模是系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。為確保模型尺寸與真車轉(zhuǎn)向架尺寸完全一致,筆者在動(dòng)車組檢修基地對CRH380AL車型的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了細(xì)致的零部件測繪,并根據(jù)南京動(dòng)車段提供的技術(shù)資料,采用Pro/Engineer軟件對轉(zhuǎn)向架的三維模型進(jìn)行了構(gòu)建,并導(dǎo)入3ds MAX軟件進(jìn)行渲染及優(yōu)化,最終導(dǎo)出擴(kuò)展名為*.wrl格式的文件。轉(zhuǎn)向架三維模型的渲染如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架三維模型渲染圖

2.3 開發(fā)工具選取

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性與共享性,采用Web 3D技術(shù)對所建立的三維模型進(jìn)行交互式檢修步驟的添加,以實(shí)現(xiàn)用戶在Web網(wǎng)頁上對虛擬仿真系統(tǒng)的在線訪問。

目前應(yīng)用較多的Web 3D技術(shù)開發(fā)工具有Unity 3D、Cortona 3D、Cult 3D、View point等,其各自特點(diǎn)如表1所示。

表1 Web 3D技術(shù)開發(fā)工具的比較

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),Cortona 3D軟件可利用其Rapid Manual模塊快速制作IETM(交互式電子技術(shù)手冊),而IETM是目前主流大型裝備技術(shù)文檔的呈現(xiàn)方式[8-10]。因此,本文擬選用Cortona 3D軟件作為轉(zhuǎn)向架交互式虛擬檢修模型的開發(fā)工具[11]。

2.4 開發(fā)過程概述

通過在Cortona 3D軟件中添加裝配、拆卸、測量等一系列動(dòng)作,即可生成動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架交互式虛擬檢修模型。具體過程概述如下。

(1) 導(dǎo)入文件。通過3ds MAX軟件將渲染優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向架實(shí)體模型保存為后綴名為.wrl的文件,并導(dǎo)入Cortona 3D軟件中進(jìn)行后續(xù)處理。

(2) 進(jìn)行三維模型的二次渲染。在Cortona 3D軟件中修改周圍的光照強(qiáng)度(ambient intensity)、自身的反光度(shininess)及透明度(opacity)等參數(shù),對導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行二次渲染以使其更逼真。

(3) 整理動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架三維模型的樹狀列表。將轉(zhuǎn)向架模型按零件、部件、總裝體3種類型形成上下級(jí)關(guān)系,繼而在同一根目錄下導(dǎo)入軟件中進(jìn)行讀取。

(4) 添加交互式檢修步驟。轉(zhuǎn)向架的檢修步驟都是通過添加相應(yīng)的動(dòng)作(如視圖的整體旋轉(zhuǎn)、模型的放大/縮小、部件的顯示/隱藏等)來實(shí)現(xiàn)的。在這一過程中，會(huì)運(yùn)用相應(yīng)命令及函數(shù)實(shí)現(xiàn)具體的檢修動(dòng)作，也會(huì)用到多種工具模型,如量具模型、扳手模型等[11]。

以轉(zhuǎn)向架的一系懸掛部件的檢修為例,其基于Cortona 3D軟件的開發(fā)過程如圖3所示。

圖3 交互式虛擬檢修模型的開發(fā)過程

2.5 系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以Visual Studio 2012為開發(fā)平臺(tái),以SQL Server 2012構(gòu)建后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),使用ASP.NET實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的連接,同時(shí)基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式對系統(tǒng)進(jìn)行了搭建。

為便于學(xué)生查閱和使用該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),借鑒IETM的技術(shù)規(guī)范構(gòu)建了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架檢修工藝虛擬仿真系統(tǒng)的頁面流程圖以及最終的前端網(wǎng)頁呈現(xiàn)方式,供學(xué)生進(jìn)行交互式的操作和查閱。

3 系統(tǒng)使用說明

3.1 系統(tǒng)界面組成

系統(tǒng)基于IETM技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì),操作界面采用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器窗口,且為典型的三框架結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)中共包含“維修計(jì)劃”“技術(shù)說明書”“檢修作業(yè)指導(dǎo)書”“交互式工藝流程”等10個(gè)模塊(見表2),學(xué)生可選擇模塊進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

表2 虛擬檢修系統(tǒng)各功能模塊

3.2 轉(zhuǎn)向架交互式工藝流程模塊應(yīng)用實(shí)例

轉(zhuǎn)向架交互式檢修工藝流程模塊是虛擬仿真系統(tǒng)的核心模塊,也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的集中體現(xiàn)。在這一模塊中,共含有“動(dòng)車轉(zhuǎn)向架分解裝配”“拖車轉(zhuǎn)向架分解裝配”“研磨子更換”“制動(dòng)閘盤更換”等25項(xiàng)訓(xùn)練項(xiàng)目,可滿足轉(zhuǎn)向架檢修工藝中所有檢修項(xiàng)目的虛擬仿真教學(xué)需求。操作界面由項(xiàng)目選擇區(qū)、文檔提示區(qū)和虛擬仿真區(qū)組成(見圖5)。部分虛擬檢修項(xiàng)目如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)向架交互式工藝流程模塊操作界面

圖6 模塊中的部分虛擬檢修項(xiàng)目

交互式工藝流程模塊主要有3種模式:

(1) 學(xué)習(xí)模式:該模式下,學(xué)生以學(xué)習(xí)檢修工藝流程為目的,轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)虛擬仿真模型按照檢修工藝流程自動(dòng)播放,學(xué)生參照界面左側(cè)的文檔部分按步驟學(xué)習(xí)各檢修要點(diǎn)；

(2) 訓(xùn)練模式:該模式下,學(xué)生以練習(xí)檢修工藝流程為目的,此時(shí)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)虛擬仿真模型不會(huì)自動(dòng)播放,學(xué)生需要單步操作檢修步驟,但在界面左側(cè)的文檔部分會(huì)有單個(gè)步驟操作以及零件定位提示；

(3) 考核模式:學(xué)生采用該模式可以對自己的學(xué)習(xí)過程在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自測,界面左側(cè)的文檔部分不會(huì)有任何步驟提示以及零件定位提示,全憑學(xué)生自行操作。

3.3 考核要求

為進(jìn)行轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)虛擬檢修實(shí)驗(yàn)考核,學(xué)生應(yīng)選取“考核模式”,并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)項(xiàng)目的檢修內(nèi)容,且單一項(xiàng)目出錯(cuò)次數(shù)不應(yīng)超過5次,否則即判定考核不合格。若單一項(xiàng)目出錯(cuò)次數(shù)少于5次,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生操作的完整度、流暢度以及故障處理正確率自動(dòng)進(jìn)行綜合打分,見圖7。

圖7 轉(zhuǎn)向架交互式虛擬拆裝與檢修模塊

4 結(jié)語

動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架虛擬檢修實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在我校使用后,教學(xué)效果顯著。

(1) 激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊ぐl(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)顯示,相當(dāng)一部分學(xué)生不僅在課堂練習(xí),還積極利用課后時(shí)間進(jìn)行虛擬仿真檢修訓(xùn)練。

(2) 提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。虛擬檢修實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開放共享的特點(diǎn),使單一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)時(shí)間由原來的12 h降至2 h；同時(shí)實(shí)驗(yàn)人數(shù)由實(shí)體設(shè)備實(shí)驗(yàn)的4人/臺(tái)提升至在線實(shí)驗(yàn)的數(shù)百人。

(3) 降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本。“車間式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需耗費(fèi)大量資金采購轉(zhuǎn)向架實(shí)體、檢修輔助設(shè)備等,至少需花費(fèi)1 500萬元,而通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)教學(xué),所需成本最多為50萬元。

因此,動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)值得在相關(guān)院校及鐵路部門推廣應(yīng)用。

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