鐵路貨車軸承振動質量在線檢測系統

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，脈沖連續不斷地作用在軸承工作表面上，輕則導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 系統硬件

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

測量系統硬件具有以下特點：

(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轉換精度12位，根據采樣定理，A/D轉換頻率至少要大于測量頻率1倍以上，本系統A/D轉換頻率大于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;

(6)為減少電源波動的影響，模擬電路采用獨立的直流穩壓電源供電;

(7)內部程控信號發生器分別提供200，1 000和3 000 Hz的交流正弦信號，作為標準信號源對儀器進行自校準;

(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。負責數據采集、放大倍數設定和I/O接口管理等工作。

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

(3)數據顯示系統。為提高測量精度，系統每測量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，系統都將采集的樣本送示波區顯示實時振動波形。

(4)數據存儲系統。按用戶要求存儲測量結果并進行調用。只保存最新的50個樣本數據，并保存一天內任意時刻的產品合格率。

(5)數據打印系統。可隨時打印最新50件樣本的檢測數據及質量趨勢圖和直方圖。

(6)測量參數設定。可根據用戶需要設置產品型號、測量日期、檢測參數的門限、測量平均次數、峰值計數閾值等參數。

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

(8) 校對管理系統。調用校對系統硬件進行參數校對并存儲。

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個區域。

(1)測量參數區。分別顯示前(Ⅰ)、后(Ⅱ)工位所測量的峰值因子和峭度值。

(2)質量統計區。分別顯示總測量個數、總合格率及A1～A4組的合格率。

(3)門限區。顯示低、中、高頻門限值。

(4)工位質量水平判定區。根據測量結果顯示前、后工位所達到的質量水平。

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

(6)參數顯示區。可顯示超過預先設置的P/R閾值的計數值，測量結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。實時顯示前、后工位的振動波形及低頻、中頻和高頻測量結果。

(8)功能鍵提示區。提示各項功能的操作熱鍵。

系統完成主測量界面繪制后，需對第6區域進行更新顯示：從門限文件中調出門限、閾值，更新P/R閾值；根據系統日期更新文件名稱，并根據該文件名調出歷史測量數據，更新顯示質量趨勢圖；根據上一次關機前存儲的量程狀態設置量程。

圖3 測量系統主界面

1.3 儀器的標定

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

圖4 B&K儀組成的振動校對系統

信號發生器發出1 000 Hz的正弦信號，經功率放大器放大后驅動振動臺；由標準加速度計、電荷放大器及電子電壓表組成振動信號監測系統，振動檢測儀的傳感器從標準加速度計上方拾取振動信號。校對時，調整使鐵路軸承振動檢測儀與電子電壓表的測量結果相一致即可。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，其結構如圖5所示。

圖5 圓錐滾子軸承結構示意圖

在軸承行業，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)測量轉速接近工作轉速。

(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)準確定位后將軸承安裝于驅動心軸上，通過機械手提升隔圈和內組件，同時對外圈進行加載；驅動心軸進行低速旋轉，磨合一段時間后使轉速逐漸達到測量轉速；振動傳感器運行到指定位置，對軸承振動有效值進行監測，待示值穩定后進行數據拾取，完成一側軸承的測量。

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

這時系統將判斷剛檢測的一側軸承是否合格。如果不合格，則終止檢測，執行剔除程序；如果合格，則系統重復(1)，(2)步驟，在第2測量工位完成對另一側軸承的振動檢測；軸承兩側都檢測完畢后，系統對檢測結果進行判定，合格的進入下一注脂工位，不合格則執行剔除程序。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拍問題，否則無法組成生產線。

1.5 檢測標準的制定

(1)振動安德魯標準確定[3]。取20套振動質量較好的軸承進行檢測，結果見表1(表中數據單位為安德魯)。

表中的標準差S為

(1)

對于一批正常生產的軸承樣本來說，其振動質量分布特性與大多數質量特性一樣，接近正態分布，如圖7所示。

表1 軸承振動質量檢測數據

圖7 振動質量正態分布曲線

(2)峰值計數標準確定(缺陷判定)。無磷化層軸承振動檢測取內、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，根據測量結果初步確定峰值計數標準為1 000。

2 質量統計分析

在軸承生產過程中，加工質量的波動不可避免，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，對產品質量影響較小，技術上難以消除，經濟上也不值得消除；異常波動由系統原因(異常因素)造成，對產品質量影響很大，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。

SPC是一種借助數理統計方法的過程控制工具。它對生產過程進行分析評價，根據反饋信息及時發現系統性因素，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，以達到質量控制的目的。SPC認為，當過程僅受隨機因素影響時，過程處于統計控制狀態(簡稱受控狀態)；當過程中存在系統因素的影響時，過程處于統計失控狀態(簡稱失控狀態)。由于過程波動具有統計規律性，當過程受控時，過程特性一般服從穩定的隨機分布；而失控時，過程分布將發生改變。SPC正是利用過程波動的統計規律性對過程進行分析控制，強調過程在受控和有能力的狀態下運行，可使鐵路軸承質量穩定并滿足顧客的要求。

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

除此以外，在圖3的測量參數區中，分別顯示前、后工位所測量的峰值因子，峭度值和所達到的質量水平。質量統計區分別顯示總測量個數、總合格率和A1～A4組的合格率。

工序能力分析：根據最后50件樣本的質量水平，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，是衡量工序能力的一個重要指標，其計算方法為

(2)

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

圖8 振動質量直方圖

3 效果檢驗

通過2年多的生產實踐，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量，是提高鐵路軸承可靠性的一臺必備設備，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致的軸承異常振動，控制軸承振動質量，提高軸承可靠性。

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

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

(4)具有SPC功能的鐵路軸承動態質量檢測系統的在線應用，可以有效地保證每一套軸承的振動質量，同時也為鐵路軸承生產線的實時質量控制提供必要的手段。通過對檢測數據的質量過程統計分析，對鐵路軸承質量的可持續改進提供依據。