油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)比例閥控制

姚超東

（中國重汽大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

油膜軸承是一種非常理想的滑動(dòng)軸承，在工作時(shí)，它能在軸與軸承之間形成一個(gè)完整的壓力膜。這個(gè)壓力膜使軸與軸承完全脫離金屬接觸，形成純液體摩擦，因此，也稱它為液體摩擦軸承。

1 油膜軸承的發(fā)展

油膜軸承誕生于20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)無論在流體潤滑原理的應(yīng)用上還是軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，都不夠成熟和完善[1]。但隨著軋制工藝的不斷改進(jìn)，現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，軋機(jī)油膜軸承設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也不斷進(jìn)步。我國從20世紀(jì)50年代后期開始研制軋機(jī)油膜軸承，到了20世紀(jì)60年代中期，已經(jīng)建立起一支能夠獨(dú)立進(jìn)行油膜軸承設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)隊(duì)伍，同時(shí)建成了一個(gè)具有相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模，能完成粗、精、超精加工的油膜軸承生產(chǎn)車間。在20世紀(jì)70年代初期，全面開展了軋機(jī)油膜軸承的激勵(lì)探討、理論計(jì)算、工藝制造、測試技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試等相關(guān)工作，使我國軋機(jī)油膜軸承技術(shù)不斷向現(xiàn)代化水平邁進(jìn)。現(xiàn)代大型軋機(jī)油膜軸承主要指裝備在大型板、帶材熱連軋機(jī)、冷連軋機(jī)及各類大型單機(jī)架軋機(jī)上的油膜軸承，它集中體現(xiàn)了現(xiàn)代軋機(jī)的特點(diǎn)，即大型、高速、重載、連續(xù)、自動(dòng)[2-3]。

2 油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)

油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)壓潤滑系統(tǒng)、靜壓潤滑系統(tǒng)、稀油潤滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、直流傳動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，是一個(gè)完整的機(jī)電液氣一體化綜合系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)由主軸兩端動(dòng)靜壓油膜軸承和動(dòng)壓油膜軸承組成，動(dòng)壓油膜軸承是試驗(yàn)軸承。動(dòng)壓潤滑系統(tǒng)的主要功能是為三套油膜軸承提供低壓潤滑油，在動(dòng)壓潤滑條件下，進(jìn)入油膜軸承的潤滑油壓力為0.08～0.12 MPa。靜壓潤滑系統(tǒng)的功能為在電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)或者電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不足以使軸承內(nèi)部形成完整的潤滑油膜時(shí)，利用靜壓泵打出的高壓油將主軸頂起，防止主軸和兩側(cè)的動(dòng)靜壓油膜軸承發(fā)生金屬直接摩擦，起到保護(hù)動(dòng)靜壓軸承的作用。

油膜軸承的最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到8 000 r/min，系統(tǒng)選用的直流電機(jī)只能產(chǎn)生最高1 000 r/min的轉(zhuǎn)速，因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候增加了增速器，并將轉(zhuǎn)速調(diào)高8倍。增速器需使用齒輪油進(jìn)行潤滑，因此，設(shè)計(jì)了專用的增速器稀油潤滑系統(tǒng)。

油膜軸承在實(shí)際的使用情況下會(huì)產(chǎn)生軋制力。因此，要模擬實(shí)際生產(chǎn)情況，就需要對試驗(yàn)用的油膜軸承創(chuàng)造類似實(shí)際生產(chǎn)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)使用比較穩(wěn)定的液壓加載方式向試驗(yàn)軸承施加載荷。液壓泵將油打出，通過控制比例溢流閥的開口度來控制壓力。在試驗(yàn)軸承上的牌坊安裝有液壓缸，液壓缸伸縮桿壓下時(shí)接觸軸承座來施加壓力。該系統(tǒng)最高可向試驗(yàn)軸承施加90 t的壓力。

電氣控制系統(tǒng)的核心是PLC。試驗(yàn)臺(tái)使用的是西門子S7-300PLC，PLC通過各種模塊來控制相應(yīng)的繼電器和接觸器，進(jìn)而控制各個(gè)開關(guān)、閥、信號燈的電源通斷。此外，PLC還可以對傳感器信號進(jìn)行處理。

油膜軸承要求的潤滑油溫度在40℃，當(dāng)加熱器將潤滑油加熱到所需溫度時(shí)，加熱器應(yīng)自動(dòng)停止工作。此外，油膜軸承可能在不同的工況下工作，對潤滑油的溫度有不同的要求，如果油膜軸承潤滑油的加熱溫度能夠自由設(shè)定，當(dāng)出口溫度達(dá)到了所需的溫度時(shí)就自動(dòng)斷開，則會(huì)在很大程度上提高控制系統(tǒng)的可操作性。

因此，對試驗(yàn)臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在界面上添加設(shè)定加熱溫度的輸入框，將設(shè)定的溫度傳送到PLC中，設(shè)定的溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行對比，使用比較器實(shí)現(xiàn)。比較器采用實(shí)數(shù)比較器，可以提高溫度判斷的精度。加熱器溫度判斷程序。以加熱溫度20℃為例，當(dāng)潤滑油出口溫度達(dá)到20℃時(shí)，滿足條件，此時(shí)比較器輸出高電位，該電位使線圈M0.1閉合，使加熱器斷開。當(dāng)溫度未到達(dá)20℃時(shí)，則比較器不輸出高電位，判斷標(biāo)志位不能得到高電位，此時(shí)加熱器持續(xù)工作，直到傳感器檢測到潤滑油溫度達(dá)到20℃停止工作。

3 比例溢流閥對油膜軸承的影響

油膜軸承模擬生產(chǎn)情況下的云狀情況時(shí)，一個(gè)重要的因素就是軋制力。軋制力的大小影響油膜壓力和油膜厚度的大小，同時(shí)也影響著油膜溫度的分布。油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)在給試驗(yàn)軸承施加模擬軋制力時(shí)是通過液壓缸來完成。軸向柱塞泵將液壓油打出，通過比例溢流閥的開口度來控制壓力的大小，通過電磁換向閥來控制液壓缸的上升和下降。載荷控制的精度直接影響著油膜參數(shù)的變化，當(dāng)前試驗(yàn)臺(tái)的載荷采用的是開環(huán)控制方式，上位機(jī)給定壓力，經(jīng)過PLC模擬量輸出模塊輸出模擬信號，該模擬信號經(jīng)過放大器放大后驅(qū)動(dòng)比例溢流閥的閥芯動(dòng)作。因?yàn)殚_環(huán)控制中沒有反饋，因此不能在設(shè)置壓力后進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以減小壓力的誤差。

4 比例溢流閥的PID控制

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂、性能好、可靠性高，使用中不需要知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)參數(shù)即可獲得滿意的結(jié)果，且容易實(shí)現(xiàn)多回路控制，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

將偏差的比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID控制器。模擬量的PID控制理想方程如公式（1）所示[5]：

離散化：

離散結(jié)果：

式中：KP為控制器的比例系數(shù)；TI為控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù)；TD為控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)。

PID控制系統(tǒng)中，對偏差的計(jì)算需要比例、積分、微分共同作用，三者的作用也是各不相同的。

1）比例控制。控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

2）積分控制?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)隨著時(shí)間的增加而增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。

3）微分控制?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。微分控制能預(yù)測誤差變化的趨勢，提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。

5 結(jié)語

我國裝備制造業(yè)正處在改變發(fā)展方式的重要階段，要想在激烈的國際競爭中占有一席之地，就要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和設(shè)備的研究，突破國外對我國的技術(shù)封鎖，找到我國的自主創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的道路。因此，油膜軸承使用和升級改進(jìn)，有利于自主創(chuàng)新，并通過實(shí)驗(yàn)探索解決生產(chǎn)中存在的問題，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，為我國重大裝備的技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。