铁路货车轴承轴向游隙及装配高检测装置
发布时间：2013-09-02张荣岭 邓杰 梁慧敏 翟国富
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）
摘 要：针对现有货车滚动轴承轴向游隙及装配高检测装置测量时容易引起人为误差，测量精度低的问题，研制了新的货车轴承轴向游隙及装配高检测装置。阐述了固定轴承内圈，液压驱动顶起外圈，测量货车轴承轴向游隙及装配高的测量原理，介绍了系统的硬件组成及功能，并给出了检测装置的自动测量过程及软件设计。
关键词：圆锥滚子轴承；轴向游隙；装配高；检测装置
铁路货车滚动轴承游隙分为轴向游隙和径向游隙。其中，轴向游隙对轴承的承载能力和使用寿命等影响较大。轴向游隙过小，容易发热，内、外圈之间的温差较大；轴向游隙过大，货车在高速行驶时车厢抖动。因此，轴向游隙是货车轴承的关键指标参数之一[1]。需要对货车轴承进行定期检修，以确保其轴向游隙满足要求。
当前铁路货车轴承检修部门使用的轴承轴向游隙及装配高检测装置，其测量原理为将轴承置于工作台，从工作台下方施加作用力，将轴承内圈顶起，外圈自由下垂，测出装配高并读取第1次游隙测量值，然后使轴承翻转180°，读取第2次游隙测量值，两次测量值之差就是轴承的轴向游隙[2-4]。在游隙测量时，采用手动旋转轴承进行多点测量，人工计算求平均值，分别得到两次游隙的测量值。这种测量方法读数的人为误差大，测量点数多时求平均值更是费时、费力，而且翻转过程带来的轴承外圈径向移动不仅影响测量的准确度，也给操作人员的安全带来隐患。
文献[5]给出一种测量双列圆锥滚子轴承轴向游隙的方法。该方法是将被测双列圆锥滚子轴承的内圈固定，在其外圈上加一个由下而上的外力载荷，消除其内组件中的滚子球基面与内圈直挡边之间的间隙，然后通过游隙仪测出轴承外圈上、下移动极限值，计算二者之差而得到游隙值。
此种方法的优点是无需翻转即能得到游隙值，节省了测量时间，减少了安全隐患。但它仍需使用轴向游隙检测仪，不仅测量效率低，而且由于人为读数不可避免的误差，不能保证较高的测量精度。
为了解决上述问题，本文研制了一种新型货车轴承轴向游隙及装配高检测装置，该装置可对测量点数、轴承型号、测量界限等进行人为设定，并可进行自动测量，现介绍如下。
1 技术指标
货车轴承游隙及装配高检测装置主要技术指标如下：
（1）轴向游隙测量精度10 μm，显示分辨率1 μm；（2）装配高测量精度10 μm，显示分辨率1 μm；（3）通过液晶显示屏显示工作状态，动态显示测量结果；（4）通过微型打印机打印轴承型号、轴承编号、装配高和游隙的测量结果；检测人员给出编号、产品是否合格以及检测日期和时间；（5）液压装置供电电源：三相，380 V；（6）控制箱供电电源：（220土22）V，50 Hz；（7）液压装置总压力：10-12个大气压；（8）检测装置工作温度范围：0- +40℃。
2 测量原理
2.1 轴向游隙检测原理
轴承放在测量平台上，内圈由测量台面支撑，外圈由于重力自由悬挂在内圈上。通过液压装置在内圈的上方施加一作用力，将内圈压紧，位移传感器与外圈接触。在外圈的底部施加向上的作用力，使外圈向上顶起，同时位移传感器被向上压缩了一段距离，则传感器检测到的该段距离就是轴承的轴向游隙（图1）。
关键词：圆锥滚子轴承；轴向游隙；装配高；检测装置
铁路货车滚动轴承游隙分为轴向游隙和径向游隙。其中，轴向游隙对轴承的承载能力和使用寿命等影响较大。轴向游隙过小，容易发热，内、外圈之间的温差较大；轴向游隙过大，货车在高速行驶时车厢抖动。因此，轴向游隙是货车轴承的关键指标参数之一[1]。需要对货车轴承进行定期检修，以确保其轴向游隙满足要求。
当前铁路货车轴承检修部门使用的轴承轴向游隙及装配高检测装置，其测量原理为将轴承置于工作台，从工作台下方施加作用力，将轴承内圈顶起，外圈自由下垂，测出装配高并读取第1次游隙测量值，然后使轴承翻转180°，读取第2次游隙测量值，两次测量值之差就是轴承的轴向游隙[2-4]。在游隙测量时，采用手动旋转轴承进行多点测量，人工计算求平均值，分别得到两次游隙的测量值。这种测量方法读数的人为误差大，测量点数多时求平均值更是费时、费力，而且翻转过程带来的轴承外圈径向移动不仅影响测量的准确度，也给操作人员的安全带来隐患。
文献[5]给出一种测量双列圆锥滚子轴承轴向游隙的方法。该方法是将被测双列圆锥滚子轴承的内圈固定，在其外圈上加一个由下而上的外力载荷，消除其内组件中的滚子球基面与内圈直挡边之间的间隙，然后通过游隙仪测出轴承外圈上、下移动极限值，计算二者之差而得到游隙值。
此种方法的优点是无需翻转即能得到游隙值，节省了测量时间，减少了安全隐患。但它仍需使用轴向游隙检测仪，不仅测量效率低，而且由于人为读数不可避免的误差，不能保证较高的测量精度。
为了解决上述问题，本文研制了一种新型货车轴承轴向游隙及装配高检测装置，该装置可对测量点数、轴承型号、测量界限等进行人为设定，并可进行自动测量，现介绍如下。
1 技术指标
货车轴承游隙及装配高检测装置主要技术指标如下：
（1）轴向游隙测量精度10 μm，显示分辨率1 μm；（2）装配高测量精度10 μm，显示分辨率1 μm；（3）通过液晶显示屏显示工作状态，动态显示测量结果；（4）通过微型打印机打印轴承型号、轴承编号、装配高和游隙的测量结果；检测人员给出编号、产品是否合格以及检测日期和时间；（5）液压装置供电电源：三相，380 V；（6）控制箱供电电源：（220土22）V，50 Hz；（7）液压装置总压力：10-12个大气压；（8）检测装置工作温度范围：0- +40℃。
2 测量原理
2.1 轴向游隙检测原理
轴承放在测量平台上，内圈由测量台面支撑，外圈由于重力自由悬挂在内圈上。通过液压装置在内圈的上方施加一作用力，将内圈压紧，位移传感器与外圈接触。在外圈的底部施加向上的作用力，使外圈向上顶起，同时位移传感器被向上压缩了一段距离，则传感器检测到的该段距离就是轴承的轴向游隙（图1）。
2.2 装配高检测原理
图2所示的测量台面到位移传感器终止位置的距离a为一常数。当液压装置带动装配高位移传感器向下移动时，位移传感器从一开始接触到轴承内圈（图2中b为位移传感器测头在自由状态下的长度）到传感器到达终止位置停止移动，位移传感器被压缩了一段距离c。根据图中装配高h与a，b，c的关系，可以得到
a=h+（b-c）
整理后有
h=a-b+c
由于a和b为常数，可以得到其准确值，所以通过位移传感器测出压缩距离c，就可计算得到轴承的装配高h。
图2所示的测量台面到位移传感器终止位置的距离a为一常数。当液压装置带动装配高位移传感器向下移动时，位移传感器从一开始接触到轴承内圈（图2中b为位移传感器测头在自由状态下的长度）到传感器到达终止位置停止移动，位移传感器被压缩了一段距离c。根据图中装配高h与a，b，c的关系，可以得到
a=h+（b-c）
整理后有
h=a-b+c
由于a和b为常数，可以得到其准确值，所以通过位移传感器测出压缩距离c，就可计算得到轴承的装配高h。
3 硬件设计
铁路货车滚动轴承游隙及装配高检测装置由液压传动和电气控制两部分组成。
液压传动部分由油箱、泵站、4组电磁阀、5个油缸以及其他辅助机械部件组成。电磁阀的控制通过MicroLogix 1000可编程控制器实现。工作时，液压传动部分通过油箱、泵站及总油路电磁阀提供一定的油压，通过其他3组电磁阀分别控制轴承压紧油缸、装配高测量油缸和游隙测量油缸，实现轴承压紧和游隙测量传感器的上下移动、装配高测量传感器的上下移动以及轴承外圈的顶起等动作。
电气控制部分由控制箱、操作台、控制面板以及光栅位移传感器组成。工作时，检测人员通过操作台上的按钮和控制箱内的可编程控制器控制检测装置的各种动作，如加压、卸压、压紧、释放、检测等；检测时，光栅位移传感器信号经过数据采集单元的细分后，传送给单片机，经过数据处理、运算，单片机控制液晶进行显示、控制打印机完成打印功能，同时，通过中断的方式对按键单元操作做出响应。另外，单片机与日期时间单元进行数据交换，控制液晶显示日期和时间；通过串行通信单元，实现单片机与上位机之间的通信。
单片机系统是电气控制部分的核心，结构框图如图3所示，其由8个单元组成，采用C8051F02X系列单片机；数据采集单元采用信号处理电路将光栅信号转化为单片机可以处理的信号；按键单元采用ZLG7289芯片完成按键控制；日期存储单元采用DS18B20芯片实现日期时间的生成及存储；采用LCD液晶显示各级操作菜单，并能动态显示测量数据；用打印机打印测量数据及相关信息；PLC握手单元通过单片机的I/O口线实现单片机与PLC之间的简单通信；按照协议通过软件编程实现单片机与上位机之间的串行通信。
铁路货车滚动轴承游隙及装配高检测装置由液压传动和电气控制两部分组成。
液压传动部分由油箱、泵站、4组电磁阀、5个油缸以及其他辅助机械部件组成。电磁阀的控制通过MicroLogix 1000可编程控制器实现。工作时，液压传动部分通过油箱、泵站及总油路电磁阀提供一定的油压，通过其他3组电磁阀分别控制轴承压紧油缸、装配高测量油缸和游隙测量油缸，实现轴承压紧和游隙测量传感器的上下移动、装配高测量传感器的上下移动以及轴承外圈的顶起等动作。
电气控制部分由控制箱、操作台、控制面板以及光栅位移传感器组成。工作时，检测人员通过操作台上的按钮和控制箱内的可编程控制器控制检测装置的各种动作，如加压、卸压、压紧、释放、检测等；检测时，光栅位移传感器信号经过数据采集单元的细分后，传送给单片机，经过数据处理、运算，单片机控制液晶进行显示、控制打印机完成打印功能，同时，通过中断的方式对按键单元操作做出响应。另外，单片机与日期时间单元进行数据交换，控制液晶显示日期和时间；通过串行通信单元，实现单片机与上位机之间的通信。
单片机系统是电气控制部分的核心，结构框图如图3所示，其由8个单元组成，采用C8051F02X系列单片机；数据采集单元采用信号处理电路将光栅信号转化为单片机可以处理的信号；按键单元采用ZLG7289芯片完成按键控制；日期存储单元采用DS18B20芯片实现日期时间的生成及存储；采用LCD液晶显示各级操作菜单，并能动态显示测量数据；用打印机打印测量数据及相关信息；PLC握手单元通过单片机的I/O口线实现单片机与PLC之间的简单通信；按照协议通过软件编程实现单片机与上位机之间的串行通信。
4 软件设计
在使用货车轴承游隙及装配高检测装置进行检测时，用户通过控制操作台上的按钮即可实现对轴承游隙以及装配高的自动测量，并可通过控制箱上的按键以及液晶显示对测量次数、轴承型号、游隙及装配高的测量界限、时间等进行参数设置。总体测量流程如图4所示。
在使用货车轴承游隙及装配高检测装置进行检测时，用户通过控制操作台上的按钮即可实现对轴承游隙以及装配高的自动测量，并可通过控制箱上的按键以及液晶显示对测量次数、轴承型号、游隙及装配高的测量界限、时间等进行参数设置。总体测量流程如图4所示。
测量控制程序采用模块化程序设计方法，主要包括系统初始化模块，数据采集与处理模块，数据显示模块。系统初始化模块的主要作用是系统自检，例如LCD是否显示，系统参数设置，默认测试初始值设定。数据采集与处理模块负责对传感器检测到的游隙值及装配高值进行处理。数据显示模块包括液晶显示管理、打印机程序、通信串口程序、时钟程序、键盘程序、指示灯程序及报警程序。
5 结束语
采用固定轴承内圈、液压驱动顶起外圈的方式测量货车轴承轴向游隙及装配高，提高了检测人员进行测量时的安全性；将高精度光栅位移传感器作为检测部件，提高了测量精度；采用单片机及CPLD实现了测量数据的采集和处理，通过液晶直接显示游隙及装配高的测量值，避免了人为误差，提高了测量精度；采用可编程控制器单独控制油缸动作，提高了检测装置的动作可靠性，同时也增强了系统的抗干扰能力。
5 结束语
采用固定轴承内圈、液压驱动顶起外圈的方式测量货车轴承轴向游隙及装配高，提高了检测人员进行测量时的安全性；将高精度光栅位移传感器作为检测部件，提高了测量精度；采用单片机及CPLD实现了测量数据的采集和处理，通过液晶直接显示游隙及装配高的测量值，避免了人为误差，提高了测量精度；采用可编程控制器单独控制油缸动作，提高了检测装置的动作可靠性，同时也增强了系统的抗干扰能力。
来源：《轴承》2009年6期