基于MATLAB的地鐵車輛軸箱軸承選配及優化

楊長建

(天津市地下鐵道運營有限公司 天津300222)

基于MATLAB的地鐵車輛軸箱軸承選配及優化

楊長建

(天津市地下鐵道運營有限公司 天津300222)

天津地鐵選配車輛軸箱軸承時，根據測量得到的輪軸軸頸的實際尺寸來選配符合公差要求的軸承。由于有很多組軸承可供選配，所以選配過程非常耗時，且很難選配出符合配合公差的最優軸承組。通過分析選配軸承的過程，提出了用 MATLAB GUI編程來自動選取軸承，并基于靠近公差帶中間值為最優解的原則自動選配最合適的軸承。與人工選配相比，該方法簡單明了，計算速度快。最后，用兩組計算實例驗證了計算機求解結果的正確性。

地鐵車輛 軸承選配 MATLAB

0 引 言

地鐵車輛軸箱軸承選配時，符合公差要求的軸承個數并不是唯一的，一般情況下，備用軸承越多，可供選擇的余地就越大，同時也越難選配到最優的一組軸承。針對天津市地下鐵道運營有限公司修理廠軸箱軸承選配的實際情況，本文提出了用 MATLAB軟件編寫程序，同時用 GUI模塊創建交互界面，從而實現只需輸入測量到的輪軸軸頸實際尺寸，就可以自動選配軸承，并通過判斷最終選取最優的一組軸承。[1-2]

1 軸箱軸承選配原則

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

天津地鐵 1號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號線車輛軸箱軸承選配為例，如圖1所示，在選配軸箱軸承時工作人員需測量輪軸軸頸A、B、C 3個截面處的尺寸，并且每個截面等間距測量3次，由此得到3組數據，每組中包含3個數據，靠近輪柄的一組數據為A組，用來選配A面軸承；遠離輪柄的一組數據為B組，用來選配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要求(實際尺寸應滿足A＞C＞B)。

工作人員分別計算 A、B兩組數據的平均值，再根據廠家提供的軸箱軸承的公差及代號表格來選取符合公差要求的軸承。在選擇時，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的一組軸承。

2 MATLAB程序編制及GUI界面設計

2.1 MATLAB程序編制

MATLAB是一款高性能的數值計算和可視化軟件，其特點為：功能強大，可實現數組、向量和矩陣的計算，編程效率高，庫函數豐富，界面友好，函數命令非常多。[3-6]

通過MATLAB調用廠家提供的軸箱軸承的Excel清單，表 1所示為部分數據。由于天津地鐵軸箱軸承的基本尺寸為Φ120,mm，采用過盈配合，配合公差為 0.037～0.070，所以過盈量越接近 0.053,5，所選的軸承越合適。首先讀取“F”列的各個表格中的數據，若軸承未被選用，其對應的“Fi”表格中數字為“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面數據取平均值和Mi相減后判斷與0.053,5的差值，選取最小值；將 B面數據取平均值和 Ni相減后判斷與 0.053,5的差值，選取最小值，判斷Mi和Ni的最小值并將其對應“Ai”列單元格中的軸承編號輸出(若最小值不唯一，選取“i”值較小的)。計算流程圖如圖2所示。

表1 Excel表格Tab.1 Excel table

圖2 計算流程圖Fig.2 Computing flow chart

2.2 GUI界面設計

打開MATLAB中的GUI模塊，創建交互界面。

由于在選配軸箱軸承的過程中只用到了 A、B兩組數據，所以在創建交互界面時需要創建6個動態文本框、4個靜態文本框及4個按鈕。

創建好交互界面后，對界面進行優化，將各個文本框和按鈕相應對齊，如圖3所示。

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

設定各個動態文本框的 string和 tag屬性，作為輸入窗口。用其中的get函數得到輸入的數據并轉化為數值型以便計算；設定各個靜態文本框的 string和 tag屬性，作為輸出(顯示)窗口。用 set函數將計算后得到的數據輸出到對應的靜態文本框；將輸入和輸出設定好后，編輯“計算”、“清除”、“確認”和“重置”4個按鈕的回調函數；用 set函數來編寫“清除”按鈕的回調函數，當點擊“清除”按鈕時，將空字符賦予各個靜態和動態文本框，如圖4所示。

圖4 交互界面Fig.4 Interactive interface

將編制的 MATLAB語句編寫到“計算”、“確認”和“重置”指令的回調函數中。

3 脫離MATLAB獨立運行

為使該程序能在未安裝MATLAB的電腦上運行，將該程序打包生成可獨立運行的執行程序，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，點擊回車運行。

設置編譯器：在MATLAB命令窗口中輸入mbuild–setup，根據提示選擇MATLAB自帶的LCC編譯器。

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

在未安裝 MATLAB的機器上運行可執行程序：將MCRinstaller．exe安裝到需要的計算機上，將生成可執行程序，脫離MATLAB運行所需的函數庫。其中gui.ctf、gui.exe為脫離MATLAB環境運行必需的文件。[7]

4 實例驗證

給定兩組值來驗證所編程序的正確性，為減少計算量，兩組數據的B面數據相同。

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，員工在測量完軸頸、記錄數據時只記錄小數點后面的值。

軸承選配計算公式為：

式中：δ為配合間隙；t為計算A面時輸入的A面數據平均值或計算B面時B面數據平均值；m為軸承的實際尺寸。

4.1 第1組選配結果

A 面數據為：0.049，0.050，0.051；B面數據為：0.041，0.043，0.042。

將 A面數據的平均值帶入公式(1)，計算可得的值依次為：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。在這一組數列中最小值有 2個，其值為0.001,5，其分別對應的軸承編號為1117和1118。

將 B面數據的平均值帶入公式(1)，計算可得的值依次為：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。在這一組數列中最小值有 3個，其值為0.000,5，其分別對應的軸承編號為1111、1119和1121。

分析軸承1111、1117、1118、1119、1121，可知軸承1117的值最小，所以對應的該組輪軸軸頸尺寸應選擇編號為 1117的軸承。

將 A、B兩組數據輸入交互界面中相應的位置，運行程序得到的結果如圖5所示。

圖5 第1組選配結果Fig.5 Matching result of Group 1

4.2 第2組選配結果

A 面數據為：0.055，0.054，0.056；B面數據為：0.041，0.043，0.042。

將 A 面數據帶入公式(1)中計算可得的值依次為：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。在這一組數列中最小值為 0.003,5，其對應的軸承編號為 1117，但 1117已被選用，所以數列中最小值應為 0.006,5，其對應的軸承編號為1118，由于B面數據中1118也為最小值，所以對應的該組輪軸軸頸尺寸應選擇編號為1118的軸承。

將兩組數據輸入到對應的交互界面中，運行程序得到的結果如圖6所示。

圖6 第2組選配結果Fig.6 Matching result of Group 2

圖5和圖6為軟件選配軸承的結果，選配結果和實際分析結果是一致的，證明所編寫的程序正確，軟件優化選配軸承正確。

5 結 論

如何選取最優的軸承是地鐵車輛軸箱軸承的難點，本文基于MATLAB語言編程自動選取軸箱軸承，并根據選取公差帶中間值的原則得到了符合技術要求的最優一組軸承。通過GUI交互界面實現人機交互，提高了軸承選配效率和準確率，減小了員工在選配軸箱軸承時的計算復雜度。最后，用兩個實際例子驗證了計算機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)設計[J]. 煤礦機械，2005(3)：60-61.

［2］ 王玉林，葛蕾，李艷斌. 新型界面開發工具：MATLAB/GUI [J]. 工程實踐及應用技術，2008(6)：50-53.

［3］ 宗節保，段柳云，王瑩. 基于 MATLAB GUI軟件制作方法的研究與實現[J]. 電子設計工程，2010(7)：54-56.

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

［5］ 黃飛，李燦平，任小慶，等. 基于Matlab/GUI的圖像處理軟件開發[J]. 長沙通信職業技術學院學報，2010，9(3)：22-25.

［6］ 何光威. 基于 Matlab/GUI的數字圖像處理程序設計[D]. 南京：中國傳媒大學南廣學院，2013.

［7］ 王戰中，楊長建. MATLAB環境下六自由度焊接機器人運動學逆解及優化[J]. 機械設計與制造，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