油膜轴承试验台比例阀控制

姚超东

（中国重汽大同齿轮有限公司， 山西 大同 037000）

引言

油膜轴承是一种非常理想的滑动轴承，在工作时，它能在轴与轴承之间形成一个完整的压力膜。这个压力膜使轴与轴承完全脱离金属接触，形成纯液体摩擦，因此，也称它为液体摩擦轴承。

1 油膜轴承的发展

油膜轴承诞生于20世纪30年代，当时无论在流体润滑原理的应用上还是轴承结构的设计上，都不够成熟和完善[1]。但随着轧制工艺的不断改进，现场使用经验的不断积累，轧机油膜轴承设计与制造技术也不断进步。我国从20世纪50年代后期开始研制轧机油膜轴承，到了20世纪60年代中期，已经建立起一支能够独立进行油膜轴承设计与制造的技术队伍，同时建成了一个具有相当生产规模，能完成粗、精、超精加工的油膜轴承生产车间。在20世纪70年代初期，全面开展了轧机油膜轴承的激励探讨、理论计算、工艺制造、测试技术、实验室和现场测试等相关工作，使我国轧机油膜轴承技术不断向现代化水平迈进。现代大型轧机油膜轴承主要指装备在大型板、带材热连轧机、冷连轧机及各类大型单机架轧机上的油膜轴承，它集中体现了现代轧机的特点，即大型、高速、重载、连续、自动[2-3]。

2 油膜轴承试验台

油膜轴承试验台由机械系统、动压润滑系统、静压润滑系统、稀油润滑系统、液压加载系统、电气控制系统、直流传动系统和数据采集系统组成，是一个完整的机电液气一体化综合系统。机械系统由主轴两端动静压油膜轴承和动压油膜轴承组成，动压油膜轴承是试验轴承。动压润滑系统的主要功能是为三套油膜轴承提供低压润滑油，在动压润滑条件下，进入油膜轴承的润滑油压力为0.08～0.12 MPa。静压润滑系统的功能为在电机开始转动或者电机停止转动的过程中，当电机的转速不足以使轴承内部形成完整的润滑油膜时，利用静压泵打出的高压油将主轴顶起，防止主轴和两侧的动静压油膜轴承发生金属直接摩擦，起到保护动静压轴承的作用。

油膜轴承的最大转速可以达到8 000 r/min，系统选用的直流电机只能产生最高1 000 r/min的转速，因此，在设计的时候增加了增速器，并将转速调高8倍。增速器需使用齿轮油进行润滑，因此，设计了专用的增速器稀油润滑系统。

油膜轴承在实际的使用情况下会产生轧制力。因此，要模拟实际生产情况，就需要对试验用的油膜轴承创造类似实际生产的工作状态。系统使用比较稳定的液压加载方式向试验轴承施加载荷。液压泵将油打出，通过控制比例溢流阀的开口度来控制压力。在试验轴承上的牌坊安装有液压缸，液压缸伸缩杆压下时接触轴承座来施加压力。该系统最高可向试验轴承施加90 t的压力。

电气控制系统的核心是PLC。试验台使用的是西门子S7-300PLC，PLC通过各种模块来控制相应的继电器和接触器，进而控制各个开关、阀、信号灯的电源通断。此外，PLC还可以对传感器信号进行处理。

油膜轴承要求的润滑油温度在40℃，当加热器将润滑油加热到所需温度时，加热器应自动停止工作。此外，油膜轴承可能在不同的工况下工作，对润滑油的温度有不同的要求，如果油膜轴承润滑油的加热温度能够自由设定，当出口温度达到了所需的温度时就自动断开，则会在很大程度上提高控制系统的可操作性。

因此，对试验台的监控系统进行改进，在界面上添加设定加热温度的输入框，将设定的温度传送到PLC中，设定的温度与实际温度进行对比，使用比较器实现。比较器采用实数比较器，可以提高温度判断的精度。加热器温度判断程序。以加热温度20℃为例，当润滑油出口温度达到20℃时，满足条件，此时比较器输出高电位，该电位使线圈M0.1闭合，使加热器断开。当温度未到达20℃时，则比较器不输出高电位，判断标志位不能得到高电位，此时加热器持续工作，直到传感器检测到润滑油温度达到20℃停止工作。

3 比例溢流阀对油膜轴承的影响

油膜轴承模拟生产情况下的云状情况时，一个重要的因素就是轧制力。轧制力的大小影响油膜压力和油膜厚度的大小，同时也影响着油膜温度的分布。油膜轴承试验台在给试验轴承施加模拟轧制力时是通过液压缸来完成。轴向柱塞泵将液压油打出，通过比例溢流阀的开口度来控制压力的大小，通过电磁换向阀来控制液压缸的上升和下降。载荷控制的精度直接影响着油膜参数的变化，当前试验台的载荷采用的是开环控制方式，上位机给定压力，经过PLC模拟量输出模块输出模拟信号，该模拟信号经过放大器放大后驱动比例溢流阀的阀芯动作。因为开环控制中没有反馈，因此不能在设置压力后进行动态调节，以减小压力的误差。

4 比例溢流阀的PID控制

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂、性能好、可靠性高，使用中不需要知道系统精确的数学模型，只要根据经验进行调节参数即可获得满意的结果，且容易实现多回路控制，因而成为应用最为广泛的控制器。

将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。模拟量的PID控制理想方程如公式（1）所示[5]：

离散化：

离散结果：

式中：KP为控制器的比例系数；TI为控制器的积分时间，也称积分系数；TD为控制器的微分时间，也称微分系数。

PID控制系统中，对偏差的计算需要比例、积分、微分共同作用，三者的作用也是各不相同的。

1）比例控制。控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

2）积分控制。控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项随着时间的增加而增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

3）微分控制。控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。微分控制能预测误差变化的趋势，提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

5 结语

我国装备制造业正处在改变发展方式的重要阶段，要想在激烈的国际竞争中占有一席之地，就要加强基础理论和设备的研究，突破国外对我国的技术封锁，找到我国的自主创新和可持续发展的道路。因此，油膜轴承使用和升级改进，有利于自主创新，并通过实验探索解决生产中存在的问题，提高企业经济效益，为我国重大装备的技术发展贡献力量。