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鍵部件之一，在軸承的設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據和使用壽命，為軸承的設計、加工工藝的優化提供有價值的試驗數據，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。利用工業控制計算機和NI cDAQ 數據采集系統，基于LabVIEW 研發設計的鐵路軸承試驗機測控系統，實現對試驗機的可靠控制，對試驗數據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試驗提供保障。

1 測控系統的硬件組成及工作原理

1.1 測控系統的硬件組成

測控系統的硬件主要由工業控制計算機、NI cDAQ 數據采集控制器、C 系列模塊、傳感器等組成。NI cDAQ 數據采集控制器選用美國NI 公司的cDAQ 系列的cDAQ-9188XT，該數據采集控制器結構緊湊，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據通信，與NI LabVIEW 軟件無縫兼容。由cDAQ-9188XT 等構成的測控系統原理如圖1 所示。

圖1 測控系統原理

由于試驗機現場的工作環境有油污、灰塵和振動等，因此計算機采用研華的610H 工業控制計算機；軸承振動數據的采集，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、風速和轉速等數據的采集，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、保護控制等開關量信號的輸入，采用NI9425 模塊，該模塊是32 通道數字輸入模塊；執行機構的控制采用NI9477 模塊，該模塊具有32通道數字量輸出。

1.2 測控系統的工作原理

用LabVIEW 編寫的測控程序在PC 機中運行，PC 機與NI9188XT 通過Ethernet 總線進行數據通信，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，根據輸入的數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，控制主軸的正轉和反轉，對軸承的軸向和徑向的加載進行控制。

根據試驗軸承的參數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，由比例減壓閥調節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，控制和調節變頻器的輸出頻率，控制和調節電機的轉速。主軸潤滑油泵、液壓油泵的起動信號，主軸的正反轉控制信號和其它電路保護等數字量信號，均通過NI9425 數字輸入模塊接入測控系統中。潤滑泵電機、液壓泵電機的啟動、停止控制，主軸電機啟動、停止和正反轉的控制，軸徑向加載電磁閥的控制等，測控系統通過NI9477 數字輸出模塊，輸出數字信號到相應的驅動繼電器，控制執行相應的動作過程。

2 測控系統軟件設計

測控系統的軟件設計，采用NI 公司的LabVIEW 圖形化編程軟件，在連接和配置cDAQ-9188XT 采集系統之前，需要預先在PC 機中安裝NI-DAQmx 驅動程序，NI-DAQmx 驅動程序中提供大量NI 公司開發的DAQ 函數，利用這些DAQ 函數，可以高效地開發用戶的應用程序，為用戶程序的開發提供方便與快捷。測控系統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

測控系統的前面板主要由控制操作和數據曲線顯示等部分組成，部分主界面如圖2 所示。

圖2 測控系統主界面

在前面板中點擊“創建試驗”，在“試驗方案編輯”界面中，根據“機車車輛軸承臺架試驗方法”標準的規定，按照試驗方案的要求，可以添加或刪除試驗階段；設定每個試驗階段的軸徑向載荷、試驗速度；通過設定正向加速時間、正向運轉時間、正向減速時間、換向停止時間、反向加速時間、反向運轉時間、反向減速時間等，可以實現每個試驗循環要求的速度變化曲線；通過設定循環次數可以設定總模擬走行里程；通過設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，可以實現要求的軸向載荷加載曲線等；通過對上述試驗方案的設置，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狀態，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試兩部分，手動調試是在自動運行之前，對試驗機進行手動測試和調整，通過測試和調整試驗機的潤滑系統、液壓加載系統、主軸電機控制系統、模擬信號采集和輸出系統，使試驗機處于試驗要求的狀態。自動運行部分包括初始化程序、試驗方案設置、試驗數據和報警數據存儲、試驗數據和報警數據歷史記錄查詢、試驗數據的實時數字顯示和曲線顯示及故障監控等。

測控軟件主要采用隊列消息處理器來實現各部分的功能，主要軟件構成流程如圖3 所示。

2.2.1 初始化條件結構

圖3 控制流程

在初始化條件結構中，加載用戶菜單后，對曲線顯示、菜單和按鍵等進行初始化，啟動數字輸入和數字輸出控制循環，并對數字輸出初始化；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境振動和試驗機機體的振動，因此，在初始化條件結構中要先啟動振動的采集循環，也就是在試驗機開機之前，對環境振動進行采集，以便在振動的數據處理中，排除環境振動，得到軸承的實際振動數據；鐵路軸承的試驗時間較長，一般都在數百小時到數千小時，試驗期間難免由于突然斷電等原因造成非正常關機，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進行，避免重復試驗造成浪費和延誤時間，保證試驗數據的真實有效及連續性。

2.2.2 試驗機開機條件結構

在開始試驗后，測控程序執行試驗機開機條件循環，如圖4所示。

圖4 試驗機開機消息循環

在試驗機開機條件分支結構中，隊列消息處理器按照消息字符串數組索引由小到大的順序，執行所對應的每個條件分支結構，根據試驗機啟動要求，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、冷卻風機依次啟動；執行潤滑油泵、液壓加載系統、風機啟動后，需要對潤滑油泵、液壓加載系統、風機的啟動狀態進行檢查，如果沒有啟動成功，報警提示并執行試驗機停機，避免試驗機在開機狀態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，施加軸向載荷，徑向和軸向載荷的大小，軸向載荷加載頻率，在創建試驗方案中設定；在試驗機采集記錄開始消息字符串條件分支中，執行數據采集和記錄消息循環，開始采集和記錄存儲溫度、振動和載荷等試驗數據；報警控制循環檢測是否有故障報警，對報警進行判斷處理，根據報警狀態的不同，對報警的處理有預警和停機兩種方式；方案控制循環對試驗信息進行更新，對試驗時間進行計算和比較判斷，當到達試驗時間時，試驗機停機完成試驗。

2.2.3 試驗數據查看

軸承的振動、溫度和載荷等試驗數據可以通過查看數據菜單項進行查看，在記錄數據查看界面中，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據；利用測控軟件提供的導出功能，可以將已加載的試驗數據導出到EXCEL 電子表格中，方便對歷史試驗數據的編輯處理，形成試驗報告等。

3 結束語

介紹鐵路軸承模擬試驗機測控系統，實現對軸承試驗數據的準確采集和存儲，對軸承試驗過程中的振動、溫度和載荷等實時監測。實際運行表明，采用NI cDAQ 數據采集控制器，設計開發的鐵路軸承模擬試驗機測控系統，運行穩定可靠，為鐵路軸承模擬試驗機的安全運行提供保障。