CRH5动车组转向架仿真系统设计与实现

摘 要： 动车组转向架结构的复杂性，使得传统的培训模式已不能满足检修人员短时间内快速掌握检修技能的要求。针对CRH5动车组转向架的结构特点和功能，采用虚拟现实、多媒体和仿真技术，设计实现了动车组转向架虚拟仿真系统，可以清晰地表达转向架的技术信息、结构特点、安装顺序以及工艺要求等。详细介绍了该系统设计实现的关键技术和方法。实际应用表明，该系统不仅为动车组转向架的维护和人员培训提供了一个可视化的多媒体信息平台，也为其他场合的交流提供了直观的沟通方式。

关键词： CRH5动车组;转向架;虚拟现实;仿真;培训;检修;VRML

转向架是高速动车组的核心部件之一，对车辆的运行平稳性及安全性影响很大，在列车运营中需要对转向架进行日常及周期性的检修与维护，以确保列车行驶安全。CRH5动车组是目前我国列车运营的主要车型，承载着大量的旅客运输任务。随着运输量的增加，转向架的维护检修工作量及检修人员的培训需求也随之增加。由于转向架结构复杂，依靠传统方法很难在短时间内让检修人员快速掌握检修技能，同时在检修维护过程中也需要相应的技术手段来帮助随时查看技术资料。

对检修维护人员培训的传统方法多采用幻灯片、挂图授课和师徒传授等方式，被培训者难以在短时间内快速对转向架的结构特征形成感观认识，掌握复杂的装配关系，而且成本高、效率低。近年来广泛应用的计算机虚拟现实技术[1]能够支持一种新的培训模式，可以改变传统培训模式缺乏直观的信息呈现手段的状况，创建逼真形象的产品装配仿真环境，使被培训者在虚拟环境中以交互方式了解产品的结构和装配过程，这有助于快速理解和认知产品，既提高了培训效率，也降低了成本。笔者在分析CRH5动车组转向架的结构和功能特点的基础上，综合利用虚拟现实、多媒体和仿真技术的优势，设计实现了动车组转向架虚拟仿真[2]系统，它可以全方位地形象呈现转向架的技术信息、结构特点、装配顺序以及工艺要求。在这个可视化的多媒体信息平台上，可以更高效地进行动车组转向架的人员培训，支持检修维护工作中的技术资料动态查询，还可以为相关人员在其他场合的交流提供直观的沟通方式。本文将从系统结构及功能、设计工具和关键技术等几个方面详细介绍虚拟仿真系统的设计实现。

1 转向架结构特点及功能

CRH5动车组采用动力分布式设计，其CW250型转向架包括动力转向架和非动力转向架。每列8节车编组， 5节动车、3节拖车，最高运营时速为250 km/h。动力转向架和非动力转向架的主要区别为：

动力转向架：(1)有1根动力轴和1根非动力轴;(2)动力轴上装有2个制动轴盘和1组齿轮箱;(3)非动力轴上装有3个制动轴盘。

非动力转向架：(1)有2根非动力轴;(2)非动力轴上各装有3个制动轴盘。

转向架主要由构架、轮对、牵引装置、传动装置、一系悬挂、二系悬挂、制动装置、辅助装置、管路布置等组成。其中：牵引装置采用“Z”字形双牵引，传递牵引力和制动力;传动装置由齿轮箱、万向轴、安全装置和体悬式电机组成;一系悬挂采用双拉杆轴箱定位方式;二系悬挂主要由枕梁、空气弹簧、抗侧滚扭杆、横向减振器、垂向减振器、抗蛇行减振器等组成;制动装置采用轴盘制动方式;辅助装置包括轮缘润滑和撒砂等装置，轮缘润滑用于改善轮轨之间的润滑性能，撒砂装置用于增大轮轨之间的摩擦力。

2 系统结构及功能

(1)系统结构

CRH5转向架的零部件数量多，结构也比较复杂，根据其结构特点和功能，系统由7个模块组成：总体概述、构架组成、制动系统、轮对组成、一系悬挂、二系悬挂、总体装配。除了总体概述模块，其余6个模块还分别包括结构介绍和装配演示子模块。

(2)系统功能

系统采用虚拟现实、多媒体和仿真技术，提供以文本、图形和图像等多媒体方式表达的转向架技术信息、结构特点和组成;提供的人机交互方式，使用户通过仿真动画演示，浏览转向架各大部件和总体的装配过程，快速查询转向架的相关信息。

系统界面与模块功能如图1所示，其中构架组成、制动系统、轮对组成、一系悬挂、二系悬挂和总体装配6个模块的结构分别介绍相应大部件的组成，它们的装配演示子模块则分别演示各大部件和总体转向架的虚拟装配仿真过程，并配以文字信息表达零部件名称、安装技术信息以及工艺要求。总体概述模块如图2，二系悬挂组成图如图3所示，图4为二系悬挂摇枕装配过程。

3 系统关键技术与实现

3.1 系统实现工具

(1)系统集成工具

Authorware 是面向对象的多媒体开发工具，以图标为基础，通过流程线来建立各图标的逻辑结构，还提供了函数、变量和交互等功能，其图形化的程序结构清晰、简捷，便于调试，本系统采用该软件作为系统集成实现工具。

(2)仿真动画制作工具

VRML是一种具有沉浸感、交互性的虚拟现实建模语言[3]，占据存储空间很小，它与CATIA和Pro/E等三维软件具有标准接口，还提供了动画插补器节点，可以实现虚拟场景的动画效果。Cosmo Worlds则是针对VRML开发的可视化编辑器，尤其对于动画制作提供了非常直观的平台，运行快捷，所见即所得。系统采用该软件实现转向架的虚拟装配过程仿真。

(3)多媒体制作工具

系统利用图像处理软件Photoshop制作文字信息以表达零部件的名称、安装技术信息和工艺要求，利用Premiere视频编辑软件进行仿真动画的后期制作。

3.2 虚拟装配技术

系统采用虚拟装配技术[4]，通过创建三维模型、模型格式转换、装配顺序和路径规划以及制作仿真动画几个步骤，实现转向架的构架、轮对、一系悬挂和二系悬挂等大部件以及总体装配过程的仿真。使用户可以快速建立对转向架结构特征的感观认识，有助于理解和掌握转向架的复杂结构和装配关系。

3.2.1 坐标变换及模型格式转换