铁路货车车辆转向架虚拟仿真平台研究与开发

张楠

（中国铁路太原局集团有限公司太原北车辆段，太原 030003）

1 研究背景与意义

随着我国物流运输行业的发展，铁路货运在社会物质生产过程中起着重要作用，具有运送量大，速度快，成本较低等优势。转向架属于货运列车的关键部件，安全系数和稳定系数要求较高，需要大量的工作者每日对转向架进行检修和维护，而货车转向架各种类、型号、参数及修程规定存在较大差异，转向架的检修与维护工作量较大，涉及的人员较多，相关的组织管理工作和培训教学工作的难度也较大。

本文针对我段现有培训教学系统存在的问题和难点，对转向架的结构特点进行研究分析，设计开发基于转K6型转向架的三维交互虚拟仿真平台，该平台综合利用三维建模技术、多媒体技术以及虚拟现实技术等前沿技术，构建了一个集三维动画和人机交互功能于一体的具有较高逼真度的仿真培训平台，以多媒体演示和人机交互方式，实现对货车用转向架系统的内部结构、工作原理及其动态拆装过程的逼真模拟，用于对操作人员和新用户的有效培训教学。

2 平台需求、结构及功能

针对货车转向架各种类、型号、参数及修程规定存在较大差异，相关技术信息量较大，平台需要满足四个方面的需求：①检修工作者及其他相关人员能够通过平台了解各类型转向架的技术参数、结构特征及其异同点；于转向架模型能够实现动态浏览转向架各部件及其空间位置；③可查询各型转向架的各级修程信息及相关规定要求装配工艺流程；④在多媒体平台上可以对转向架进行交互式拆装操作，模拟真实检修规定要求和拆装流程，在虚拟环境中全方位观察转向架组成部件的拆卸装配过程[1]。

根据以上需求分析、转向架结构特点及真实检修相关技术，选用多媒体技术作为开放平台，采用了模块化设计，主要由总体概述、结构介绍及装配演示、各级修程信息、交互式拆装虚拟操作四大模块及相应的子模块组成。

根据以上论述的工作者对平台需求，结合平台设计结构及设计目标，平台将以交互的方式提供以下功能：①提供转向架技术参数查询功能，对各型转向架以图文并茂的形式，表达各型转向架的结构特征、技术参数及差异性特征等信息；于在虚拟环境中可动态浏览转向架的三维模型，多角度解读转向架的结构及相对空间位置关系；③提供各型转向架的各级修程信息及规定要求，或以视频演示的方式表达转向架的装配流程及工艺要求；④能在虚拟平台上实现转向架的交互式拆装操作学习，可用于现场教学工作和新工作者的操作学习[2]。

3 关键技术及功能实现

3.1 三维建模技术

根据铁路货车车辆转K6型转向架的二维图纸并结合车间现有真实转向架结构形态，分析各零部件之间的几何关系和装配关系，利用SolidWorks2012三维建模软件将转K6型转向架的各零部件二维图形转化成三维模型，再对建模完成的转向架各零部件进行装配，获得转向架的装配体模型，便于后续的渲染处理和交互拆装制作。

3.2 模型环境渲染

建模完成后的转向架三维模型并不能直接用于交互性功能的实现，需要导入3ds max三维动画制作软件，对转向架三维模型进行环境灯光渲染处理。如图1所示，能够导入3ds max的文件类型有两种，分别是*.stl格式和*.wrl格式，经导入对比后发现，*.wrl格式文件导入3ds Max 7的转向架模型各零部件并没有按照原来的文件命名的，而是以字母和数字组合的方式命名，对后续交互性实现无法对应各零部件，而选择导入*.stl格式文件各零部件的格式和名称都没有变化。于是将建模好的转向架装配体模型另存为*.stl格式，并在3ds max操作界面中为模型进行材质颜色附着、创建环境灯光和设置虚拟场景背景，再经3ds max与Cult 3D的专用接口软件将渲染完成的模型输出为*.c3d格式文件。

3.3 交互功能实现

交互性功能的实现就是在虚拟仿真界面能够让转向架整体三维模型在不拆卸的情况下完成自由缩放、平移、旋转的功能，让使用者能够从多个角度查阅转向架各零部件的结构特点。如图2所示，将转向架模型的*.c3d格式文件导入Cult 3D动画制作及交互实现软件中进行交互设计，在事件规划图中会自动生成好一个逻辑事件，将“虚拟根”文件替换为左侧场景图表中的“组01”文件，并添加动作交互事件行为，再激活事件图标拽到事件规划图工作界面中与拆装工具建立关系，在动作选项卡中选择平移XYZ图标，将其拖拽到事件规划图工作界面中，将其与工具建立关系，此时要设置相对应的平移参数，最后将场景图表中的各零部件全部拖拽至工作界面并以同样的方法与工具建立对应关系，逻辑事件编辑完成后在显示窗口单击运行，可验证以上的操作，实现转向架在虚拟仿真平台可以按顺序拆卸、装配的功能，完成转向架交互性界面的制作，压缩后另存为*.co格式的文件，为下一步虚拟仿真平台的搭建提供源文件。

图1 3ds Max 7模型环境渲染

图2 Cult 3D交互功能实现

3.4 仿真平台搭建

虚拟仿真平台搭建是本论文研究的最后一步，通过操作界面的各项功能，插入文本、图像、表格、视频等相关媒体元素，对相关文本设置超级链接，完成各模块之间的转换，使平台的交互性更强。针对我段现阶段检修车间情况和现场交流学习情况，通过对比分析，将采用Microsoft office PPT作为平台设计，其可广泛适用于新工实践教学、技术员交流学习，且设计制作简单便捷，便于设计者和教员及时更新相关信息，时效性较强。该平台能够将多种媒体信息进行综合处理，建立起逻辑关系，为用户提供了拓展信息表达空间，表达转向架的技术信息、装配工艺流程、检修修程规定要求和交互式模拟操作，直观形象，利于用户理解和掌握相关信息内容。

4 结语

该平台针对我段检修车间转向架的检修工艺流程，表达了转K6型转向架的技术参数、结构特点及三维浏览、检修装配演示、各级修程信息和交互式操作。平台采用虚拟现实技术建立起一个具有现场感的转向架可视化平台，对转向架整体和各部件组成装配过程进行虚拟仿真，使得复杂的装配关系、装配顺序和装配工艺要求得以清晰的表达，为广大的货车车辆检修、运用、维护人员提供一个方便、快捷，具有真实感的可视化信息技术平台，从而帮助企业提高效率、降低成本。