【文章內(nèi)容簡介】 如下的式子來表示: 對于從彎月面到結(jié)晶器出口的各個位置，根據(jù)操作條件(鑄造速度、結(jié)晶器振動條件、保護(hù)渣物性)計算固體摩擦力和液體摩擦力的大小，據(jù)此來判斷是液體潤滑還是固體潤滑起支配作用。顯然這里應(yīng)該是較小的摩擦力起支配作用，并作為該處的摩擦力。 結(jié)晶器中摩擦力的分布 根據(jù)結(jié)晶器潤滑機(jī)理可以把液體摩擦力和固體摩擦力作為彎月面某一距離的函數(shù)來計算。結(jié)晶器采用正弦振動時其計算結(jié)果如圖25所示。 液體摩擦力的最大值(曲線A和B)呈現(xiàn)十振動周期內(nèi)最大相對速度的時候，如圖22中的兩條曲線。當(dāng)相對速度等于零時，(，液體摩擦力，因此在一個振動周期中液體摩擦力在兩條曲線A和B之間變化。負(fù)滑動期間的相對速度比正滑動期間的小，因此負(fù)滑動期間的液體的摩擦力絕對值較小。圖 25 結(jié)晶器內(nèi)液體保護(hù)渣摩擦力和固體保護(hù)渣摩擦力的分布。由圖25可以看出液體潤滑在結(jié)晶器上部起支配作用，在結(jié)晶器下部固體摩擦力比最大的液體摩擦力要小，因此在該部位固體潤滑起支配作用。第三章 結(jié)晶器振動方案的比較、論證、確定及經(jīng)濟(jì)性分析 本課題研究的目的 針對傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動偏心輪結(jié)晶器振動裝置存在的缺點，開發(fā)研制電液伺服驅(qū)動的結(jié)晶器振動裝置及計算機(jī)控制系統(tǒng)?；谥悄芸刂频幕舅枷?，改進(jìn)控制方法，滿足連鑄工藝對跟蹤正弦給定振動波形的要求，有效抑制非對稱負(fù)載造成的靜差，并提高系統(tǒng)的相頻寬。 課題研究內(nèi)容 連鑄是指使鋼水連續(xù)不斷地通過水冷結(jié)晶器，凝成硬殼后從結(jié)晶器下方出口連續(xù)拉出，經(jīng)噴水冷卻全部凝固后切成坯料的鑄造工藝。它與傳統(tǒng)的“模鑄開坯”工藝相比，具有明顯優(yōu)勢。連鑄坯的產(chǎn)量占整個鋼產(chǎn)量的百分率可反映一個國家煉鋼工藝的先進(jìn)水平，因而連鑄比的提高受到國內(nèi)外的廣泛重視。結(jié)晶器及其激振系統(tǒng)是連鑄機(jī)中的重要組成部分。結(jié)晶器的作用是為了對鋼水進(jìn)行一次冷卻，使其形成坯殼，同時為了保證出料均勻，減少拉坯摩擦力，避免鋼水粘壁、漏鋼，改善鑄坯表面質(zhì)量。為此，需要通過一個振動機(jī)構(gòu)使結(jié)晶器按一定的規(guī)律振動，既激振系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)的直流電機(jī)或交流變頻電機(jī)驅(qū)動偏心凸輪的結(jié)晶激振系統(tǒng)相比，電液伺服驅(qū)動的連鑄機(jī)結(jié)晶器激振系統(tǒng)具有能實現(xiàn)正弦振動、易于實現(xiàn)計算機(jī)控制、布置方便和可以實現(xiàn)多流連鑄機(jī)共用泵站節(jié)能及群控等優(yōu)點。本研究采用電液伺服結(jié)晶器激振系統(tǒng)，可以方便地產(chǎn)生各種振動規(guī)律，實現(xiàn)控制過程監(jiān)督、實時顯示并根據(jù)拉坯速度實時修改振動參數(shù)，提高連鑄坯質(zhì)量和提高金屬收得率，從而實現(xiàn)連鑄過程的自動化。 為完成上述目標(biāo)，本課題主要涉及以下方面的內(nèi)容：振動規(guī)律的研究、控制律的研究及實現(xiàn)方法、結(jié)晶器電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計。已知條件：結(jié)晶器的斷面尺寸：701560 （毫米毫米） 拉坯速度：4~ 結(jié)晶器的振動波形：正弦波：3毫米 結(jié)晶器的重量：12噸 課題方案的選擇 振動機(jī)構(gòu)簡介結(jié)晶器的振動是由振動裝置來實現(xiàn)的，振動機(jī)構(gòu)是振動裝置的核心。結(jié)晶器對振動機(jī)構(gòu)的要求主要有兩點：一是使結(jié)晶器按一定的速度規(guī)律振動，二是使結(jié)晶器準(zhǔn)確地沿著一定的軌跡振動。因為在傳統(tǒng)的振動規(guī)律如梯形規(guī)律、正弦規(guī)律的條件下，滿足后一個要求比滿足前一個要難，所有振動機(jī)構(gòu)一般都是以結(jié)晶器振動軌跡的方式來稱呼的。（1） 長臂振動機(jī)構(gòu)在弧形連鑄機(jī)中，它是把結(jié)晶器安裝在一個與鑄機(jī)圓弧半徑相同的振動臂上。這種振動機(jī)構(gòu)的振動軌跡在理論上是正確的。但如果振動臂較長，則因加工制造誤差、受熱膨脹、受力變形而使結(jié)晶器產(chǎn)生較大的振動軌跡誤差。所有它只使用于圓弧半徑較小的連鑄機(jī)上。在連鑄發(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他振動機(jī)構(gòu)所代替。不過，由于連鑄技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了所謂的“超低矮型”連鑄機(jī)，該機(jī)型的基本圓弧半徑較小，采用多點矯直，如矯直點數(shù)為7~19。由于基本圓弧半徑較小而使長臂振動機(jī)構(gòu)又獲得了應(yīng)用。（2） 導(dǎo)軌式振動機(jī)構(gòu)這種振動機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)弧形運動，也可以實現(xiàn)直線運動。由于導(dǎo)軌式振動機(jī)構(gòu)避免了長振動臂，結(jié)構(gòu)也比較簡單，因此早期應(yīng)用較多。但由于導(dǎo)軌不易獲得充分潤滑，又不易保持清潔，所以磨損較嚴(yán)重，影響運動軌跡精度，因而逐漸被其他振動機(jī)構(gòu)所替代。雖然近年來導(dǎo)軌式振動機(jī)構(gòu)又在羅可普連鑄機(jī)上得到了應(yīng)用，但是導(dǎo)軌式振動機(jī)構(gòu)所固有的缺點在生產(chǎn)中依舊暴露無遺，使一些生產(chǎn)廠家不得不對其進(jìn)行改造。（3） 差動齒輪振動機(jī)構(gòu)差動齒輪振動機(jī)構(gòu)是我國60年代中期開發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的弧線軌跡振動機(jī)構(gòu)。結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動框架上，用凸輪或偏心輪強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。振動框架的內(nèi)、外弧側(cè)面，裝有齒條，分別與節(jié)圓半徑相等的小齒輪相嚙合。裝在小齒輪軸上的扇形齒輪有不同的節(jié)圓半徑，內(nèi)弧側(cè)的節(jié)園半徑比較大，相互嚙合的扇形齒輪擺動時，就時與其相連的兩個小齒輪曳不一樣，因而可使結(jié)晶器產(chǎn)生弧線運動，由于它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪和導(dǎo)向件磨損較嚴(yán)重等原因而未被得到推廣。但差動原理卻在后來的四偏心結(jié)結(jié)機(jī)構(gòu)上得到了應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖31所示。圖31差動式振動機(jī)構(gòu) 在結(jié)晶器的振動框架1上，固定有導(dǎo)軌和齒條2，在距離為A的兩側(cè)裝有兩根長軸3，軸支撐在軸承12上，軸上裝有齒輪4和導(dǎo)輪5，以及不同節(jié)圓半徑的扇形齒輪6及7.，在振動框架1兩端還裝著導(dǎo)向塊8，在扇形齒輪6上裝有連桿9，和與傳動機(jī)構(gòu)相連的偏心輪10，振動框架1下面還支撐有彈簧11，目的是平衡一部分負(fù)荷并使振動框架1產(chǎn)生一個向上的恢復(fù)力，兩個軸3就產(chǎn)生反復(fù)的轉(zhuǎn)動，齒輪4廁通過齒條嚙合關(guān)系使振動框架1產(chǎn)生振動，但由于扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑不同，所以兩側(cè)齒輪4的角速度也不同，則振動框架將產(chǎn)生弧線振動。圓弧半徑為R，框架1兩側(cè)齒條節(jié)線間距離為W，兩齒輪4的中心距為A，節(jié)圓半徑為，扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑為、則： （31） （32） （33）正確的選擇W、A及、的值，便可以得到要求的R值。（4） 四連桿振動機(jī)構(gòu)它是一種雙搖桿機(jī)構(gòu)，它的兩個搖桿可以裝設(shè)在連鑄機(jī)的外弧側(cè)，也可裝在內(nèi)弧側(cè)，如圖32示。后者適用于小方坯連鑄機(jī)，前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AD和BC平行且等長時，四連桿振動機(jī)構(gòu)可用于直弧形或立式連鑄機(jī)。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)ABCD中的CD連桿在某一瞬間的運動是繞瞬心O的轉(zhuǎn)動。因此，只要使兩搖桿AD和BC的延長線交于鑄機(jī)的圓弧中心O，由于結(jié)晶器的振幅與圓弧半徑相比較小，因此瞬心位置變化所造成的運動軌跡誤差很小。一般在給連鑄機(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，能夠使板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器振動軌跡誤差ΔR≤，小方坯的ΔR≤。圖32連桿振動機(jī)構(gòu) 由于四連桿振動機(jī)構(gòu)的搖桿長度較短，因此結(jié)晶器運動的軌跡精度受溫度、載荷及加工誤差的影響較小。因此，它被廣泛應(yīng)用于各種連鑄機(jī)。四連桿振動機(jī)構(gòu)的主要缺點是各桿件只做擺動運動，軸承易形成局部磨損。特別是在高頻率、小振幅的條件下，將產(chǎn)生較嚴(yán)重的局部磨損。（5） 四偏心振動機(jī)構(gòu)四偏心振動機(jī)構(gòu)是在連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置中的應(yīng)用廣泛的一種振動機(jī)構(gòu)，具有一些獨特的優(yōu)點。其工作原理如圖33圖中2為振動臺架，7為結(jié)晶器，其中1為結(jié)晶器外弧中心點，3為偏心軸。在每根偏心軸上都裝有兩個偏心套，通過內(nèi)外側(cè)各兩根連桿4和5將振動臺架在四個角鉸接，并用板式彈簧6實現(xiàn)結(jié)晶器仿弧線定中。只要合理確定偏心軸、偏心套、連桿、板式彈簧的長度及安裝尺寸就可以實現(xiàn)結(jié)晶器的近似圓弧擺動。 圖33四偏心振動機(jī)構(gòu) 振動機(jī)構(gòu)的選擇結(jié)晶器振動技術(shù)是連鑄的一個基本特征，基于不同的理論，結(jié)晶器振動技術(shù)也經(jīng)歷了復(fù)雜的過程，早期主要由凸輪實現(xiàn)的正弦振動，由于波形單一，在線不能調(diào)節(jié)，未能實現(xiàn)振動波形的優(yōu)化。由于采用偏心機(jī)構(gòu)使機(jī)械動作更加簡便，故結(jié)晶器正弦振動得到了發(fā)展，并不斷地對其振動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)高頻振動以改善鑄坯表面質(zhì)量。目前開發(fā)的液壓振動，波形選擇范圍寬，并且調(diào)節(jié)容易，振動機(jī)構(gòu)具有很高的穩(wěn)定性，對于改善結(jié)晶器內(nèi)的潤滑效果，降低摩擦阻力以及為初始凝殼的順利形成創(chuàng)造了最合適的條件，可以實現(xiàn)連鑄過程振動的最優(yōu)化。對于改善鑄坯表面質(zhì)量，提高拉坯速度，液壓振動技術(shù)將以其突出的優(yōu)越性在連鑄生產(chǎn)中獲得廣泛地應(yīng)用。 如何控制結(jié)晶器按給定波形規(guī)律進(jìn)行振動是連鑄生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)迄今為至，工業(yè)中仍在廣泛使用直流電動機(jī)或交流變頻電動機(jī)通過偏心輪驅(qū)動雙搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)結(jié)晶器振動。和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動裝置相比，電液伺服驅(qū)動的連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置可以很方便地產(chǎn)生各種振動規(guī)律、實現(xiàn)連鑄過程監(jiān)督、實時顯示振動波形并可根據(jù)拉坯速度實時修改振動參數(shù)、布置方便和可很方便地實現(xiàn)多連鑄機(jī)共用泵站節(jié)能及群控等優(yōu)點。為了解決傳統(tǒng)的電動機(jī)驅(qū)動偏心凸輪結(jié)晶器振動裝置存在的難以在線改變振動波形和響應(yīng)速度慢等問題、本文開發(fā)研制了采用電液伺服控制實現(xiàn)的結(jié)晶器振動裝置及其計算機(jī)控制系統(tǒng)。為了滿足連鑄工藝對跟蹤非正弦給定振動波形的要求，結(jié)合結(jié)晶器電液伺服振動系統(tǒng)的特點，基于智能控制的基本思想對一些控制方法進(jìn)行了有機(jī)組合，有效地抑制了非對稱負(fù)載造成的靜差并提高了系統(tǒng)的相頻寬在小方坯連鑄機(jī)上的試驗表明了所開發(fā)的結(jié)晶器電液伺服振動裝置及其計算機(jī)控制系統(tǒng)可以滿足連鑄工藝的要求，達(dá)到了提高連鑄自動化水平的目的。所開發(fā)研制的結(jié)晶器電液伺服振動裝置結(jié)構(gòu)組成如圖35所示。相應(yīng)的計算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖如圖36示。采用閥控缸驅(qū)動雙搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)結(jié)晶器的往復(fù)振動，將液壓缸的位置(或結(jié)晶器鞍座的位置)通過位移傳感器反彼到綜合端與指令信號比較得到誤差信號，然后由計算機(jī)算得控制量并經(jīng)過D/A和電流負(fù)反彼放大器后驅(qū)動電液伺服閥構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用計算機(jī)產(chǎn)生各種指令信號(期望振動規(guī)律)，通過選擇適當(dāng)?shù)目刂坡墒瓜到y(tǒng)槍出跟蹤指令信號從而獲得所要求的振動規(guī)律。圖 35晶器電液伺服振動裝置示意圖 圖 36 結(jié)晶器振動波型計算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖用閥控缸驅(qū)動雙搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)結(jié)晶器的往復(fù)振動，將液壓缸的位置通過位移傳感器反饋到綜合端與指令信號比較得到誤差信號，然后由計算機(jī)算得控制量并經(jīng)過D/A和電流負(fù)反饋放大器后驅(qū)動電液伺服閥構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用計算機(jī)產(chǎn)生各種指令信號，通過選擇適當(dāng)?shù)目刂坡墒瓜到y(tǒng)輸出跟蹤指令信號從而獲得所要求的振動規(guī)律。液壓振動的動力裝置為液壓動力站，它作為動力源向振動液壓缸提供穩(wěn)定的壓力和流量的油液。液壓動力站的信號有主站室內(nèi)的計算機(jī)通過PLC系統(tǒng)來控制，液壓振動的核心控制裝置為振動伺服閥。振動伺服閥靈敏度高，液壓動力站提供動力如有波動，伺服閥的動作就會失真，造成振動時運動不平穩(wěn)和振動波形失真。為此，要在系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器以吸收各類波動和沖擊，以保證整個系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。正弦和非正弦曲線振動靠振動伺服閥控制，而振動伺服閥的空子信號來自曲線生成器，主控室的計算機(jī)通過PLC控制曲線生成器設(shè)定振動曲線（同時也設(shè)定振幅和頻率）。曲線生成器通過液壓缸傳來的壓力信號和位置反饋信號來修正振幅和頻率。經(jīng)過修正的振動曲線信號轉(zhuǎn)換成電信號來控制伺服閥。只要改變曲線生成器即可改變振動波形、振幅和頻率。曲線生成器輸入信號的波形、振幅和頻率可在線任意設(shè)定好振動曲線信號傳給伺服閥，即可控制振動液壓缸按設(shè)定參數(shù)振動。在軟件編程中，同時還設(shè)置多種報警和保護(hù)措施以避免重大事故的發(fā)生。這種在線任意調(diào)整振動波形、振幅和頻率是通常機(jī)械振動所不能實現(xiàn)的。第四章 結(jié)晶器正弦振動的參數(shù)分析 負(fù)滑脫量計算在結(jié)晶器下振速度大于拉坯速度時，稱為“負(fù)滑脫”。負(fù)滑脫量的定義為：式中 負(fù)滑脫量，%； 結(jié)晶器振動時的最大速度，m/min。 拉坯速度，4m/min。 負(fù)滑脫能幫助“脫?！?，有利于拉裂坯殼的愈合。正玄振動的選30%～40%時效果較好。在這里選取為30%。則