呂崇偉

（神華鐵路貨車運輸有限責任公司 滄州機車車輛維修分公司，河北滄州 061199）

韶山4B型電力機車（簡稱SS4B）的機車外觀主要由結(jié)構(gòu)相似的兩節(jié)四軸電力機車構(gòu)成，在內(nèi)重聯(lián)環(huán)節(jié)連接作用下實現(xiàn)二者的相互作用，組成了八軸重載型的電力機車。在兩節(jié)機車間的聯(lián)接處安裝有中間走廊，便于機務(wù)人員的通行。SS4B型機車牽引及制動功率大，起動平穩(wěn)，加速快，工作穩(wěn)定可靠。SS4B型機車具有無極調(diào)壓及交-直流電傳動的優(yōu)勢，是我國電力機車標準化設(shè)計的集中呈現(xiàn)。

轉(zhuǎn)向架作為電力機車的核心部件之一，結(jié)構(gòu)比較復雜，技術(shù)含量高，對機車運行的平穩(wěn)性與安全性有著很大的影響，為此，需要對轉(zhuǎn)向架進行日常及周期性的檢修與維護。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)復雜，檢修工序多，對檢修維護人員的技術(shù)水平提出了更高的要求，培養(yǎng)一名技能高超的轉(zhuǎn)向架檢修人員既要有轉(zhuǎn)向架構(gòu)造、維修技術(shù)等理論知識的培訓，又要有檢修實操技能訓練，兩者缺一不可。為了適應(yīng)電力機車安全運營管理的要求，保證培訓的質(zhì)量和效率，亟需研究新的培訓模式，當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)大量應(yīng)用于培訓領(lǐng)域，具有360°立體展現(xiàn)內(nèi)外結(jié)構(gòu)、動態(tài)模擬拆裝過程、高度還原現(xiàn)實場景，能夠集成所有優(yōu)秀專家的經(jīng)驗、培訓內(nèi)容統(tǒng)一，占地小、受訓人數(shù)多、不受時空限制、可反復學習演練，操作安全，無工件輔材損耗等優(yōu)點，因此，建立一套基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的SS4B型電力機車轉(zhuǎn)向架可視化標準作業(yè)系統(tǒng)是十分必要的，是傳統(tǒng)培訓方式的顛覆性發(fā)展。

1 轉(zhuǎn)向架檢修流程分析

轉(zhuǎn)向架可視化標準作業(yè)系統(tǒng)主要是基于轉(zhuǎn)向架檢修作業(yè)操作流程，實現(xiàn)交互式、沉浸式的檢修作業(yè)培訓模式，是對紙質(zhì)檢修作業(yè)流程的高保真還原。因此，需要對目前轉(zhuǎn)向架既有的檢修修程設(shè)置、檢修工序等進行全面梳理。

SS4B型電力機車每節(jié)車有兩臺轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)復雜。按照神華鐵路貨車運輸有限責任公司滄州機車車輛維修分公司對SS4B型電力機車檢修范圍的規(guī)范要求，SS4B型電力機車的檢修分為輔修、小修、中修、大修4個修程，根據(jù)修程不同，對轉(zhuǎn)向架檢修范圍的要求也不同。大修級別最高，工藝最復雜。按照轉(zhuǎn)向架大修要求，可將轉(zhuǎn)向架修理工序拆分成如圖1所示步驟。

根據(jù)SS4B型電力機車用轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點，將轉(zhuǎn)向架檢修分為“輪對電機拆解”和“架構(gòu)部件拆解”兩部分，然后進一步分解檢修部件，針對不同的檢修部件，大體可分為拆解、清洗、探傷、檢修、裝配、試驗等檢修工序，轉(zhuǎn)向架檢修可以細分出40多個檢修工序。

2 零部件快速建模

要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架可視化標準作業(yè)系統(tǒng)的研發(fā)，建立交互式的培訓模式，需使用Maya或者3Dmax對SS4B型機車轉(zhuǎn)向架的零部件進行3D建模，建立機車轉(zhuǎn)向架模型庫，結(jié)合Unity3D引擎創(chuàng)建三維SS4B型機車轉(zhuǎn)向架虛擬可視化平臺，建立交互式檢修仿真過程，拓展對VR虛擬頭盔的支持，進行360°視角的直觀展示。

依據(jù)轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成，將其拆分為電機主動齒輪、齒輪箱裝置、軸箱裝置、構(gòu)架、制動裝置、構(gòu)架附件、空氣管路、沙箱裝置、輪緣潤滑裝置等零部件，根據(jù)零部件圖樣照片、作業(yè)指導書等資料，研究采用快速建模技術(shù)構(gòu)建SS4B型電力機車用轉(zhuǎn)向架零部件檢修的三維可視化模型、檢修工作相關(guān)資源模型，實現(xiàn)對各零部件結(jié)構(gòu)的直觀展示。

圖1 轉(zhuǎn)向架檢修工序

對于幾何形狀復雜的零部件，建模形成的虛擬對象有著大量的多邊形，這樣使得系統(tǒng)交互速度受到影響，為此，需在不失真的情況下，需要對模型進行優(yōu)化，減少模型的復雜程度，提高系統(tǒng)的運行速度。需在計算機虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的引入快速渲染技術(shù)，使大型復雜模型能在計算機上進行交互顯示。

3 可視化標準作業(yè)系統(tǒng)研發(fā)

該系統(tǒng)包括三維可視化交互式檢修仿真子系統(tǒng)、C/S模式檢修培訓和考核子系統(tǒng)。將SS4B型電力機車轉(zhuǎn)向架大修過程中標準作業(yè)內(nèi)容和檢修流程在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行仿真，生成虛擬仿真結(jié)果和檢修指導視頻，為檢修作業(yè)培訓、考核提供素材和資源并記錄考核結(jié)果。

3.1 系統(tǒng)功能

SS4B型電力機車轉(zhuǎn)向架可視化標準作業(yè)系統(tǒng)按大修修程的修理范圍將轉(zhuǎn)向架拆分成電機主動齒輪、齒輪箱裝置、軸箱裝置、構(gòu)架、基礎(chǔ)制動裝置、手動制動裝置、構(gòu)架附件裝置、空氣管路、沙箱裝置、輪緣潤滑裝置等部件，部件再細分成43個工序。通過梳理整合，將工序按19個工位來制定三維仿真視頻，如表1所示。

交互式三維仿真系統(tǒng)的研發(fā)分為場景設(shè)置和操作流程設(shè)計兩部分，下面以表1中“8-抱軸箱組裝工位”為例說明。

（1）場景設(shè)置

以車間原型為基礎(chǔ)，3D建模呈現(xiàn)三維車間環(huán)境，并劃分場景中各個功能分區(qū)，主要包含表1中19個工位場景。

場景要求：VR頭盔漫游整個車間場景，手柄可以對機械零件進行交互。

（2）操作流程與步驟（以“抱軸箱組裝工位操作”為例）

模型要求：抱軸箱體、前擋環(huán)、后擋環(huán)、前油封、后油封、銅棒。

表1 檢修工位設(shè)置

具體操作步驟：

①頭盔漫游檢查抱軸箱體和配件是否完好，將車軸立放在抱軸箱組裝支架上，加熱后擋環(huán)，油槽一面向上，將其套在車軸主輪心上，與主輪心輪轂端面密貼，用塞尺檢驗，不得貫穿。

②將后油封有端面油槽的一面向下，通過車軸套在后擋環(huán)上。轉(zhuǎn)動，無卡滯感。加熱軸承內(nèi)圈，待冷卻后，軌道均勻涂抹指定的潤滑脂。

③抱軸箱體孔端向上，將軸承外圈敲入抱軸箱體。將抱軸箱體翻轉(zhuǎn)180°，放在干凈的包裝紙上，將軸承座敲入抱軸箱體孔內(nèi)，并在軸承座與抱軸箱體中間放3個工藝墊。

④將抱軸箱體吊起，套在車軸上。用插銷使抱軸箱體上的排油孔對準后油封上的橢圓排油孔。將螺釘對稱擰緊，連接抱軸箱體與后油封，使兩者貼緊。轉(zhuǎn)動抱軸箱體，應(yīng)靈活、無卡滯感。

⑤加熱前擋環(huán)，溫度140～150 ℃，有端面油槽的一端向下，將其套在車軸軸承座上。取下3個工藝墊。待冷卻后，將輪對吊至存放工裝上，無齒輪側(cè)用支架支撐、平放。

3.2 系統(tǒng)研發(fā)過程及效果

系統(tǒng)將每個工序按作業(yè)指導書的步驟制作三維仿真模型，配合交互設(shè)計，將作業(yè)步驟和標準融入交互動作中。由于工序眾多，以“主動齒輪解體”工序為例說明系統(tǒng)功能的實現(xiàn)過程。

3.2.1作業(yè)流程（如圖2所示）

圖2 作業(yè)流程圖

3.2.1.1開工準備

（1）作業(yè)人員要求（如圖3所示）

圖3 員工著裝

①必須經(jīng)培訓考試合格、持有上崗證并具有本設(shè)備操作資格方可進行本工位工作。

②員工作業(yè)時標準著裝，避免人身傷害，班組長班前會檢查組員精神狀態(tài)，嚴禁酒后作業(yè)，帶病作業(yè)，疲勞生產(chǎn)。

③本工序作業(yè)必須由1名及以上員工共同完成。

（2）工具器具及物料要求（如圖4所示）

圖4 工具器具示意圖

①了解各項工具的特點并且正確使用。

②使用前，必須檢查各項工具是否有損壞，并保持工具清潔。

③作業(yè)前檢查起重設(shè)備及吊索具在檢定期內(nèi)。

④起重設(shè)備及吊索具的額定起重量符合作業(yè)要求。

⑤手錘的木柄無裂縫、毛刺等，錘頭與木柄連接牢靠、堅固。

3.2.1.2擋板拆解（如圖5所示）

用手錘、扁鏨、風動扳手將電機軸頭擋板的止動墊片、緊固螺栓拆除，取出主動齒輪擋板。

圖5 擋板拆解示意

3.2.1.3主動齒輪拆解（如圖6所示）

找到注油孔（螺孔口有倒角），清除孔內(nèi)雜物將黃油注滿后，用M20×90螺栓一條，薄布條密封螺紋擰入注油孔后，加擋板防護，擋板與主動齒輪留3 mm左右間隙；用風動扳手快速旋入注油螺栓使主動齒輪退出。拆下的主動齒輪擺好待運至報廢區(qū)。

①退主動齒輪前必須用螺栓將擋板連接在電機軸頭上，防止齒輪退出時傷人。

②主動齒輪退出后，需將電機軸頭進行防護，防止磕碰傷。

③油脂一次性注滿。

3.2.1.4電機軸頭防護（如圖7所示）

①檢查軸頭有無損傷痕跡（劃痕、碰傷、點蝕等）。將擋板重新安裝在電機軸頭上。

②將電機軸包扎防護，以防電機軸磕碰傷。將防護好的電機擺放好，待轉(zhuǎn)運至電機工部。

③擋板裝上，間距保證在3 mm左右。擋板間隙過大，造成反彈磕碰，傷及電機軸錐面；過小，沒有完全退出。

圖6 主動齒輪拆解

圖7 電機軸頭防護

3.2.1.5收尾（如圖8所示）

①將工、量、器具等恢復，按定置管理要求放入工具柜及指定區(qū)域。

②關(guān)閉風源。

③清掃現(xiàn)場，達到整潔、干凈的要求。

圖8 收尾

3.2.2建立三維場景和機械設(shè)備模型

利用圖紙和現(xiàn)場拍攝的照片，利用3Dmax對主動齒輪進行3D建模（如圖9～圖10所示）。

3.2.3步驟引導提示

將作業(yè)步驟加入到3D視頻中，利用頭盔顯示器和手柄與系統(tǒng)進行交互操作，并將作業(yè)要點提示到操作中（如圖11所示）。

圖9 車間三維場景

圖10 主動齒輪3D模型

圖11 步驟引導

圖12 三維場景中零部件交互設(shè)計

3.2.4交互設(shè)計（如圖12所示）

按照轉(zhuǎn)向架檢修作業(yè)指導書的操作步驟，在三維場景中對零部件進行交互設(shè)計。

4 結(jié)束語

SS4B型電力機車轉(zhuǎn)向架可視化標準作業(yè)系統(tǒng)打破了單一、枯燥、學員接受度不高的傳統(tǒng)培訓模式，構(gòu)建了交互式、沉浸式、可視化培訓新模式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修作業(yè)流程的逼真模擬，提升了培訓的效率和靈活性。同時，系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，可擴展應(yīng)用至車輛檢修、工裝設(shè)備檢修等領(lǐng)域，是落實作業(yè)標準規(guī)程，促進技術(shù)工人實操熟練度和技能水平的重要培訓手段。