單輪對滾動試驗臺輪軌黏著-蠕滑虛擬試驗系統

肖 乾，彭俊江，黃 敏 ，韓 瑞，周 鵬

（1. 華東交通大學 載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌 330013；2. 株洲國創軌道科技有限公司，湖南 株洲 412001；3. 大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001）

單輪對滾動多功能試驗臺是鐵路車輪與鋼軌間相互作用機理試驗研究的專用試驗裝置，與線路運行試驗相比具有以下優點：可模擬多項性能試驗；良好的重復性；可完成線路上無法進行的試驗等[1]。單輪對滾動多功能試驗臺制造成本高、設計難度大，使用條件受到巨大限制。有鑒于此，本文設計開發一種基于Unity3D和UM聯合仿真的滾動試驗臺虛擬試驗系統作為研究人員進行有效試驗的替代工具。虛擬試驗系統雖無法完全代替軌道車輛實車試驗，但具有節省資金、無危險、效率高的優點[2-3]。

目前，虛擬試驗領域已有相當多的研究成果。Zhao等[4]利用虛擬試驗技術對篩選試驗物理模型系統進行了模擬，直觀地展示了抽象的篩選試驗過程，為篩選理論研究和篩選實踐提供參考。Tamaddon等[5]應用一種交互式虛擬現實試驗裝置，從視覺和物理角度模擬全身互動虛擬現實環境，用戶可直觀地進行微重力物理學相關試驗。Ye等[6]利用虛擬試驗技術開發了光電專業教學虛擬仿真試驗平臺，構建虛擬試驗環境，將虛擬仿真技術與物理試驗相結合，實現高保真狀態下的光電專業相關物理試驗。馬然等[7]設計開發了現代軌道交通虛擬仿真實驗教學中心設備，構建各種復雜環境下的運行車輛、運輸組織、行車控制等虛擬試驗場景和試驗對象。楊顏志[8]在AMAMS/Rail環境下建立虛擬樣機模型，通過Creator引擎綜合開發虛擬環境，實現鐵道車輛舒適性試驗。

滾動試驗臺虛擬試驗系統結合動力學軟件 UM（universal mechanism）和虛擬現實軟件Unity3D兩者功能特點，實現了虛擬環境下的軌道車輛輪軌動力學試驗。單輪對滾動試驗臺虛擬系統對實際試驗場景高保真還原，通過交互操作界面進行試驗數據傳輸，實現多工況環境下的復雜試驗，最終實現試驗數據可視化。該虛擬試驗不僅讓用戶體驗沉浸感強的試驗過程，同時還提供可靠的試驗數據，增加了系統的實用性。

1 系統設計

滾動試驗臺輪軌黏著-蠕滑虛擬試驗系統的主要功能是在虛擬的環境下設置不同工況參數進行黏著-蠕滑試驗及分析。因此，該系統應該具備以下幾個具體功能[9-11]：

（1）可描述滾動試驗臺的動力學仿真模型和實現不同工況下的仿真分析計算。

（2）在虛擬環境中實現實際試驗場景的高度還原、模塊間試驗數據的無差傳輸，且交互操作邏輯合理。

（3）實現輪軌黏著-蠕滑參數的交互操作，并動態顯示試驗結果，即試驗結果可視化。

（4）虛擬場景試驗臺動態模擬實際操作運轉，結合控制面板和顯示面板實現高沉浸感體驗。

圖1 滾動試驗臺虛擬試驗系統架構

系統結構如圖1所示。系統包含前端和后端兩部分。前端屬于虛擬仿真交互環境，再現真實試驗場景。前端包含3大模塊：參數輸入模塊、虛擬場景仿真模塊、試驗數據動態顯示模塊。參數輸入模塊用于輸入和修改試驗臺輪對、軌道輪和運行工況參數，實現不同工況下的虛擬運行試驗。虛擬場景仿真模塊還原真實試驗場景，包括各零部件運動和廠房環境。用戶操作過程可達到身臨其境的感覺。試驗數據動態顯示模塊用于試驗數據的可視化顯示，當進行不同工況的參數組合試驗時，試驗結果可通過數據顯示面板動態顯示，以便用戶實時觀察試驗數據的變化。

后端是指動力學模型分析模塊。通過動力學仿真軟件建立試驗臺模型，整理模型參數信息用于前端進行數據修改組合，設置仿真輸出函數進行針對性試驗研究。進行輪軌黏著-蠕滑試驗時，先通過理論分析黏著系數和蠕滑系數的影響因素，再通過虛擬參數面板設置和顯示相關影響參數，最后建立目標函數，計算出黏著系數和蠕滑系數并顯示。

2 輪軌黏著-蠕滑動力學模型的建立

2.1 滾動試驗臺動力學模型的建立

在對單輪對滾動試驗臺結構分析的基礎上，使用動力學軟件UM建立動力學模型。試驗臺分為兩大部分：軌道輪組件和被試輪對組件。軌道輪組件模擬鋼軌，鋼軌軌道的不平順通過軌道輪的上下微量移動來實現。在UM中建立一個與軌道輪連接的振動源實現微量移動，振動源安裝在軌道輪幾何中心。被試輪對組件模擬軌道上運動的實車，使用轉動副限制輪對的縱向和橫向移動，在輪對上方設置彈簧阻尼連接載荷模擬實車質量。最后，選擇UM軟件中Test rig模式實現輪軌接觸，完成試驗臺的建立。動力學模型如圖2所示。

圖2 單輪對滾動試驗臺動力學模型

2.2 軌道不平順的實現

本文中軌道不平順主要考慮垂向，橫向不平順暫不考慮。軌道不平順的實現是通過在軌道輪中心添加單元振子，并與軌道輪以轉動副連接，單元振子根據TXT文件中的不平順數據進行振動，進而實現軌道輪的垂向振動。軌道不同順TXT文件設置如圖3所示。

圖3 軌道輪不平順設置

2.3 輪軌黏著-蠕滑試驗分析方法

輪軌黏著-蠕滑特性試驗研究需要精確設置蠕滑率和可調整的黏著牽引力。輪軌試件軸線配置關系如圖4所示。

輪軌黏著-蠕滑特性通常采用黏著系數與蠕滑率變化曲線表示。模擬試驗中，黏著系數γ為輪軌間的切向力T和法向力N之比，

縱向蠕滑率φ為縱向滑動速度除以實際的滾動速度，

圖4 輪軌試件軸線配置圖

其中：vT表示實際前進速度，v表示純滾動前進速度。

因此，試驗時縱向蠕滑率φ可按式（3）計算，

其中：RB為大輪半徑，RS為小輪半徑，NB為大輪轉速，NS為小輪轉速。試驗前，根據試驗方案要求，設置輪對和軌道輪半徑、輪對和軌道輪轉速。試驗過程中，需保持軌道輪在某一速度恒定，通過改變輪對轉速改變蠕滑率，直到輪軌、軌道輪接觸區出現宏觀滑動即停止試驗。試驗進行時，實時測出蠕滑力和法向力并計算對應的蠕滑率，然后建立二者之間的對應關系[12]。

3 基于UM-Unity3D接口的建立

為了能夠通過虛擬環境對動力學模型參數進行修改而實現不同工況下的試驗，使虛擬環境模型配合試驗過程完成相應的試驗動作，并將試驗數據展示到操作界面，需要建立信息傳遞的橋梁即接口。

試驗進行時，用戶通過交互窗口發送指令驅動后端動力學仿真模塊，后端動力學模塊與虛擬試驗臺同步運轉，最終實現試驗結果在虛擬面板上的動態顯示。試驗數據信息傳遞技術路線如圖5所示。

圖5 信息傳遞的技術路線

參數指令傳輸的核心作用是觸發動力學模型仿真計算和返回試驗數據到虛擬環境中。數據傳輸過程復雜，且必須有邏輯性地逐步執行，因此系統數據傳輸時采用DOS模式下的批處理方式。

bat文件是DOS下的批處理文件，為無格式的文本文件，它包含一條或多條命令。該文件能對其中的多條命令按順序逐步執行，符合本研究對功能特點的需要。通過Unity3D虛擬環境窗口傳遞指令，觸發批處理文件運行即可對其中的命令逐步執行。

系統運行時，UM中試驗仿真數據經過MATLAB軟件處理，試驗結果數據保存為.csv文件。.csv采用逗號分隔字符串，Unity3D識別二維鏈表時，需利用C#程序將逗號分隔字符串進行重新整理，然后建立構造函數和鏈表容器存放數據實時輸出，其實現過程如圖6所示。

圖6 數據信息格式轉換

4 虛擬試驗系統實現關鍵技術

4.1 3D模型構建

為實現對單輪對滾動試驗臺試驗過程的模擬，需要對試驗環境進行高度還原，搭建如試驗設備、輔助工具、廠房等 3D模型。系統模型根據功能要求、渲染等級、實現效果等采用分級處理，因此建模時，去除系統中不影響功能的多邊形，既不會影響外觀效果，又減少了系統數據庫多邊形數量，從而降低整個試驗臺的復雜程度，提高系統加載速度和運行速度。此外，為減少資源消耗、實現快速渲染和縮減系統內存空間，使用紋理映射技術和實例化技術。紋理映射[13]是將三維空間模型通過點點對應轉化為二維平面模型，然后在平面上對模型區域顏色、形狀等進行添加和渲染，最后返回三維空間的狀態，增加了模型的逼真度。單輪對滾動試驗臺虛擬環境3D搭建分以下3步：

Step1：通過MAYA、Pro/E完成虛擬場景3D模型搭建。

Step2：通過Substance Painter和Photoshop完成模型貼圖處理。

Step3：在Unity3D引擎中編寫Shader，實現場景渲染和特效。

測試軌道輪MAYA模型如圖7所示。

圖7 軌道輪模型

通過實例化建模、紋理映射即UV貼圖和燈管渲染，得到了單輪對滾動試驗臺模型，如圖8所示。

圖8 試驗臺模型

4.2 試驗臺虛擬組裝

為提高用戶使用過程的操作體驗感，并加深對單輪對滾動試驗臺硬件設備結構和功能的了解，系統設計了試驗臺虛擬組裝環節，以實現單輪對滾動試驗臺虛擬系統的自然交互。試驗臺虛擬組裝模塊實現兩個功能：一是逼真的組裝環境和組裝方式；二是可視化界面和簡單的操作指導。虛擬組裝應用 Unity3D中DoTween插件設計試驗臺組裝過程。在DoTween插件中實現對虛擬裝配路徑、裝配邏輯、動畫機狀態等的設計，通過動畫狀態機控制試驗臺關鍵部件的振動、旋轉等。此外，為增加虛擬試驗過程的真實度和沉浸感，虛擬試驗臺系統通過Audio Source設置聲音特效，模擬試驗過程中的運轉聲音。具體組裝過程中，用戶通過外部交互設備（鼠標、鍵盤等）實現對試驗臺模型的空間位置變化操作，達到虛擬組裝效果。

4.3 數據窗口設計

4.3.1 數據交互窗口

NGUI和UGUI是Unity3D開發過程中常用的兩大界面設計控件。系統開發時為實現輕量化設計、減少編譯器占用資源和方便擴展，選用UGUI設計模式。UGUI組件里包含 Image、Button、Text、Slider、Input Field等功能控件。虛擬系統UI交互面板設計時，根據功能需求綜合應用UGUI控件，實現系統的功能驅動以及參數改寫和傳輸。

根據輪軌黏著-蠕滑試驗分析，輪軌黏著-蠕滑試驗考慮的主要變量是輪對轉速、半徑和輪對載荷。用戶在參數設置窗口設置參數后將其傳輸到相應模塊，虛擬系統和后端動力學仿真模塊接收變量參數，通過后臺程序將轉速轉化為線速度傳遞到動力學模型中進行仿真計算，實現最終的單輪對滾動試驗臺虛擬試驗。

系統蠕滑實驗參數輸入面板如圖9所示。

圖9 參數輸入面板

4.3.2 數據動圖

為增強試驗數據可視化和試驗過程沉浸感，后端動力學仿真模塊的試驗結果可以動態顯示到前端虛擬面板之中。試驗數據的顯示需要程序處理后才可將后端轉化的.csv格式試驗數據讀取和輸送到前端虛擬面板上。試驗數據動圖通過SpringGUI和Line Chart插件進行繪制。SpringGUI用于設計數據顯示面板背景，Line Chart用于實現坐標分度值、坐標最大值的選取、數據動態顯示等功能。試驗數據動態顯示如圖10所示。

圖10 Line Chart數據面板動態顯示

5 結語

單輪對滾動試驗臺輪軌黏著-蠕滑虛擬試驗系統是虛擬現實技術在試驗領域的應用擴展。本文以還原真實試驗場景為目標，從動力學模型建立、虛擬現實模型建立、接口的設計、虛擬交互場景的開發、輪軌黏著-蠕滑試驗分析等方面完成了虛擬試驗系統的開發，主要包括了以下工作：

（1）建立了基于Unity3D的單輪對滾動試驗臺虛擬系統，系統模型、貼圖、虛擬環境布局等完全參考真實環境搭建，提升了虛擬試驗系統的真實感。同時，用戶可通過交互窗口實現試驗的相關操作，模擬不同工況下的輪軌黏著-蠕滑試驗。

（2）通過UM動力學軟件建立了單輪對滾動試驗臺模型，實現對試驗的仿真計算，確保試驗結果的準確性和可參考性。

（3）以 MATLAB為中間件，在批處理方式下實現了UM和Unity3D的聯合仿真，在虛擬環境下實現了確保數據可靠前提下的單輪對滾動試驗臺試驗。

系統綜合運行結果表明，雖然虛擬系統還不能完全代替鐵道車輛實車試驗，但它與傳統的實車試驗相比，具有節省資金、無危險、效率高等優點。