液壓減振器構造與性能測試仿真實驗系統設計＊

董雅宏，辛俊勝，商躍進

（蘭州交通大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

油壓減振器是轉向架懸掛系統的重要組成部分，對調節和衰減走行部與車體之間的振動，改善鐵路客車運行品質，提高旅客乘坐舒適度起著至關重要的作用[1]，因此在列車運行中需要對油壓減振器進行日常及周期性的檢修與維護。截至2018年底中國高速鐵路運營里程已達到2.9萬km,形成四縱四橫的運行網絡，高速動車組每天開行3000列，需大批高素質的動車組運用與檢修技術人才[2-3]。由于真實實驗平臺設備價格昂貴且不易進行極端條件的實驗，開發車輛工程專業虛擬仿真實驗教學資源勢在必行。

開發機車油壓減振器虛擬仿真檢修試驗系統，使學生能夠在短時間內認識油壓減振器的結構特征并掌握其檢修工藝流程，促進車輛工程類專業實驗教學資源的拓展和培養目標的實現。

1 油壓減振器虛擬仿真實驗的必要性

通過一些課本教學和油壓減振器實驗教學存在一些局限性，使教學的效果不甚理想：

1）油壓減振器實體教學效率低。若通過油壓減振器實體進行教學，受設備數量限制，單次受訓學生不超過5人/臺，實驗效率很低。又由于油壓減振器各零部件之間配合精度較高，不易進行反復拆裝訓練。通過油壓減振器虛擬仿真系統，可以突破受時間和空間的限制，進行大批量學生的教學，教學效率大幅增高。

2）油壓減振器實體教學不能模擬異常工況。油壓減振器在實際工作中可能會出現連接問題、漏油問題、阻尼異常工況，異常工況雖然較少見，但在實際教學中要求學生掌握。在油壓減振器實體教學中很難模擬異常工況。但通過虛擬仿真可以再現油壓減振器檢修過程中各類失效工況，相比傳統教學方法優勢明顯。

由此可見，借助虛擬仿真技術實現油壓減振器構造與性能檢測仿真的實驗教學，是很好的實驗教學方式。擬解決目前液壓減振器實驗項目中存在的項目單一、實驗內容單一、實驗手段落后、實驗目標不明確、評價方法不能滿足工程教育專業認證達成度評價要求的問題。

2 系統的主要內容

本系統的開發原則是滿足油壓減振器構造與性能測試仿真實驗教學，因此系統具體的開發內容主要包括技術說明、虛擬拆裝、實物拆裝、性能參數測試、仿真測試和設計5大模塊。

2.1 技術說明模塊

技術說明模塊主要內容是油壓減振器的工作原理，檢修方式及內容。為了讓學生通過不同方式準確高效地掌握相應模塊的內容，將該模塊分為以下三個小模塊：液壓減振器的構造與原理、檢修工藝、檢修內容及要求。下面一一說明不同模塊的主要內容及實現的學習方法。

2.1.1 構造與原理

油壓減振器的構造與原理是實現培養目標最基本的內容，也是比較抽象難以理解的一部分,其主要包括油壓減振器的分類、組成的各零部件以及幾種工況的工作原理[4]，如圖1，2所示。通過對油壓減振器的縮微模型進行結構上、設計上多視圖的解剖，可以激發學生的學習興趣提高教學效率。在此系統中該模塊通過圖片、PPT、視頻動畫三種不同的方法展示該部分的主要內容，圖片包括油壓減振器的三維模型、工程圖紙、各零部件模型；PPT主要將課本中的文字部分精簡其重要部分；視頻動畫主要展示油壓減振器的工作原理。

圖1 油壓減振器工作原理

圖2 油壓減振器組成

2.1.2 檢修工藝

油壓減振器是轉向架懸掛系統的重要部件,對提高車輛運行平穩性、乘坐舒適性、安全性起到重要的作用。為了能夠更好地對油壓減振器進行維修、試驗,研制了動車組油壓減振器檢修線。油壓減振器檢修線主要包括分解、清洗、探傷/檢測、組裝、實驗、噴漆、標識7個工序[5]，每個工序之間通過自動傳輸線連接，檢修過程中無需人員進行零部件的搬運，節省了人力，提高了勞動效率。如圖3所示。

圖3 動車組油壓減振器檢修流程

2.1.3 檢修內容及要求

該子模塊的主要任務是讓學生了解油壓減振器常見的幾種故障及檢修方式，即連接問題、漏油問題、阻尼異常問題[6]。如圖4所示。通過PPT、視頻動畫的方式讓學生掌握油壓減振器出現故障的原因、故障的檢測和檢修的方式與要求。

圖4 油壓減振器漏油故障

2.2 虛擬拆裝模塊

虛擬拆裝模塊是為了讓學生更深層次的了解油壓減振器的構造、各零部件的裝配關系及檢修時拆裝的順序。通過操作3D油壓減振器的方式來模擬設備的分解和組合，同時還配有油壓減振器的圖片、拆裝視頻動畫。其中圖片包括油壓減振器在SolidWorks軟件中完成的各零部件模型、工程圖；視頻動畫主要是在SolidWorks軟件中完成油壓減振器的實體裝配和拆卸的爆炸視頻。如圖5，6所示。

圖5 油壓減振器工程圖

圖6 油壓減振器裝配圖

2.3 實物拆裝模塊

通過以上幾個模塊的學習，對油壓減振器的構造與拆裝順序有了基本了解。實物拆裝模塊主要目的是通過視頻動畫的方式讓學生掌握根據工藝卡片檢修油壓減振器的流程，包括拆裝所需的儀器、拆裝順序、故障檢修的方法等。如圖7所示。

圖7 油壓減振器實物拆裝視頻

2.4 性能參數測試模塊

性能參數測試是新造或檢修后油壓減振器的性能試驗，也是鞏固所學理論知識、培養學生解決問題能力的最好方法。該模塊的主要目的就是讓學生了解油壓減振器試驗臺的構造，掌握油壓減振器試驗臺的基本操作、油壓減振器拉壓行程的特性和測定阻力系數，主要通過視頻的方式展現。如圖8所示。

圖8 油壓減振器性能檢測報告

2.5 仿真測試與設計模塊

該模塊包括油壓減振器的結構設計和仿真測試兩個部分，分別利用現代工具進行零件結構和裝配性能仿真設計。仿真測試部分利用過Excel、SolidWorks、MATLAB軟件進行油壓減振器性能仿真測試，能直觀地展現出各個關鍵參數對其性能的影響程度，為設計部分提供依據。設計部分主要有阻尼形式的選擇、阻尼率的計算、結構尺寸的確定、端部連接選型四個方面。通過該模塊也讓學生掌握專業課程的基本概念和理論。如圖9所示。

圖9 油壓減振器運動仿真曲線

3 結語

針對目前軌道交通車輛虛擬仿真實驗教學資源相對匱乏的情況，本文開發了一套適用于油壓減振器構造與性能測試仿真實驗教學系統。該系統有以下優點：

1）激發了學生自主學習的動力。學生可以隨時隨地進入系統學習，不僅可以在課堂上進行練習，還可以利用課后時間進行虛擬仿真檢修訓練。

2）提高了教學效率。虛擬檢修實驗系統開放共享的特點，使單一實驗項目的實驗時間由原來的12減至2h；同時實驗人數由實體設備實驗的5人／臺提升至在線實驗的數百人。

3）降低了實驗成本。實驗實體教學需要采購大量油壓減振器與試驗臺，耗資巨大，而通過虛擬仿真系統進行自主實驗教學，所需成本只需幾萬元。