SS4B電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架可視化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)研究

呂崇偉

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

韶山4B型電力機(jī)車（簡(jiǎn)稱SS4B）的機(jī)車外觀主要由結(jié)構(gòu)相似的兩節(jié)四軸電力機(jī)車構(gòu)成，在內(nèi)重聯(lián)環(huán)節(jié)連接作用下實(shí)現(xiàn)二者的相互作用，組成了八軸重載型的電力機(jī)車。在兩節(jié)機(jī)車間的聯(lián)接處安裝有中間走廊，便于機(jī)務(wù)人員的通行。SS4B型機(jī)車牽引及制動(dòng)功率大，起動(dòng)平穩(wěn)，加速快，工作穩(wěn)定可靠。SS4B型機(jī)車具有無(wú)極調(diào)壓及交-直流電傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)電力機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的集中呈現(xiàn)。

轉(zhuǎn)向架作為電力機(jī)車的核心部件之一，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，技術(shù)含量高，對(duì)機(jī)車運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性有著很大的影響，為此，需要對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行日常及周期性的檢修與維護(hù)。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修工序多，對(duì)檢修維護(hù)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(shí)的培訓(xùn)，又要有檢修實(shí)操技能訓(xùn)練，兩者缺一不可。為了適應(yīng)電力機(jī)車安全運(yùn)營(yíng)管理的要求，保證培訓(xùn)的質(zhì)量和效率，亟需研究新的培訓(xùn)模式，當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大量應(yīng)用于培訓(xùn)領(lǐng)域，具有360°立體展現(xiàn)內(nèi)外結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)模擬拆裝過(guò)程、高度還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，能夠集成所有優(yōu)秀專家的經(jīng)驗(yàn)、培訓(xùn)內(nèi)容統(tǒng)一，占地小、受訓(xùn)人數(shù)多、不受時(shí)空限制、可反復(fù)學(xué)習(xí)演練，操作安全，無(wú)工件輔材損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此，建立一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的SS4B型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架可視化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)是十分必要的，是傳統(tǒng)培訓(xùn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)交互式、沉浸式的檢修作業(yè)培訓(xùn)模式，是對(duì)紙質(zhì)檢修作業(yè)流程的高保真還原。因此，需要對(duì)目前轉(zhuǎn)向架既有的檢修修程設(shè)置、檢修工序等進(jìn)行全面梳理。

SS4B型電力機(jī)車每節(jié)車有兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。按照神華鐵路貨車運(yùn)輸有限責(zé)任公司滄州機(jī)車車輛維修分公司對(duì)SS4B型電力機(jī)車檢修范圍的規(guī)范要求，SS4B型電力機(jī)車的檢修分為輔修、小修、中修、大修4個(gè)修程，根據(jù)修程不同，對(duì)轉(zhuǎn)向架檢修范圍的要求也不同。大修級(jí)別最高，工藝最復(fù)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(jī)車用轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將轉(zhuǎn)向架檢修分為“輪對(duì)電機(jī)拆解”和“架構(gòu)部件拆解”兩部分，然后進(jìn)一步分解檢修部件，針對(duì)不同的檢修部件，大體可分為拆解、清洗、探傷、檢修、裝配、試驗(yàn)等檢修工序，轉(zhuǎn)向架檢修可以細(xì)分出40多個(gè)檢修工序。

2 零部件快速建模

要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架可視化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)的研發(fā)，建立交互式的培訓(xùn)模式，需使用Maya或者3Dmax對(duì)SS4B型機(jī)車轉(zhuǎn)向架的零部件進(jìn)行3D建模，建立機(jī)車轉(zhuǎn)向架模型庫(kù)，結(jié)合Unity3D引擎創(chuàng)建三維SS4B型機(jī)車轉(zhuǎn)向架虛擬可視化平臺(tái)，建立交互式檢修仿真過(guò)程，拓展對(duì)VR虛擬頭盔的支持，進(jìn)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(jī)主動(dòng)齒輪、齒輪箱裝置、軸箱裝置、構(gòu)架、制動(dòng)裝置、構(gòu)架附件、空氣管路、沙箱裝置、輪緣潤(rùn)滑裝置等零部件，根據(jù)零部件圖樣照片、作業(yè)指導(dǎo)書等資料，研究采用快速建模技術(shù)構(gòu)建SS4B型電力機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)各零部件結(jié)構(gòu)的直觀展示。

圖1 轉(zhuǎn)向架檢修工序

對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的零部件，建模形成的虛擬對(duì)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(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，減少模型的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。需在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的引入快速渲染技術(shù)，使大型復(fù)雜模型能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行交互顯示。

3 可視化標(biāo)準(zhǔn)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(xùn)和考核子系統(tǒng)。將SS4B型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架大修過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)內(nèi)容和檢修流程在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行仿真，生成虛擬仿真結(jié)果和檢修指導(dǎo)視頻，為檢修作業(yè)培訓(xùn)、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(jī)車轉(zhuǎn)向架可視化標(biāo)準(zhǔn)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(jī)主動(dòng)齒輪、齒輪箱裝置、軸箱裝置、構(gòu)架、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、手動(dòng)制動(dòng)裝置、構(gòu)架附件裝置、空氣管路、沙箱裝置、輪緣潤(rùn)滑裝置等部件，部件再細(xì)分成43個(gè)工序。通過(guò)梳理整合，將工序按19個(gè)工位來(lái)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(chǎng)景設(shè)置和操作流程設(shè)計(jì)兩部分，下面以表1中“8-抱軸箱組裝工位”為例說(shuō)明。

（1）場(chǎng)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(chǎng)景中各個(gè)功能分區(qū)，主要包含表1中19個(gè)工位場(chǎng)景。

場(chǎng)景要求：VR頭盔漫游整個(gè)車間場(chǎng)景，手柄可以對(duì)機(jī)械零件進(jìn)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(yàn)，不得貫穿。

②將后油封有端面油槽的一面向下，通過(guò)車軸套在后擋環(huán)上。轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)卡滯感。加熱軸承內(nèi)圈，待冷卻后，軌道均勻涂抹指定的潤(rùn)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(gè)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(duì)準(zhǔn)后油封上的橢圓排油孔。將螺釘對(duì)稱擰緊，連接抱軸箱體與后油封，使兩者貼緊。轉(zhuǎn)動(dòng)抱軸箱體，應(yīng)靈活、無(wú)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(gè)工藝墊。待冷卻后，將輪對(duì)吊至存放工裝上，無(wú)齒輪側(cè)用支架支撐、平放。

3.2 系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程及效果

系統(tǒng)將每個(gè)工序按作業(yè)指導(dǎo)書的步驟制作三維仿真模型，配合交互設(shè)計(jì)，將作業(yè)步驟和標(biāo)準(zhǔn)融入交互動(dòng)作中。由于工序眾多，以“主動(dòng)齒輪解體”工序?yàn)槔f(shuō)明系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(kāi)工準(zhǔn)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(xùn)考試合格、持有上崗證并具有本設(shè)備操作資格方可進(jìn)行本工位工作。

②員工作業(yè)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)著裝，避免人身傷害，班組長(zhǎng)班前會(huì)檢查組員精神狀態(tài)，嚴(yán)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(xiàng)工具的特點(diǎn)并且正確使用。

②使用前，必須檢查各項(xiàng)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(wú)裂縫、毛刺等，錘頭與木柄連接牢靠、堅(jiān)固。

3.2.1.2擋板拆解（如圖5所示）

用手錘、扁鏨、風(fēng)動(dòng)扳手將電機(jī)軸頭擋板的止動(dòng)墊片、緊固螺栓拆除，取出主動(dòng)齒輪擋板。

圖5 擋板拆解示意

3.2.1.3主動(dòng)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(hù)，擋板與主動(dòng)齒輪留3 mm左右間隙；用風(fēng)動(dòng)扳手快速旋入注油螺栓使主動(dòng)齒輪退出。拆下的主動(dòng)齒輪擺好待運(yùn)至報(bào)廢區(qū)。

①退主動(dòng)齒輪前必須用螺栓將擋板連接在電機(jī)軸頭上，防止齒輪退出時(shí)傷人。

②主動(dòng)齒輪退出后，需將電機(jī)軸頭進(jìn)行防護(hù)，防止磕碰傷。

③油脂一次性注滿。

3.2.1.4電機(jī)軸頭防護(hù)（如圖7所示）

①檢查軸頭有無(wú)損傷痕跡（劃痕、碰傷、點(diǎn)蝕等）。將擋板重新安裝在電機(jī)軸頭上。

②將電機(jī)軸包扎防護(hù)，以防電機(jī)軸磕碰傷。將防護(hù)好的電機(jī)擺放好，待轉(zhuǎn)運(yùn)至電機(jī)工部。

③擋板裝上，間距保證在3 mm左右。擋板間隙過(guò)大，造成反彈磕碰，傷及電機(jī)軸錐面；過(guò)小，沒(méi)有完全退出。

圖6 主動(dòng)齒輪拆解

圖7 電機(jī)軸頭防護(hù)

3.2.1.5收尾（如圖8所示）

①將工、量、器具等恢復(fù)，按定置管理要求放入工具柜及指定區(qū)域。

②關(guān)閉風(fēng)源。

③清掃現(xiàn)場(chǎng)，達(dá)到整潔、干凈的要求。

圖8 收尾

3.2.2建立三維場(chǎng)景和機(jī)械設(shè)備模型

利用圖紙和現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片，利用3Dmax對(duì)主動(dòng)齒輪進(jìn)行3D建模（如圖9～圖10所示）。

3.2.3步驟引導(dǎo)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(jìn)行交互操作，并將作業(yè)要點(diǎn)提示到操作中（如圖11所示）。

圖9 車間三維場(chǎng)景

圖10 主動(dòng)齒輪3D模型

圖11 步驟引導(dǎo)

圖12 三維場(chǎng)景中零部件交互設(shè)計(jì)

3.2.4交互設(shè)計(jì)（如圖12所示）

按照轉(zhuǎn)向架檢修作業(yè)指導(dǎo)書的操作步驟，在三維場(chǎng)景中對(duì)零部件進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

SS4B型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架可視化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)打破了單一、枯燥、學(xué)員接受度不高的傳統(tǒng)培訓(xùn)模式，構(gòu)建了交互式、沉浸式、可視化培訓(xùn)新模式，實(shí)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(xùn)的效率和靈活性。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，可擴(kuò)展應(yīng)用至車輛檢修、工裝設(shè)備檢修等領(lǐng)域，是落實(shí)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，促進(jìn)技術(shù)工人實(shí)操熟練度和技能水平的重要培訓(xùn)手段。