大型油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)研制

馬立新，王建梅，薛亞文，唐亮

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

軋機(jī)油膜軸承在軋制生產(chǎn)中具有重要的地位和作用。加強(qiáng)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軋機(jī)油膜軸承理論、試驗(yàn)研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)軋鋼機(jī)械具有十分重要的意義。大型油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)是可模擬生產(chǎn)條件下油膜軸承工作性能的大型機(jī)電液氣一體化試驗(yàn)平臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理、自動(dòng)控制及動(dòng)-靜壓支承等理論，借助控制、測(cè)試和數(shù)據(jù)分析軟件，可以開(kāi)展油膜軸承性能測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，以及油膜軸承潤(rùn)滑油的工業(yè)測(cè)試等研究工作，為進(jìn)一步優(yōu)化油膜軸承結(jié)構(gòu)和完善油膜軸承潤(rùn)滑理論提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及功能

油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)、靜壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。

機(jī)械系統(tǒng)包括直流電動(dòng)機(jī)、主軸、動(dòng)壓油膜軸承(試驗(yàn)軸承)和動(dòng)-靜壓油膜軸承(支承軸承)。功率為160 kW的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，動(dòng)壓軸承和動(dòng)-靜壓軸承采用倒置結(jié)構(gòu)安裝在主軸上，如圖1所示，中間為用于試驗(yàn)的動(dòng)壓軸承，兩端為起支承作用的動(dòng)-靜壓軸承。

圖1 倒置結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)壓潤(rùn)滑系統(tǒng)向試驗(yàn)軸承和支承軸承供給壓力為0.08～0.12 MPa的潤(rùn)滑油，同時(shí)向靜壓泵供油，靜壓泵將低壓油加壓為高壓油供給支承軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低或載荷較大時(shí)，靜壓油托起主軸，防止主軸與支承軸承直接接觸。動(dòng)壓潤(rùn)滑系統(tǒng)由螺桿泵、過(guò)濾器(過(guò)濾精度80 μm)、加熱器、冷卻器、減壓閥、壓力傳感器、溫度傳感器及流量傳感器等組成。

稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)為增速器提供低黏度潤(rùn)滑油。增速器具有1∶8的傳動(dòng)比，在直流電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的情況下，可實(shí)現(xiàn)主軸最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min。稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)壓潤(rùn)滑系統(tǒng)基本相同。

液壓加載系統(tǒng)通過(guò)液壓缸對(duì)試驗(yàn)軸承施加載荷。該系統(tǒng)采用軸向柱塞泵將液壓油打出，由比例溢流閥調(diào)節(jié)壓力(最高20 MPa)，電磁換向閥控制液壓缸升降，蓄能器維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

電氣控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300PLC進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以WinCC監(jiān)控界面為主體，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和歸檔。

2 油膜參數(shù)監(jiān)測(cè)

2.1 油膜溫度

在試驗(yàn)軸承座內(nèi)分布有25個(gè)T型熱電偶，用于測(cè)量承載區(qū)與非承載區(qū)的溫度，如圖2所示。承載區(qū)(襯套上部)分布有20個(gè)熱電偶，非承載區(qū)分布有5個(gè)熱電偶，每個(gè)熱電偶與軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油之間有非常薄的巴氏合金層。油膜溫度由上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示。

圖2 承載區(qū)、非承載區(qū)傳感器分布

2.2 油膜壓力

試驗(yàn)臺(tái)使用KULITE HEM-375M小型高溫壓力傳感器測(cè)量油膜壓力，如圖3所示。該傳感器量程為0～140 MPa，具有響應(yīng)速度快、分辨率無(wú)限小等優(yōu)點(diǎn)。傳感器輸出信號(hào)為0～100 mV，經(jīng)過(guò)變送器將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流傳送到PLC模擬量輸入模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)用PLC內(nèi)的功能塊FC105將信號(hào)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的實(shí)際測(cè)量值。

圖3 油膜壓力傳感器

油膜壓力傳感器分布于承載區(qū)(圖4中的1，2)，兩者呈60°對(duì)稱分布，用于測(cè)量承載區(qū)油膜壓力沿周向的變化趨勢(shì)。

1,2—油膜壓力傳感器；3，4，5—電渦流傳感器

2.3 油膜厚度

試驗(yàn)臺(tái)使用Bently 3300XL 8mm電渦流傳感器系統(tǒng)測(cè)量主軸與襯套之間的距離。根據(jù)三點(diǎn)法原理計(jì)算最小油膜厚度。

三點(diǎn)法原理如圖5所示，假設(shè)外圓為襯套內(nèi)表面，坐標(biāo)系原點(diǎn)O(0，0)在襯套截面的中心，可得到襯套A，B，C三點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(-R，0)，B(R，0)，C(0，R)。設(shè)電渦流傳感器測(cè)量出A到A′，B到B′、C到C′的距離分別為：|AA′|=a，|BB′|=b，|CC′|=c，則A′，B′，C′的坐標(biāo)分別為A′ (-R+a，0)，B′(R-b，0)，C′(0，R-c)。設(shè)主軸截面的圓心在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為O′(x1，y1)，主軸半徑為r，則主軸截面在坐標(biāo)系中的方程為

圖5 油膜厚度三點(diǎn)測(cè)量法原理圖

(x-x1)2+(y-y1)2=r2。

(1)

將測(cè)量得到的O′，A′，B′ 三點(diǎn)坐標(biāo)值代入(1)式，可以確定出x1，y1，r的值為

(2)

(3)

(4)

(5)

最小油膜厚度為

(6)

試驗(yàn)軸承安裝有6個(gè)電渦流傳感器，均位于非承載區(qū)(圖4)，分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同截面處的最小油膜厚度。電渦流傳感器輸出信號(hào)為-20～0 V，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為0～10 V傳送到模擬量輸入模塊，其處理方法與油膜壓力傳感器相同。

3 WinCC與PLC監(jiān)控系統(tǒng)

油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)基于S7-300PLC和WinCC軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)配備了用于實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集與分析的工控計(jì)算機(jī)，增強(qiáng)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析的可靠性與精確性。PLC測(cè)控框圖如圖6所示。

圖6 PLC測(cè)控框圖

3.1 上位機(jī)與下位機(jī)通信

試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提是在各個(gè)子系統(tǒng)之間建立通信(包括物理連接與接口的設(shè)定)。上位機(jī)與下位機(jī)PLC， WinCC與PLC的通信均通過(guò)通信板卡CP5611實(shí)現(xiàn)[1-2]。CP5611屬于即插即用式硬件，在西門(mén)子軟件如Step7和WinCC中均集成了驅(qū)動(dòng)程序。上位機(jī)的CP5611板卡與PLC的MPI接口連接組成MPI網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)與PLC均為MPI網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，二者分配有不同地址。

PLC與直流調(diào)速裝置、手動(dòng)控制臺(tái)組成Profibus網(wǎng)絡(luò)，三者均為該網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，PLC為主站，直流調(diào)速裝置與手動(dòng)控制臺(tái)為從站。該網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建通過(guò)硬件組態(tài)實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 硬件組態(tài)

3.2 過(guò)程控制

監(jiān)控系統(tǒng)以西門(mén)子S7-300PLC為基礎(chǔ)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各子系統(tǒng)的執(zhí)行元件進(jìn)行控制，同時(shí)可通過(guò)WinCC監(jiān)控界面設(shè)定直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承載荷，監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油流量，使試驗(yàn)臺(tái)各子系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。

3.2.1 轉(zhuǎn)速監(jiān)控

主軸轉(zhuǎn)速是影響油膜形成的重要參數(shù)之一。直流調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程快、加減速時(shí)自動(dòng)平滑過(guò)渡、低轉(zhuǎn)速時(shí)力矩大、控制精度高等特點(diǎn)。因此，試驗(yàn)臺(tái)使用西門(mén)子6RA7085直流調(diào)速裝置進(jìn)行調(diào)速[3]。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制是模擬實(shí)際軋制工況的重要條件。轉(zhuǎn)速通過(guò)WinCC監(jiān)控界面進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓、電樞電流和設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的值。直流電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，通過(guò)增速器可以使主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)8 000 r/min。

3.2.2 載荷控制

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)采用液壓加載裝置對(duì)動(dòng)壓軸承施加載荷模擬軋制力，液壓系統(tǒng)由恒壓變量泵和蓄能器作為壓力油源，由比例控制器將控制信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)比例溢流閥，進(jìn)而控制壓力。壓力可在0～90 t范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)際載荷通過(guò)壓力變送器檢測(cè)并最終顯示在監(jiān)控界面上。壓力控制使用PID控制算法，使設(shè)定壓力與實(shí)際壓力保持一致。

3.2.3 潤(rùn)滑油流量監(jiān)控

潤(rùn)滑油流量過(guò)大將增加油泵負(fù)荷，增加能耗，導(dǎo)致軸承端部大量泄油，增加熱量耗散，難以準(zhǔn)確反映油膜軸承工作過(guò)程中真實(shí)的溫度變化；流量過(guò)小，將不能保證向軸承中供給充足的潤(rùn)滑油，不能形成完整的油膜，導(dǎo)致襯套與主軸之間發(fā)生直接接觸，造成摩擦磨損，甚至軸承失效[6]。

系統(tǒng)所采用的圖爾克插入式流量傳感器FCS-G1/2A4P-LIX-H1141/D037基于熱式原理，測(cè)量探頭通過(guò)與流體介質(zhì)溫度相比較進(jìn)行加熱，流體經(jīng)過(guò)探頭時(shí)，會(huì)帶走線圈的一部分熱量。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)熱敏電阻之間的阻值差來(lái)反映流體流速的變化。流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 流量傳感器示意圖

流量傳感器安裝在試驗(yàn)軸承的入口管路上，測(cè)量潤(rùn)滑油的速度。根據(jù)試驗(yàn)軸承所需的實(shí)際流量范圍，通過(guò)電位計(jì)設(shè)置傳感器報(bào)警的上、下限參數(shù)，傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)PLC轉(zhuǎn)換后輸出為實(shí)際的流速值。將實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際值高于或低于設(shè)定值時(shí)則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.2.4 信號(hào)處理

油膜軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)安裝有潤(rùn)滑站出口壓力傳感器和溫度傳感器；稀油站出口溫度傳感器和壓力傳感器；軸承入口壓力傳感器和出口溫度傳感器。該6個(gè)傳感器均與模擬量輸入模塊SM331 AI8x12Bit連接。傳感器信號(hào)經(jīng)模擬量輸入模塊SM331進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后由FC105功能塊轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的實(shí)際值，轉(zhuǎn)換程序如圖9所示。

圖9 信號(hào)處理

3.3 WinCC監(jiān)控界面

WinCC監(jiān)控界面(圖10)的主要功能為：對(duì)機(jī)械系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)、動(dòng)壓潤(rùn)滑站、稀油潤(rùn)滑站、靜壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并顯示、采集相關(guān)數(shù)據(jù)(包括液位、溫度、壓力、電樞電壓、電樞電流、主軸轉(zhuǎn)速、油膜壓力、油膜厚度、油膜溫度等參數(shù))，操作人員可以直觀地了解各部分與軸承的運(yùn)行狀態(tài)。

圖10 監(jiān)控主界面

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)的故障包括上位機(jī)與下位機(jī)通信中斷，無(wú)法在線控制轉(zhuǎn)速，加熱器無(wú)法啟動(dòng)以及傳感器信號(hào)異常等。在調(diào)試時(shí)先從控制程序著手，其次排查硬件故障來(lái)解決問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了大型油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成和功能，油膜參數(shù)的測(cè)量原理和傳感器的安裝方法?；赟7-300 PLC和WinCC開(kāi)發(fā)了監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的常見(jiàn)故障進(jìn)行了總結(jié)，并給出了相應(yīng)的調(diào)試思路，保證了試驗(yàn)臺(tái)的正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確性，為大型綜合機(jī)電液一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試提供了基本思路。