DK-2型制动机仿真教学系统应用研究

汪发现

（北京北九方轨道交通科技有限公司，北京 100036）

DK-2 型机车制动机（以下简称DK-2 型制动机）是电力机车的重要组成部分，机车乘务员和检修人员必须要判断精准、操控正确才能保障安全运行。这些操作和判断是对相关人员技术知识掌握程度的考验，相关人员对制动机越熟悉，越有利于保障行车的安全。由于DK-2 型制动机结构和控制逻辑比较复杂，而平时学习只能通过PPT 和相关文档学习，学习内容抽象且难以理解，因此十分必要研究一套DK-2 制动机模拟仿真教学系统（以下简称教学系统）。

本教学系统是以DK-2 型制动机、仿真模块和软件系统等联动于一体的教学系统。软件可在Windows XP、Vista、Windows7 环境下运行，动画以Photoshop、3Dmax、Flash 和Premiere 互补方式进行制作，以实现DK-2 型制动机原理展示，并通过AS3 实现交互式练习。

1 系统功能

本教学系统主要是让机车乘务员及检修人员能直观、快速地掌握DK-2 型制动机的知识。通过实际操控后直接而形象的观察、体会、学习DK-2 型制动机所有相关知识，包含以下主要内容。

①制动机风源系统、管路系统及电路系统的工作原理和运转状态。②制动机中主要阀体的工作原理及工作状态。③模拟机车驾驶五步闸、八步闸操作下的仪表数据、制动柜工作状态。④制动系统各种故障情况及紧急处理方法。⑤制动机的故障模拟演练指导、相关知识测试、测试评价等。

同时，教学系统配以多媒体软件的辅助教学，可以大幅提高DK-2 制动教学效率和效果。

学员可通过操作台制动手柄进行操作练习。教学系统的电路和气路图能按照实际的情况实时改变，不同的管路通过不同颜色表示，管路压力大小通过颜色深浅变化和数字显示，阀的动作、电路导通状态等所有的变化与DK-2 型制动机运转真实情况一致。

2 系统结构组成

本教学系统由硬件和软件2 部分组成，其系统结构组成如图1所示。

图1 系统结构组成

2.1 系统硬件组成

本教学系统的系统硬件由综合仿真实训操作台、DK-2 制动柜、示教板模块、控制柜、故障设置柜、教员机、学员机、投影幕及风源组成，如图2所示。

图2 系统硬件布局图

综合仿真实训操纵台的硬件位置布置与机车司机室内司机台布局一致，且对应设备具有相同的功能与控制逻辑。学员可以通过操作综合仿真实训操纵台上的制动手柄进行制动机控制。可按照标准步骤进行操作练习，实训平台应与实物操作及操作反馈一致。同时也可通过操作综合仿真实训操纵台上的制动手柄与示教板联动，在示教板模块上通过LED 彩色灯显示电路、气路动作情况。中继阀、分配阀等阀体采用局部半剖模型，阀体内鞲鞴等部件会根据气路情况进行动作。

示教板模块可以直观地演示DK-2 型电空制动机电路、气路及阀件的综合作用原理。模块上LED 灯光步进演示，速度可调，并配备语音解说。同时示教板模块也可单独自动顺序播放或循环播放各操作动作情况，能够实现DK-2 型电空制动机综合作用各阀类动作和电路、气路动作的动态演示。

控制电路上设有电路通断开关，每种管路和风缸各引出一个塞门。开关和塞门用于故障设置，方便人为设置故障进行模拟教学演练（如得失电状态、漏风或窜风等），学员实训过程中可根据所设置的故障现象，分析问题、查找问题并解决问题，从而提高对DK-2 型制动机相关知识的理解和掌握。

2.2 系统软件组成

本教学系统的软件组成包含8 个模块，分别为电气路原理动态显示模块、结构原理仿真模块、仿真试验模块、声音仿真模块、故障模拟模块、情景化专家引导模块、自动判分与考试模块及教员监控与管理模块。

每个模块可独立运行，以方便使用。软件系统配有加密锁软件，为了保密限制和安全，在运行各模块前需先运行加密锁软件。

2.2.1 电气路原理动态显示模块

学员在操作仿真平台上的制动控制器时，显示屏上原理图的动作同实物动作一致。由于原理图复杂，电气路原理设置在同一画面内，便于直观清晰地观察电路得电状态、开关等设备的通断动作情况及气体在管路和阀体内的动作过程。

电路原理以红色标示的方式在原理图画面上显示电路的得电情况，以白色标示显示电路的失电情况。管路压力以颜色深浅表示，同时配有数字显示压力。画面采用智能、动态、矢量化显示技术，可对原理图画面进行任意的放大、缩小和平移操作，不会出现画面失真。

2.2.2 结构原理仿真模块

DK-2 型电空制动机结构原理仿真模块采用多媒体播放形式，对综合动作原理及各种工况下电空制动控制器、空气控制阀、中继阀、分配阀、电空阀、电动放风阀和紧急阀等结构原理进行分析，旋转、拆分结构动画，各位置工作原理同步语音及文字解说，以及气体根据位置变化在阀内三维动态流动，如图3所示。

图3 中继阀结构原理以及动作原理仿真示意图

2.2.3 仿真试验模块

学员在操控硬件的同时，软件图像全过程以动画形式展示DK-2 型制动机的试验方法和规则，同步配有语音及文字解说，使得硬件试验过程和软件显示过程进行同步教学反馈，如图4所示。

图4 制动机五步闸试验仿真示意图

2.2.4 声音仿真系统

声音仿真系统能够逼真地模拟制动过程中的声音环境，使学员从既具有视觉又具有听觉的环境中获得更真实的效果体验，从而增强沉浸感和交互性。

声音仿真系统可让学员在操作设备时听到的设备工作声及各种环境声，如：充风声音、排风声音和扳键开关声音等。

2.2.5 故障模拟系统

由于平常学习和技能训练时模拟故障需扣车，在机车上模拟操作，同时有些故障条件因素等影响，无法模拟。

DK-2 型制动系统在结构、性能及操作方法等方面不尽相同，造成故障的原因也较为复杂，为了能让学员模拟操作时设置一些DK-2 型制动机的常见故障，甚至可以设置受特定条件限制才能出现或不常出现的特殊故障。一般可分为控制电路、阀类部件、管路及连接部分和操作不当这4 个方面的故障。

（1）控制电路故障。DK-2 型机车制动系统的操纵与转换控制一般采用DC110V 电控方式，因此常出现一些控制电路故障。例如：接线头、插座、插头的虚接和电子元件的虚焊会造成控制功能的错误，而开关接点不良，电空阀线圈断路和控制导线的短路、接地等会造成执行部件不动作。对这些容易发生的故障，会针对教学部分在电路上增加的故障开关，3 个状态位置，正常位、故障1 位、故障2 位。正常位是电路在得失电时的正确状态位置；故障1 位是在电路正常得电时断开电路，即线圈断路、开关接点不良或虚接状态；故障2 位是电路在不应得电时，确得电导通。见表1，可以通过不同类型故障现象情况，让学员判断教员进行了何种故障设置，很多故障设置可以根据实际车况给予重点故障现象的模拟教学，从而具备更加针对性的强化训练。

（2）阀类部件故障。阀类部件故障在DK-2 型机车制动系统中，也比较常见，大多体现在阀类部件的滑动件上。比如：阀体内缺少润滑油脂，分配阀上的各种鞲鞴、滑阀和节制阀会出现卡滞，导致气路不畅；还有诸如弹簧件因动作频繁而失效的问题、橡胶件老化出现龟裂导致漏风问题等都是阀类部件的主要故障。这类故障在教学模拟中一般会采用故障阀类替换下正产的阀件，从而让学员去分辨问题阀件。

（3）管路及连接部分故障。这类故障现象一般易于发现，主要表现在堵塞和泄漏，也有部分现象属于阀座内部暗孔内泄引起的窜风故障。例如：管道内部混合的机械杂质会在管道弯曲部分或变径处造成堵塞，而管接头和部件安装面由于橡胶件的老化问题，则常会发生泄漏现象。这类泄露的故障一般情况会比较好辨识，通过听声音、抹泡沫水的形式一般可以查询到泄露点，而堵塞的故障一般会通过气路现象分析和更换相关部件来确认故障点的方法。

（4）操纵不当造成的故障。DK-2 型制动机涉及到的阀类部件比较复杂，且种类繁多，如果违反了操作规程或操作不当，极易造成故障。例如：塞门开闭不对，重联位置没有复位，非操作端大小闸的手柄位置措置，后备制动塞门位置错误等，都将会导致制动系统无法正常工作。像表1中提及的B01—B03 故障均是对塞门的开断进行了故障设置，从而加深学员对塞门开断故障的理解。

表1 故障设置列表

学员在实训过程中，同时打开故障开关后，会触发电路或气路发生变化，制动柜上压力变送器检测到的信息上传到制动显示屏，并报故障码，以便当学员无法处理故障时，可以提供在线帮助。在线帮助会给出故障原因的多种可能性和相应处理方法。故障模拟系统可高效地提升学员处理故障的能力，同时积累丰富的故障应急处理经验。

故障模拟系统有3 种模式：教学模式、练习模式和考试模式。针对不同需求可以选择相应的模式。

教学模式可以让学员对各类故障进行学习熟悉；练习模式可让学员对知识掌握情况进行测试；考试模式可让教员预先设置故障情景条件，让学员在规定的时间内排除故障点，系统自动进行实时记录，并进行自动智能评分。

2.2.6 情景化专家引导系统

情景化专家引导系统采用“专家引导，学员跟随”的方式进行情景化实训教学。

一般情况下，当进入预设的实训情景后，系统会以引导的方式给出每一步的操作提示，主要包括设备具体位置、操作方法及应产生的现象和结果等。学员根据提示进行演练，当前操作步骤完成后，自动给出操作结果信息提示：已完成或执行错误。

情景化专家引导系统提供练习和考核2 种模式，在考核模式下，可以实现学员操作自动评分。

2.2.7 自动判分系统及出题考试系统

考试系统的出题可分为真实故障假设和模拟故障假设2 种方式，当学员开始进入考试时，计算机辅助系统会进行实时记录并进行自动智能判分。学员每完成一次任务，自动判分系统会形成成绩记录单，教员和学员可以即时看到成绩，同时能通过查询，非常清楚地判断学员存在的具体问题，并对学员进行指导，强化学员的记忆，提高学员的知识效率。

系统同时配有实时摄像功能、学员考试题库，可以对考试学员进行监控，同时可以在教师培训完毕之后对学员进行局域网络模拟考试及评分。

2.2.8 教员监控与管理系统

教员终端设备由一台计算机、多台显示器组成。教员可通过此对所有受训学员进行统一管理，监控学员终端状态，同时也可对学员档案信息和成绩进行管理。

3 系统的技术难点

通过对制动手柄在各位置时的微动开关的状态信号进行采集，采集信号通过数据运算和数据分析，输出信号指令，从而驱动计算机播放对应的动画。电路和气路动作原理按照实际的情况实时改变，并标以不同颜色，表示不同的管路、阀的动作及电路导通状态。

通过故障设置，各管路的压力信号或者控制电路信号可以传送到操作台上的制动显示屏上，从而可以实时显示各种故障的故障代码。

模拟操作五步闸或八步闸试验时，可以对失误或不正确的操作进行语音提示。

由于机车实际管路长度和教学系统管路长度不一致，需在教学系统管路上配制具有一定容积的风缸以达到与实际管路同样的效果。风缸的容积通过试验数据分析处理获得，并通过多次反复测试，使仿真效果与实际运用情景保持一致。

4 结束语

机车制动机作为机车安全行驶的红线，近几年得到各铁路院校和铁路局越来越多的重视，而对于国产化领军的DK-2 型制动机技术机车装车率逐步提高，越来越多的客户希望得到更加立体直观的教学内容用于培训学员，因此，结合2017年在朔黄铁路实施的DK-1G 型和DK-2 型制动机实物教学试验台的基础上，经过深入客户调研，针对于DK-2 型制动机仿真教学进行了大量的优化升级，并成功应用于铁路院校及机务段的制动教学。

本教学系统的应用大幅提升了学员的积极性，受训人员的技能水平有了明显提高，达到本教学系统应用的预期效果，同时也有效地助力了机车行车安全。