液压减振器构造与性能测试仿真实验系统设计＊

董雅宏，辛俊胜，商跃进

（兰州交通大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070）

1 概述

油压减振器是转向架悬挂系统的重要组成部分，对调节和衰减走行部与车体之间的振动，改善铁路客车运行品质，提高旅客乘坐舒适度起着至关重要的作用[1]，因此在列车运行中需要对油压减振器进行日常及周期性的检修与维护。截至2018年底中国高速铁路运营里程已达到2.9万km,形成四纵四横的运行网络，高速动车组每天开行3000列，需大批高素质的动车组运用与检修技术人才[2-3]。由于真实实验平台设备价格昂贵且不易进行极端条件的实验，开发车辆工程专业虚拟仿真实验教学资源势在必行。

开发机车油压减振器虚拟仿真检修试验系统，使学生能够在短时间内认识油压减振器的结构特征并掌握其检修工艺流程，促进车辆工程类专业实验教学资源的拓展和培养目标的实现。

1 油压减振器虚拟仿真实验的必要性

通过一些课本教学和油压减振器实验教学存在一些局限性，使教学的效果不甚理想：

1）油压减振器实体教学效率低。若通过油压减振器实体进行教学，受设备数量限制，单次受训学生不超过5人/台，实验效率很低。又由于油压减振器各零部件之间配合精度较高，不易进行反复拆装训练。通过油压减振器虚拟仿真系统，可以突破受时间和空间的限制，进行大批量学生的教学，教学效率大幅增高。

2）油压减振器实体教学不能模拟异常工况。油压减振器在实际工作中可能会出现连接问题、漏油问题、阻尼异常工况，异常工况虽然较少见，但在实际教学中要求学生掌握。在油压减振器实体教学中很难模拟异常工况。但通过虚拟仿真可以再现油压减振器检修过程中各类失效工况，相比传统教学方法优势明显。

由此可见，借助虚拟仿真技术实现油压减振器构造与性能检测仿真的实验教学，是很好的实验教学方式。拟解决目前液压减振器实验项目中存在的项目单一、实验内容单一、实验手段落后、实验目标不明确、评价方法不能满足工程教育专业认证达成度评价要求的问题。

2 系统的主要内容

本系统的开发原则是满足油压减振器构造与性能测试仿真实验教学，因此系统具体的开发内容主要包括技术说明、虚拟拆装、实物拆装、性能参数测试、仿真测试和设计5大模块。

2.1 技术说明模块

技术说明模块主要内容是油压减振器的工作原理，检修方式及内容。为了让学生通过不同方式准确高效地掌握相应模块的内容，将该模块分为以下三个小模块：液压减振器的构造与原理、检修工艺、检修内容及要求。下面一一说明不同模块的主要内容及实现的学习方法。

2.1.1 构造与原理

油压减振器的构造与原理是实现培养目标最基本的内容，也是比较抽象难以理解的一部分,其主要包括油压减振器的分类、组成的各零部件以及几种工况的工作原理[4]，如图1，2所示。通过对油压减振器的缩微模型进行结构上、设计上多视图的解剖，可以激发学生的学习兴趣提高教学效率。在此系统中该模块通过图片、PPT、视频动画三种不同的方法展示该部分的主要内容，图片包括油压减振器的三维模型、工程图纸、各零部件模型；PPT主要将课本中的文字部分精简其重要部分；视频动画主要展示油压减振器的工作原理。

图1 油压减振器工作原理

图2 油压减振器组成

2.1.2 检修工艺

油压减振器是转向架悬挂系统的重要部件,对提高车辆运行平稳性、乘坐舒适性、安全性起到重要的作用。为了能够更好地对油压减振器进行维修、试验,研制了动车组油压减振器检修线。油压减振器检修线主要包括分解、清洗、探伤/检测、组装、实验、喷漆、标识7个工序[5]，每个工序之间通过自动传输线连接，检修过程中无需人员进行零部件的搬运，节省了人力，提高了劳动效率。如图3所示。

图3 动车组油压减振器检修流程

2.1.3 检修内容及要求

该子模块的主要任务是让学生了解油压减振器常见的几种故障及检修方式，即连接问题、漏油问题、阻尼异常问题[6]。如图4所示。通过PPT、视频动画的方式让学生掌握油压减振器出现故障的原因、故障的检测和检修的方式与要求。

图4 油压减振器漏油故障

2.2 虚拟拆装模块

虚拟拆装模块是为了让学生更深层次的了解油压减振器的构造、各零部件的装配关系及检修时拆装的顺序。通过操作3D油压减振器的方式来模拟设备的分解和组合，同时还配有油压减振器的图片、拆装视频动画。其中图片包括油压减振器在SolidWorks软件中完成的各零部件模型、工程图；视频动画主要是在SolidWorks软件中完成油压减振器的实体装配和拆卸的爆炸视频。如图5，6所示。

图5 油压减振器工程图

图6 油压减振器装配图

2.3 实物拆装模块

通过以上几个模块的学习，对油压减振器的构造与拆装顺序有了基本了解。实物拆装模块主要目的是通过视频动画的方式让学生掌握根据工艺卡片检修油压减振器的流程，包括拆装所需的仪器、拆装顺序、故障检修的方法等。如图7所示。

图7 油压减振器实物拆装视频

2.4 性能参数测试模块

性能参数测试是新造或检修后油压减振器的性能试验，也是巩固所学理论知识、培养学生解决问题能力的最好方法。该模块的主要目的就是让学生了解油压减振器试验台的构造，掌握油压减振器试验台的基本操作、油压减振器拉压行程的特性和测定阻力系数，主要通过视频的方式展现。如图8所示。

图8 油压减振器性能检测报告

2.5 仿真测试与设计模块

该模块包括油压减振器的结构设计和仿真测试两个部分，分别利用现代工具进行零件结构和装配性能仿真设计。仿真测试部分利用过Excel、SolidWorks、MATLAB软件进行油压减振器性能仿真测试，能直观地展现出各个关键参数对其性能的影响程度，为设计部分提供依据。设计部分主要有阻尼形式的选择、阻尼率的计算、结构尺寸的确定、端部连接选型四个方面。通过该模块也让学生掌握专业课程的基本概念和理论。如图9所示。

图9 油压减振器运动仿真曲线

3 结语

针对目前轨道交通车辆虚拟仿真实验教学资源相对匮乏的情况，本文开发了一套适用于油压减振器构造与性能测试仿真实验教学系统。该系统有以下优点：

1）激发了学生自主学习的动力。学生可以随时随地进入系统学习，不仅可以在课堂上进行练习，还可以利用课后时间进行虚拟仿真检修训练。

2）提高了教学效率。虚拟检修实验系统开放共享的特点，使单一实验项目的实验时间由原来的12减至2h；同时实验人数由实体设备实验的5人／台提升至在线实验的数百人。

3）降低了实验成本。实验实体教学需要采购大量油压减振器与试验台，耗资巨大，而通过虚拟仿真系统进行自主实验教学，所需成本只需几万元。