摘 要： 動車組轉向架結構的復雜性，使得傳統(tǒng)的培訓模式已不能滿足檢修人員短時間內(nèi)快速掌握檢修技能的要求。針對CRH5動車組轉向架的結構特點和功能，采用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術，設計實現(xiàn)了動車組轉向架虛擬仿真系統(tǒng)，可以清晰地表達轉向架的技術信息、結構特點、安裝順序以及工藝要求等。詳細介紹了該系統(tǒng)設計實現(xiàn)的關鍵技術和方法。實際應用表明，該系統(tǒng)不僅為動車組轉向架的維護和人員培訓提供了一個可視化的多媒體信息平臺，也為其他場合的交流提供了直觀的溝通方式。

關鍵詞： CRH5動車組;轉向架;虛擬現(xiàn)實;仿真;培訓;檢修;VRML

轉向架是高速動車組的核心部件之一，對車輛的運行平穩(wěn)性及安全性影響很大，在列車運營中需要對轉向架進行日常及周期性的檢修與維護，以確保列車行駛安全。CRH5動車組是目前我國列車運營的主要車型，承載著大量的旅客運輸任務。隨著運輸量的增加，轉向架的維護檢修工作量及檢修人員的培訓需求也隨之增加。由于轉向架結構復雜，依靠傳統(tǒng)方法很難在短時間內(nèi)讓檢修人員快速掌握檢修技能，同時在檢修維護過程中也需要相應的技術手段來幫助隨時查看技術資料。

對檢修維護人員培訓的傳統(tǒng)方法多采用幻燈片、掛圖授課和師徒傳授等方式，被培訓者難以在短時間內(nèi)快速對轉向架的結構特征形成感觀認識，掌握復雜的裝配關系，而且成本高、效率低。近年來廣泛應用的計算機虛擬現(xiàn)實技術[1]能夠支持一種新的培訓模式，可以改變傳統(tǒng)培訓模式缺乏直觀的信息呈現(xiàn)手段的狀況，創(chuàng)建逼真形象的產(chǎn)品裝配仿真環(huán)境，使被培訓者在虛擬環(huán)境中以交互方式了解產(chǎn)品的結構和裝配過程，這有助于快速理解和認知產(chǎn)品，既提高了培訓效率，也降低了成本。筆者在分析CRH5動車組轉向架的結構和功能特點的基礎上，綜合利用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術的優(yōu)勢，設計實現(xiàn)了動車組轉向架虛擬仿真[2]系統(tǒng)，它可以全方位地形象呈現(xiàn)轉向架的技術信息、結構特點、裝配順序以及工藝要求。在這個可視化的多媒體信息平臺上，可以更高效地進行動車組轉向架的人員培訓，支持檢修維護工作中的技術資料動態(tài)查詢，還可以為相關人員在其他場合的交流提供直觀的溝通方式。本文將從系統(tǒng)結構及功能、設計工具和關鍵技術等幾個方面詳細介紹虛擬仿真系統(tǒng)的設計實現(xiàn)。

1 轉向架結構特點及功能

CRH5動車組采用動力分布式設計，其CW250型轉向架包括動力轉向架和非動力轉向架。每列8節(jié)車編組， 5節(jié)動車、3節(jié)拖車，最高運營時速為250 km/h。動力轉向架和非動力轉向架的主要區(qū)別為：

動力轉向架：(1)有1根動力軸和1根非動力軸;(2)動力軸上裝有2個制動軸盤和1組齒輪箱;(3)非動力軸上裝有3個制動軸盤。

非動力轉向架：(1)有2根非動力軸;(2)非動力軸上各裝有3個制動軸盤。

轉向架主要由構架、輪對、牽引裝置、傳動裝置、一系懸掛、二系懸掛、制動裝置、輔助裝置、管路布置等組成。其中：牽引裝置采用“Z”字形雙牽引，傳遞牽引力和制動力;傳動裝置由齒輪箱、萬向軸、安全裝置和體懸式電機組成;一系懸掛采用雙拉桿軸箱定位方式;二系懸掛主要由枕梁、空氣彈簧、抗側滾扭桿、橫向減振器、垂向減振器、抗蛇行減振器等組成;制動裝置采用軸盤制動方式;輔助裝置包括輪緣潤滑和撒砂等裝置，輪緣潤滑用于改善輪軌之間的潤滑性能，撒砂裝置用于增大輪軌之間的摩擦力。

2 系統(tǒng)結構及功能

(1)系統(tǒng)結構

CRH5轉向架的零部件數(shù)量多，結構也比較復雜，根據(jù)其結構特點和功能，系統(tǒng)由7個模塊組成：總體概述、構架組成、制動系統(tǒng)、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛、總體裝配。除了總體概述模塊，其余6個模塊還分別包括結構介紹和裝配演示子模塊。

(2)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術，提供以文本、圖形和圖像等多媒體方式表達的轉向架技術信息、結構特點和組成;提供的人機交互方式，使用戶通過仿真動畫演示，瀏覽轉向架各大部件和總體的裝配過程，快速查詢轉向架的相關信息。

系統(tǒng)界面與模塊功能如圖1所示，其中構架組成、制動系統(tǒng)、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛和總體裝配6個模塊的結構分別介紹相應大部件的組成，它們的裝配演示子模塊則分別演示各大部件和總體轉向架的虛擬裝配仿真過程，并配以文字信息表達零部件名稱、安裝技術信息以及工藝要求?？傮w概述模塊如圖2，二系懸掛組成圖如圖3所示，圖4為二系懸掛搖枕裝配過程。

3 系統(tǒng)關鍵技術與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)工具

(1)系統(tǒng)集成工具

Authorware 是面向?qū)ο蟮亩嗝襟w開發(fā)工具，以圖標為基礎，通過流程線來建立各圖標的邏輯結構，還提供了函數(shù)、變量和交互等功能，其圖形化的程序結構清晰、簡捷，便于調(diào)試，本系統(tǒng)采用該軟件作為系統(tǒng)集成實現(xiàn)工具。

(2)仿真動畫制作工具

VRML是一種具有沉浸感、交互性的虛擬現(xiàn)實建模語言[3]，占據(jù)存儲空間很小，它與CATIA和Pro/E等三維軟件具有標準接口，還提供了動畫插補器節(jié)點，可以實現(xiàn)虛擬場景的動畫效果。Cosmo Worlds則是針對VRML開發(fā)的可視化編輯器，尤其對于動畫制作提供了非常直觀的平臺，運行快捷，所見即所得。系統(tǒng)采用該軟件實現(xiàn)轉向架的虛擬裝配過程仿真。

(3)多媒體制作工具

系統(tǒng)利用圖像處理軟件Photoshop制作文字信息以表達零部件的名稱、安裝技術信息和工藝要求，利用Premiere視頻編輯軟件進行仿真動畫的后期制作。

3.2 虛擬裝配技術

系統(tǒng)采用虛擬裝配技術[4]，通過創(chuàng)建三維模型、模型格式轉換、裝配順序和路徑規(guī)劃以及制作仿真動畫幾個步驟，實現(xiàn)轉向架的構架、輪對、一系懸掛和二系懸掛等大部件以及總體裝配過程的仿真。使用戶可以快速建立對轉向架結構特征的感觀認識，有助于理解和掌握轉向架的復雜結構和裝配關系。

3.2.1 坐標變換及模型格式轉換