徐四寧

(瓦房店軸承集團公司 工程中心，遼寧 瓦房店 116300)

振動可以看作一系列大小、速度不等的脈沖運動的集合，脈沖連續(xù)不斷地作用在軸承工作表面上，輕則導(dǎo)致軸承工作溫度過高，重則造成軸承工作表面過早疲勞磨損，對軸承的可靠性影響極大。伴隨著鐵路運輸一次次大提速，若想進一步提高鐵路軸承的可靠性，就必須提高鐵路軸承振動噪聲質(zhì)量水平[1]。

1 鐵路軸承振動檢測儀

以352226X2-2RZ為例，介紹鐵路貨車軸承振動(速度)檢測儀。

1.1 系統(tǒng)硬件

該儀器為雙通道帶過程統(tǒng)計控制(Statistical Process Control，SPC)的計算機振動測量虛擬儀器。硬件構(gòu)成原理如圖1所示。

測量系統(tǒng)硬件具有以下特點：

(1)為提高信噪比，前置放大器采用差動輸入;

(2)8擋程控放大器放大量分別為20～27，用以擴大儀器動態(tài)量程，提高A/D采樣精度;

(3)高通濾波器和低通濾波器均采用阻帶衰減大于40 dB的切比雪夫有源濾波器，滿足JB/T 5313—2001的要求(低頻帶50～300 Hz，中頻帶300 ～1 800 Hz，高頻帶1 800～10 000 Hz);

(4)A/D轉(zhuǎn)換精度12位，根據(jù)采樣定理，A/D轉(zhuǎn)換頻率至少要大于測量頻率1倍以上，本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換頻率大于20 kHz，滿足最大測量頻率10 kHz的需要;

(5)I/O系統(tǒng)采用高速并行可編程芯片，可提供24路I/O接口，與PLC通信接口采用光電隔離技術(shù);

(6)為減少電源波動的影響，模擬電路采用獨立的直流穩(wěn)壓電源供電;

(7)內(nèi)部程控信號發(fā)生器分別提供200，1 000和3 000 Hz的交流正弦信號，作為標(biāo)準(zhǔn)信號源對儀器進行自校準(zhǔn);

(8)所有硬件均安裝于工控機中，通過微機接口插槽完成與微機的通信。

1.2 系統(tǒng)軟件

軟件全部采用C語言編制,總程序框圖如圖2所示。

圖2 總程序框圖

(1)硬件管理系統(tǒng)。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、放大倍數(shù)設(shè)定和I/O接口管理等工作。

(2)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。對采集的數(shù)據(jù)進行計算和判定，具體有均方根值計算、峰值選取、峰值因子和峭度計算等。

(3)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。為提高測量精度，系統(tǒng)每測量5次取平均值送顯示器更新顯示，更新間隔約1 s。每次測量后，系統(tǒng)都將采集的樣本送示波區(qū)顯示實時振動波形。

(4)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。按用戶要求存儲測量結(jié)果并進行調(diào)用。只保存最新的50個樣本數(shù)據(jù)，并保存一天內(nèi)任意時刻的產(chǎn)品合格率。

(5)數(shù)據(jù)打印系統(tǒng)?？呻S時打印最新50件樣本的檢測數(shù)據(jù)及質(zhì)量趨勢圖和直方圖。

(6)測量參數(shù)設(shè)定。可根據(jù)用戶需要設(shè)置產(chǎn)品型號、測量日期、檢測參數(shù)的門限、測量平均次數(shù)、峰值計數(shù)閾值等參數(shù)。

(7)質(zhì)量分析系統(tǒng)。實時對測量結(jié)果進行質(zhì)量分析，計算Cp值、最大值和最小值。實時輸出質(zhì)量趨勢圖和直方圖。

(8) 校對管理系統(tǒng)。調(diào)用校對系統(tǒng)硬件進行參數(shù)校對并存儲。

開機后，刷新主測量界面程序模塊,繪制出如圖3所示的主測量界面，分8個區(qū)域。

(1)測量參數(shù)區(qū)。分別顯示前(Ⅰ)、后(Ⅱ)工位所測量的峰值因子和峭度值。

(2)質(zhì)量統(tǒng)計區(qū)。分別顯示總測量個數(shù)、總合格率及A1～A4組的合格率。

(3)門限區(qū)。顯示低、中、高頻門限值。

(4)工位質(zhì)量水平判定區(qū)。根據(jù)測量結(jié)果顯示前、后工位所達(dá)到的質(zhì)量水平。

(5)質(zhì)量趨勢顯示區(qū)。從左至右分別顯示最近50件樣本的低頻、中頻及高頻振動質(zhì)量結(jié)果。

(6)參數(shù)顯示區(qū)?？娠@示超過預(yù)先設(shè)置的P/R閾值的計數(shù)值，測量結(jié)果存儲文件的名稱及低頻、中頻和高頻滿刻度量程。

(7)波形顯示區(qū)。實時顯示前、后工位的振動波形及低頻、中頻和高頻測量結(jié)果。

(8)功能鍵提示區(qū)。提示各項功能的操作熱鍵。

系統(tǒng)完成主測量界面繪制后，需對第6區(qū)域進行更新顯示：從門限文件中調(diào)出門限、閾值，更新P/R閾值；根據(jù)系統(tǒng)日期更新文件名稱，并根據(jù)該文件名調(diào)出歷史測量數(shù)據(jù)，更新顯示質(zhì)量趨勢圖；根據(jù)上一次關(guān)機前存儲的量程狀態(tài)設(shè)置量程。

圖3 測量系統(tǒng)主界面

1.3 儀器的標(biāo)定

為保證檢測儀的準(zhǔn)確性，必須對檢測儀進行校對。在實際應(yīng)用中，利用B&K儀組成的校對系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 B&K儀組成的振動校對系統(tǒng)

信號發(fā)生器發(fā)出1 000 Hz的正弦信號，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動振動臺；由標(biāo)準(zhǔn)加速度計、電荷放大器及電子電壓表組成振動信號監(jiān)測系統(tǒng)，振動檢測儀的傳感器從標(biāo)準(zhǔn)加速度計上方拾取振動信號。校對時，調(diào)整使鐵路軸承振動檢測儀與電子電壓表的測量結(jié)果相一致即可。同樣，改變頻率即可完成頻率特性校對。

1.4 檢測流程

目前，我國鐵路貨車軸承一般采用雙列圓錐滾子軸承，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)示意圖

在軸承行業(yè)，圓錐滾子軸承在振動測量時一般都遵循以下幾個原則。

(1)振動檢測為非破壞性檢驗，檢驗后的軸承需要再次使用。因此，檢驗時的載荷不能太大，保證所有滾動體與滾道緊密接觸即可。

(2)載荷方向為軸向并需均勻加載。

(3)測量時要充分潤滑。

(4)測量轉(zhuǎn)速接近工作轉(zhuǎn)速。

(5)測量前軸承要清洗干凈。

將待檢軸承通過機械裝置傳送到初始位置，開始振動檢測程序。

(1)準(zhǔn)確定位后將軸承安裝于驅(qū)動心軸上，通過機械手提升隔圈和內(nèi)組件，同時對外圈進行加載；驅(qū)動心軸進行低速旋轉(zhuǎn)，磨合一段時間后使轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到測量轉(zhuǎn)速；振動傳感器運行到指定位置，對軸承振動有效值進行監(jiān)測，待示值穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)拾取，完成一側(cè)軸承的測量。

(2)卸掉載荷，使隔圈和內(nèi)組件復(fù)位，將軸承運送到提升、旋轉(zhuǎn)工位，將軸承翻轉(zhuǎn)并下降傳送到下一測量工位。

這時系統(tǒng)將判斷剛檢測的一側(cè)軸承是否合格。如果不合格，則終止檢測，執(zhí)行剔除程序；如果合格，則系統(tǒng)重復(fù)(1)，(2)步驟，在第2測量工位完成對另一側(cè)軸承的振動檢測；軸承兩側(cè)都檢測完畢后，系統(tǒng)對檢測結(jié)果進行判定，合格的進入下一注脂工位，不合格則執(zhí)行剔除程序。振動檢測程序如圖6所示。

圖6 振動檢測程序

在實際工作中，如果振動檢測的上工位或下工位連接其他(游隙檢測等)自動檢測工位，則需要考慮軸承振動檢測的節(jié)拍問題，否則無法組成生產(chǎn)線。

1.5 檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定

(1)振動安德魯標(biāo)準(zhǔn)確定[3]。取20套振動質(zhì)量較好的軸承進行檢測，結(jié)果見表1(表中數(shù)據(jù)單位為安德魯)。

表中的標(biāo)準(zhǔn)差S為

(1)

對于一批正常生產(chǎn)的軸承樣本來說，其振動質(zhì)量分布特性與大多數(shù)質(zhì)量特性一樣，接近正態(tài)分布，如圖7所示。

表1 軸承振動質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)

圖7 振動質(zhì)量正態(tài)分布曲線

(2)峰值計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定(缺陷判定)。無磷化層軸承振動檢測取內(nèi)、外滾道缺陷各2套；滾動體磕傷4套，大、小滾子各4套。對缺陷部件進行多次的振動檢測分析，根據(jù)測量結(jié)果初步確定峰值計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為1 000。

2 質(zhì)量統(tǒng)計分析

在軸承生產(chǎn)過程中，加工質(zhì)量的波動不可避免，軸承振動值也存在波動，其由人、機器、材料、工藝和環(huán)境等基本因素的影響所致。這種波動分為正常波動和異常波動：正常波動是偶然性原因(不可避免因素)造成的，對產(chǎn)品質(zhì)量影響較小，技術(shù)上難以消除，經(jīng)濟上也不值得消除；異常波動由系統(tǒng)原因(異常因素)造成，對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，但能夠采取措施避免和消除。過程控制的目的就是消除、避免異常波動，使過程處于正常波動狀態(tài)。

SPC是一種借助數(shù)理統(tǒng)計方法的過程控制工具。它對生產(chǎn)過程進行分析評價，根據(jù)反饋信息及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素，并采取措施消除影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態(tài)，以達(dá)到質(zhì)量控制的目的。SPC認(rèn)為，當(dāng)過程僅受隨機因素影響時，過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)(簡稱受控狀態(tài))；當(dāng)過程中存在系統(tǒng)因素的影響時，過程處于統(tǒng)計失控狀態(tài)(簡稱失控狀態(tài))。由于過程波動具有統(tǒng)計規(guī)律性，當(dāng)過程受控時，過程特性一般服從穩(wěn)定的隨機分布；而失控時，過程分布將發(fā)生改變。SPC正是利用過程波動的統(tǒng)計規(guī)律性對過程進行分析控制，強調(diào)過程在受控和有能力的狀態(tài)下運行，可使鐵路軸承質(zhì)量穩(wěn)定并滿足顧客的要求。

控制圖是SPC最重要的工具。質(zhì)量趨勢圖屬于控制圖的一種，用來實時顯示振動質(zhì)量的波動情況。如圖3所示，如果質(zhì)量波動超出允許范圍，就立即停止生產(chǎn)，查出原因，就地整改，及時解決質(zhì)量問題。

除此以外，在圖3的測量參數(shù)區(qū)中，分別顯示前、后工位所測量的峰值因子，峭度值和所達(dá)到的質(zhì)量水平。質(zhì)量統(tǒng)計區(qū)分別顯示總測量個數(shù)、總合格率和A1～A4組的合格率。

工序能力分析：根據(jù)最后50件樣本的質(zhì)量水平，畫出3個頻段的直方圖，計算并顯示出各頻段的平均值、最大值、最小值、50件樣本合格率、Cp值、總合格率、A1～A4組的合格率。

Cp值是工序能力指數(shù)，是衡量工序能力的一個重要指標(biāo)，其計算方法為

(2)

如圖8所示，直方圖和Cp值都是動態(tài)的實時值，可以隨時監(jiān)視動態(tài)質(zhì)量情況。很顯然，具有上述功能的軸承振動質(zhì)量檢測儀已經(jīng)不是一般意義上的測量儀器，它可以實時監(jiān)控一批軸承的質(zhì)量水平，是一臺具有SPC功能的鐵路軸承振動質(zhì)量檢測儀。

圖8 振動質(zhì)量直方圖

3 效果檢驗

通過2年多的生產(chǎn)實踐，利用具有SPC功能的鐵路軸承振動檢測儀能夠有效保證軸承的振動質(zhì)量，是提高鐵路軸承可靠性的一臺必備設(shè)備，其以下幾個方面作用特別突出：

(1)隨時剔除由于軸承工作表面缺陷導(dǎo)致的軸承異常振動，控制軸承振動質(zhì)量，提高軸承可靠性。

(2)通過控制鐵路軸承振動噪聲質(zhì)量間接監(jiān)控軸承工作表面幾何精度，提高軸承動態(tài)質(zhì)量，降低軸承振動噪聲。特別是通過過程質(zhì)量監(jiān)控，可以有效感知軸承振動質(zhì)量的波動，為鐵路軸承的質(zhì)量改進提供依據(jù)。

(3)目前，我國鐵路貨車軸承內(nèi)、外滾道表面都要進行磷化處理，對軸承的早期工作質(zhì)量影響(具體表現(xiàn)為溫升)尤為嚴(yán)重。軸承的振動質(zhì)量對軸承內(nèi)、外滾道磷化質(zhì)量相當(dāng)敏感，因此，通過對鐵路貨車軸承振動質(zhì)量的監(jiān)控，可有效控制軸承磷化質(zhì)量，保證軸承早期溫升質(zhì)量要求。

(4)具有SPC功能的鐵路軸承動態(tài)質(zhì)量檢測系統(tǒng)的在線應(yīng)用，可以有效地保證每一套軸承的振動質(zhì)量，同時也為鐵路軸承生產(chǎn)線的實時質(zhì)量控制提供必要的手段。通過對檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量過程統(tǒng)計分析，對鐵路軸承質(zhì)量的可持續(xù)改進提供依據(jù)。