CRH5動(dòng)車(chē)組轉向架仿真系統設計與實(shí)現

摘 要： 動(dòng)車(chē)組轉向架結構的復雜性，使得傳統的培訓模式已不能滿(mǎn)足檢修人員短時(shí)間內快速掌握檢修技能的要求。針對CRH5動(dòng)車(chē)組轉向架的結構特點(diǎn)和功能，采用虛擬現實(shí)、多媒體和仿真技術(shù)，設計實(shí)現了動(dòng)車(chē)組轉向架虛擬仿真系統，可以清晰地表達轉向架的技術(shù)信息、結構特點(diǎn)、安裝順序以及工藝要求等。詳細介紹了該系統設計實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)和方法。實(shí)際應用表明，該系統不僅為動(dòng)車(chē)組轉向架的維護和人員培訓提供了一個(gè)可視化的多媒體信息平臺，也為其他場(chǎng)合的交流提供了直觀(guān)的溝通方式。

關(guān)鍵詞： CRH5動(dòng)車(chē)組;轉向架;虛擬現實(shí);仿真;培訓;檢修;VRML

轉向架是高速動(dòng)車(chē)組的核心部件之一，對車(chē)輛的運行平穩性及安全性影響很大，在列車(chē)運營(yíng)中需要對轉向架進(jìn)行日常及周期性的檢修與維護，以確保列車(chē)行駛安全。CRH5動(dòng)車(chē)組是目前我國列車(chē)運營(yíng)的主要車(chē)型，承載著(zhù)大量的旅客運輸任務(wù)。隨著(zhù)運輸量的增加，轉向架的維護檢修工作量及檢修人員的培訓需求也隨之增加。由于轉向架結構復雜，依靠傳統方法很難在短時(shí)間內讓檢修人員快速掌握檢修技能，同時(shí)在檢修維護過(guò)程中也需要相應的技術(shù)手段來(lái)幫助隨時(shí)查看技術(shù)資料。

對檢修維護人員培訓的傳統方法多采用幻燈片、掛圖授課和師徒傳授等方式，被培訓者難以在短時(shí)間內快速對轉向架的結構特征形成感觀(guān)認識，掌握復雜的裝配關(guān)系，而且成本高、效率低。近年來(lái)廣泛應用的計算機虛擬現實(shí)技術(shù)[1]能夠支持一種新的培訓模式，可以改變傳統培訓模式缺乏直觀(guān)的信息呈現手段的狀況，創(chuàng )建逼真形象的產(chǎn)品裝配仿真環(huán)境，使被培訓者在虛擬環(huán)境中以交互方式了解產(chǎn)品的結構和裝配過(guò)程，這有助于快速理解和認知產(chǎn)品，既提高了培訓效率，也降低了成本。筆者在分析CRH5動(dòng)車(chē)組轉向架的結構和功能特點(diǎn)的基礎上，綜合利用虛擬現實(shí)、多媒體和仿真技術(shù)的優(yōu)勢，設計實(shí)現了動(dòng)車(chē)組轉向架虛擬仿真[2]系統，它可以全方位地形象呈現轉向架的技術(shù)信息、結構特點(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上，可以更高效地進(jìn)行動(dòng)車(chē)組轉向架的人員培訓，支持檢修維護工作中的技術(shù)資料動(dòng)態(tài)查詢(xún)，還可以為相關(guān)人員在其他場(chǎng)合的交流提供直觀(guān)的溝通方式。本文將從系統結構及功能、設計工具和關(guān)鍵技術(shù)等幾個(gè)方面詳細介紹虛擬仿真系統的設計實(shí)現。

1 轉向架結構特點(diǎn)及功能

CRH5動(dòng)車(chē)組采用動(dòng)力分布式設計，其CW250型轉向架包括動(dòng)力轉向架和非動(dòng)力轉向架。每列8節車(chē)編組， 5節動(dòng)車(chē)、3節拖車(chē)，最高運營(yíng)時(shí)速為250 km/h。動(dòng)力轉向架和非動(dòng)力轉向架的主要區別為：

動(dòng)力轉向架：(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(pán)和1組齒輪箱;(3)非動(dòng)力軸上裝有3個(gè)制動(dòng)軸盤(pán)。

非動(dòng)力轉向架：(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(pán)。

轉向架主要由構架、輪對、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(wàn)向軸、安全裝置和體懸式電機組成;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(pán)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 系統結構及功能

(1)系統結構

CRH5轉向架的零部件數量多，結構也比較復雜，根據其結構特點(diǎn)和功能，系統由7個(gè)模塊組成：總體概述、構架組成、制動(dòng)系統、輪對組成、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)模塊還分別包括結構介紹和裝配演示子模塊。

(2)系統功能

系統采用虛擬現實(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的轉向架技術(shù)信息、結構特點(diǎn)和組成;提供的人機交互方式，使用戶(hù)通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)演示，瀏覽轉向架各大部件和總體的裝配過(guò)程，快速查詢(xún)轉向架的相關(guān)信息。

系統界面與模塊功能如圖1所示，其中構架組成、制動(dòng)系統、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛和總體裝配6個(gè)模塊的結構分別介紹相應大部件的組成，它們的裝配演示子模塊則分別演示各大部件和總體轉向架的虛擬裝配仿真過(guò)程，并配以文字信息表達零部件名稱(chēng)、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(guò)程。

3 系統關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現

3.1 系統實(shí)現工具

(1)系統集成工具

Authorware 是面向對象的多媒體開(kāi)發(fā)工具，以圖標為基礎，通過(guò)流程線(xiàn)來(lái)建立各圖標的邏輯結構，還提供了函數、變量和交互等功能，其圖形化的程序結構清晰、簡(jiǎn)捷，便于調試，本系統采用該軟件作為系統集成實(shí)現工具。

(2)仿真動(dòng)畫(huà)制作工具

VRML是一種具有沉浸感、交互性的虛擬現實(shí)建模語(yǔ)言[3]，占據存儲空間很小，它與CATIA和Pro/E等三維軟件具有標準接口，還提供了動(dòng)畫(huà)插補器節點(diǎn)，可以實(shí)現虛擬場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)效果。Cosmo Worlds則是針對VRML開(kāi)發(fā)的可視化編輯器，尤其對于動(dòng)畫(huà)制作提供了非常直觀(guān)的平臺，運行快捷，所見(jiàn)即所得。系統采用該軟件實(shí)現轉向架的虛擬裝配過(guò)程仿真。

(3)多媒體制作工具

系統利用圖像處理軟件Photoshop制作文字信息以表達零部件的名稱(chēng)、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(huà)的后期制作。

3.2 虛擬裝配技術(shù)

系統采用虛擬裝配技術(shù)[4]，通過(guò)創(chuàng )建三維模型、模型格式轉換、裝配順序和路徑規劃以及制作仿真動(dòng)畫(huà)幾個(gè)步驟，實(shí)現轉向架的構架、輪對、一系懸掛和二系懸掛等大部件以及總體裝配過(guò)程的仿真。使用戶(hù)可以快速建立對轉向架結構特征的感觀(guān)認識，有助于理解和掌握轉向架的復雜結構和裝配關(guān)系。

3.2.1 坐標變換及模型格式轉換