轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)

張繼彤 張濟民 潘建壯

[摘 要]針對目前高校軌道車輛轉(zhuǎn)向架拆裝實習的現(xiàn)狀，結合實踐教學改革實際需求，運用SolidWorks軟件開發(fā)了具有三維動態(tài)性、真實性和交互性較強的虛擬拆裝教學系統(tǒng)，學生使用鼠標鍵盤進行虛擬拆裝操作，不受設備數(shù)量和場地等因素的限制，可以彌補傳統(tǒng)車輛公司實習的缺點，有效解決了現(xiàn)階段車輛工程專業(yè)車輛轉(zhuǎn)向架拆裝實習不易操作的教學難題。可充分調(diào)動學生的學習積極性和能動性，使學生分析問題和解決問題的能力大大提高。

[關鍵詞]轉(zhuǎn)向架;虛擬拆裝實習;實習教學改革

[課題項目]2019年同濟大學實驗教學改革專項基金“轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)”

[作者簡介]張繼彤（1969—），男，江蘇南京人，本科，同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院講師，主要從事軌道交通車輛研究;張濟民（1969—），男，四川人，博士，同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院教授，主要從事軌道交通車輛研究;潘建壯（1960—），男，浙江人，本科，同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院高級工程師，主要從事軌道交通車輛研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-06-10

一、概述

軌道車輛轉(zhuǎn)向架拆裝實習是一個實踐性較強的實踐教學課程，通過對軌道車輛轉(zhuǎn)向架各總成的拆裝，讓學生系統(tǒng)地熟悉和掌握轉(zhuǎn)向架的構造和工作原理，為后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定堅實的基礎。

傳統(tǒng)的實驗教學往往以轉(zhuǎn)向架實物或模型作為對象，轉(zhuǎn)向架實物拆裝非常笨重，非常危險，模型往往不能拆解，而且隨著列車速度的提高、載重的增加以及各種先進技術先進產(chǎn)品在軌道車輛及列車上的實現(xiàn)和應用，轉(zhuǎn)向架的不斷發(fā)展也很難進行實物的更新，因此開發(fā)《轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)》實驗教學環(huán)節(jié)就顯得非常迫切。

目前我校的轉(zhuǎn)向架拆裝實習基本上還是老師指導，學生拆裝少量的1∶5模型，并測量繪制轉(zhuǎn)向架部分部件三維模型，但因轉(zhuǎn)向架總成結構復雜，同時又受制于轉(zhuǎn)向架實物種類、臺數(shù)和場地等條件的限制，會出現(xiàn)實習教學效果不太理想等弊端，這種實習內(nèi)容和實習方式較長時間未變，教學手段不夠先進，理論教學與實踐教學還不完整。

根據(jù)本?！盾壍儡囕v結構》課程主要拆裝實習項目內(nèi)容，使用SolidWorks等軟件開發(fā)了一個具有三維動態(tài)性、真實性和交互性強等優(yōu)點的虛擬拆裝教學系統(tǒng)，作為學生課前預習、課后復習的補充學習手段，將豐富轉(zhuǎn)向架拆裝實習的教學手段。

二、轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)

（一）教學目的

本仿真實驗系統(tǒng)教學在車輛結構設計、車輛電氣、車輛制造工藝、車輛運用與管理等有關軌道車輛專業(yè)知識的基礎上，結合軌道車輛專業(yè)學生教育的特點，通過車輛工廠實習，實驗室轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)演示，加深學生對軌道車輛轉(zhuǎn)向架結構的認識和專業(yè)興趣，進一步掌握了解如何通過轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)設計的理論及方法、明白電機驅(qū)動、齒輪箱、制動模塊、輪對軸箱、轉(zhuǎn)向架構架、一系懸掛、二系懸掛、空氣彈簧組成、轉(zhuǎn)向架上空氣管路組成、中央或縱向牽引裝置等結構集成，同時了解掌握轉(zhuǎn)向架運用、維護，并培養(yǎng)學生的開發(fā)、設計能力。

（二）仿真實驗系統(tǒng)建設內(nèi)容和方法

《轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)》實驗教學研究從大學人才培養(yǎng)的要求出發(fā)，針對本院車輛專業(yè)、有一定軌道車輛專業(yè)知識基礎的學生，目前的研究情況主要注重實驗教學課程特色，建立轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)實驗的模塊化內(nèi)容，以目前比較流行的城市軌道交通低地板車為例，研究建立低地板軌道車輛轉(zhuǎn)向架三維模型，包括轉(zhuǎn)向架設計的理論及方法、建立電機驅(qū)動組成（牽引電機、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)）模塊、制動組成（制動盤、制動夾鉗、液壓裝置、磁軌制動裝置）等模塊、一系懸掛（一系彈簧、減震器、軸箱體、軸承、輪對）輪對軸箱模塊、轉(zhuǎn)向架構架、二系懸掛（空氣彈簧、差壓閥、高度閥、空氣管路等組成）、轉(zhuǎn)向架橫向減震器、止擋、中央或縱向牽引裝置、縱向減震器等結構三維模型。并組成轉(zhuǎn)向架組裝模塊。在實驗過程中，可以讓學生自己拾取零部件來組裝。

1.建立轉(zhuǎn)向架組成的三維模型。三維模型的創(chuàng)建及處理主要包括利用SolidWorks軟件進行三維建模，制作好的轉(zhuǎn)向架三維模型如圖1所示，在以后的教學過程中，學生也可以添加新的轉(zhuǎn)向架結構模型，豐富實驗教學模型庫，當然在添加新模型的過程中，需要注意保持和原有模型一致的建模精度和模型格式。

2.轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)組成的講解和拆裝視頻

3.學生拆解、組裝轉(zhuǎn)向架三維模型。構架轉(zhuǎn)向架結構組成，首先要分析拆裝項目分成幾個部分，結構組成要分析包含哪些零部件以及哪些零部件可以作為一組，一般將同一類且拆裝順序和動作相同的零部件作為一組。分析每個（組）零部件的拆裝先后順序和動作過程是根據(jù)真實的拆裝過程來記錄的，動作過程主要是指零部件的拆裝運動動作，有平移、旋轉(zhuǎn)等。模擬進行真實拆裝過程的時候，不僅要分析拆裝項目的結構組成，還要分析每個（組）零部件的拆裝先后順序和動作過程。

4.實驗課程的評價。通過在傳統(tǒng)的車輛實驗基礎上，增加仿真實驗系統(tǒng)的方式，需建立一定的評價體系，對《轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)》實驗教學質(zhì)量的評價，涉及很多方面，首先我們可以提供給學生一種轉(zhuǎn)向架組成模型，讓學生在一定的時間內(nèi)獨立完成轉(zhuǎn)向架的分解，也可以提供給學生一些轉(zhuǎn)向架零部件模塊，讓學生在一定的時間內(nèi)獨立完成轉(zhuǎn)向架的裝配組成。這樣就能使實驗教學質(zhì)量評價科學、有效、可行，同時我們應該在制定評價體系時更加注重以人為本，以學生為本的原則，應根據(jù)以往學校實驗考核要求、情況的不同而異，但評價的主要內(nèi)容主要還是從學生完成組裝模型的好壞、時間長短、實驗報告等方面情況來進行綜合測評?？梢杂行У卣{(diào)動學生積極性，一定程度上減輕教師的安全責任和實驗工作量，起到事半功倍的效果。

5.實驗課程的拓展。建立好的三維模型，也可以將建好的三維模型另存為*.stl格式。通過3D打印出縮小的實物模型，提高學生的興趣。比如圖6是打印出的簡易轉(zhuǎn)向架組成。

三、結語

總之，通過以上實踐教學方法的改進，改變以往車輛轉(zhuǎn)向架拆裝實習環(huán)節(jié)主要只能以教師講授為主，雖有少量師生互動，難以一一檢驗學生的掌握程度（往往一堆學生看，幾個學生拆裝）。而《轉(zhuǎn)向架拆裝仿真實驗系統(tǒng)》可以通過每個同學的上機操作，老師可以檢驗學生對講授內(nèi)容的掌握程度，較好地調(diào)動了學生的學習積極性和能動性，加深了對軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架專業(yè)知識的掌握，也有益于結合車輛工廠的生產(chǎn)實習，學生也可以通過設計新的零部件，并組裝成新的低地板轉(zhuǎn)向架模塊。提高學生的實習的專業(yè)興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)造性。豐富了車輛實驗教學課程的內(nèi)容，增加了實驗課程對學生的吸引力。使學生分析問題和解決問題的能力大大提高，同時培養(yǎng)了學生獨立思考、創(chuàng)新意識，為學生今后就業(yè)、工作、研究打下了良好基礎。

參考文獻

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[2]熊幸明.改革實習教學培養(yǎng)創(chuàng)新能力[J].電氣電子教學學報，2002（4）：77-79.

[3]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

Simulation Experiment System of Bogie Disassembly and Assembly

ZHANG Ji-tong， ZHANG Ji-min， PAN Jian-zhuang

（Railway & Urban Mass Transit Research Institute， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： In view of the current situation of the practice of disassembling and assembling the bogies of railway vehicles in colleges and universities， combined with the actual needs of practical teaching reform， a virtual disassembling and assembling teaching system with three-dimensional dynamics， authenticity and interactivity is developed by using Solid Works software. Students can use the mouse and keyboard to carry out virtual disassembling and assembling operation， which is not limited by the number of equipment and site， and can make up for the practice of traditional vehicle companies and effectively solve the teaching problem that the practice of vehicle bogie disassembly is not easy to operate. It can fully mobilize students' learning enthusiasm and initiative， and greatly improve students' ability to analyze and solve problems.

Key words： bogie; virtual disassembly and assembly practice; practice teaching reform