NI cDAQ 在铁路轴承模拟试验上的应用

黎军仕，陈 澍

（瓦房店轴承集团有限公司，辽宁瓦房店 116300）

0 引言

铁路货车轮对轴承是铁路货车增加承载量、提高运输能力、保证车辆安全运行的关键部件之一，在轴承的设计研究过程中和装车运行之前，必需在铁路轴承试验机上进行模拟试验，以检测轴承的运行数据和使用寿命，为轴承的设计、加工工艺的优化提供有价值的试验数据，也是检验轴承使用寿命的实用手段，为装车运行提供可靠依据。利用工业控制计算机和NI cDAQ 数据采集系统，基于LabVIEW 研发设计的铁路轴承试验机测控系统，实现对试验机的可靠控制，对试验数据的准确采集处理和存储记录等，为铁路轴承在试验机上的运转试验提供保障。

1 测控系统的硬件组成及工作原理

1.1 测控系统的硬件组成

测控系统的硬件主要由工业控制计算机、NI cDAQ 数据采集控制器、C 系列模块、传感器等组成。NI cDAQ 数据采集控制器选用美国NI 公司的cDAQ 系列的cDAQ-9188XT，该数据采集控制器结构紧凑，坚固抗振，安装方便快捷，具有8 个槽插，可以快捷地安装C 系列所有模块，通过Ethernet 总线接口与计算机进行数据通信，与NI LabVIEW 软件无缝兼容。由cDAQ-9188XT 等构成的测控系统原理如图1 所示。

图1 测控系统原理

由于试验机现场的工作环境有油污、灰尘和振动等，因此计算机采用研华的610H 工业控制计算机；轴承振动数据的采集，采用NI9234 模块，该模块具有4 个BNC 连接器模拟信号输入通道，可以直接连接IEPE 振动传感器，分辨率可达24 bits，对4 个通道进行同步采样；轴承温度、载荷、风速和转速等数据的采集，采用NI9205 模块，该模块是32 通道16 bits 模拟量输入模块；轴承载荷和转速的控制，采用NI9264 模块，该模块是16 通道16 bits 模拟量输出模块；过程控制、保护控制等开关量信号的输入，采用NI9425 模块，该模块是32 通道数字输入模块；执行机构的控制采用NI9477 模块，该模块具有32通道数字量输出。

1.2 测控系统的工作原理

用LabVIEW 编写的测控程序在PC 机中运行，PC 机与NI9188XT 通过Ethernet 总线进行数据通信，对轴承的振动信号、温度信号等模拟信号进行采集、处理和记录等，根据输入的数字信号和试验机的控制过程，输出控制润滑泵、油泵的起动和停止，控制主轴的正转和反转，对轴承的轴向和径向的加载进行控制。

根据试验轴承的参数和试验方案的实际要求，选择合适灵敏度和频率范围的压电加速度振动传感器，NI9234 的每个通道都具有恒流源供电输出，因此选择IEPE 型加速度传感器，将IEPE 振动传感器直接通过BNC 连接器连接到NI9234 模块上。温度、载荷、风速传感器和转速信号通过37 针DSUB 连接器连接到NI9205 模拟量输入模块，PC 机通过NI9234 模块和NI9205 模块对轴承的振动等上述模拟信号进行采集、显示和处理。轴承在试验过程中要模拟实际运行工况，要施加轴向和径向载荷，载荷的控制是PC 机通过NI9264 输出（0～10）VDC的电压信号给比例减压阀，由比例减压阀调节轴向和径向的油路的压力，通过读取压力传感器实际压力值，对施加在轴承上的载荷进行PID 控制；试验轴承转速的控制，是通过NI9264输出（0～10）VDC 的模拟电压信号，输入到变频器的速度模拟信号给定输入端，通过检测变频器的模拟输出信号，控制和调节变频器的输出频率，控制和调节电机的转速。主轴润滑油泵、液压油泵的起动信号，主轴的正反转控制信号和其它电路保护等数字量信号，均通过NI9425 数字输入模块接入测控系统中。润滑泵电机、液压泵电机的启动、停止控制，主轴电机启动、停止和正反转的控制，轴径向加载电磁阀的控制等，测控系统通过NI9477 数字输出模块，输出数字信号到相应的驱动继电器，控制执行相应的动作过程。

2 测控系统软件设计

测控系统的软件设计，采用NI 公司的LabVIEW 图形化编程软件，在连接和配置cDAQ-9188XT 采集系统之前，需要预先在PC 机中安装NI-DAQmx 驱动程序，NI-DAQmx 驱动程序中提供大量NI 公司开发的DAQ 函数，利用这些DAQ 函数，可以高效地开发用户的应用程序，为用户程序的开发提供方便与快捷。测控系统软件主要由前面板和程序框图组成。

2.1 测控软件的前面板

测控系统的前面板主要由控制操作和数据曲线显示等部分组成，部分主界面如图2 所示。

图2 测控系统主界面

在前面板中点击“创建试验”，在“试验方案编辑”界面中，根据“机车车辆轴承台架试验方法”标准的规定，按照试验方案的要求，可以添加或删除试验阶段；设定每个试验阶段的轴径向载荷、试验速度；通过设定正向加速时间、正向运转时间、正向减速时间、换向停止时间、反向加速时间、反向运转时间、反向减速时间等，可以实现每个试验循环要求的速度变化曲线；通过设定循环次数可以设定总模拟走行里程；通过设定轴向载荷的推时间和停止时间、轴向载荷的拉时间和停止时间，可以实现要求的轴向载荷加载曲线等；通过对上述试验方案的设置，可以满足预备试验、耐久试验的要求。点击“试验开始”，试验机进入自动运转状态，可以在界面中查看试验轴承和工作轴承的温度、温升、振动、载荷等数值和曲线等。

2.2 测控软件的G 语言框图

测控软件分为自动运行和手动调试两部分，手动调试是在自动运行之前，对试验机进行手动测试和调整，通过测试和调整试验机的润滑系统、液压加载系统、主轴电机控制系统、模拟信号采集和输出系统，使试验机处于试验要求的状态。自动运行部分包括初始化程序、试验方案设置、试验数据和报警数据存储、试验数据和报警数据历史记录查询、试验数据的实时数字显示和曲线显示及故障监控等。

测控软件主要采用队列消息处理器来实现各部分的功能，主要软件构成流程如图3 所示。

2.2.1 初始化条件结构

图3 控制流程

在初始化条件结构中，加载用户菜单后，对曲线显示、菜单和按键等进行初始化，启动数字输入和数字输出控制循环，并对数字输出初始化；在试验轴承和工作轴承的振动采集过程中，需要排除试验机的环境振动和试验机机体的振动，因此，在初始化条件结构中要先启动振动的采集循环，也就是在试验机开机之前，对环境振动进行采集，以便在振动的数据处理中，排除环境振动，得到轴承的实际振动数据；铁路轴承的试验时间较长，一般都在数百小时到数千小时，试验期间难免由于突然断电等原因造成非正常关机，重新开机运行测控软件时，需要判断是否有未完成的试验，使前期未完成的试验可以继续进行，避免重复试验造成浪费和延误时间，保证试验数据的真实有效及连续性。

2.2.2 试验机开机条件结构

在开始试验后，测控程序执行试验机开机条件循环，如图4所示。

图4 试验机开机消息循环

在试验机开机条件分支结构中，队列消息处理器按照消息字符串数组索引由小到大的顺序，执行所对应的每个条件分支结构，根据试验机启动要求，润滑油泵首先启动，为工作轴承提供预润滑；然后，液压加载系统、冷却风机依次启动；执行润滑油泵、液压加载系统、风机启动后，需要对润滑油泵、液压加载系统、风机的启动状态进行检查，如果没有启动成功，报警提示并执行试验机停机，避免试验机在开机状态不正常的情况下开机运行；接着模拟铁路货车轴承的实际运行情况，施加径向载荷；主轴开始运转，施加轴向载荷，径向和轴向载荷的大小，轴向载荷加载频率，在创建试验方案中设定；在试验机采集记录开始消息字符串条件分支中，执行数据采集和记录消息循环，开始采集和记录存储温度、振动和载荷等试验数据；报警控制循环检测是否有故障报警，对报警进行判断处理，根据报警状态的不同，对报警的处理有预警和停机两种方式；方案控制循环对试验信息进行更新，对试验时间进行计算和比较判断，当到达试验时间时，试验机停机完成试验。

2.2.3 试验数据查看

轴承的振动、温度和载荷等试验数据可以通过查看数据菜单项进行查看，在记录数据查看界面中，加载要查看的试验记录，就可在多列列表中查看轴承的历史试验数据；利用测控软件提供的导出功能，可以将已加载的试验数据导出到EXCEL 电子表格中，方便对历史试验数据的编辑处理，形成试验报告等。

3 结束语

介绍铁路轴承模拟试验机测控系统，实现对轴承试验数据的准确采集和存储，对轴承试验过程中的振动、温度和载荷等实时监测。实际运行表明，采用NI cDAQ 数据采集控制器，设计开发的铁路轴承模拟试验机测控系统，运行稳定可靠，为铁路轴承模拟试验机的安全运行提供保障。