油膜軸承試驗臺比例閥控制

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軸承，在工作時，它能在軸與軸承之間形成一個完整的壓力膜。這個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 油膜軸承的發展

油膜軸承誕生于20世紀30年代，當時無論在流體潤滑原理的應用上還是軸承結構的設計上，都不夠成熟和完善[1]。但隨著軋制工藝的不斷改進，現場使用經驗的不斷積累，軋機油膜軸承設計與制造技術也不斷進步。我國從20世紀50年代后期開始研制軋機油膜軸承，到了20世紀60年代中期，已經建立起一支能夠獨立進行油膜軸承設計與制造的技術隊伍，同時建成了一個具有相當生產規模，能完成粗、精、超精加工的油膜軸承生產車間。在20世紀70年代初期，全面開展了軋機油膜軸承的激勵探討、理論計算、工藝制造、測試技術、實驗室和現場測試等相關工作，使我國軋機油膜軸承技術不斷向現代化水平邁進。現代大型軋機油膜軸承主要指裝備在大型板、帶材熱連軋機、冷連軋機及各類大型單機架軋機上的油膜軸承，它集中體現了現代軋機的特點，即大型、高速、重載、連續、自動[2-3]。

2 油膜軸承試驗臺

油膜軸承試驗臺由機械系統、動壓潤滑系統、靜壓潤滑系統、稀油潤滑系統、液壓加載系統、電氣控制系統、直流傳動系統和數據采集系統組成，是一個完整的機電液氣一體化綜合系統。機械系統由主軸兩端動靜壓油膜軸承和動壓油膜軸承組成，動壓油膜軸承是試驗軸承。動壓潤滑系統的主要功能是為三套油膜軸承提供低壓潤滑油，在動壓潤滑條件下，進入油膜軸承的潤滑油壓力為0.08～0.12 MPa。靜壓潤滑系統的功能為在電機開始轉動或者電機停止轉動的過程中，當電機的轉速不足以使軸承內部形成完整的潤滑油膜時，利用靜壓泵打出的高壓油將主軸頂起，防止主軸和兩側的動靜壓油膜軸承發生金屬直接摩擦，起到保護動靜壓軸承的作用。

油膜軸承的最大轉速可以達到8 000 r/min，系統選用的直流電機只能產生最高1 000 r/min的轉速，因此，在設計的時候增加了增速器，并將轉速調高8倍。增速器需使用齒輪油進行潤滑，因此，設計了專用的增速器稀油潤滑系統。

油膜軸承在實際的使用情況下會產生軋制力。因此，要模擬實際生產情況，就需要對試驗用的油膜軸承創造類似實際生產的工作狀態。系統使用比較穩定的液壓加載方式向試驗軸承施加載荷。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。在試驗軸承上的牌坊安裝有液壓缸，液壓缸伸縮桿壓下時接觸軸承座來施加壓力。該系統最高可向試驗軸承施加90 t的壓力。

電氣控制系統的核心是PLC。試驗臺使用的是西門子S7-300PLC，PLC通過各種模塊來控制相應的繼電器和接觸器，進而控制各個開關、閥、信號燈的電源通斷。此外，PLC還可以對傳感器信號進行處理。

油膜軸承要求的潤滑油溫度在40℃，當加熱器將潤滑油加熱到所需溫度時，加熱器應自動停止工作。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定，當出口溫度達到了所需的溫度時就自動斷開，則會在很大程度上提高控制系統的可操作性。

因此，對試驗臺的監控系統進行改進，在界面上添加設定加熱溫度的輸入框，將設定的溫度傳送到PLC中，設定的溫度與實際溫度進行對比，使用比較器實現。比較器采用實數比較器，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，當潤滑油出口溫度達到20℃時，滿足條件，此時比較器輸出高電位，該電位使線圈M0.1閉合，使加熱器斷開。當溫度未到達20℃時，則比較器不輸出高電位，判斷標志位不能得到高電位，此時加熱器持續工作，直到傳感器檢測到潤滑油溫度達到20℃停止工作。

3 比例溢流閥對油膜軸承的影響

油膜軸承模擬生產情況下的云狀情況時，一個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，同時也影響著油膜溫度的分布。油膜軸承試驗臺在給試驗軸承施加模擬軋制力時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的變化，當前試驗臺的載荷采用的是開環控制方式，上位機給定壓力，經過PLC模擬量輸出模塊輸出模擬信號，該模擬信號經過放大器放大后驅動比例溢流閥的閥芯動作。因為開環控制中沒有反饋，因此不能在設置壓力后進行動態調節，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）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。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精確的數學模型，只要根據經驗進行調節參數即可獲得滿意的結果，且容易實現多回路控制，因而成為應用最為廣泛的控制器。

將偏差的比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，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：

離散結果：

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

PID控制系統中，對偏差的計算需要比例、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系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

2）積分控制。控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項隨著時間的增加而增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。

3）微分控制。控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。

5 結語

我國裝備制造業正處在改變發展方式的重要階段，要想在激烈的國際競爭中占有一席之地，就要加強基礎理論和設備的研究，突破國外對我國的技術封鎖，找到我國的自主創新和可持續發展的道路。因此，油膜軸承使用和升級改進，有利于自主創新，并通過實驗探索解決生產中存在的問題，提高企業經濟效益，為我國重大裝備的技術發展貢獻力量。