SS4B電力機車轉向架可視化標準作業系統研究

呂崇偉

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

韶山4B型電力機車（簡稱SS4B）的機車外觀主要由結構相似的兩節四軸電力機車構成，在內重聯環節連接作用下實現二者的相互作用，組成了八軸重載型的電力機車。在兩節機車間的聯接處安裝有中間走廊，便于機務人員的通行。SS4B型機車牽引及制動功率大，起動平穩，加速快，工作穩定可靠。SS4B型機車具有無極調壓及交-直流電傳動的優勢，是我國電力機車標準化設計的集中呈現。

轉向架作為電力機車的核心部件之一，結構比較復雜，技術含量高，對機車運行的平穩性與安全性有著很大的影響，為此，需要對轉向架進行日常及周期性的檢修與維護。轉向架的結構復雜，檢修工序多，對檢修維護人員的技術水平提出了更高的要求，培養一名技能高超的轉向架檢修人員既要有轉向架構造、維修技術等理論知識的培訓，又要有檢修實操技能訓練，兩者缺一不可。為了適應電力機車安全運營管理的要求，保證培訓的質量和效率，亟需研究新的培訓模式，當前虛擬現實技術大量應用于培訓領域，具有360°立體展現內外結構、動態模擬拆裝過程、高度還原現實場景，能夠集成所有優秀專家的經驗、培訓內容統一，占地小、受訓人數多、不受時空限制、可反復學習演練，操作安全，無工件輔材損耗等優點，因此，建立一套基于虛擬現實技術的SS4B型電力機車轉向架可視化標準作業系統是十分必要的，是傳統培訓方式的顛覆性發展。

1 轉向架檢修流程分析

轉向架可視化標準作業系統主要是基于轉向架檢修作業操作流程，實現交互式、沉浸式的檢修作業培訓模式，是對紙質檢修作業流程的高保真還原。因此，需要對目前轉向架既有的檢修修程設置、檢修工序等進行全面梳理。

SS4B型電力機車每節車有兩臺轉向架，結構復雜。按照神華鐵路貨車運輸有限責任公司滄州機車車輛維修分公司對SS4B型電力機車檢修范圍的規范要求，SS4B型電力機車的檢修分為輔修、小修、中修、大修4個修程，根據修程不同，對轉向架檢修范圍的要求也不同。大修級別最高，工藝最復雜。按照轉向架大修要求，可將轉向架修理工序拆分成如圖1所示步驟。

根據SS4B型電力機車用轉向架的結構特點，將轉向架檢修分為“輪對電機拆解”和“架構部件拆解”兩部分，然后進一步分解檢修部件，針對不同的檢修部件，大體可分為拆解、清洗、探傷、檢修、裝配、試驗等檢修工序，轉向架檢修可以細分出40多個檢修工序。

2 零部件快速建模

要實現轉向架可視化標準作業系統的研發，建立交互式的培訓模式，需使用Maya或者3Dmax對SS4B型機車轉向架的零部件進行3D建模，建立機車轉向架模型庫，結合Unity3D引擎創建三維SS4B型機車轉向架虛擬可視化平臺，建立交互式檢修仿真過程，拓展對VR虛擬頭盔的支持，進行360°視角的直觀展示。

依據轉向架的構成，將其拆分為電機主動齒輪、齒輪箱裝置、軸箱裝置、構架、制動裝置、構架附件、空氣管路、沙箱裝置、輪緣潤滑裝置等零部件，根據零部件圖樣照片、作業指導書等資料，研究采用快速建模技術構建SS4B型電力機車用轉向架零部件檢修的三維可視化模型、檢修工作相關資源模型，實現對各零部件結構的直觀展示。

圖1 轉向架檢修工序

對于幾何形狀復雜的零部件，建模形成的虛擬對象有著大量的多邊形，這樣使得系統交互速度受到影響，為此，需在不失真的情況下，需要對模型進行優化，減少模型的復雜程度，提高系統的運行速度。需在計算機虛擬現實環境中的引入快速渲染技術，使大型復雜模型能在計算機上進行交互顯示。

3 可視化標準作業系統研發

該系統包括三維可視化交互式檢修仿真子系統、C/S模式檢修培訓和考核子系統。將SS4B型電力機車轉向架大修過程中標準作業內容和檢修流程在虛擬現實環境中進行仿真，生成虛擬仿真結果和檢修指導視頻，為檢修作業培訓、考核提供素材和資源并記錄考核結果。

3.1 系統功能

SS4B型電力機車轉向架可視化標準作業系統按大修修程的修理范圍將轉向架拆分成電機主動齒輪、齒輪箱裝置、軸箱裝置、構架、基礎制動裝置、手動制動裝置、構架附件裝置、空氣管路、沙箱裝置、輪緣潤滑裝置等部件，部件再細分成43個工序。通過梳理整合，將工序按19個工位來制定三維仿真視頻，如表1所示。

交互式三維仿真系統的研發分為場景設置和操作流程設計兩部分，下面以表1中“8-抱軸箱組裝工位”為例說明。

（1）場景設置

以車間原型為基礎，3D建模呈現三維車間環境，并劃分場景中各個功能分區，主要包含表1中19個工位場景。

場景要求：VR頭盔漫游整個車間場景，手柄可以對機械零件進行交互。

（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、后擋環、前油封、后油封、銅棒。

表1 檢修工位設置

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，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，不得貫穿。

②將后油封有端面油槽的一面向下，通過車軸套在后擋環上。轉動，無卡滯感。加熱軸承內圈，待冷卻后，軌道均勻涂抹指定的潤滑脂。

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180°，放在干凈的包裝紙上，將軸承座敲入抱軸箱體孔內，并在軸承座與抱軸箱體中間放3個工藝墊。

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準后油封上的橢圓排油孔。將螺釘對稱擰緊，連接抱軸箱體與后油封，使兩者貼緊。轉動抱軸箱體，應靈活、無卡滯感。

⑤加熱前擋環，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個工藝墊。待冷卻后，將輪對吊至存放工裝上，無齒輪側用支架支撐、平放。

3.2 系統研發過程及效果

系統將每個工序按作業指導書的步驟制作三維仿真模型，配合交互設計，將作業步驟和標準融入交互動作中。由于工序眾多，以“主動齒輪解體”工序為例說明系統功能的實現過程。

3.2.1作業流程（如圖2所示）

圖2 作業流程圖

3.2.1.1開工準備

（1）作業人員要求（如圖3所示）

圖3 員工著裝

①必須經培訓考試合格、持有上崗證并具有本設備操作資格方可進行本工位工作。

②員工作業時標準著裝，避免人身傷害，班組長班前會檢查組員精神狀態，嚴禁酒后作業，帶病作業，疲勞生產。

③本工序作業必須由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了解各項工具的特點并且正確使用。

②使用前，必須檢查各項工具是否有損壞，并保持工具清潔。

③作業前檢查起重設備及吊索具在檢定期內。

④起重設備及吊索具的額定起重量符合作業要求。

⑤手錘的木柄無裂縫、毛刺等，錘頭與木柄連接牢靠、堅固。

3.2.1.2擋板拆解（如圖5所示）

用手錘、扁鏨、風動扳手將電機軸頭擋板的止動墊片、緊固螺栓拆除，取出主動齒輪擋板。

圖5 擋板拆解示意

3.2.1.3主動齒輪拆解（如圖6所示）

找到注油孔（螺孔口有倒角），清除孔內雜物將黃油注滿后，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，擋板與主動齒輪留3 mm左右間隙；用風動扳手快速旋入注油螺栓使主動齒輪退出。拆下的主動齒輪擺好待運至報廢區。

①退主動齒輪前必須用螺栓將擋板連接在電機軸頭上，防止齒輪退出時傷人。

②主動齒輪退出后，需將電機軸頭進行防護，防止磕碰傷。

③油脂一次性注滿。

3.2.1.4電機軸頭防護（如圖7所示）

①檢查軸頭有無損傷痕跡（劃痕、碰傷、點蝕等）。將擋板重新安裝在電機軸頭上。

②將電機軸包扎防護，以防電機軸磕碰傷。將防護好的電機擺放好，待轉運至電機工部。

③擋板裝上，間距保證在3 mm左右。擋板間隙過大，造成反彈磕碰，傷及電機軸錐面；過小，沒有完全退出。

圖6 主動齒輪拆解

圖7 電機軸頭防護

3.2.1.5收尾（如圖8所示）

①將工、量、器具等恢復，按定置管理要求放入工具柜及指定區域。

②關閉風源。

③清掃現場，達到整潔、干凈的要求。

圖8 收尾

3.2.2建立三維場景和機械設備模型

利用圖紙和現場拍攝的照片，利用3Dmax對主動齒輪進行3D建模（如圖9～圖10所示）。

3.2.3步驟引導提示

將作業步驟加入到3D視頻中，利用頭盔顯示器和手柄與系統進行交互操作，并將作業要點提示到操作中（如圖11所示）。

圖9 車間三維場景

圖10 主動齒輪3D模型

圖11 步驟引導

圖12 三維場景中零部件交互設計

3.2.4交互設計（如圖12所示）

按照轉向架檢修作業指導書的操作步驟，在三維場景中對零部件進行交互設計。

4 結束語

SS4B型電力機車轉向架可視化標準作業系統打破了單一、枯燥、學員接受度不高的傳統培訓模式，構建了交互式、沉浸式、可視化培訓新模式，實現轉向架系統檢修作業流程的逼真模擬，提升了培訓的效率和靈活性。同時，系統應用前景廣闊，可擴展應用至車輛檢修、工裝設備檢修等領域，是落實作業標準規程，促進技術工人實操熟練度和技能水平的重要培訓手段。