高速动车组转向架系统检修虚拟仿真实验的建设

2018-06-05张嘉鹭王柏华

实验技术与管理 2018年5期

马军, 乔磊, 张嘉鹭, 王柏华

(江苏师范大学机电工程学院, 江苏徐州 221116)

我国2008年修订的《中长期铁路网规划》确定:2020年,全国铁路营业里程达到12 万km以上,建设高速铁路1.6 万km以上,并在全国形成“四纵四横”高速铁路网。截至2016年底,国内高速铁路营运里程已达到2.2 万km,占世界总营运里程的60%,稳居世界首位[1]。

为满足行业需求,江苏师范大学于2011年与上海铁路局达成了共同培养轨道交通类专业人才的战略意向,在上海铁路局徐州电务段建立了“大学生实习实训基地”。同年11月，在机械基础、电工电子两个省级实验教学示范中心的基础上,成立了“轨道交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心”,该中心于2015年获批国家级虚拟仿真实验教学中心。

转向架系统是轨道交通车辆的大型核心部件,由3 000多个零件组成,属于典型的复杂高新技术设备。转向架系统包含构架、一系悬挂装置、轮对轴箱装置、基础制动装置、二系悬挂装置、驱动装置、牵引装置等7个主要部件。

转向架系统牵引和引导车辆沿着轨道行驶,并承受和传递来自车体及线路的各种载荷,直接影响列车运行的安全性和稳定性。动车组的高速行驶,转向架系统上的磨耗部件(如轮对、轴承等)和减振部件(如空气弹簧、减振器等)都存在疲劳失效的可能。因此,在列车运营中需要对转向架系统进行日常及周期性的检修与维护,以确保列车行驶安全[2]。

按规范规定:动车组转向架系统每运行4 000 km或48 h后需要进行一次一级检修；每运行30 000 km或30天进行二级检修；每运行45 万km或1年进行一次三级检修。若不按规定对转向架系统进行检修,则极有可能发生制动失效、轮轴断裂、车辆脱轨等的安全事故。因此,铁路部门对转向架系统检修人员的需求极大。

我校车辆工程专业致力于培养具有较强实践能力的动车组车辆检修应用型人才,特别重视培养动车组维护检修方面的工程技术人才；而加强实践训练是学生学好该专业技能的重要途径。若利用转向架实体进行实验教学,存在成本高、效率低、很难模拟异常工况等问题。因此,借助虚拟仿真技术实现转向架系统检修课程的实验教学是很好的实验教学方式[3]。

1 虚拟仿真实验项目建设思路

以高速动车组转向架系统检修虚拟仿真实验教学资源为核心,营造开放、共享的虚拟仿真实验教学环境,最终建设成集虚拟资源、创新设计、智能指导和教学管理于一体,具有良好自主性、交互性、可扩展性和安全性的虚拟仿真实验教学项目[4]。

1.1 创建共建共享的“教学—实训—研发”项目

依托上海铁路局的先进技术力量、实体资源、运行数据及其研发实力,借助我校“轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心”和江苏省优势学科教学资源,实现校企共同研发、共同使用高速动车组转向架系统检修虚拟仿真实验项目。结合我校现有的虚拟仿真实验教学平台、工程实训中心和职业技能培训中心,推进校企深度合作,共同打造虚实结合、数据共享、信息交互、职前培养、职后培训的“教学—实训—研发”项目,实现人才培养、工程应用与就业的无缝对接。

1.2 转向架系统检修虚拟仿真实验教学资源开发

根据轨道交通类课程的教学需求和人才培养目标,确定转向架系统检修虚拟仿真实验项目资源的研发重点,提出“装配技术虚拟仿真、故障处理虚拟仿真、检修维护虚拟仿真”教学资源的构建模式。这3方面的实验教学资源相互联系、相互支撑,形成“一纵三横多分支”的实验教学系统(见图1),学生可以在虚拟环境中进行实验活动,提高学生的工程实践能力和创新能力。

图1 “一纵三横多分支”的实验教学系统

1.3 自主学习+自我激励的虚拟仿真实验教学方法

在实际教学中,教师可借助该实验教学项目引导学生进行自主学习和自主探究,通过“动车币激励插件”累计每个学生的在线时长、项目完成次数,进行动车币奖励。奖励办法是:每名学生每在线1小时即奖励1枚动车币,每完成一项检修子项目再额外奖励1枚动车币；当学生积累了50枚动车币,即可由“学员”升级为“助理工程师”,积累150枚动车币则可升级为“检修工程师”,积累500枚动车币则可晋升为“高级检修工程师”。动车币还可作为学生平时成绩考评的依据之一[5]。

自主学习+自我激励的实验教学方法可激发学生自主学习的动力。学生为了晋升高级别“职称”,会积极利用课后时间进行虚拟仿真检修训练,由浅入深地掌握转向架系统的技术信息、装配顺序以及复杂的检修工艺流程[6]。

2 虚拟仿真实验项目建设实践

2.1 实验方法设计

按照动车组转向架系统检修工艺规程要求,交互式虚拟仿真检修系统的操作界面应包括系统的注册及登录方法,导航栏和选单栏的具体功能,设置学习、训练、考核等3种操作模式。用户可进行以下学习和训练：

(1) 参照该系统的使用说明书,掌握注册及登录方法、导航栏和选单栏的具体功能、3种操作模式的选取方法、各功能模块的使用方法[7]；

(2) 通过技术说明书掌握动车组转向架系统的技术参数、功能原理和组成结构；

(3) 通过动车组转向架检修作业指导书模块和维修计划模块,掌握转向架系统的检修理论、检修工艺、检修项目、维修制度和维修组织；

(4) 通过图解零部件目录手册模块、电/气路模拟模块,掌握动车组零部件的结构原理、制动气路和控制电路原理；

(5) 通过故障手册模块、通用检测和实验模块、主要设备和工具模块,掌握动车组转向架系统零部件的禁止使用限度、常见故障形式和修复方法,以及检修工具的使用方法。

教师根据具体项目预设故障点,学生结合工艺流程演示模块在交互式工艺流程模块中选取相应的检修项目进行虚拟检修训练,在训练过程中检查并排除预设故障。学生应先选取学习模式进行导引式学习,进而选取练习模式进行提示性训练。教师指定某个或某几个检修项目作为考核内容,学生在考核模式下进行项目的虚拟检修,系统会自动评分。

系统操作界面如图2所示,交互式工艺流程模块如图3所示,技术说明书模块如图4所示。

图2 系统操作界面图

图3 交互式工艺流程模块图

图4 技术说明书模块图

2.2 实验资源建设

我校根据人才培养方案要求,提出了高速动车组转向架系统检修虚拟仿真实验资源建设方案,由学校专业教师和企业工程技术人员合作开发。动车组转向架系统检修虚拟仿真实验教学资源包含动力转向架检修、拖车转向架检修、轮对轴箱分解检修、研磨子更换作业、制动系统检修等25个检修实验项目。本文仅以“动力转向架检修”项目为例予以介绍。

“动力转向架检修”项目是转向架系统解体后各部件检修的前提和基础,其检修流程复杂,且在系统部件分解过程中还需检查各部件的损耗程度[8]。这一检修项目包含13个实验步骤,每个步骤均针对性地培养学生的实践能力(见表1)。每一步均有学习、训练和考核3种模式。

表1 “动力转向架检修”项目的步骤及培养目标

在学习模式下,学生可以学习检修工艺流程。转向架系统虚拟仿真模型按照检修工艺流程自动播放,各关键步骤会弹出操作注意事项警示框,学生参照界面左侧的文档部分按步骤学习各检修要点。

在训练模式下,学生以练习检修工艺流程为目的,此时转向架系统虚拟仿真模型不会自动播放,学生需要单步操作检修步骤,但在界面左侧的文档部分会有单个步骤操作步骤以及零件定位提示[9]。

在考核模式下,学生可以对自己的学习过程在规定的时间内进行自测。此时界面左侧的文档部分不会有任何步骤提示以及零件定位提示,全凭学生自行操作,系统会提示操作是否正确并评分[10]。

2.3 网络共享实验技术方案

高速动车组转向架系统检修虚拟仿真实验的共享网络系统采用B/S架构(见图5)。在这种架构下,用户工作界面是通过Web浏览器来实现的,极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现。主要事务逻辑在服务器端(Server)实现,形成3层(3-tier)架构。这样的体系架构设计,全部支持浏览器进行操作,无需安装任何客户端软件,真正实现客户端零维护[11]。网站的建设、维护、管理只需通过浏览器就可以完成,易学易用。无论何时何地,管理员都可以通过浏览器登录系统后台来远程管理和维护网站[12]。

采用3D虚拟仿真技术还原动车检修场景、呈现动车故障检修流程；采用3ds MAX开发工具进行虚拟场景的搭建以及材质的调整；采用Cortona 3D引擎搭建转向架交互式虚拟仿真模块；采用Java语言进行管理平台的后台功能开发,包括人员信息管理、权限管理、成绩管理、日志管理；采用Visual Studio工具进行整个后台管理平台的开发[13]；采用Mysql进行数据功能开发,用于存储人员信息、考核成绩、理论试题等内容[14]。

图5 实验共享网络系统架构图

3 结语

高速动车组转向架系统检修虚拟仿真实验利用现代信息手段开发,具有建设和维护成本低、平台扩展性好、利用效率高等优势。对于高速动车组转向架系统检修实验,利用虚拟仿真技术可有效节省实验设备购置经费、减轻学校的资金压力。另外,轨道交通设备先进,自动化技术程度高,对实验实训教学的要求也很高；而传统的专业实验设备和技术条件无法进行多人、多任务的实验和实训,不能满足教学需要。虚拟仿真实验教学资源依托数字虚拟现实技术、计算机技术、360°全景展示技术、网络通信技术和人机交互技术等现代教育信息化技术,可实现的功能丰富,且不受设备台套数的限制。同时,还可以通过模拟故障、事故预警技术,进行特殊工况难以展现、不可及、不可逆的实验操作,为科学研究提供实验支撑和数据支持。虚拟仿真实验教学资源可以方便、快捷地形成共享资源,满足学生学习、职工培训、科技服务等需求,辐射人群广泛。

参考文献(References)

[1] 潘公宇,江浩斌.车辆工程专业虚拟仿真实验教学平台的设计[J].实验技术与管理,2017,34(4):1-5.

[2] 赵铭超,孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索,2017,36(4):90-93.

[3] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[4] 方沁.基于Unityt和3dmax的虚拟实验室三维建模设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2015.

[5] 祖强,魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理,2015,32(11):156-158.

[6] 张冰.计算机仿真实验教学的应用及发展前景[J].理工高教研究,2005,24(3):116-118.

[7] 吕明珠.虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2015,32(4):144-146.

[8] 尚丽,淮文军.基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J].实验室研究与探索,2010,29(6):66-71.

[9] 蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(8):76-78.

[10] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[11] 贾皓,韩宝明,张琦.高速铁路夕发朝至列车行车组织方式分析[J].铁道标准设计,2014,58(12):9-13.