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轴承知识
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货车轴承磨合机温度测量误差分析与改进
2009-10-12 赵文杰
修车厂在货车修理过程中，对走行部分非常重视，因为它直接关系到行车安全和修车质量。为适应重载提速，依据铁道部下发的《铁路货车轮对和滚动轴承组装及检修规则》6、9、6，轴承压装后必须进行转速≥260转/分、时间≥5分钟的磨合测试。根据这个技术标准，于2006年购置安装了一台货车轮对轴承全自动磨合机。
该磨合机系统由微型计算机、数据采集卡、温度变送器、铂电阻及机械执行机构组成，可用来实时测量、控制温度、转速、时间等物理参数，全过程自动化测量，超温自动报警，测量数据由微机即时显示，具有数据存储功能，测量结果可打印输出，测量精度±3%。
该磨合机系统由微型计算机、数据采集卡、温度变送器、铂电阻及机械执行机构组成，可用来实时测量、控制温度、转速、时间等物理参数，全过程自动化测量，超温自动报警，测量数据由微机即时显示，具有数据存储功能，测量结果可打印输出，测量精度±3%。
设备安装完试运行几天后，计量科对该设备的温度测量系统进行了校准、验收。误差在测量精度±3%以内，结论为合格。准予使用。
在日常测量过程中，从铁路运输装备部反馈的信息看：由轮对轴承温升过高造成多起热切轴事故，因此我厂技术、工艺部门要求：每天用表面温度计（测量范围：0-100℃、测量精度±1%）辅助监测轴承温升并与自动化测量比对防止自动化测量系统失真。
通过几天的比对测量，发现两者有很大的随机测量误差，Z大为9℃，针对这个问题我们进行了现场跟踪测试：
首先根据被测物的结构形状、测点选择、测量原理、测量状态、测量方法、测量器具的选型、理论计算，确认表面温度计的显示值为轴承的实际温度。
那么磨合机的测量误差在那呢？从以下几个方面考虑：
1、机械方面：由于铂电阻安装位置存在机械运动，有可能与轴承外圈接触不好，触头有灰、油泥等原因。
调整固定铂电阻的弹簧力度、清洗触头、使其接触良好。
从新测试无太大变化，机械原因排除。
2、电器方面：由于铂电阻的测量原理是通过电阻值大小的变化来测量的，所以从新紧固铂电阻、变送器、数据采集卡等电器各接线端子，消除线路电阻、接触不良等原因。
从新测试无太大变化，电器方面原因排除。
3、关键点位逐点测试法：取常用整数点：20、30、40点，十根轮对，连续测量，测得数据如下表：
在日常测量过程中，从铁路运输装备部反馈的信息看：由轮对轴承温升过高造成多起热切轴事故，因此我厂技术、工艺部门要求：每天用表面温度计（测量范围：0-100℃、测量精度±1%）辅助监测轴承温升并与自动化测量比对防止自动化测量系统失真。
通过几天的比对测量，发现两者有很大的随机测量误差，Z大为9℃，针对这个问题我们进行了现场跟踪测试：
首先根据被测物的结构形状、测点选择、测量原理、测量状态、测量方法、测量器具的选型、理论计算，确认表面温度计的显示值为轴承的实际温度。
那么磨合机的测量误差在那呢？从以下几个方面考虑：
1、机械方面：由于铂电阻安装位置存在机械运动，有可能与轴承外圈接触不好，触头有灰、油泥等原因。
调整固定铂电阻的弹簧力度、清洗触头、使其接触良好。
从新测试无太大变化，机械原因排除。
2、电器方面：由于铂电阻的测量原理是通过电阻值大小的变化来测量的，所以从新紧固铂电阻、变送器、数据采集卡等电器各接线端子，消除线路电阻、接触不良等原因。
从新测试无太大变化，电器方面原因排除。
3、关键点位逐点测试法：取常用整数点：20、30、40点，十根轮对，连续测量，测得数据如下表：
通过上表分析： A、前几根轮对误差大，越往后越小。 B、温度越高，误差越大。 C、误差随时间延长而减小。
与以往监测规律相符。下面逐项分析产生的原因。
先分析A项：由上述分析已知，两种测量设备经校准都是好的，的不同是：表面温度计的触头直接贴在轴承外圈表面上，测的温度是轴承外圈表面上的温度，而铂电阻触头从上轴承座中心孔深入触在轴承外圈表面上，轴承座由180mm宽、弧长280mm、40mm厚金属组成，与轴承外圈紧密接触，也可以说：铂电阻测的温度是轴承与轴承座的整体温度。
刚开始磨合升温时，由于钢、铁的温度热传导系数大，轴承外圈表面温度被表面温度计快速检测出来，而铂电阻测温处由于被测的地方体积是表面温度计测点的五倍左右，固从起始点开始要达到同样的温升需要更多的热量和时间，所以同等时间下测出温度偏低。
当连续测量一段时间后，起始点温度逐渐上升，测点处温度升高到新的平衡点时需要的时间、热量相对要少一些，所以测量的误差减小。
再分析B项：由于温度上升越高，与起始点温差越大，达到同样高的温度需要的热量更多、热平衡时间更长，由于此测点没有保温措施，与环境温差越大，散热越快，需要热平衡时间越长，测点达到热平衡时的总热量=吸收热量-散发热量，所以测出的温度必然比实际温度低，即测点温度越高，散发热量越大，误差越大。
再分析C项：由于铂电阻本身结构的原因，铂丝直径只有0.5mm左右,怕碰撞、怕震动，包装有金属套保护层，棒式结构，并且圆周与测点有空气隔离层，所以也需要时间来热平衡，即误差随时间延长而减小。
找到上述3点原因后，我们逐条进行修正。
1、我们根据误差分布规律，采用软件修正法，把每个测量值加上修正系数，通过反复测试发现，在温升范围内，温度变化不是线性，此方法就高就不了低，就低就不了高，此法不行。
2、从硬件设备上考虑，根据计量理论，包括：相同条件、相同设备、相同的测量方法等考虑，减少干扰项，使系统的分项不确定度减到Z少。对照此系统，Z大不确定度就是上轴承座的吸热量、散热量随温度高低而变化，随时间长短而变化、随现场环境起始点温度变化而变化，那么取消上轴承座是否可行呢？通过与技术工艺部门协商，并参考铁道部厂修标准，符合货车修理的各项标准。但是取消上轴承座后，有个问题：拆除前铂电阻插入上轴承座内部测量，符合铂电阻的测量原理和使用条件，拆除上轴承座后，再用它做表面温度测量以经不符合测量原则及要求，因此，我们针对上述问题，结合实际情况，采用红外线探头，特点是：反映时间快：0.5秒，精度等级：±0.1%，测量范围：0-100℃。属于无接触测量，消除了机械运动造成的接触不良和磨损，改造后从新采用逐点测试法：测得数据如下表：(略）。
从上表看出：个优点是除掉了上轴承座的吸热、散热过程，使热平衡过程加快，并使轴承表面处于敞开状态，使散热面积扩大了1/3，使轴承温升范围缩小了10℃左右，从开始磨合到结束Z大温升11℃-12℃，导至实际测量范围也缩小了，使测量线性失真也减小，误差修正也好调整。
第二个优点是新的检测点的各项参数与表面温度计检测点的各项参数基本相同，使测量的可比性、可信性程度提高，有说服力，第三个优点是新的测量系统机械结构设计更加合理，机械碰撞少、震动小，维护方便。
通过这次改造，测得数据都在设备的误差范围内，其它各检测项目也都合格，改造比较成功，经过二个月的试运行，设备的稳定性、重复性、准确度都比较平稳，据此编制了校准程序、操作规范、维护保养记录，使其处于受控状态，使修车质量和行车安全有了保障。
与以往监测规律相符。下面逐项分析产生的原因。
先分析A项：由上述分析已知，两种测量设备经校准都是好的，的不同是：表面温度计的触头直接贴在轴承外圈表面上，测的温度是轴承外圈表面上的温度，而铂电阻触头从上轴承座中心孔深入触在轴承外圈表面上，轴承座由180mm宽、弧长280mm、40mm厚金属组成，与轴承外圈紧密接触，也可以说：铂电阻测的温度是轴承与轴承座的整体温度。
刚开始磨合升温时，由于钢、铁的温度热传导系数大，轴承外圈表面温度被表面温度计快速检测出来，而铂电阻测温处由于被测的地方体积是表面温度计测点的五倍左右，固从起始点开始要达到同样的温升需要更多的热量和时间，所以同等时间下测出温度偏低。
当连续测量一段时间后，起始点温度逐渐上升，测点处温度升高到新的平衡点时需要的时间、热量相对要少一些，所以测量的误差减小。
再分析B项：由于温度上升越高，与起始点温差越大，达到同样高的温度需要的热量更多、热平衡时间更长，由于此测点没有保温措施，与环境温差越大，散热越快，需要热平衡时间越长，测点达到热平衡时的总热量=吸收热量-散发热量，所以测出的温度必然比实际温度低，即测点温度越高，散发热量越大，误差越大。
再分析C项：由于铂电阻本身结构的原因，铂丝直径只有0.5mm左右,怕碰撞、怕震动，包装有金属套保护层，棒式结构，并且圆周与测点有空气隔离层，所以也需要时间来热平衡，即误差随时间延长而减小。
找到上述3点原因后，我们逐条进行修正。
1、我们根据误差分布规律，采用软件修正法，把每个测量值加上修正系数，通过反复测试发现，在温升范围内，温度变化不是线性，此方法就高就不了低，就低就不了高，此法不行。
2、从硬件设备上考虑，根据计量理论，包括：相同条件、相同设备、相同的测量方法等考虑，减少干扰项，使系统的分项不确定度减到Z少。对照此系统，Z大不确定度就是上轴承座的吸热量、散热量随温度高低而变化，随时间长短而变化、随现场环境起始点温度变化而变化，那么取消上轴承座是否可行呢？通过与技术工艺部门协商，并参考铁道部厂修标准，符合货车修理的各项标准。但是取消上轴承座后，有个问题：拆除前铂电阻插入上轴承座内部测量，符合铂电阻的测量原理和使用条件，拆除上轴承座后，再用它做表面温度测量以经不符合测量原则及要求，因此，我们针对上述问题，结合实际情况，采用红外线探头，特点是：反映时间快：0.5秒，精度等级：±0.1%，测量范围：0-100℃。属于无接触测量，消除了机械运动造成的接触不良和磨损，改造后从新采用逐点测试法：测得数据如下表：(略）。
从上表看出：个优点是除掉了上轴承座的吸热、散热过程，使热平衡过程加快，并使轴承表面处于敞开状态，使散热面积扩大了1/3，使轴承温升范围缩小了10℃左右，从开始磨合到结束Z大温升11℃-12℃，导至实际测量范围也缩小了，使测量线性失真也减小，误差修正也好调整。
第二个优点是新的检测点的各项参数与表面温度计检测点的各项参数基本相同，使测量的可比性、可信性程度提高，有说服力，第三个优点是新的测量系统机械结构设计更加合理，机械碰撞少、震动小，维护方便。
通过这次改造，测得数据都在设备的误差范围内，其它各检测项目也都合格，改造比较成功，经过二个月的试运行，设备的稳定性、重复性、准确度都比较平稳，据此编制了校准程序、操作规范、维护保养记录，使其处于受控状态，使修车质量和行车安全有了保障。