王虎強(qiáng),王高峰,王東峰,毛斐然

(洛陽軸研科技有限公司,河南 洛陽 471039)

1 引 言

鐵路軸承作為火車的關(guān)鍵部件之一,不僅承受來自火車車廂上的動靜載荷,還要承受輪軸的縱向牽引力和制動力,以及機(jī)車曲線通過時(shí)輪對相對于構(gòu)架的橫動量。鐵路軸承的使用工況惡劣,其使用的可靠性直接影響行車的安全[1,2]。

本試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)主要用于鐵路車輛輪對軸箱軸承的試驗(yàn)考核。上位機(jī)為工業(yè)計(jì)算機(jī),通過液壓伺服(比例)控制技術(shù)對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自動控制。監(jiān)控系統(tǒng)主要模擬鐵路機(jī)車行駛過程中的載荷譜、速度譜以及沖擊載荷等實(shí)時(shí)工況,對被測軸承的溫度、振動、主機(jī)電流等物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄保存。當(dāng)被測軸承失效或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)自動報(bào)警停機(jī),從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過程的智能化操作。

2 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國內(nèi)外高速鐵路軸承試驗(yàn)機(jī)研究現(xiàn)狀及未來高鐵軸承的發(fā)展趨勢,所研究的試驗(yàn)機(jī)技術(shù)指標(biāo)為:(1)試驗(yàn)軸承類型:鐵路軸箱軸承。(2)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速:200r/min～2500r/min。(3)最大徑向載荷:300kN。(4)最大軸向載荷:150kN(加載速度0.1s)。(5)試驗(yàn)軸承內(nèi)徑:100mm～180mm。(6)軸向載荷加載半徑:0～450mm。(7)測試參數(shù):轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、振動、電流、電壓、風(fēng)速等。

控制系統(tǒng)具有手動設(shè)置和程序控制兩種控制方式,試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動采集。該試驗(yàn)機(jī)主要用于鐵路走行傳動裝置輪對軸箱軸承的試驗(yàn),所研究的高速鐵路軸箱軸承專用試驗(yàn)機(jī)符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 軸承試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成

本高速鐵路軸承試驗(yàn)機(jī)采用臥式雙懸臂結(jié)構(gòu),試驗(yàn)軸承安裝于兩懸臂端,同時(shí)進(jìn)行兩套軸承試驗(yàn)。在兩套被測軸承下方通過加載油缸施加徑向力,在兩套被測軸承的左右兩側(cè)采用伺服作動器對被測軸承施加指定載荷譜的軸向力。徑向力、軸向力通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)機(jī)配備4臺風(fēng)冷機(jī)、兩套液壓系統(tǒng)(一套用于加載,一套用于軸承潤滑)。試驗(yàn)機(jī)各系統(tǒng)配置相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)總體架構(gòu)圖

3.1 主傳動系統(tǒng)

三相交流變頻電機(jī)作為整個(gè)試驗(yàn)臺的驅(qū)動動力,主電機(jī)通過過渡傳動軸箱、三角皮帶驅(qū)動試驗(yàn)主軸旋轉(zhuǎn)。通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制變頻,從而實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,被測軸承最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r/min,可以模擬機(jī)車時(shí)速最高為450km/h。

3.2 風(fēng)冷系統(tǒng)

采用交流無級調(diào)速系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行控制,為試驗(yàn)軸承、支承軸承提供風(fēng)冷(最大流量為15000m3/h)。

3.3 液壓系統(tǒng)

液壓加載系統(tǒng)是本試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵配套系統(tǒng)之一,軸承試驗(yàn)時(shí),為模擬軸承的工作條件,要對試驗(yàn)軸承施加恒定的徑向載荷及交變的軸向載荷。本試驗(yàn)機(jī)徑向加載采用比例減壓控制,葉片泵輸出的壓力經(jīng)過調(diào)節(jié),分兩路進(jìn)入對應(yīng)徑向載荷比例減壓閥。比例減壓閥在控制器的作用下輸出指定油壓,完成對試驗(yàn)軸承施加指定的徑向載荷,單個(gè)徑向油缸最大輸出力可達(dá)300kN。軸向加載采用比例控制輸入油壓,由換向閥控制伺服油缸向試驗(yàn)軸承施加交變的軸向載荷。軸向載荷加載按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求,軸向力加載交變時(shí)間為0.1s。傳統(tǒng)的加載控制算法反應(yīng)速度及精度不能達(dá)到試驗(yàn)需求,在本監(jiān)控系統(tǒng)中,采用程序設(shè)定的PID算法,對加載系統(tǒng)進(jìn)行精確控制,保證加載系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性。

3.4 潤滑系統(tǒng)

為保證試驗(yàn)機(jī)的正常工作,針對試驗(yàn)機(jī)支承軸承開發(fā)試驗(yàn)機(jī)潤滑系統(tǒng)。該潤滑系統(tǒng)主要通過供油泵將油從油箱抽出,經(jīng)單向閥、溢流閥、濾油器等關(guān)鍵部位后傳送到試驗(yàn)機(jī)的支承軸承?；赜捅脤櫥罅魅霘んw的滑油抽回油箱,形成循環(huán)。在回油路上有冷卻器,以控制系統(tǒng)油溫,保證試驗(yàn)主體軸系有良好的工作性能。

3.5 電氣測控系統(tǒng)

電氣測控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心,由加載控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、自動報(bào)警系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

4 測控系統(tǒng)開發(fā)

針對目前鐵路軸箱軸承的新特點(diǎn),本文所研制的測控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),基于Labwindows開發(fā)環(huán)境開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng),以模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DA)模塊的西門子PLC S200作為下位機(jī),臺達(dá)變頻器控制三相交流變頻電機(jī)作為驅(qū)動動力。上位機(jī)通過RJ45接口與S200實(shí)時(shí)通信,通過485接口控制臺達(dá)變頻器,并接收其反饋數(shù)據(jù)。測控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

該測控系統(tǒng)主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、傳動驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)反饋處理模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊等模塊。

參數(shù)設(shè)置模塊包含試驗(yàn)載荷及試驗(yàn)循環(huán)周期設(shè)置、人員信息設(shè)置、試驗(yàn)傳感器參數(shù)設(shè)置等。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊,上位機(jī)通過RJ45接口與PLC通信,讀取PLC的模擬量及數(shù)字量輸出,主要包括試驗(yàn)軸承的溫度、載荷、振動等實(shí)時(shí)信號,并根據(jù)設(shè)定的載荷、速度圖譜進(jìn)行調(diào)整。傳動驅(qū)動模塊,上位機(jī)通過485接口與變頻器通信,根據(jù)設(shè)定的速度對變頻器進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),并實(shí)時(shí)讀取驅(qū)動電機(jī)的電流、功率、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。數(shù)據(jù)管理模塊將讀取到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲到數(shù)據(jù)庫中,并可根據(jù)設(shè)定權(quán)限,將試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到第三方系統(tǒng)中。高速數(shù)據(jù)采集模塊通過NI USB-4432數(shù)據(jù)同步采集卡對軸承振動信號實(shí)時(shí)高速采集,將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中,并可提供實(shí)時(shí)導(dǎo)出與分析功能。

5 高速數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

振動參數(shù)是判定軸承是否失效的重要參數(shù)之一。根據(jù)GB/T 24607-2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗(yàn)及評定》,疲勞失效指軸承樣品的套圈或滾動體工作表面基體金屬出現(xiàn)的疲勞剝落,是軸承的主要失效形式。這就要求測試振動信號精度高,利用振動信號波形的各種參數(shù)(如幅值、波形因數(shù)、波峰因數(shù)、概率密度、峭度系數(shù)等)以及各種解調(diào)技術(shù)對軸承進(jìn)行初步判斷,以確認(rèn)是否出現(xiàn)故障[3,4]。

5.1 模塊設(shè)備選型

在本監(jiān)控系統(tǒng)中,振動傳感器采用北京遠(yuǎn)東測振IEPE加速度傳感器,數(shù)據(jù)采集模塊采用NI USB-4432模塊。噪聲是影響采集的關(guān)鍵因素,在機(jī)械振動監(jiān)測中,為準(zhǔn)確地反映振動信號,要求采集信號具有足夠的信噪比。非IEPE模式下信號輸入端接地,節(jié)點(diǎn)未進(jìn)行屏蔽封裝而引入的電磁干擾、PCB布局及器件的非理想特性、差分電路的非完全對稱性、電源噪聲等都會對振動信號的采集帶來干擾[5]。本監(jiān)控系統(tǒng)中選用的IEPE加速度傳感器響應(yīng)頻率達(dá)到12K,量程0-50G。NI USB-4432是一個(gè)五通道的動態(tài)信號采集模塊,每個(gè)通道包括內(nèi)置的抗鋸齒過濾器,可自動調(diào)整到設(shè)定的采樣率[6]。

5.2 高速數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集過程中,需調(diào)用NI采集卡初始化配置函數(shù),然后開始按照設(shè)定頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采樣數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中,后調(diào)用響應(yīng)函數(shù)將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫或者導(dǎo)出到Excel中。

(1)變量定義

int numSampsPerChan=2000;

float64 *data = NULL;

uInt32 numChannels, dataSize;

TaskHandle task;

(2)數(shù)據(jù)采集

調(diào)用函數(shù),初始化并采集數(shù)據(jù)。

DAQmxErrChk(DAQmxCreateTask("DAQTaskInProject", &task));

創(chuàng)建板卡采集任務(wù)。

DAQmxErrChk(DAQmxCreateAIAccelChan (taskOut,

"Dev1/ai0",

"加速度_0", DAQmx_Val_PseudoDiff, -50, 50, DAQmx_Val_AccelUnit_g,

100, DAQmx_Val_mVoltsPerG, DAQmx_Val_Internal, 0.0021, ""));

DAQmxErrChk(DAQmxSetChanAttribute(taskOut, "加速度_0",DAQmx_AI_Accel_dBRef, (float64)1));

DAQmxErrChk(DAQmxCreateAIAccelChan (taskOut,

"Dev1/ai1",

"加速度_1", DAQmx_Val_PseudoDiff, -50, 50, DAQmx_Val_AccelUnit_g,

100, DAQmx_Val_mVoltsPerG, DAQmx_Val_Internal, 0.0021, ""));

DAQmxErrChk(DAQmxSetChanAttribute(taskOut, "加速度_1",DAQmx_AI_Accel_dBRef, (float64)1));

DAQmxErrChk(DAQmxCreateAIAccelChan (taskOut,

"Dev1/ai2",

"加速度_2", DAQmx_Val_PseudoDiff, -50, 50, DAQmx_Val_AccelUnit_g,

100, DAQmx_Val_mVoltsPerG, DAQmx_Val_Internal, 0.0021, ""));

DAQmxErrChk(DAQmxSetChanAttribute(taskOut, "加速度_2",DAQmx_AI_Accel_dBRef, (float64)1));

DAQmxErrChk(DAQmxCreateAIAccelChan (taskOut,

"Dev1/ai3",

"加速度_3", DAQmx_Val_PseudoDiff, -50, 50, DAQmx_Val_AccelUnit_g,

100, DAQmx_Val_mVoltsPerG, DAQmx_Val_Internal, 0.0021, ""));

DAQmxErrChk(DAQmxSetChanAttribute(taskOut, "加速度_3",DAQmx_AI_Accel_dBRef, (float64)1));

采集端口配置。

DAQmxErrChk(DAQmxCfgSampClkTiming(task, "", 20000, DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps, 20000));

設(shè)置每個(gè)通道的采樣頻率為20K,連續(xù)采樣,采樣緩沖區(qū)大小為20k。

DAQmxErrChk(DAQmxGetTaskAttribute (task, DAQmx_Task_NumChans, &numChannels));

獲取采集通道配置。

dataSize = numChannels * numSampsPerChan;

data = (float64 *)malloc (dataSize * sizeof(float64));

定義存儲數(shù)據(jù)地址,分配空間。

DAQmxErrChk(DAQmxStartTask(task));

開始數(shù)據(jù)讀取任務(wù),獲取通道采集到的數(shù)據(jù)。

DAQmxErrChk(DAQmxReadAnalogF64 (task, numSampsPerChan, 10.0, DAQmx_Val_GroupByScanNumber, data, dataSize, NULL, 0));

(3)關(guān)閉采集卡任務(wù)

停止讀取任務(wù),并清除任務(wù)。

DAQmxStopTask(task);

停止數(shù)據(jù)讀取。

DAQmxClearTask (task);

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的鐵路軸箱軸承監(jiān)控系統(tǒng)綜合了機(jī)、電、液一體化相關(guān)技術(shù),能夠真實(shí)模擬鐵路軸箱軸承工況,完全滿足軸箱性能試驗(yàn)要求,并采取了有效的抗干擾措施,解決了大功率驅(qū)動電機(jī)對模擬信號的干擾問題。通過優(yōu)化算法程序,實(shí)現(xiàn)了速度、載荷、溫度等主要參數(shù)的自動調(diào)節(jié)控制功能,能按預(yù)設(shè)試驗(yàn)譜線準(zhǔn)確控制運(yùn)行參數(shù),自動完成試驗(yàn);具有試驗(yàn)過程中進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和保存以及異常情況自動報(bào)警并停機(jī)等功能;開發(fā)了高速數(shù)據(jù)采集模塊,用于振動數(shù)據(jù)的高速采集存儲,滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析的需要。

目前,該試驗(yàn)機(jī)已在國內(nèi)鐵路軸承生產(chǎn)廠家開展了多套鐵路軸承試驗(yàn)及研究。長期的性能試驗(yàn)證明,該試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠,為鐵路軸承壽命和性能試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步提供了基礎(chǔ)平臺和數(shù)據(jù)支撐,解決了鐵路軸承壽命、性能等試驗(yàn)的迫切需求,產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。