楊長(zhǎng)建

(天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司 天津300222)

基于MATLAB的地鐵車(chē)輛軸箱軸承選配及優(yōu)化

楊長(zhǎng)建

(天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司 天津300222)

天津地鐵選配車(chē)輛軸箱軸承時(shí)，根據(jù)測(cè)量得到的輪軸軸頸的實(shí)際尺寸來(lái)選配符合公差要求的軸承。由于有很多組軸承可供選配，所以選配過(guò)程非常耗時(shí)，且很難選配出符合配合公差的最優(yōu)軸承組。通過(guò)分析選配軸承的過(guò)程，提出了用 MATLAB GUI編程來(lái)自動(dòng)選取軸承，并基于靠近公差帶中間值為最優(yōu)解的原則自動(dòng)選配最合適的軸承。與人工選配相比，該方法簡(jiǎn)單明了，計(jì)算速度快。最后，用兩組計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)求解結(jié)果的正確性。

地鐵車(chē)輛 軸承選配 MATLAB

0 引 言

地鐵車(chē)輛軸箱軸承選配時(shí)，符合公差要求的軸承個(gè)數(shù)并不是唯一的，一般情況下，備用軸承越多，可供選擇的余地就越大，同時(shí)也越難選配到最優(yōu)的一組軸承。針對(duì)天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司修理廠軸箱軸承選配的實(shí)際情況，本文提出了用 MATLAB軟件編寫(xiě)程序，同時(shí)用 GUI模塊創(chuàng)建交互界面，從而實(shí)現(xiàn)只需輸入測(cè)量到的輪軸軸頸實(shí)際尺寸，就可以自動(dòng)選配軸承，并通過(guò)判斷最終選取最優(yōu)的一組軸承。[1-2]

1 軸箱軸承選配原則

圖1 輪軸軸頸測(cè)量位置Fig.1 Measuring positions on the axle journal

天津地鐵 1號(hào)線軸箱軸承采用的是雙列圓柱滾子軸承(分為A面和B面)。本文以1號(hào)線車(chē)輛軸箱軸承選配為例，如圖1所示，在選配軸箱軸承時(shí)工作人員需測(cè)量輪軸軸頸A、B、C 3個(gè)截面處的尺寸，并且每個(gè)截面等間距測(cè)量3次，由此得到3組數(shù)據(jù)，每組中包含3個(gè)數(shù)據(jù)，靠近輪柄的一組數(shù)據(jù)為A組，用來(lái)選配A面軸承；遠(yuǎn)離輪柄的一組數(shù)據(jù)為B組，用來(lái)選配B面軸承。利用中間C組及A、B組，共同判斷輪軸軸頸是否符合技術(shù)要求(實(shí)際尺寸應(yīng)滿足A＞C＞B)。

工作人員分別計(jì)算 A、B兩組數(shù)據(jù)的平均值，再根據(jù)廠家提供的軸箱軸承的公差及代號(hào)表格來(lái)選取符合公差要求的軸承。在選擇時(shí)，工作人員只能選配出符合公差要求的軸承，很難選出符合公差要求的最優(yōu)的一組軸承。

2 MATLAB程序編制及GUI界面設(shè)計(jì)

2.1 MATLAB程序編制

MATLAB是一款高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，其特點(diǎn)為：功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)數(shù)組、向量和矩陣的計(jì)算，編程效率高，庫(kù)函數(shù)豐富，界面友好，函數(shù)命令非常多。[3-6]

通過(guò)MATLAB調(diào)用廠家提供的軸箱軸承的Excel清單，表 1所示為部分?jǐn)?shù)據(jù)。由于天津地鐵軸箱軸承的基本尺寸為Φ120,mm，采用過(guò)盈配合，配合公差為 0.037～0.070，所以過(guò)盈量越接近 0.053,5，所選的軸承越合適。首先讀取“F”列的各個(gè)表格中的數(shù)據(jù)，若軸承未被選用，其對(duì)應(yīng)的“Fi”表格中數(shù)字為“0”，若已被選用，則為“1”；將“B”列減去120后的值賦予Mi；將“D”列減去 120后的值賦予Ni。將A面數(shù)據(jù)取平均值和Mi相減后判斷與0.053,5的差值，選取最小值；將 B面數(shù)據(jù)取平均值和 Ni相減后判斷與 0.053,5的差值，選取最小值，判斷Mi和Ni的最小值并將其對(duì)應(yīng)“Ai”列單元格中的軸承編號(hào)輸出(若最小值不唯一，選取“i”值較小的)。計(jì)算流程圖如圖2所示。

表1 Excel表格Tab.1 Excel table

圖2 計(jì)算流程圖Fig.2 Computing flow chart

2.2 GUI界面設(shè)計(jì)

打開(kāi)MATLAB中的GUI模塊，創(chuàng)建交互界面。

由于在選配軸箱軸承的過(guò)程中只用到了 A、B兩組數(shù)據(jù)，所以在創(chuàng)建交互界面時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建6個(gè)動(dòng)態(tài)文本框、4個(gè)靜態(tài)文本框及4個(gè)按鈕。

創(chuàng)建好交互界面后，對(duì)界面進(jìn)行優(yōu)化，將各個(gè)文本框和按鈕相應(yīng)對(duì)齊，如圖3所示。

圖3 編輯交互界面Fig.3 Interactive interface of editing

設(shè)定各個(gè)動(dòng)態(tài)文本框的 string和 tag屬性，作為輸入窗口。用其中的get函數(shù)得到輸入的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為數(shù)值型以便計(jì)算；設(shè)定各個(gè)靜態(tài)文本框的 string和 tag屬性，作為輸出(顯示)窗口。用 set函數(shù)將計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)輸出到對(duì)應(yīng)的靜態(tài)文本框；將輸入和輸出設(shè)定好后，編輯“計(jì)算”、“清除”、“確認(rèn)”和“重置”4個(gè)按鈕的回調(diào)函數(shù)；用 set函數(shù)來(lái)編寫(xiě)“清除”按鈕的回調(diào)函數(shù)，當(dāng)點(diǎn)擊“清除”按鈕時(shí)，將空字符賦予各個(gè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)文本框，如圖4所示。

圖4 交互界面Fig.4 Interactive interface

將編制的 MATLAB語(yǔ)句編寫(xiě)到“計(jì)算”、“確認(rèn)”和“重置”指令的回調(diào)函數(shù)中。

3 脫離MATLAB獨(dú)立運(yùn)行

為使該程序能在未安裝MATLAB的電腦上運(yùn)行，將該程序打包生成可獨(dú)立運(yùn)行的執(zhí)行程序，以便在不同電腦上使用。

安裝編譯器：在MATLAB命令窗口中輸入mex–setup，點(diǎn)擊回車(chē)運(yùn)行。

設(shè)置編譯器：在MATLAB命令窗口中輸入mbuild–setup，根據(jù)提示選擇MATLAB自帶的LCC編譯器。

將腳本編譯為可執(zhí)行文件：繼續(xù)在MATLAB命令窗口中輸入mcc–tjdtjx．m，其中tjdtjx為要轉(zhuǎn)成exe的m文件(即編制的程序文件)。

在未安裝 MATLAB的機(jī)器上運(yùn)行可執(zhí)行程序：將MCRinstaller．exe安裝到需要的計(jì)算機(jī)上，將生成可執(zhí)行程序，脫離MATLAB運(yùn)行所需的函數(shù)庫(kù)。其中g(shù)ui.ctf、gui.exe為脫離MATLAB環(huán)境運(yùn)行必需的文件。[7]

4 實(shí)例驗(yàn)證

給定兩組值來(lái)驗(yàn)證所編程序的正確性，為減少計(jì)算量，兩組數(shù)據(jù)的B面數(shù)據(jù)相同。

由于輪軸軸頸的基本尺寸為Φ120,mm，公差為 0.037～0.059，為方便記錄，員工在測(cè)量完軸頸、記錄數(shù)據(jù)時(shí)只記錄小數(shù)點(diǎn)后面的值。

軸承選配計(jì)算公式為：

式中：δ為配合間隙；t為計(jì)算A面時(shí)輸入的A面數(shù)據(jù)平均值或計(jì)算B面時(shí)B面數(shù)據(jù)平均值；m為軸承的實(shí)際尺寸。

4.1 第1組選配結(jié)果

A 面數(shù)據(jù)為：0.049，0.050，0.051；B面數(shù)據(jù)為：0.041，0.043，0.042。

將 A面數(shù)據(jù)的平均值帶入公式(1)，計(jì)算可得的值依次為：0.014,5，0.003,5，0.005,5，0.007,5，0.002,5，0.008,5，0.001,5，0.001,5，0.003,5，0.004,5，0.013,5，0.009,5，0.005,5，0.010,5。在這一組數(shù)列中最小值有 2個(gè)，其值為0.001,5，其分別對(duì)應(yīng)的軸承編號(hào)為1117和1118。

將 B面數(shù)據(jù)的平均值帶入公式(1)，計(jì)算可得的值依次為：0.000,5，0.009,5，0.001,5，0.006,5，0.004,5，0.006,5，0.002,5，0.002,5，0.000,5，0.003,5，0.000,5，0.006,5，0.004,5，0.001,5。在這一組數(shù)列中最小值有 3個(gè)，其值為0.000,5，其分別對(duì)應(yīng)的軸承編號(hào)為1111、1119和1121。

分析軸承1111、1117、1118、1119、1121，可知軸承1117的值最小，所以對(duì)應(yīng)的該組輪軸軸頸尺寸應(yīng)選擇編號(hào)為 1117的軸承。

將 A、B兩組數(shù)據(jù)輸入交互界面中相應(yīng)的位置，運(yùn)行程序得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 第1組選配結(jié)果Fig.5 Matching result of Group 1

4.2 第2組選配結(jié)果

A 面數(shù)據(jù)為：0.055，0.054，0.056；B面數(shù)據(jù)為：0.041，0.043，0.042。

將 A 面數(shù)據(jù)帶入公式(1)中計(jì)算可得的值依次為：0.019,5，0.008,5，0.010,5，0.012,5，0.007,5，0.013,5，0.003,5，0.006,5，0.008,5，0.009,5，0.018,5，0.014,5，0.010,5，0.015,5。在這一組數(shù)列中最小值為 0.003,5，其對(duì)應(yīng)的軸承編號(hào)為 1117，但 1117已被選用，所以數(shù)列中最小值應(yīng)為 0.006,5，其對(duì)應(yīng)的軸承編號(hào)為1118，由于B面數(shù)據(jù)中1118也為最小值，所以對(duì)應(yīng)的該組輪軸軸頸尺寸應(yīng)選擇編號(hào)為1118的軸承。

將兩組數(shù)據(jù)輸入到對(duì)應(yīng)的交互界面中，運(yùn)行程序得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 第2組選配結(jié)果Fig.6 Matching result of Group 2

圖5和圖6為軟件選配軸承的結(jié)果，選配結(jié)果和實(shí)際分析結(jié)果是一致的，證明所編寫(xiě)的程序正確，軟件優(yōu)化選配軸承正確。

5 結(jié) 論

如何選取最優(yōu)的軸承是地鐵車(chē)輛軸箱軸承的難點(diǎn)，本文基于MATLAB語(yǔ)言編程自動(dòng)選取軸箱軸承，并根據(jù)選取公差帶中間值的原則得到了符合技術(shù)要求的最優(yōu)一組軸承。通過(guò)GUI交互界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提高了軸承選配效率和準(zhǔn)確率，減小了員工在選配軸箱軸承時(shí)的計(jì)算復(fù)雜度。最后，用兩個(gè)實(shí)際例子驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)選配軸承的方案是可行的。■

［1］ 王巧花，葉平. 基于MATLAB的圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械，2005(3)：60-61.

［2］ 王玉林，葛蕾，李艷斌. 新型界面開(kāi)發(fā)工具：MATLAB/GUI [J]. 工程實(shí)踐及應(yīng)用技術(shù)，2008(6)：50-53.

［3］ 宗節(jié)保，段柳云，王瑩. 基于 MATLAB GUI軟件制作方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2010(7)：54-56.

［4］ 邱金蕙，王矞輝，李振全，等. 基于Matlab/GUI的新型界面開(kāi)發(fā)方式[J]. 河北工業(yè)大學(xué)，2008，28(4)：233-235.

［5］ 黃飛，李燦平，任小慶，等. 基于Matlab/GUI的圖像處理軟件開(kāi)發(fā)[J]. 長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9(3)：22-25.

［6］ 何光威. 基于 Matlab/GUI的數(shù)字圖像處理程序設(shè)計(jì)[D]. 南京：中國(guó)傳媒大學(xué)南廣學(xué)院，2013.

［7］ 王戰(zhàn)中，楊長(zhǎng)建. MATLAB環(huán)境下六自由度焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解及優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(7)：182-185.

Selection and Optimization of Metro Vehicle Axle Box Bearing with MATLAB

YANG Changjian
(Vehicle Center of Tianjin Metro，Tianjin 300222，China)

In Tianjin Metro，when selecting vehicle axle box bearing，the actual size of shaft neck is used to match with bearings conforming tolerance requirements．As there are lots of groups of bearings available for the selection，the selecting process is often time-consuming and it is difficult to get the optimal bearing which matches with the fit tolerance．One method that using the MATLAB GUI programming to automatically select and get the optimal bearing and match with the most optimal bearing with the principle of closing to intermediate value of the tolerance zone was proposed．Compared with manual selection and matching，this method is simpler and clearer，and the computing speed is faster．Finally，two groups of calculating examples were given to verify the correctness of the method.

metro vehicle；bearing selecting；MATLAB

V264.4

A

1006-8945(2015)09-0043-04

2015-08-07