大型油膜轴承综合试验台监控系统研制

马立新，王建梅，薛亚文，唐亮

(太原科技大学 机械工程学院，太原 030024)

轧机油膜轴承在轧制生产中具有重要的地位和作用。加强我国自主知识产权的轧机油膜轴承理论、试验研究和开发，对轧钢机械具有十分重要的意义。大型油膜轴承综合试验台是可模拟生产条件下油膜轴承工作性能的大型机电液气一体化试验平台。该试验台综合运用机械设计、测试技术、信号处理、自动控制及动-静压支承等理论，借助控制、测试和数据分析软件，可以开展油膜轴承性能测试和数据分析，以及油膜轴承润滑油的工业测试等研究工作，为进一步优化油膜轴承结构和完善油膜轴承润滑理论提供数据支持。

1 试验台结构及功能

油膜轴承综合试验台由机械系统、动压润滑系统、稀油润滑系统、静压润滑系统、液压加载系统、电气控制系统及数据采集系统构成。

机械系统包括直流电动机、主轴、动压油膜轴承(试验轴承)和动-静压油膜轴承(支承轴承)。功率为160 kW的直流电动机驱动主轴，动压轴承和动-静压轴承采用倒置结构安装在主轴上，如图1所示，中间为用于试验的动压轴承，两端为起支承作用的动-静压轴承。

图1 倒置结构示意图

动压润滑系统向试验轴承和支承轴承供给压力为0.08～0.12 MPa的润滑油，同时向静压泵供油，静压泵将低压油加压为高压油供给支承轴承，当转速较低或载荷较大时，静压油托起主轴，防止主轴与支承轴承直接接触。动压润滑系统由螺杆泵、过滤器(过滤精度80 μm)、加热器、冷却器、减压阀、压力传感器、温度传感器及流量传感器等组成。

稀油润滑系统为增速器提供低黏度润滑油。增速器具有1∶8的传动比，在直流电动机最高转速为1 000 r/min的情况下，可实现主轴最高转速8 000 r/min。稀油润滑系统的构成与动压润滑系统基本相同。

液压加载系统通过液压缸对试验轴承施加载荷。该系统采用轴向柱塞泵将液压油打出，由比例溢流阀调节压力(最高20 MPa)，电磁换向阀控制液压缸升降，蓄能器维持系统压力稳定。

电气控制系统采用西门子S7-300PLC进行试验台系统控制；数据采集系统以WinCC监控界面为主体，监测系统参数并进行数据采集和归档。

2 油膜参数监测

2.1 油膜温度

在试验轴承座内分布有25个T型热电偶，用于测量承载区与非承载区的温度，如图2所示。承载区(衬套上部)分布有20个热电偶，非承载区分布有5个热电偶，每个热电偶与轴承内的润滑油之间有非常薄的巴氏合金层。油膜温度由上位机监控界面实时显示。

图2 承载区、非承载区传感器分布

2.2 油膜压力

试验台使用KULITE HEM-375M小型高温压力传感器测量油膜压力，如图3所示。该传感器量程为0～140 MPa，具有响应速度快、分辨率无限小等优点。传感器输出信号为0～100 mV，经过变送器将该信号转换为4～20 mA电流传送到PLC模拟量输入模块进行模数转换，调用PLC内的功能块FC105将信号转换为十进制的实际测量值。

图3 油膜压力传感器

油膜压力传感器分布于承载区(图4中的1，2)，两者呈60°对称分布，用于测量承载区油膜压力沿周向的变化趋势。

1,2—油膜压力传感器；3，4，5—电涡流传感器

2.3 油膜厚度

试验台使用Bently 3300XL 8mm电涡流传感器系统测量主轴与衬套之间的距离。根据三点法原理计算最小油膜厚度。

三点法原理如图5所示，假设外圆为衬套内表面，坐标系原点O(0，0)在衬套截面的中心，可得到衬套A，B，C三点坐标分别为A(-R，0)，B(R，0)，C(0，R)。设电涡流传感器测量出A到A′，B到B′、C到C′的距离分别为：|AA′|=a，|BB′|=b，|CC′|=c，则A′，B′，C′的坐标分别为A′ (-R+a，0)，B′(R-b，0)，C′(0，R-c)。设主轴截面的圆心在坐标系中的坐标为O′(x1，y1)，主轴半径为r，则主轴截面在坐标系中的方程为

图5 油膜厚度三点测量法原理图

(x-x1)2+(y-y1)2=r2。

(1)

将测量得到的O′，A′，B′ 三点坐标值代入(1)式，可以确定出x1，y1，r的值为

(2)

(3)

(4)

(5)

最小油膜厚度为

(6)

试验轴承安装有6个电涡流传感器，均位于非承载区(图4)，分别测量两个不同截面处的最小油膜厚度。电涡流传感器输出信号为-20～0 V，经变送器转换为0～10 V传送到模拟量输入模块，其处理方法与油膜压力传感器相同。

3 WinCC与PLC监控系统

油膜轴承综合试验台基于S7-300PLC和WinCC软件平台开发动态监控与数据采集系统。该监控系统配备了用于实时测量、数据采集与分析的工控计算机，增强了试验数据采集与分析的可靠性与精确性。PLC测控框图如图6所示。

图6 PLC测控框图

3.1 上位机与下位机通信

试验台监控系统正常运转的前提是在各个子系统之间建立通信(包括物理连接与接口的设定)。上位机与下位机PLC， WinCC与PLC的通信均通过通信板卡CP5611实现[1-2]。CP5611属于即插即用式硬件，在西门子软件如Step7和WinCC中均集成了驱动程序。上位机的CP5611板卡与PLC的MPI接口连接组成MPI网络，上位机与PLC均为MPI网络的节点，二者分配有不同地址。

PLC与直流调速装置、手动控制台组成Profibus网络，三者均为该网络上的节点，PLC为主站，直流调速装置与手动控制台为从站。该网络的构建通过硬件组态实现，如图7所示。

图7 硬件组态

3.2 过程控制

监控系统以西门子S7-300PLC为基础，对试验台各子系统的执行元件进行控制，同时可通过WinCC监控界面设定直流电动机转速和轴承载荷，监测润滑油流量，使试验台各子系统能够协调有序运行。

3.2.1 转速监控

主轴转速是影响油膜形成的重要参数之一。直流调速具有调速范围宽、动态响应过程快、加减速时自动平滑过渡、低转速时力矩大、控制精度高等特点。因此，试验台使用西门子6RA7085直流调速装置进行调速[3]。直流电动机转速的实时控制是模拟实际轧制工况的重要条件。转速通过WinCC监控界面进行在线实时控制，监控界面实时显示直流电动机电枢电压、电枢电流和设定转速与实际转速的值。直流电动机最高转速为1 000 r/min，通过增速器可以使主轴最高转速达8 000 r/min。

3.2.2 载荷控制

试验台系统采用液压加载装置对动压轴承施加载荷模拟轧制力，液压系统由恒压变量泵和蓄能器作为压力油源，由比例控制器将控制信号放大以驱动比例溢流阀，进而控制压力。压力可在0～90 t范围内动态调节，实际载荷通过压力变送器检测并最终显示在监控界面上。压力控制使用PID控制算法，使设定压力与实际压力保持一致。

3.2.3 润滑油流量监控

润滑油流量过大将增加油泵负荷，增加能耗，导致轴承端部大量泄油，增加热量耗散，难以准确反映油膜轴承工作过程中真实的温度变化；流量过小，将不能保证向轴承中供给充足的润滑油，不能形成完整的油膜，导致衬套与主轴之间发生直接接触，造成摩擦磨损，甚至轴承失效[6]。

系统所采用的图尔克插入式流量传感器FCS-G1/2A4P-LIX-H1141/D037基于热式原理，测量探头通过与流体介质温度相比较进行加热，流体经过探头时，会带走线圈的一部分热量。通过测量两个热敏电阻之间的阻值差来反映流体流速的变化。流量传感器结构如图8所示。

图8 流量传感器示意图

流量传感器安装在试验轴承的入口管路上，测量润滑油的速度。根据试验轴承所需的实际流量范围，通过电位计设置传感器报警的上、下限参数，传感器输出的模拟信号经PLC转换后输出为实际的流速值。将实际值与设定值进行比较，当实际值高于或低于设定值时则发出报警信号。

3.2.4 信号处理

油膜轴承润滑系统安装有润滑站出口压力传感器和温度传感器；稀油站出口温度传感器和压力传感器；轴承入口压力传感器和出口温度传感器。该6个传感器均与模拟量输入模块SM331 AI8x12Bit连接。传感器信号经模拟量输入模块SM331进行A/D转换后由FC105功能块转换为十进制的实际值，转换程序如图9所示。

图9 信号处理

3.3 WinCC监控界面

WinCC监控界面(图10)的主要功能为：对机械系统、直流电动机、动压润滑站、稀油润滑站、静压润滑系统、液压加载系统等的运行状态进行实时监控，并显示、采集相关数据(包括液位、温度、压力、电枢电压、电枢电流、主轴转速、油膜压力、油膜厚度、油膜温度等参数)，操作人员可以直观地了解各部分与轴承的运行状态。

图10 监控主界面

3.4 系统调试

监控系统出现的故障包括上位机与下位机通信中断，无法在线控制转速，加热器无法启动以及传感器信号异常等。在调试时先从控制程序着手，其次排查硬件故障来解决问题。

4 结束语

介绍了大型油膜轴承综合试验台结构组成和功能，油膜参数的测量原理和传感器的安装方法。基于S7-300 PLC和WinCC开发了监控和数据采集系统。根据试验台实际运转情况，对监控系统的常见故障进行了总结，并给出了相应的调试思路，保证了试验台的正常运行，提高了系统运行的稳定性和精确性，为大型综合机电液一体化系统的设计与调试提供了基本思路。