液壓減振器構(gòu)造與性能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

董雅宏，辛俊勝，商躍進(jìn)

（蘭州交通大學(xué)機(jī)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(duì)調(diào)節(jié)和衰減走行部與車體之間的振動(dòng)，改善鐵路客車運(yùn)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(yùn)行中需要對(duì)油壓減振器進(jìn)行日常及周期性的檢修與維護(hù)。截至2018年底中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到2.9萬(wàn)km,形成四縱四橫的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，高速動(dòng)車組每天開(kāi)行3000列，需大批高素質(zhì)的動(dòng)車組運(yùn)用與檢修技術(shù)人才[2-3]。由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備價(jià)格昂貴且不易進(jìn)行極端條件的實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源勢(shì)在必行。

開(kāi)發(fā)機(jī)車油壓減振器虛擬仿真檢修試驗(yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠在短時(shí)間內(nèi)認(rèn)識(shí)油壓減振器的結(jié)構(gòu)特征并掌握其檢修工藝流程，促進(jìn)車輛工程類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的拓展和培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 油壓減振器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

通過(guò)一些課本教學(xué)和油壓減振器實(shí)驗(yàn)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(shí)體教學(xué)效率低。若通過(guò)油壓減振器實(shí)體進(jìn)行教學(xué)，受設(shè)備數(shù)量限制，單次受訓(xùn)學(xué)生不超過(guò)5人/臺(tái)，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行反復(fù)拆裝訓(xùn)練。通過(guò)油壓減振器虛擬仿真系統(tǒng)，可以突破受時(shí)間和空間的限制，進(jìn)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(shí)體教學(xué)不能模擬異常工況。油壓減振器在實(shí)際工作中可能會(huì)出現(xiàn)連接問(wèn)題、漏油問(wèn)題、阻尼異常工況，異常工況雖然較少見(jiàn)，但在實(shí)際教學(xué)中要求學(xué)生掌握。在油壓減振器實(shí)體教學(xué)中很難模擬異常工況。但通過(guò)虛擬仿真可以再現(xiàn)油壓減振器檢修過(guò)程中各類失效工況，相比傳統(tǒng)教學(xué)方法優(yōu)勢(shì)明顯。

由此可見(jiàn)，借助虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)油壓減振器構(gòu)造與性能檢測(cè)仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。擬解決目前液壓減振器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中存在的項(xiàng)目單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、實(shí)驗(yàn)手段落后、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不明確、評(píng)價(jià)方法不能滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證達(dá)成度評(píng)價(jià)要求的問(wèn)題。

2 系統(tǒng)的主要內(nèi)容

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)原則是滿足油壓減振器構(gòu)造與性能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此系統(tǒng)具體的開(kāi)發(fā)內(nèi)容主要包括技術(shù)說(shuō)明、虛擬拆裝、實(shí)物拆裝、性能參數(shù)測(cè)試、仿真測(cè)試和設(shè)計(jì)5大模塊。

2.1 技術(shù)說(shuō)明模塊

技術(shù)說(shuō)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(guò)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(gè)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(shuō)明不同模塊的主要內(nèi)容及實(shí)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(shí)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(guò)對(duì)油壓減振器的縮微模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)上、設(shè)計(jì)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(guò)圖片、PPT、視頻動(dòng)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(jiǎn)其重要部分；視頻動(dòng)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(duì)提高車輛運(yùn)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(duì)油壓減振器進(jìn)行維修、試驗(yàn),研制了動(dòng)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(cè)、組裝、實(shí)驗(yàn)、噴漆、標(biāo)識(shí)7個(gè)工序[5]，每個(gè)工序之間通過(guò)自動(dòng)傳輸線連接，檢修過(guò)程中無(wú)需人員進(jìn)行零部件的搬運(yùn)，節(jié)省了人力，提高了勞動(dòng)效率。如圖3所示。

圖3 動(dòng)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(jiàn)的幾種故障及檢修方式，即連接問(wèn)題、漏油問(wèn)題、阻尼異常問(wèn)題[6]。如圖4所示。通過(guò)PPT、視頻動(dòng)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(cè)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(shí)拆裝的順序。通過(guò)操作3D油壓減振器的方式來(lái)模擬設(shè)備的分解和組合，同時(shí)還配有油壓減振器的圖片、拆裝視頻動(dòng)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(dòng)畫主要是在SolidWorks軟件中完成油壓減振器的實(shí)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(shí)物拆裝模塊

通過(guò)以上幾個(gè)模塊的學(xué)習(xí)，對(duì)油壓減振器的構(gòu)造與拆裝順序有了基本了解。實(shí)物拆裝模塊主要目的是通過(guò)視頻動(dòng)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(shí)物拆裝視頻

2.4 性能參數(shù)測(cè)試模塊

性能參數(shù)測(cè)試是新造或檢修后油壓減振器的性能試驗(yàn)，也是鞏固所學(xué)理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)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(yàn)臺(tái)的構(gòu)造，掌握油壓減振器試驗(yàn)臺(tái)的基本操作、油壓減振器拉壓行程的特性和測(cè)定阻力系數(shù)，主要通過(guò)視頻的方式展現(xiàn)。如圖8所示。

圖8 油壓減振器性能檢測(cè)報(bào)告

2.5 仿真測(cè)試與設(shè)計(jì)模塊

該模塊包括油壓減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試兩個(gè)部分，分別利用現(xiàn)代工具進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)和裝配性能仿真設(shè)計(jì)。仿真測(cè)試部分利用過(guò)Excel、SolidWorks、MATLAB軟件進(jìn)行油壓減振器性能仿真測(cè)試，能直觀地展現(xiàn)出各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其性能的影響程度，為設(shè)計(jì)部分提供依據(jù)。設(shè)計(jì)部分主要有阻尼形式的選擇、阻尼率的計(jì)算、結(jié)構(gòu)尺寸的確定、端部連接選型四個(gè)方面。通過(guò)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(yùn)動(dòng)仿真曲線

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前軌道交通車輛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏的情況，本文開(kāi)發(fā)了一套適用于油壓減振器構(gòu)造與性能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

2）提高了教學(xué)效率。虛擬檢修實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)放共享的特點(diǎn)，使單一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)時(shí)間由原來(lái)的12減至2h；同時(shí)實(shí)驗(yàn)人數(shù)由實(shí)體設(shè)備實(shí)驗(yàn)的5人／臺(tái)提升至在線實(shí)驗(yàn)的數(shù)百人。

3）降低了實(shí)驗(yàn)成本。實(shí)驗(yàn)實(shí)體教學(xué)需要采購(gòu)大量油壓減振器與試驗(yàn)臺(tái)，耗資巨大，而通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)，所需成本只需幾萬(wàn)元。