黎軍仕，陳 澍

（瓦房店軸承集團(tuán)有限公司，遼寧瓦房店 116300）

0 引言

鐵路貨車輪對(duì)軸承是鐵路貨車增加承載量、提高運(yùn)輸能力、保證車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一，在軸承的設(shè)計(jì)研究過(guò)程中和裝車運(yùn)行之前，必需在鐵路軸承試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以檢測(cè)軸承的運(yùn)行數(shù)據(jù)和使用壽命，為軸承的設(shè)計(jì)、加工工藝的優(yōu)化提供有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也是檢驗(yàn)軸承使用壽命的實(shí)用手段，為裝車運(yùn)行提供可靠依據(jù)。利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和NI cDAQ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于LabVIEW 研發(fā)設(shè)計(jì)的鐵路軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的可靠控制，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集處理和存儲(chǔ)記錄等，為鐵路軸承在試驗(yàn)機(jī)上的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)提供保障。

1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

1.1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成

測(cè)控系統(tǒng)的硬件主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、NI cDAQ 數(shù)據(jù)采集控制器、C 系列模塊、傳感器等組成。NI cDAQ 數(shù)據(jù)采集控制器選用美國(guó)NI 公司的cDAQ 系列的cDAQ-9188XT，該數(shù)據(jù)采集控制器結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固抗振，安裝方便快捷，具有8 個(gè)槽插，可以快捷地安裝C 系列所有模塊，通過(guò)Ethernet 總線接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，與NI LabVIEW 軟件無(wú)縫兼容。由cDAQ-9188XT 等構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)原理

由于試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境有油污、灰塵和振動(dòng)等，因此計(jì)算機(jī)采用研華的610H 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，采用NI9234 模塊，該模塊具有4 個(gè)BNC 連接器模擬信號(hào)輸入通道，可以直接連接IEPE 振動(dòng)傳感器，分辨率可達(dá)24 bits，對(duì)4 個(gè)通道進(jìn)行同步采樣；軸承溫度、載荷、風(fēng)速和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的采集，采用NI9205 模塊，該模塊是32 通道16 bits 模擬量輸入模塊；軸承載荷和轉(zhuǎn)速的控制，采用NI9264 模塊，該模塊是16 通道16 bits 模擬量輸出模塊；過(guò)程控制、保護(hù)控制等開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入，采用NI9425 模塊，該模塊是32 通道數(shù)字輸入模塊；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制采用NI9477 模塊，該模塊具有32通道數(shù)字量輸出。

1.2 測(cè)控系統(tǒng)的工作原理

用LabVIEW 編寫(xiě)的測(cè)控程序在PC 機(jī)中運(yùn)行，PC 機(jī)與NI9188XT 通過(guò)Ethernet 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)軸承的振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)等模擬信號(hào)進(jìn)行采集、處理和記錄等，根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)和試驗(yàn)機(jī)的控制過(guò)程，輸出控制潤(rùn)滑泵、油泵的起動(dòng)和停止，控制主軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，對(duì)軸承的軸向和徑向的加載進(jìn)行控制。

根據(jù)試驗(yàn)軸承的參數(shù)和試驗(yàn)方案的實(shí)際要求，選擇合適靈敏度和頻率范圍的壓電加速度振動(dòng)傳感器，NI9234 的每個(gè)通道都具有恒流源供電輸出，因此選擇IEPE 型加速度傳感器，將IEPE 振動(dòng)傳感器直接通過(guò)BNC 連接器連接到NI9234 模塊上。溫度、載荷、風(fēng)速傳感器和轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)37 針DSUB 連接器連接到NI9205 模擬量輸入模塊，PC 機(jī)通過(guò)NI9234 模塊和NI9205 模塊對(duì)軸承的振動(dòng)等上述模擬信號(hào)進(jìn)行采集、顯示和處理。軸承在試驗(yàn)過(guò)程中要模擬實(shí)際運(yùn)行工況，要施加軸向和徑向載荷，載荷的控制是PC 機(jī)通過(guò)NI9264 輸出（0～10）VDC的電壓信號(hào)給比例減壓閥，由比例減壓閥調(diào)節(jié)軸向和徑向的油路的壓力，通過(guò)讀取壓力傳感器實(shí)際壓力值，對(duì)施加在軸承上的載荷進(jìn)行PID 控制；試驗(yàn)軸承轉(zhuǎn)速的控制，是通過(guò)NI9264輸出（0～10）VDC 的模擬電壓信號(hào)，輸入到變頻器的速度模擬信號(hào)給定輸入端，通過(guò)檢測(cè)變頻器的模擬輸出信號(hào)，控制和調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制和調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主軸潤(rùn)滑油泵、液壓油泵的起動(dòng)信號(hào)，主軸的正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)和其它電路保護(hù)等數(shù)字量信號(hào)，均通過(guò)NI9425 數(shù)字輸入模塊接入測(cè)控系統(tǒng)中。潤(rùn)滑泵電機(jī)、液壓泵電機(jī)的啟動(dòng)、停止控制，主軸電機(jī)啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)的控制，軸徑向加載電磁閥的控制等，測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)NI9477 數(shù)字輸出模塊，輸出數(shù)字信號(hào)到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)繼電器，控制執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作過(guò)程。

2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，采用NI 公司的LabVIEW 圖形化編程軟件，在連接和配置cDAQ-9188XT 采集系統(tǒng)之前，需要預(yù)先在PC 機(jī)中安裝NI-DAQmx 驅(qū)動(dòng)程序，NI-DAQmx 驅(qū)動(dòng)程序中提供大量NI 公司開(kāi)發(fā)的DAQ 函數(shù)，利用這些DAQ 函數(shù)，可以高效地開(kāi)發(fā)用戶的應(yīng)用程序，為用戶程序的開(kāi)發(fā)提供方便與快捷。測(cè)控系統(tǒng)軟件主要由前面板和程序框圖組成。

2.1 測(cè)控軟件的前面板

測(cè)控系統(tǒng)的前面板主要由控制操作和數(shù)據(jù)曲線顯示等部分組成，部分主界面如圖2 所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)主界面

在前面板中點(diǎn)擊“創(chuàng)建試驗(yàn)”，在“試驗(yàn)方案編輯”界面中，根據(jù)“機(jī)車車輛軸承臺(tái)架試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，按照試驗(yàn)方案的要求，可以添加或刪除試驗(yàn)階段；設(shè)定每個(gè)試驗(yàn)階段的軸徑向載荷、試驗(yàn)速度；通過(guò)設(shè)定正向加速時(shí)間、正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、正向減速時(shí)間、換向停止時(shí)間、反向加速時(shí)間、反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、反向減速時(shí)間等，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)試驗(yàn)循環(huán)要求的速度變化曲線；通過(guò)設(shè)定循環(huán)次數(shù)可以設(shè)定總模擬走行里程；通過(guò)設(shè)定軸向載荷的推時(shí)間和停止時(shí)間、軸向載荷的拉時(shí)間和停止時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)要求的軸向載荷加載曲線等；通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)方案的設(shè)置，可以滿足預(yù)備試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)的要求。點(diǎn)擊“試驗(yàn)開(kāi)始”，試驗(yàn)機(jī)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以在界面中查看試驗(yàn)軸承和工作軸承的溫度、溫升、振動(dòng)、載荷等數(shù)值和曲線等。

2.2 測(cè)控軟件的G 語(yǔ)言框圖

測(cè)控軟件分為自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)調(diào)試兩部分，手動(dòng)調(diào)試是在自動(dòng)運(yùn)行之前，對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試和調(diào)整，通過(guò)測(cè)試和調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、主軸電機(jī)控制系統(tǒng)、模擬信號(hào)采集和輸出系統(tǒng)，使試驗(yàn)機(jī)處于試驗(yàn)要求的狀態(tài)。自動(dòng)運(yùn)行部分包括初始化程序、試驗(yàn)方案設(shè)置、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)歷史記錄查詢、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)字顯示和曲線顯示及故障監(jiān)控等。

測(cè)控軟件主要采用隊(duì)列消息處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分的功能，主要軟件構(gòu)成流程如圖3 所示。

2.2.1 初始化條件結(jié)構(gòu)

圖3 控制流程

在初始化條件結(jié)構(gòu)中，加載用戶菜單后，對(duì)曲線顯示、菜單和按鍵等進(jìn)行初始化，啟動(dòng)數(shù)字輸入和數(shù)字輸出控制循環(huán)，并對(duì)數(shù)字輸出初始化；在試驗(yàn)軸承和工作軸承的振動(dòng)采集過(guò)程中，需要排除試驗(yàn)機(jī)的環(huán)境振動(dòng)和試驗(yàn)機(jī)機(jī)體的振動(dòng)，因此，在初始化條件結(jié)構(gòu)中要先啟動(dòng)振動(dòng)的采集循環(huán)，也就是在試驗(yàn)機(jī)開(kāi)機(jī)之前，對(duì)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行采集，以便在振動(dòng)的數(shù)據(jù)處理中，排除環(huán)境振動(dòng)，得到軸承的實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)；鐵路軸承的試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，一般都在數(shù)百小時(shí)到數(shù)千小時(shí)，試驗(yàn)期間難免由于突然斷電等原因造成非正常關(guān)機(jī)，重新開(kāi)機(jī)運(yùn)行測(cè)控軟件時(shí)，需要判斷是否有未完成的試驗(yàn)，使前期未完成的試驗(yàn)可以繼續(xù)進(jìn)行，避免重復(fù)試驗(yàn)造成浪費(fèi)和延誤時(shí)間，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效及連續(xù)性。

2.2.2 試驗(yàn)機(jī)開(kāi)機(jī)條件結(jié)構(gòu)

在開(kāi)始試驗(yàn)后，測(cè)控程序執(zhí)行試驗(yàn)機(jī)開(kāi)機(jī)條件循環(huán)，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)機(jī)開(kāi)機(jī)消息循環(huán)

在試驗(yàn)機(jī)開(kāi)機(jī)條件分支結(jié)構(gòu)中，隊(duì)列消息處理器按照消息字符串?dāng)?shù)組索引由小到大的順序，執(zhí)行所對(duì)應(yīng)的每個(gè)條件分支結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)啟動(dòng)要求，潤(rùn)滑油泵首先啟動(dòng)，為工作軸承提供預(yù)潤(rùn)滑；然后，液壓加載系統(tǒng)、冷卻風(fēng)機(jī)依次啟動(dòng)；執(zhí)行潤(rùn)滑油泵、液壓加載系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，需要對(duì)潤(rùn)滑油泵、液壓加載系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果沒(méi)有啟動(dòng)成功，報(bào)警提示并執(zhí)行試驗(yàn)機(jī)停機(jī)，避免試驗(yàn)機(jī)在開(kāi)機(jī)狀態(tài)不正常的情況下開(kāi)機(jī)運(yùn)行；接著模擬鐵路貨車軸承的實(shí)際運(yùn)行情況，施加徑向載荷；主軸開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，施加軸向載荷，徑向和軸向載荷的大小，軸向載荷加載頻率，在創(chuàng)建試驗(yàn)方案中設(shè)定；在試驗(yàn)機(jī)采集記錄開(kāi)始消息字符串條件分支中，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和記錄消息循環(huán)，開(kāi)始采集和記錄存儲(chǔ)溫度、振動(dòng)和載荷等試驗(yàn)數(shù)據(jù)；報(bào)警控制循環(huán)檢測(cè)是否有故障報(bào)警，對(duì)報(bào)警進(jìn)行判斷處理，根據(jù)報(bào)警狀態(tài)的不同，對(duì)報(bào)警的處理有預(yù)警和停機(jī)兩種方式；方案控制循環(huán)對(duì)試驗(yàn)信息進(jìn)行更新，對(duì)試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算和比較判斷，當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)時(shí)間時(shí)，試驗(yàn)機(jī)停機(jī)完成試驗(yàn)。

2.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)查看

軸承的振動(dòng)、溫度和載荷等試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)查看數(shù)據(jù)菜單項(xiàng)進(jìn)行查看，在記錄數(shù)據(jù)查看界面中，加載要查看的試驗(yàn)記錄，就可在多列列表中查看軸承的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)；利用測(cè)控軟件提供的導(dǎo)出功能，可以將已加載的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL 電子表格中，方便對(duì)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的編輯處理，形成試驗(yàn)報(bào)告等。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹鐵路軸承模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和存儲(chǔ)，對(duì)軸承試驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)、溫度和載荷等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)際運(yùn)行表明，采用NI cDAQ 數(shù)據(jù)采集控制器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的鐵路軸承模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為鐵路軸承模擬試驗(yàn)機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。