随着中国2008年中长期铁路网规划的修订, 高速铁路行业近年来迎来了快速发展。截止2016年底, 国内高速运营里程已经达到2.2万公里, 占全球总运营里程的60%, 稳居世界第一[1]。在轨道行业高速发展的同时, 我校也陆续开设了相关专业, 以满足行业需求。转向架系统是铁路客车的大型核心部件, 主要包含构架、轮对轴向定位装置、摇枕弹簧装置、基础制动装置、轴端发电机装置等五个主要部件。在铁路客车运行过程中, 转向架不仅起到牵引和引导车辆沿着轨道行驶的作用, 而且还承载和传递来自车身和线路的各种载荷, 它将对列车的稳定性和安全性产生直接的影响。转向架在长期使用过程中, 各种磨耗部件和减震部件均存在疲劳失效的可能, 因此需进行定期维护与检修, 以保证正常运转, 铁路部门对转向架系统检修人员的需求极大。为了满足铁路部门的人才需求, 我校铁路相关专业特别重视专业人才的培养, 而加强实践训练是学生掌握该专业技能的重要途径。但是在教学过程中, 由于教学设备, 试验场地以及铁路客车自身工况的复杂性等因素的影响, 很难实现转向架实体的实验教学。因此, 利用CATIA建模并对转向架系统进行虚拟仿真, 是解决这一问题的根本途径。
一、CATIA软件简介
CATIA是法国的索达公司开发的CAD/CAM/CAE集成软件, 是PLM协同解决方案的重要组成部分。该软件具有强大的曲面设计功能, 广泛应用于航空航天、汽车、机械制造等诸多领域。CATIAV5可以仿真产品开发过程的各个方面, 并且可以实现工程师和非工程师之间的电子通信。新的V5版本界面更加友好, 功能更强大, 并且开发了CAD/CAE/CAM软件的全新风格。
二、转向架系统零部件建模
本文以某企业生产的209P型转向架为例建立模型。该转向架系统由五部分组成:构架组成、导柱式轮对轴箱定位装置、摇枕弹簧装置、基础制动装置、5kW轴端发电装置, 零部件较多。因此, 在零部件建模之前, 对主要零部件进行了简单的分析, 尽量使复杂的结构由CATIA的基本特征要素组成, 合理选择建模顺序, 使建立的模型具有稳定及可修改性。利用CATIA软件提供的拉伸、旋转、放样、打孔和倒角等功能, 建立了转向架系统的实体模型。
(一) 构架组成建模
对构架组成的所有零部件, 包括构架、接地线座、制动吊座、安全吊安装座板, 牵引拉杆座、发电机吊架以及一些固定用的轴板等进行建模。其中核心部件构架的模型如下图1所示。
(二) 导柱式轮对轴箱定位装置建模
对导柱式轮对轴箱定位装置的所有零部件, 包括轮对组成、轴箱装置、轴箱弹簧、弹性定位套组成以及导柱等进行建模。其重要零部件轮对和轴箱建模如下图2所示。
(三) 摇枕弹簧装置建模
对摇枕弹簧装置的所有零部件, 包括摇枕组成、摇枕弹簧装置、安全吊、牵引拉杆组成、弹簧托梁组成等近90个零部件组成, 核心零部件摇枕组成、摇枕弹簧装置等的建模如下图3所示。
(四) 基础制动装置建模
对基础制动装置的所有零部件, 包括制动缸组成、杠杆组成、闸片托组成以及杠杆吊座等进行建模。
三、转向架系统装配体的生成
转向架系统零部件模型建立后, 要把这些零部件根据设计需求组装起来, 生成装配体。要在零件之间实现准确的装配要求, 必须首先确定装配层次。依据转向架系统的组成结构, 在装配过程可以分为四个模块进行, 首先完成转向架组成模块划分, 然后再对其余三个模块包括轮对箱定位装置、摇枕弹簧装置以及基础制动装置进行模块划分。
再用CATIA中的接触、相合、角度以及距离等功能完成各模块的子装配体装配, 最后完成总体装配。其装配图如下图4所示。
四、转向架虚拟仿真实训教学平台
利用第三方VR软件Unity3D综合虚拟现实、多媒体和仿真技术将上一步中建立好的模型调入, 生成交互式的用户界面, 设计开发转向架虚拟仿真教学程序, 部分操作界面如下如图5所示。
五、小结
本系统利用CATIA软件参数化建模手段, 使得产品的改型和优化更方便, 当车型设计有改进时可以通过修改参数的办法快速重新设计, 比之同类系统的使用周期更长, 维护成本低。通过装配和检修两大模块演示转向架结构模拟检修工作过程, 模拟效果逼近真实工况, 有效提高了铁路客车转向架实训教学效率, 有利于培养学生的动手能力, 激发学生的好奇心和求知欲, 锻炼学生的创新能力。
摘要：本文利用CATIA的建模功能, 建立了铁路客车转向架的零部件模型, 根据转向架的结构特点进行了各零部件的分类装配;在此基础上, 利用Unity3D技术开发铁路客车转向架仿真实训系统
关键词：CATIA,铁路客车转向架,三维建模,Unity3D,仿真实训系统
参考文献
[1] 马军, 乔磊, 张嘉鹭, 王柏华.高速动车组转向架系统检修虚拟仿真实验的建设[J].实验技术与管理, 2018, 35 (5) :111-118.
[2] 褚识广, 张志利, 龙勇.基于CATIA的液压缸三维建模和虚拟装配仿真[C].系统仿真技术及其应用, 2010.
[3] 张伟.城市轨道交通车辆转向架虚拟仿真实训技术的研究[J].信息与电脑, 2017, 16:65-66.
[4] 施国平, 谭喜堂, 申朝旭.城轨车辆转向架虚拟检修系统的研究与开发[J].制造业自动化2010, 36 (12) :125-128.