NI cDAQ 在鐵路軸承模擬試驗上的應用

黎軍仕，陳 澍

（瓦房店軸承集團有限公司，遼寧瓦房店 116300）

0 引言

鐵路貨車輪對軸承是鐵路貨車增加承載量、提高運輸能力、保證車輛安全運行的關(guān)鍵部件之一，在軸承的設(shè)計研究過程中和裝車運行之前，必需在鐵路軸承試驗機上進行模擬試驗，以檢測軸承的運行數(shù)據(jù)和使用壽命，為軸承的設(shè)計、加工工藝的優(yōu)化提供有價值的試驗數(shù)據(jù)，也是檢驗軸承使用壽命的實用手段，為裝車運行提供可靠依據(jù)。利用工業(yè)控制計算機和NI cDAQ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于LabVIEW 研發(fā)設(shè)計的鐵路軸承試驗機測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對試驗機的可靠控制，對試驗數(shù)據(jù)的準確采集處理和存儲記錄等，為鐵路軸承在試驗機上的運轉(zhuǎn)試驗提供保障。

1 測控系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

1.1 測控系統(tǒng)的硬件組成

測控系統(tǒng)的硬件主要由工業(yè)控制計算機、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，堅固抗振，安裝方便快捷，具有8 個槽插，可以快捷地安裝C 系列所有模塊，通過Ethernet 總線接口與計算機進行數(shù)據(jù)通信，與NI LabVIEW 軟件無縫兼容。由cDAQ-9188XT 等構(gòu)成的測控系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 測控系統(tǒng)原理

由于試驗機現(xiàn)場的工作環(huán)境有油污、灰塵和振動等，因此計算機采用研華的610H 工業(yè)控制計算機；軸承振動數(shù)據(jù)的采集，采用NI9234 模塊，該模塊具有4 個BNC 連接器模擬信號輸入通道，可以直接連接IEPE 振動傳感器，分辨率可達24 bits，對4 個通道進行同步采樣；軸承溫度、載荷、風速和轉(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；過程控制、保護控制等開關(guān)量信號的輸入，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 測控系統(tǒng)的工作原理

用LabVIEW 編寫的測控程序在PC 機中運行，PC 機與NI9188XT 通過Ethernet 總線進行數(shù)據(jù)通信，對軸承的振動信號、溫度信號等模擬信號進行采集、處理和記錄等，根據(jù)輸入的數(shù)字信號和試驗機的控制過程，輸出控制潤滑泵、油泵的起動和停止，控制主軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，對軸承的軸向和徑向的加載進行控制。

根據(jù)試驗軸承的參數(shù)和試驗方案的實際要求，選擇合適靈敏度和頻率范圍的壓電加速度振動傳感器，NI9234 的每個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 振動傳感器直接通過BNC 連接器連接到NI9234 模塊上。溫度、載荷、風速傳感器和轉(zhuǎn)速信號通過37 針DSUB 連接器連接到NI9205 模擬量輸入模塊，PC 機通過NI9234 模塊和NI9205 模塊對軸承的振動等上述模擬信號進行采集、顯示和處理。軸承在試驗過程中要模擬實際運行工況，要施加軸向和徑向載荷，載荷的控制是PC 機通過NI9264 輸出（0～10）VDC的電壓信號給比例減壓閥，由比例減壓閥調(diào)節(jié)軸向和徑向的油路的壓力，通過讀取壓力傳感器實際壓力值，對施加在軸承上的載荷進行PID 控制；試驗軸承轉(zhuǎn)速的控制，是通過NI9264輸出（0～10）VDC 的模擬電壓信號，輸入到變頻器的速度模擬信號給定輸入端，通過檢測變頻器的模擬輸出信號，控制和調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制和調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。主軸潤滑油泵、液壓油泵的起動信號，主軸的正反轉(zhuǎn)控制信號和其它電路保護等數(shù)字量信號，均通過NI9425 數(shù)字輸入模塊接入測控系統(tǒng)中。潤滑泵電機、液壓泵電機的啟動、停止控制，主軸電機啟動、停止和正反轉(zhuǎn)的控制，軸徑向加載電磁閥的控制等，測控系統(tǒng)通過NI9477 數(shù)字輸出模塊，輸出數(shù)字信號到相應的驅(qū)動繼電器，控制執(zhí)行相應的動作過程。

2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，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，需要預先在PC 機中安裝NI-DAQmx 驅(qū)動程序，NI-DAQmx 驅(qū)動程序中提供大量NI 公司開發(fā)的DAQ 函數(shù)，利用這些DAQ 函數(shù)，可以高效地開發(fā)用戶的應用程序，為用戶程序的開發(fā)提供方便與快捷。測控系統(tǒng)軟件主要由前面板和程序框圖組成。

2.1 測控軟件的前面板

測控系統(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 測控系統(tǒng)主界面

在前面板中點擊“創(chuàng)建試驗”，在“試驗方案編輯”界面中，根據(jù)“機車車輛軸承臺架試驗方法”標準的規(guī)定，按照試驗方案的要求，可以添加或刪除試驗階段；設(shè)定每個試驗階段的軸徑向載荷、試驗速度；通過設(shè)定正向加速時間、正向運轉(zhuǎn)時間、正向減速時間、換向停止時間、反向加速時間、反向運轉(zhuǎn)時間、反向減速時間等，可以實現(xiàn)每個試驗循環(huán)要求的速度變化曲線；通過設(shè)定循環(huán)次數(shù)可以設(shè)定總模擬走行里程；通過設(shè)定軸向載荷的推時間和停止時間、軸向載荷的拉時間和停止時間，可以實現(xiàn)要求的軸向載荷加載曲線等；通過對上述試驗方案的設(shè)置，可以滿足預備試驗、耐久試驗的要求。點擊“試驗開始”，試驗機進入自動運轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以在界面中查看試驗軸承和工作軸承的溫度、溫升、振動、載荷等數(shù)值和曲線等。

2.2 測控軟件的G 語言框圖

測控軟件分為自動運行和手動調(diào)試兩部分，手動調(diào)試是在自動運行之前，對試驗機進行手動測試和調(diào)整，通過測試和調(diào)整試驗機的潤滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、主軸電機控制系統(tǒng)、模擬信號采集和輸出系統(tǒng)，使試驗機處于試驗要求的狀態(tài)。自動運行部分包括初始化程序、試驗方案設(shè)置、試驗數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)存儲、試驗數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)歷史記錄查詢、試驗數(shù)據(jù)的實時數(shù)字顯示和曲線顯示及故障監(jiān)控等。

測控軟件主要采用隊列消息處理器來實現(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，對曲線顯示、菜單和按鍵等進行初始化，啟動數(shù)字輸入和數(shù)字輸出控制循環(huán)，并對數(shù)字輸出初始化；在試驗軸承和工作軸承的振動采集過程中，需要排除試驗機的環(huán)境振動和試驗機機體的振動，因此，在初始化條件結(jié)構(gòu)中要先啟動振動的采集循環(huán)，也就是在試驗機開機之前，對環(huán)境振動進行采集，以便在振動的數(shù)據(jù)處理中，排除環(huán)境振動，得到軸承的實際振動數(shù)據(jù)；鐵路軸承的試驗時間較長，一般都在數(shù)百小時到數(shù)千小時，試驗期間難免由于突然斷電等原因造成非正常關(guān)機，重新開機運行測控軟件時，需要判斷是否有未完成的試驗，使前期未完成的試驗可以繼續(xù)進行，避免重復試驗造成浪費和延誤時間，保證試驗數(shù)據(jù)的真實有效及連續(xù)性。

2.2.2 試驗機開機條件結(jié)構(gòu)

在開始試驗后，測控程序執(zhí)行試驗機開機條件循環(huán)，如圖4所示。

圖4 試驗機開機消息循環(huán)

在試驗機開機條件分支結(jié)構(gòu)中，隊列消息處理器按照消息字符串數(shù)組索引由小到大的順序，執(zhí)行所對應的每個條件分支結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗機啟動要求，潤滑油泵首先啟動，為工作軸承提供預潤滑；然后，液壓加載系統(tǒng)、冷卻風機依次啟動；執(zhí)行潤滑油泵、液壓加載系統(tǒng)、風機啟動后，需要對潤滑油泵、液壓加載系統(tǒng)、風機的啟動狀態(tài)進行檢查，如果沒有啟動成功，報警提示并執(zhí)行試驗機停機，避免試驗機在開機狀態(tài)不正常的情況下開機運行；接著模擬鐵路貨車軸承的實際運行情況，施加徑向載荷；主軸開始運轉(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)建試驗方案中設(shè)定；在試驗機采集記錄開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)，開始采集和記錄存儲溫度、振動和載荷等試驗數(shù)據(jù)；報警控制循環(huán)檢測是否有故障報警，對報警進行判斷處理，根據(jù)報警狀態(tài)的不同，對報警的處理有預警和停機兩種方式；方案控制循環(huán)對試驗信息進行更新，對試驗時間進行計算和比較判斷，當?shù)竭_試驗時間時，試驗機停機完成試驗。

2.2.3 試驗數(shù)據(jù)查看

軸承的振動、溫度和載荷等試驗數(shù)據(jù)可以通過查看數(shù)據(jù)菜單項進行查看，在記錄數(shù)據(jù)查看界面中，加載要查看的試驗記錄，就可在多列列表中查看軸承的歷史試驗數(shù)據(jù)；利用測控軟件提供的導出功能，可以將已加載的試驗數(shù)據(jù)導出到EXCEL 電子表格中，方便對歷史試驗數(shù)據(jù)的編輯處理，形成試驗報告等。

3 結(jié)束語

介紹鐵路軸承模擬試驗機測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對軸承試驗數(shù)據(jù)的準確采集和存儲，對軸承試驗過程中的振動、溫度和載荷等實時監(jiān)測。實際運行表明，采用NI cDAQ 數(shù)據(jù)采集控制器，設(shè)計開發(fā)的鐵路軸承模擬試驗機測控系統(tǒng)，運行穩(wěn)定可靠，為鐵路軸承模擬試驗機的安全運行提供保障。