耿延龍，葉軍，李澤強(qiáng)，曹君慈，張奕黃

(1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 技術(shù)背景

我國從20世紀(jì)50年代開始軋機(jī)油膜軸承的研制工作[1]，經(jīng)過近60年的發(fā)展壯大，已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前，油膜軸承已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在軋鋼工業(yè)中。

在高速線材軋機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域，國外知名企業(yè)有摩根(Morgan)和西馬克(SMS)等；國內(nèi)知名企業(yè)有西航集團(tuán)公司[2]和哈爾濱哈飛工業(yè)有限責(zé)任公司等。以摩根第6代軋機(jī)為例，其設(shè)計(jì)的最大線材速度為140 m/s(保證實(shí)際生產(chǎn)的線材速度達(dá)到120 m/s[3-4])。由哈飛公司生產(chǎn)的最新高線精軋機(jī)組，速度提高到115 m/s。而由西航集團(tuán)公司生產(chǎn)的軋機(jī)線速度可達(dá)135 m/s[5]。以摩根油膜軸承為例，摩根第3代軋機(jī)采用的油膜軸承外徑為108 mm[2]，但隨著生產(chǎn)工藝的不斷提高，摩根第5代油膜軸承的外徑提高到127 mm[2]。

目前，國內(nèi)高校[6]用于測量流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承壓力分布、溫度分布和位移的試驗(yàn)機(jī)已有不少，但其運(yùn)行工況和選用的油膜軸承尺寸都很難用于測試軋機(jī)精軋機(jī)組油膜軸承的潤滑油性能。如西安交通大學(xué)于1995年設(shè)計(jì)的液壓加載流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速為100～3 000 r/min，液壓加載力為100～20 000 N，試驗(yàn)軸承內(nèi)徑為50 mm；太原科技大學(xué)于2004年設(shè)計(jì)的大型軋機(jī)油膜軸承試驗(yàn)機(jī)，通過1∶8的增速箱，主軸最大轉(zhuǎn)速達(dá)8 000 ～10 000 r/min，液壓缸加載，最大加載力為900 kN，試驗(yàn)軸承內(nèi)徑為219 mm。

線材生產(chǎn)過程中，高速線材精軋機(jī)部分油膜軸承工況惡劣，具有高溫、高速及易污染特點(diǎn)，故對潤滑油的性能要求更為苛刻。高速線材精軋機(jī)組通常由8臺(tái)或10臺(tái)精軋機(jī)組成，在線材生產(chǎn)過程中，遵循秒流量相等的原則。由某精軋機(jī)組參數(shù)(表1)可知，精軋機(jī)組的軋輥轉(zhuǎn)速是逐級提高的，而軋制線材所需的軋制力為150 kN左右。

表1 某軋機(jī)精軋機(jī)組參數(shù)

2 試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)方案

該試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)等組成(圖1)。其中，機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的主體，主要提供試驗(yàn)主軸所需的轉(zhuǎn)速、扭矩；潤滑系統(tǒng)主要用于支承軸承和試驗(yàn)軸承的潤滑，可實(shí)現(xiàn)對潤滑油溫度、流量、油壓及含水量等參數(shù)的測量和控制；加載系統(tǒng)主要為試驗(yàn)軸承提供徑向載荷，以模擬線材生產(chǎn)的軋制力；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對所需參數(shù)的測量及控制，并監(jiān)測整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的安全運(yùn)行，具有報(bào)警功能[6-9]。

圖1 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)框圖

2.1 機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，主要由電主軸、試驗(yàn)主軸、試驗(yàn)用油膜軸承、支承用油膜軸承、液壓油缸加載部分以及相關(guān)的基座部分組成[6-9]。

其中，支承油膜軸承參數(shù)為：外徑95 mm，內(nèi)徑75.15 mm，寬度52.5 mm；支承油膜軸承部分輥徑為75 mm；試驗(yàn)油膜軸承參數(shù)為：外徑108 mm，內(nèi)徑為90.2 mm，寬度為63 mm；試驗(yàn)軸承部分輥徑為90 mm。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型主要考慮其額定功率、額定轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。一般的異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，很難實(shí)現(xiàn)6 000 r/min的高轉(zhuǎn)速。故該試驗(yàn)機(jī)采用電主軸驅(qū)動(dòng)，電主軸的功率主要用于克服因潤滑油摩擦而產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此需要計(jì)算試驗(yàn)主軸正常運(yùn)行時(shí)潤滑油所產(chǎn)生的摩擦力。

1—主軸電動(dòng)機(jī)；2—試驗(yàn)主軸； 3—加載油缸；4—電渦流傳感器；5,8—支承油膜軸承；6—試驗(yàn)機(jī)基座；7—試驗(yàn)油膜軸承；9—柔性聯(lián)軸器

參考相關(guān)的流體動(dòng)力潤滑理論[10-12]，可知摩擦阻力Fμ為

(1)

(2)

其中摩擦因數(shù)為

(3)

由 (1)和(2)式可得摩擦阻力為

Fμ=μF。

(4)

由(3)和(4)式分別求得，試驗(yàn)油膜軸承μ1=4.819 6×10-3，F(xiàn)μ1=723 N； 支承油膜軸承μ2=6.089×10-3,Fμ2=457 N。

摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為

(5)

由(5)式得到試驗(yàn)油膜軸承摩擦力矩Tμ1=32.61 N·m，2支承油膜軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩Tμ2=34.34 Ν·m。

克服摩擦轉(zhuǎn)矩所需的功率為

P=Tω≈42 kW。

(6)

考慮到傳動(dòng)過程中的功率損耗，取電動(dòng)機(jī)的額定功率P=70 kW，額定轉(zhuǎn)矩為70 N·m。

2.2 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)主要包括支承油膜軸承潤滑系統(tǒng)和試驗(yàn)油膜軸承潤滑系統(tǒng)[11-13]。其中，2套支承軸承共用1套潤滑系統(tǒng)。同時(shí)，試驗(yàn)油膜軸承潤滑系統(tǒng)(圖3)還是該試驗(yàn)機(jī)測量數(shù)據(jù)采集的平臺(tái)。

圖3 試驗(yàn)油膜軸承潤滑系統(tǒng)原理圖

潤滑系統(tǒng)油箱中液位傳感器用于監(jiān)測油箱內(nèi)潤滑油液位；溫度傳感器用于監(jiān)測油箱內(nèi)潤滑油的溫度，并通過調(diào)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對油箱的加熱和降溫操作；銹蝕裝置用于觀察潤滑油的銹蝕情況；攪拌器用于促進(jìn)潤滑油和水的混合。潤滑油管路安裝有雙筒過濾器，以濾除潤滑油中的雜質(zhì)，保證油中雜質(zhì)顆粒控制在10 μm以下[12]。此外，潤滑油管路還安裝有溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器及水分測量儀，用于記錄潤滑油的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便科學(xué)分析潤滑油在不同條件下的潤滑機(jī)理。

油膜軸承熱平衡時(shí)滿足的條件是：在單位時(shí)間內(nèi)，因摩擦產(chǎn)生的熱量Q等于由端泄?jié)櫥退鶐ё邿崃縌1和軸承本體散發(fā)熱量Q2之和[9-11]，即

Q=Q1+Q2。

(7)

在單位時(shí)間內(nèi)，油膜軸承因摩擦所產(chǎn)生的熱量為

Q=μFV，

(8)

端泄?jié)櫥退鶐ё叩臒崃繛?/p>

Q1=qρc(to-ti) ，

(9)

式中：q為單位時(shí)間內(nèi)的耗油量，m3/s；ρ為潤滑油的密度，一般為890 kg/m3；c為潤滑油的比熱容，一般為1 695～2 093 J/(kg·℃)，此處取1 900 J/(kg·℃)；ti為潤滑油進(jìn)油口的溫度，℃；to為潤滑油出油口溫度，℃。

在單位時(shí)間內(nèi)，油膜軸承通過金屬表面?zhèn)鲗?dǎo)和輻射的熱量為Q2，這部分熱量難以精確計(jì)算。通常，以進(jìn)油口油溫ti代表軸承周圍環(huán)境的溫度，以出油口油溫to代表軸承本體的溫度，則

Q2=αsπdB(to-ti)，

(10)

式中：αs為軸承表面的傳熱系數(shù)，對于在良好冷卻條件下工作的油膜軸承，αs一般取140 W/(m2·℃)。

潤滑油進(jìn)油口的溫度ti一般取35～45 ℃，考慮到所要測試的潤滑油的最佳工作溫度為40 ℃，取進(jìn)油口油溫為40 ℃，出口油溫to為75 ℃(一般溫升為30～33 ℃)。

由(7)式可以計(jì)算出油膜軸承所需的耗油量q。

由(8)～(10)式可得

μFV=qρc(to-ti)+αsπdB(to-ti)。

(11)

由(11)式可以分別求出油膜軸承的耗油量q1和q2分別為

4.06×10-4m3/s≈24.2 L/min，

2.14×10-4m3/s≈12.8 L/min。

通過以上計(jì)算可知，試驗(yàn)油膜軸承的進(jìn)油量為24.2 L/min；支承油膜軸承的進(jìn)油量為12.8 L/min。因此，試驗(yàn)油膜軸承潤滑系統(tǒng)油箱體積設(shè)計(jì)為1 000 L；支承油膜軸承潤滑系統(tǒng)油箱體積設(shè)計(jì)為500 L；壓力泵采用額定功率為1.5 kW，額定流量為31 L/min的變量泵[11- 13]。

2.3 加載系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)采用液壓加載方式[14]，加載控制方便、運(yùn)行穩(wěn)定，液壓加載機(jī)械部分具有質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn)。

液壓加載系統(tǒng)原理如圖4所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵工作，把壓力油壓入單向閥；從單向閥流出的壓力油分別進(jìn)入蓄能器、電液伺服閥及安全閥管路；蓄能器能吸收變量泵產(chǎn)生的噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；安全閥決定了系統(tǒng)可以提供的最大壓力，并通過壓力表顯示壓力值；工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡和壓力傳感器控制伺服閥動(dòng)作，以調(diào)節(jié)徑向載荷；液壓系統(tǒng)的油箱內(nèi)還設(shè)有溫度傳感器及加熱裝置，通過調(diào)控加熱器可改變壓力油溫度，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1—油箱；2—液位計(jì);3—空氣過濾器；4—液位繼電器；5—過濾器;6—變量泵；7—單向閥；8—安全閥；9—壓力表；10—三通閥；11—蓄能器；12—板式球閥；13—電液伺服閥；14—伺服油;15—壓力傳感器；16—加熱器;17—溫度傳感器

2.4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)需要采集的數(shù)據(jù)主要[15-16]有：油箱溫度、液位；進(jìn)油管路的油溫、油壓、流量、含水量；回油管的油溫；加載系統(tǒng)徑向加載值；主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓、電流；試驗(yàn)軸承的最小油膜厚度等。這些參數(shù)的測量都是通過相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)的，將傳感器測得的相應(yīng)物理量送入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)處理后顯示相應(yīng)的參數(shù)值。此外，計(jì)算機(jī)還可實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)的各個(gè)數(shù)據(jù)。為能夠在保證油膜軸承安全運(yùn)行的前提下測出最小油膜厚度，在試驗(yàn)軸承基座上(與水平成45°方向)安裝2組4個(gè)電渦流傳感器[17]。

試驗(yàn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對試驗(yàn)機(jī)各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測并作出響應(yīng)(圖5)，以保證試驗(yàn)機(jī)的安全運(yùn)行[17]。工控機(jī)PC可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡之間的通信，把數(shù)據(jù)采集卡采集的信息經(jīng)過軟件處理顯示出來；同時(shí)，工控機(jī)把一定的指令傳送給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡通過自帶的A/D及D/A轉(zhuǎn)換模塊控制相應(yīng)的電動(dòng)執(zhí)行器以實(shí)現(xiàn)對各物理量的控制。

圖5 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

3 潤滑油性能試驗(yàn)

以潤滑油性能試驗(yàn)為例，考核試驗(yàn)機(jī)的性能。選用國外知名油品公司的潤滑油作為標(biāo)準(zhǔn)油與中國石油蘭州潤滑油研發(fā)中心開發(fā)的潤滑油(試驗(yàn)油)在相同條件下進(jìn)行不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下的性能對比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：室溫25 ℃，轉(zhuǎn)速在1 h內(nèi)從0逐漸加速至6 000 r/min，并在6 000 r/min下連續(xù)運(yùn)行2 h，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min時(shí)分別施加徑向載荷50，100和150 kN，觀察試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行情況并記錄不同載荷下試驗(yàn)油膜軸承潤滑油溫升，如圖6、圖7所示。在載荷150 kN條件下，選用添加10%水的標(biāo)準(zhǔn)油和試驗(yàn)油進(jìn)行相同條件下的對比試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)各系統(tǒng)運(yùn)行正常，系統(tǒng)控制穩(wěn)定。

由圖中溫升曲線可以看出：當(dāng)試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行到60 min，轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min，施加徑向載荷時(shí)，潤滑油溫度陡升；在潤滑系統(tǒng)的控制下，潤滑油溫升會(huì)保持平穩(wěn)；不同載荷下，潤滑油溫升一直控制在合理范圍內(nèi)；試驗(yàn)油的溫升要大于標(biāo)準(zhǔn)油；含水條件下，標(biāo)準(zhǔn)油具有較好的分水速度。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)油溫升曲線

圖7 試驗(yàn)油溫升曲線

圖8 含水條件下不同油品的溫升曲線

4 結(jié)束語

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)機(jī)基本滿足了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，具有良好的可靠性，能夠在一定載荷下高速穩(wěn)定運(yùn)行，可用于模擬高速線材精軋機(jī)組油膜軸承的實(shí)際運(yùn)行工況，進(jìn)行潤滑油的性能對比試驗(yàn)。