董雅宏，辛俊勝，商躍進

（蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

油壓減振器是轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)的重要組成部分，對調(diào)節(jié)和衰減走行部與車體之間的振動，改善鐵路客車運行品質(zhì)，提高旅客乘坐舒適度起著至關(guān)重要的作用[1]，因此在列車運行中需要對油壓減振器進行日常及周期性的檢修與維護。截至2018年底中國高速鐵路運營里程已達到2.9萬km,形成四縱四橫的運行網(wǎng)絡(luò)，高速動車組每天開行3000列，需大批高素質(zhì)的動車組運用與檢修技術(shù)人才[2-3]。由于真實實驗平臺設(shè)備價格昂貴且不易進行極端條件的實驗，開發(fā)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源勢在必行。

開發(fā)機車油壓減振器虛擬仿真檢修試驗系統(tǒng)，使學(xué)生能夠在短時間內(nèi)認識油壓減振器的結(jié)構(gòu)特征并掌握其檢修工藝流程，促進車輛工程類專業(yè)實驗教學(xué)資源的拓展和培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

1 油壓減振器虛擬仿真實驗的必要性

通過一些課本教學(xué)和油壓減振器實驗教學(xué)存在一些局限性，使教學(xué)的效果不甚理想：

1）油壓減振器實體教學(xué)效率低。若通過油壓減振器實體進行教學(xué)，受設(shè)備數(shù)量限制，單次受訓(xùn)學(xué)生不超過5人/臺，實驗效率很低。又由于油壓減振器各零部件之間配合精度較高，不易進行反復(fù)拆裝訓(xùn)練。通過油壓減振器虛擬仿真系統(tǒng)，可以突破受時間和空間的限制，進行大批量學(xué)生的教學(xué)，教學(xué)效率大幅增高。

2）油壓減振器實體教學(xué)不能模擬異常工況。油壓減振器在實際工作中可能會出現(xiàn)連接問題、漏油問題、阻尼異常工況，異常工況雖然較少見，但在實際教學(xué)中要求學(xué)生掌握。在油壓減振器實體教學(xué)中很難模擬異常工況。但通過虛擬仿真可以再現(xiàn)油壓減振器檢修過程中各類失效工況，相比傳統(tǒng)教學(xué)方法優(yōu)勢明顯。

由此可見，借助虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)油壓減振器構(gòu)造與性能檢測仿真的實驗教學(xué)，是很好的實驗教學(xué)方式。擬解決目前液壓減振器實驗項目中存在的項目單一、實驗內(nèi)容單一、實驗手段落后、實驗?zāi)繕?biāo)不明確、評價方法不能滿足工程教育專業(yè)認證達成度評價要求的問題。

2 系統(tǒng)的主要內(nèi)容

本系統(tǒng)的開發(fā)原則是滿足油壓減振器構(gòu)造與性能測試仿真實驗教學(xué)，因此系統(tǒng)具體的開發(fā)內(nèi)容主要包括技術(shù)說明、虛擬拆裝、實物拆裝、性能參數(shù)測試、仿真測試和設(shè)計5大模塊。

2.1 技術(shù)說明模塊

技術(shù)說明模塊主要內(nèi)容是油壓減振器的工作原理，檢修方式及內(nèi)容。為了讓學(xué)生通過不同方式準(zhǔn)確高效地掌握相應(yīng)模塊的內(nèi)容，將該模塊分為以下三個小模塊：液壓減振器的構(gòu)造與原理、檢修工藝、檢修內(nèi)容及要求。下面一一說明不同模塊的主要內(nèi)容及實現(xiàn)的學(xué)習(xí)方法。

2.1.1 構(gòu)造與原理

油壓減振器的構(gòu)造與原理是實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)最基本的內(nèi)容，也是比較抽象難以理解的一部分,其主要包括油壓減振器的分類、組成的各零部件以及幾種工況的工作原理[4]，如圖1，2所示。通過對油壓減振器的縮微模型進行結(jié)構(gòu)上、設(shè)計上多視圖的解剖，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提高教學(xué)效率。在此系統(tǒng)中該模塊通過圖片、PPT、視頻動畫三種不同的方法展示該部分的主要內(nèi)容，圖片包括油壓減振器的三維模型、工程圖紙、各零部件模型；PPT主要將課本中的文字部分精簡其重要部分；視頻動畫主要展示油壓減振器的工作原理。

圖1 油壓減振器工作原理

圖2 油壓減振器組成

2.1.2 檢修工藝

油壓減振器是轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)的重要部件,對提高車輛運行平穩(wěn)性、乘坐舒適性、安全性起到重要的作用。為了能夠更好地對油壓減振器進行維修、試驗,研制了動車組油壓減振器檢修線。油壓減振器檢修線主要包括分解、清洗、探傷/檢測、組裝、實驗、噴漆、標(biāo)識7個工序[5]，每個工序之間通過自動傳輸線連接，檢修過程中無需人員進行零部件的搬運，節(jié)省了人力，提高了勞動效率。如圖3所示。

圖3 動車組油壓減振器檢修流程

2.1.3 檢修內(nèi)容及要求

該子模塊的主要任務(wù)是讓學(xué)生了解油壓減振器常見的幾種故障及檢修方式，即連接問題、漏油問題、阻尼異常問題[6]。如圖4所示。通過PPT、視頻動畫的方式讓學(xué)生掌握油壓減振器出現(xiàn)故障的原因、故障的檢測和檢修的方式與要求。

圖4 油壓減振器漏油故障

2.2 虛擬拆裝模塊

虛擬拆裝模塊是為了讓學(xué)生更深層次的了解油壓減振器的構(gòu)造、各零部件的裝配關(guān)系及檢修時拆裝的順序。通過操作3D油壓減振器的方式來模擬設(shè)備的分解和組合，同時還配有油壓減振器的圖片、拆裝視頻動畫。其中圖片包括油壓減振器在SolidWorks軟件中完成的各零部件模型、工程圖；視頻動畫主要是在SolidWorks軟件中完成油壓減振器的實體裝配和拆卸的爆炸視頻。如圖5，6所示。

圖5 油壓減振器工程圖

圖6 油壓減振器裝配圖

2.3 實物拆裝模塊

通過以上幾個模塊的學(xué)習(xí)，對油壓減振器的構(gòu)造與拆裝順序有了基本了解。實物拆裝模塊主要目的是通過視頻動畫的方式讓學(xué)生掌握根據(jù)工藝卡片檢修油壓減振器的流程，包括拆裝所需的儀器、拆裝順序、故障檢修的方法等。如圖7所示。

圖7 油壓減振器實物拆裝視頻

2.4 性能參數(shù)測試模塊

性能參數(shù)測試是新造或檢修后油壓減振器的性能試驗，也是鞏固所學(xué)理論知識、培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力的最好方法。該模塊的主要目的就是讓學(xué)生了解油壓減振器試驗臺的構(gòu)造，掌握油壓減振器試驗臺的基本操作、油壓減振器拉壓行程的特性和測定阻力系數(shù)，主要通過視頻的方式展現(xiàn)。如圖8所示。

圖8 油壓減振器性能檢測報告

2.5 仿真測試與設(shè)計模塊

該模塊包括油壓減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真測試兩個部分，分別利用現(xiàn)代工具進行零件結(jié)構(gòu)和裝配性能仿真設(shè)計。仿真測試部分利用過Excel、SolidWorks、MATLAB軟件進行油壓減振器性能仿真測試，能直觀地展現(xiàn)出各個關(guān)鍵參數(shù)對其性能的影響程度，為設(shè)計部分提供依據(jù)。設(shè)計部分主要有阻尼形式的選擇、阻尼率的計算、結(jié)構(gòu)尺寸的確定、端部連接選型四個方面。通過該模塊也讓學(xué)生掌握專業(yè)課程的基本概念和理論。如圖9所示。

圖9 油壓減振器運動仿真曲線

3 結(jié)語

針對目前軌道交通車輛虛擬仿真實驗教學(xué)資源相對匱乏的情況，本文開發(fā)了一套適用于油壓減振器構(gòu)造與性能測試仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

1）激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力。學(xué)生可以隨時隨地進入系統(tǒng)學(xué)習(xí)，不僅可以在課堂上進行練習(xí)，還可以利用課后時間進行虛擬仿真檢修訓(xùn)練。

2）提高了教學(xué)效率。虛擬檢修實驗系統(tǒng)開放共享的特點，使單一實驗項目的實驗時間由原來的12減至2h；同時實驗人數(shù)由實體設(shè)備實驗的5人／臺提升至在線實驗的數(shù)百人。

3）降低了實驗成本。實驗實體教學(xué)需要采購大量油壓減振器與試驗臺，耗資巨大，而通過虛擬仿真系統(tǒng)進行自主實驗教學(xué)，所需成本只需幾萬元。