【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 in） ； Vp=2fSm Vp==；Vc=；T振動(dòng)周期， （s）結(jié)晶器上下振動(dòng)一次的時(shí)間，叫振動(dòng)周期。在澆鑄過程中，為保證具有一定的負(fù)滑動(dòng)，需不斷改變振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率，以適應(yīng)拉坯速度的需要，廣泛采用的控制負(fù)滑動(dòng)，調(diào)整振動(dòng)頻率與拉坯速度的關(guān)系：近年來，國內(nèi)外廣泛采用偏心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器的振動(dòng)，均系正弦振動(dòng)。它非常適合小振幅，高頻率，短負(fù)滑動(dòng)時(shí)間，同時(shí)還能減少振痕深度，改善鑄坯表面質(zhì)量。其振動(dòng)中的頻率應(yīng)隨著拉坯的變化而變化。據(jù)有關(guān)研究表明，其最佳振動(dòng)參數(shù)應(yīng)該具有最短的負(fù)滑動(dòng)時(shí)間，而又具有不太高的振動(dòng)頻率。 非正弦振動(dòng)非正弦速度規(guī)律其速度變化規(guī)律是近幾年出現(xiàn)的一種新型振動(dòng)方式。其特點(diǎn)是：負(fù)滑動(dòng)時(shí)間段，有利于減輕鑄坯表面振痕深度；正滑動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)可增加保護(hù)渣的消耗量，有利于結(jié)晶器的潤滑；結(jié)晶器向上的運(yùn)動(dòng)速度與鑄坯運(yùn)動(dòng)速度差較小，可減小結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力，即%1010VcfSVcp????????????min/12)(0VcSf???燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12可減小坯殼中的拉應(yīng)力，減少拉裂。這種振動(dòng)方式在告訴澆鑄中發(fā)揮了重大作用。近些年來連鑄的發(fā)展從提高生產(chǎn)率和節(jié)能的目的出發(fā)，一直在進(jìn)行鑄造速度高速化的努力。然而，高速澆鑄卻降低了結(jié)晶器和鑄坯間的潤滑性能。使鑄坯經(jīng)常產(chǎn)生粘結(jié)性拉漏，因此改善結(jié)晶器和鑄坯間的潤滑措施將成為實(shí)現(xiàn)連鑄高速化的條件。作為改善潤滑的主要措施有兩個(gè)。一是開發(fā)高速連鑄用保護(hù)渣，二是開發(fā)出有利于潤滑的結(jié)晶器振動(dòng)波形。目前已有多個(gè)國家的公司相繼開發(fā)出了這種新型的振動(dòng)方式，并收到了令人矚目的效果。 結(jié)晶器的振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)晶器的振動(dòng)是由振動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)的，振動(dòng)機(jī)構(gòu)是振動(dòng)裝置的核心。結(jié)晶器對(duì)振動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要要去有兩點(diǎn)：一個(gè)是使結(jié)晶器按以帝國的速度規(guī)律振動(dòng)，另一個(gè)是使結(jié)晶器準(zhǔn)確地沿著一定的軌跡振動(dòng)。因?yàn)榘鹘y(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律如梯形振動(dòng)，正弦規(guī)律的條件下，滿足后一個(gè)要求比滿足前一個(gè)要求困難，所以振動(dòng)機(jī)構(gòu)一般都是以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)軌跡的方法來稱呼。 長(zhǎng)臂振動(dòng)機(jī)構(gòu)在弧形連鑄機(jī)中，它是把結(jié)晶器安裝在相同的振動(dòng)臂上，如圖 23 所示。這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)軌跡在理論上市準(zhǔn)確地。但如果振動(dòng)臂較長(zhǎng)，則因?yàn)榧庸ぶ圃煺`差，受熱膨脹，受力變形而使結(jié)晶器產(chǎn)生較大的振動(dòng)軌跡誤差。所以它只適用于圓弧半徑較小的連鑄機(jī)。第 2 章 結(jié)晶器振動(dòng)裝置 13在連珠發(fā)展的初期這種機(jī)構(gòu)被用于生產(chǎn)，但隨著連鑄機(jī)圓弧半徑的增大而被其它振動(dòng)機(jī)構(gòu)所代替。 導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)弧形運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，如圖 24 所示。由于導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)避免了長(zhǎng)振動(dòng)臂，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，因此早期應(yīng)用較多。但是由于導(dǎo)軌小易獲得充分潤胡，又不易保持清潔，所以磨損較嚴(yán)重，影響運(yùn)動(dòng)軌跡精度，因而逐漸被其它振動(dòng)機(jī)構(gòu)所代替。圖 24 弧形導(dǎo)軌振動(dòng)機(jī)構(gòu) 差動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)是我國 60 年代中期開發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的弧形軌跡振動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖 26 所示。結(jié)晶器固定在彈簧 7 支撐的振動(dòng)框架 1 上，用凸輪或偏心輪 8 強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。振動(dòng)框架的內(nèi)外弧側(cè)面，裝有齒條 6，分別與節(jié)圓半徑相等的小齒輪 2,4 相嚙合。裝在小齒輪軸上的扇形齒輪 3,5 有不同的節(jié)圓半徑，內(nèi)弧側(cè)的節(jié)圓半徑較大，相互嚙合的扇形齒輪 3 及 5 擺動(dòng)時(shí)，就使與其相連的兩個(gè)小齒輪及 4 產(chǎn)生不同的線速度。反應(yīng)在振動(dòng)框架兩側(cè)的齒條上，其上下運(yùn)動(dòng)的線速度也不一樣，因而可是結(jié)晶器產(chǎn)生弧線運(yùn)動(dòng)，由于它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪和導(dǎo)向件磨損較嚴(yán)重等原因而未能得到推廣。但差動(dòng)原理卻在后來的四偏心機(jī)構(gòu)上得到了應(yīng)用。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14圖 25 差動(dòng)齒輪式振動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1振動(dòng)框架；2,4齒輪；；6齒條；7彈簧；8凸輪或偏心輪；9,11振動(dòng)連桿；10結(jié)晶器 四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)是從國外發(fā)展起來的一種仿弧形振動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是一種雙搖桿機(jī)構(gòu)，它的兩個(gè)搖桿可以裝設(shè)在連鑄機(jī)的內(nèi)弧側(cè)，如圖 26a 所示，也可裝設(shè)在外弧側(cè)，如圖 26b 所示。兩者的設(shè)計(jì)原理都是基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心原理。前者適用于小方坯連鑄機(jī)，后者適用于板坯連鑄機(jī)，便于拆裝二冷區(qū)的扇形段。當(dāng)使兩搖桿平行且等長(zhǎng)時(shí)，該四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)可用于直弧形或立式連鑄機(jī)。第 2 章 結(jié)晶器振動(dòng)裝置 15圖 26 四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)不論是裝在鑄機(jī)的內(nèi)弧側(cè)還是外弧側(cè)，四連桿機(jī)構(gòu)中的連桿在某一瞬間的運(yùn)動(dòng)是繞瞬心的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，只要使兩搖桿的延長(zhǎng)線相交于鑄機(jī)的圓弧中心，由于結(jié)晶器的振幅與圓弧半徑相比很小，因此瞬心位置變化所造成的運(yùn)動(dòng)軌跡誤差很小。一般在給定鑄機(jī)圓弧半徑、結(jié)晶器振幅及四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理約束條件下，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠使板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)誤差ΔR≤ mm，小方坯的ΔR≤ mm。綜上所訴四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)精度高，適用范圍廣。是本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容。 四偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)四偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)是曼內(nèi)斯曼公司 70 年代開發(fā)的又于80 年代加以改進(jìn)的—種振動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)如圖27 所示。其工作原理同差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)完全一樣， mm，振頻50~90 次/min。結(jié)晶器的弧線運(yùn)動(dòng)是利用兩對(duì)偏心距不同的偏心輪及連桿機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生的。結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)的弧線定中是利用兩條板式彈簧來實(shí)現(xiàn)的。彈簧板一端固定在振動(dòng)臺(tái)上，一段固定在支架上，板式彈簧使結(jié)晶器只作弧形擺動(dòng)，而不能產(chǎn)生前后左右的位移。適當(dāng)選擇彈簧長(zhǎng)度， mm。振動(dòng)臺(tái)架是鋼結(jié)構(gòu)件。結(jié)晶器及其冷卻水管快速接頭、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及第一段二冷夾輥都裝在這個(gè)振動(dòng)臺(tái)架上，可以整體吊運(yùn)，快速更換。更換時(shí)間不超過l h。從圖27上可以看出，在結(jié)晶器下左右兩側(cè)各有一根通軸，軸上裝有不同偏心距的兩個(gè)偏心輪，外弧的偏心輪有較大的偏心距，用一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，通過兩臺(tái)蝸輪減速器同時(shí)驅(qū)動(dòng)。通軸中心線的延長(zhǎng)線通過鑄機(jī)圓弧中心。出于結(jié)晶器的振幅不大，也可以把通軸水平安裝，不會(huì)引起明顯的誤差。在偏心輪連桿上端，使用了特制的球面橡膠軸承，壽命較長(zhǎng)。這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是偏心輪連桿的推力作用于振動(dòng)臺(tái)的四角，使結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，不會(huì)由于結(jié)晶器內(nèi)阻力作用點(diǎn)的偏移而使結(jié)晶器作不平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)零件較多，機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16圖27四偏心輪式振動(dòng)機(jī)構(gòu)1偏心輪及連桿；2定中心彈簧板；3鑄坯外?。?振動(dòng)臺(tái)；5渦輪副；6直流電機(jī)第 2 章 結(jié)晶器振動(dòng)裝置 17燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18第 3 章 半板簧式結(jié)晶器振動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 19第 3 章 半板簧式結(jié)晶器振動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 半板簧四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)原理示意圖及其特點(diǎn) 圖31 半板簧四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖半板簧四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)是改進(jìn)了的四連桿機(jī)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了很多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。首先，導(dǎo)向臂采用彈簧鋼板代替，并且傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)裝在二冷室外，改善了電動(dòng)機(jī)和傳導(dǎo)裝置的環(huán)境條件。另外，用板簧做導(dǎo)向臂，減少了軸承的使用，也減少了相關(guān)位置的潤滑，實(shí)現(xiàn)了半板簧振動(dòng)裝置，也可以說是局部無軸承裝置。這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要使彈簧板只承受拉應(yīng)力。這就需要將振動(dòng)的支撐作特殊處理。導(dǎo)向臂保持原態(tài)，原振動(dòng)臂可能承受擠壓雙向力。這樣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：1）減少了軸承，因而減少了相關(guān)磨損。同時(shí)沒有導(dǎo)軌的磨損，壽命長(zhǎng)。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）202）減少了與軸承相關(guān)處的配合，運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確3）由于沒有間隙，振動(dòng)沖擊小，最大振動(dòng)頻率僅受機(jī)構(gòu)剛度限制所以可以提高振動(dòng)頻率。 半板簧四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模四連桿數(shù)學(xué)模型的建立，有不同的設(shè)計(jì)方案，下圖是一種布置方案 圖 32 四連桿數(shù)學(xué)模型 這種布置方案有如下特點(diǎn)：1，ABCD 是一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，桿長(zhǎng)分別為 L1,L2,L3, L1 為主動(dòng)桿，在 P 的作用下做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。AC 桿為板簧，其初始位置如圖所示。2 結(jié)晶器布置在板簧上方，結(jié)晶器高出板簧的距離為 H，設(shè)計(jì)弧形連鑄機(jī)半第 3 章 半板簧式結(jié)晶器振動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 21徑 。A 點(diǎn)至理論半徑圓心距離為 R1，其中 a 的取值范圍為a=90009500mm。3，振動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，主動(dòng)桿 L1 就隨著上下擺動(dòng)一次。結(jié)晶器的振動(dòng)行程為 2A（A=6mm） 。當(dāng)主動(dòng)桿向上或向下擺動(dòng)的距離為 φ 時(shí)，結(jié)晶器?的振動(dòng)行程為振幅的 2 倍。4，結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)架上，與 AC 桿固定在一起，所以 CE 距離在振動(dòng)過程中始終保持不變，AB 為固定側(cè)。在數(shù)學(xué)建模過程中，我們以結(jié)晶器的外弧側(cè)為研究對(duì)象。下面是數(shù)學(xué)處理過程： （1） 若短臂擺動(dòng) φ 角，E 點(diǎn)下降的垂直距離為 S，則起相互?關(guān)系為： 2sin1??LS（2） E 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可建立下面一系列公式進(jìn)行計(jì)算：φ2=arcsinS/L1。α=arcsinH/R。aLrctg??1? )(22OD 。)cos23?RHCE? 。(2????OD )2s11 ???LLA 。)(2134? )arcos143AD?? 。2(2PLC?r???。cos121 ?AEAE??。)(12SHRae??燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22 短臂擺動(dòng)角度 φ2，圓弧半徑誤差為?用同樣的方法建立外弧中點(diǎn) K 下口 E’的誤差計(jì)算公式。因此，在四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，其目標(biāo)函數(shù)可以是以下幾組：a,外弧定點(diǎn)的誤差計(jì)算公司 RaAE????2b,外弧中點(diǎn)的誤差計(jì)算公式 aE_31C,外弧下口的誤差計(jì)算公式 RaARE????42下面確定四連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)變量及優(yōu)化條件。1 設(shè)計(jì)變量的確定a,弧形連鑄機(jī)的圓弧半徑 R，它與澆鑄的鑄坯厚度的關(guān)系是 )(1mDK??D鑄坯厚度（mm）K與坯殼的高溫性能由關(guān)系的系數(shù)（一般取 ） 。b,行程 S 它是與鑄坯的表面質(zhì)量有關(guān)的因素，對(duì)不同斷面的鑄坯，小方坯振幅一般取 1020mm。c,四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)晶器與搖桿的傾角它取決于連鑄機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置，用 α，β 表示。d,四連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)晶器，二次冷卻裝置等有關(guān)。構(gòu)成RaAEe???2第 3 章 半板簧式結(jié)晶器振動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 23四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量構(gòu)成一個(gè) 6 位歐式空間。這個(gè)變量為：1 約束條件的確定設(shè)計(jì)變量在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中往往要加以限制或者附加某些條件，具體到四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿足：a,圓弧半徑 R 在已給的設(shè)計(jì)方案中取值為 。b,行程 S 對(duì)于小方坯連鑄機(jī)行程應(yīng)為正負(fù) 6mm。對(duì)于大斷面，應(yīng)該更大些?！?S≤2Sc,桿件的傾角幾何條件：a＞0，α＞0β＞0，R＞0d,機(jī)構(gòu)構(gòu)成的限制條件：L3＞L1，R＞a L3≤800mm，L2≦300mmL1≥500mm e,參數(shù)的約束條件a+L3R＞L1+af,弧形振動(dòng)的偏差控制條件ΔR≤由以上限制條件，構(gòu)成不等約束函數(shù)。在四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，沒有等約束條件，因此，在懲罰函數(shù)中，等約束項(xiàng)??????????????????6543211xxRSAx???????012????pjkjkxHr?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24目前，對(duì)于有約束的非線性規(guī)則問題的求見方法很多，本設(shè)計(jì)采用有約束的非線性規(guī)則中的懲罰函數(shù)法。懲罰函數(shù)法的基本思想是把一個(gè)非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為一系列的無約束問題。其方法是構(gòu)造一個(gè)新函數(shù) P，P 稱為懲罰函數(shù)，并定義為：其中，r 為加權(quán)因子它取正值。K 表示迭代次數(shù)，在迭代過程中，加權(quán)因子形成一個(gè)單調(diào)遞減系列。在函數(shù) 的極小化過程中，要滿足：??krxP,???0lim???kr????li12???kpjjkxH?????kkkxFrxP?????,lim當(dāng)懲罰函數(shù)在迭代過程中，其相鄰兩側(cè)的最小函數(shù)值為： ???????1kkrx?則可認(rèn)為達(dá)到了優(yōu)化解 ，此時(shí)*??????????????????mjkjkpjjkkk xGrxHrxFrxP 112, ????????????0..|210 ??krr??jjkG1li??????kkP,1第 3 章 半板簧式結(jié)晶器振動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 25???????xFx??min*?