貨車軸承磨合機溫度測量誤差分析與改進
2009-10-12 趙文杰
修車廠在貨車修理過程中，對走行部分非常重視，因為它直接關系到行車安全和修車質量。為適應重載提速，依據鐵道部下發的《鐵路貨車輪對和滾動軸承組裝及檢修規則》6、9、6，軸承壓裝后必須進行轉速≥260轉/分、時間≥5分鐘的磨合測試。根據這個技術標準，于2006年購置安裝了一臺貨車輪對軸承全自動磨合機。
該磨合機系統由微型計算機、數據采集卡、溫度變送器、鉑電阻及機械執行機構組成，可用來實時測量、控制溫度、轉速、時間等物理參數，全過程自動化測量，超溫自動報警，測量數據由微機即時顯示，具有數據存儲功能，測量結果可打印輸出，測量精度±3%。
該磨合機系統由微型計算機、數據采集卡、溫度變送器、鉑電阻及機械執行機構組成，可用來實時測量、控制溫度、轉速、時間等物理參數，全過程自動化測量，超溫自動報警，測量數據由微機即時顯示，具有數據存儲功能，測量結果可打印輸出，測量精度±3%。
設備安裝完試運行幾天后，計量科對該設備的溫度測量系統進行了校準、驗收。誤差在測量精度±3%以內，結論為合格。準予使用。
在日常測量過程中，從鐵路運輸裝備部反饋的信息看：由輪對軸承溫升過高造成多起熱切軸事故，因此我廠技術、工藝部門要求：每天用表面溫度計（測量范圍：0-100℃、測量精度±1%）輔助監測軸承溫升并與自動化測量比對防止自動化測量系統失真。
通過幾天的比對測量，發現兩者有很大的隨機測量誤差，Z大為9℃，針對這個問題我們進行了現場跟蹤測試：
首先根據被測物的結構形狀、測點選擇、測量原理、測量狀態、測量方法、測量器具的選型、理論計算，確認表面溫度計的顯示值為軸承的實際溫度。
那么磨合機的測量誤差在那呢？從以下幾個方面考慮：
1、機械方面：由于鉑電阻安裝位置存在機械運動，有可能與軸承外圈接觸不好，觸頭有灰、油泥等原因。
調整固定鉑電阻的彈簧力度、清洗觸頭、使其接觸良好。
從新測試無太大變化，機械原因排除。
2、電器方面：由于鉑電阻的測量原理是通過電阻值大小的變化來測量的，所以從新緊固鉑電阻、變送器、數據采集卡等電器各接線端子，消除線路電阻、接觸不良等原因。
從新測試無太大變化，電器方面原因排除。
3、關鍵點位逐點測試法：取常用整數點：20、30、40點，十根輪對，連續測量，測得數據如下表：
在日常測量過程中，從鐵路運輸裝備部反饋的信息看：由輪對軸承溫升過高造成多起熱切軸事故，因此我廠技術、工藝部門要求：每天用表面溫度計（測量范圍：0-100℃、測量精度±1%）輔助監測軸承溫升并與自動化測量比對防止自動化測量系統失真。
通過幾天的比對測量，發現兩者有很大的隨機測量誤差，Z大為9℃，針對這個問題我們進行了現場跟蹤測試：
首先根據被測物的結構形狀、測點選擇、測量原理、測量狀態、測量方法、測量器具的選型、理論計算，確認表面溫度計的顯示值為軸承的實際溫度。
那么磨合機的測量誤差在那呢？從以下幾個方面考慮：
1、機械方面：由于鉑電阻安裝位置存在機械運動，有可能與軸承外圈接觸不好，觸頭有灰、油泥等原因。
調整固定鉑電阻的彈簧力度、清洗觸頭、使其接觸良好。
從新測試無太大變化，機械原因排除。
2、電器方面：由于鉑電阻的測量原理是通過電阻值大小的變化來測量的，所以從新緊固鉑電阻、變送器、數據采集卡等電器各接線端子，消除線路電阻、接觸不良等原因。
從新測試無太大變化，電器方面原因排除。
3、關鍵點位逐點測試法：取常用整數點：20、30、40點，十根輪對，連續測量，測得數據如下表：
通過上表分析： A、前幾根輪對誤差大，越往后越小。 B、溫度越高，誤差越大。 C、誤差隨時間延長而減小。
與以往監測規律相符。下面逐項分析產生的原因。
先分析A項：由上述分析已知，兩種測量設備經校準都是好的，的不同是：表面溫度計的觸頭直接貼在軸承外圈表面上，測的溫度是軸承外圈表面上的溫度，而鉑電阻觸頭從上軸承座中心孔深入觸在軸承外圈表面上，軸承座由180mm寬、弧長280mm、40mm厚金屬組成，與軸承外圈緊密接觸，也可以說：鉑電阻測的溫度是軸承與軸承座的整體溫度。
剛開始磨合升溫時，由于鋼、鐵的溫度熱傳導系數大，軸承外圈表面溫度被表面溫度計快速檢測出來，而鉑電阻測溫處由于被測的地方體積是表面溫度計測點的五倍左右，固從起始點開始要達到同樣的溫升需要更多的熱量和時間，所以同等時間下測出溫度偏低。
當連續測量一段時間后，起始點溫度逐漸上升，測點處溫度升高到新的平衡點時需要的時間、熱量相對要少一些，所以測量的誤差減小。
再分析B項：由于溫度上升越高，與起始點溫差越大，達到同樣高的溫度需要的熱量更多、熱平衡時間更長，由于此測點沒有保溫措施，與環境溫差越大，散熱越快，需要熱平衡時間越長，測點達到熱平衡時的總熱量=吸收熱量-散發熱量，所以測出的溫度必然比實際溫度低，即測點溫度越高，散發熱量越大，誤差越大。
再分析C項：由于鉑電阻本身結構的原因，鉑絲直徑只有0.5mm左右,怕碰撞、怕震動，包裝有金屬套保護層，棒式結構，并且圓周與測點有空氣隔離層，所以也需要時間來熱平衡，即誤差隨時間延長而減小。
找到上述3點原因后，我們逐條進行修正。
1、我們根據誤差分布規律，采用軟件修正法，把每個測量值加上修正系數，通過反復測試發現，在溫升范圍內，溫度變化不是線性，此方法就高就不了低，就低就不了高，此法不行。
2、從硬件設備上考慮，根據計量理論，包括：相同條件、相同設備、相同的測量方法等考慮，減少干擾項，使系統的分項不確定度減到Z少。對照此系統，Z大不確定度就是上軸承座的吸熱量、散熱量隨溫度高低而變化，隨時間長短而變化、隨現場環境起始點溫度變化而變化，那么取消上軸承座是否可行呢？通過與技術工藝部門協商，并參考鐵道部廠修標準，符合貨車修理的各項標準。但是取消上軸承座后，有個問題：拆除前鉑電阻插入上軸承座內部測量，符合鉑電阻的測量原理和使用條件，拆除上軸承座后，再用它做表面溫度測量以經不符合測量原則及要求，因此，我們針對上述問題，結合實際情況，采用紅外線探頭，特點是：反映時間快：0.5秒，精度等級：±0.1%，測量范圍：0-100℃。屬于無接觸測量，消除了機械運動造成的接觸不良和磨損，改造后從新采用逐點測試法：測得數據如下表：(略）。
從上表看出：個優點是除掉了上軸承座的吸熱、散熱過程，使熱平衡過程加快，并使軸承表面處于敞開狀態，使散熱面積擴大了1/3，使軸承溫升范圍縮小了10℃左右，從開始磨合到結束Z大溫升11℃-12℃，導至實際測量范圍也縮小了，使測量線性失真也減小，誤差修正也好調整。
第二個優點是新的檢測點的各項參數與表面溫度計檢測點的各項參數基本相同，使測量的可比性、可信性程度提高，有說服力，第三個優點是新的測量系統機械結構設計更加合理，機械碰撞少、震動小，維護方便。
通過這次改造，測得數據都在設備的誤差范圍內，其它各檢測項目也都合格，改造比較成功，經過二個月的試運行，設備的穩定性、重復性、準確度都比較平穩，據此編制了校準程序、操作規范、維護保養記錄，使其處于受控狀態，使修車質量和行車安全有了保障。
與以往監測規律相符。下面逐項分析產生的原因。
先分析A項：由上述分析已知，兩種測量設備經校準都是好的，的不同是：表面溫度計的觸頭直接貼在軸承外圈表面上，測的溫度是軸承外圈表面上的溫度，而鉑電阻觸頭從上軸承座中心孔深入觸在軸承外圈表面上，軸承座由180mm寬、弧長280mm、40mm厚金屬組成，與軸承外圈緊密接觸，也可以說：鉑電阻測的溫度是軸承與軸承座的整體溫度。
剛開始磨合升溫時，由于鋼、鐵的溫度熱傳導系數大，軸承外圈表面溫度被表面溫度計快速檢測出來，而鉑電阻測溫處由于被測的地方體積是表面溫度計測點的五倍左右，固從起始點開始要達到同樣的溫升需要更多的熱量和時間，所以同等時間下測出溫度偏低。
當連續測量一段時間后，起始點溫度逐漸上升，測點處溫度升高到新的平衡點時需要的時間、熱量相對要少一些，所以測量的誤差減小。
再分析B項：由于溫度上升越高，與起始點溫差越大，達到同樣高的溫度需要的熱量更多、熱平衡時間更長，由于此測點沒有保溫措施，與環境溫差越大，散熱越快，需要熱平衡時間越長，測點達到熱平衡時的總熱量=吸收熱量-散發熱量，所以測出的溫度必然比實際溫度低，即測點溫度越高，散發熱量越大，誤差越大。
再分析C項：由于鉑電阻本身結構的原因，鉑絲直徑只有0.5mm左右,怕碰撞、怕震動，包裝有金屬套保護層，棒式結構，并且圓周與測點有空氣隔離層，所以也需要時間來熱平衡，即誤差隨時間延長而減小。
找到上述3點原因后，我們逐條進行修正。
1、我們根據誤差分布規律，采用軟件修正法，把每個測量值加上修正系數，通過反復測試發現，在溫升范圍內，溫度變化不是線性，此方法就高就不了低，就低就不了高，此法不行。
2、從硬件設備上考慮，根據計量理論，包括：相同條件、相同設備、相同的測量方法等考慮，減少干擾項，使系統的分項不確定度減到Z少。對照此系統，Z大不確定度就是上軸承座的吸熱量、散熱量隨溫度高低而變化，隨時間長短而變化、隨現場環境起始點溫度變化而變化，那么取消上軸承座是否可行呢？通過與技術工藝部門協商，并參考鐵道部廠修標準，符合貨車修理的各項標準。但是取消上軸承座后，有個問題：拆除前鉑電阻插入上軸承座內部測量，符合鉑電阻的測量原理和使用條件，拆除上軸承座后，再用它做表面溫度測量以經不符合測量原則及要求，因此，我們針對上述問題，結合實際情況，采用紅外線探頭，特點是：反映時間快：0.5秒，精度等級：±0.1%，測量范圍：0-100℃。屬于無接觸測量，消除了機械運動造成的接觸不良和磨損，改造后從新采用逐點測試法：測得數據如下表：(略）。
從上表看出：個優點是除掉了上軸承座的吸熱、散熱過程，使熱平衡過程加快，并使軸承表面處于敞開狀態，使散熱面積擴大了1/3，使軸承溫升范圍縮小了10℃左右，從開始磨合到結束Z大溫升11℃-12℃，導至實際測量范圍也縮小了，使測量線性失真也減小，誤差修正也好調整。
第二個優點是新的檢測點的各項參數與表面溫度計檢測點的各項參數基本相同，使測量的可比性、可信性程度提高，有說服力，第三個優點是新的測量系統機械結構設計更加合理，機械碰撞少、震動小，維護方便。
通過這次改造，測得數據都在設備的誤差范圍內，其它各檢測項目也都合格，改造比較成功，經過二個月的試運行，設備的穩定性、重復性、準確度都比較平穩，據此編制了校準程序、操作規范、維護保養記錄，使其處于受控狀態，使修車質量和行車安全有了保障。