结晶器振动（精选5篇）
结晶器振动 篇1
引言
结晶器液压振动装置是目前应用于连铸工程的先进设备,在生产过程中可根据不同的生产工况,对结晶器的振动幅度、振动频率及激励方式进行在线调整,可有效防止结晶器发生粘接现象,提高连铸拉速和减轻铸坯表面振痕,从而减少事故发生、提高产量、保证铸坯质量。
液压振动装置主要由振动底座、振动液压缸、振动台、缓冲弹簧、导向板弹簧、液压动力系统等组成。结晶器放入振动台后,由伺服阀控制液压油的流向和流量推动带位置传感器的振动伺服液压缸做往复运动,对振动台施加一个周期性的激励力,使振动台按设定的振幅和频率进行受迫振动。结晶器振动液压缸的振幅和频率,将影响结晶器的振动曲线;振动液压缸的动、静态性能,将直接影响结晶器振动是否良好,从而影响铸坯的质量。振动液压缸的动、静态性能包括启动压力、动摩擦力、幅频特性、内泄漏等,它们与液压缸的密封结构密切相关。
2 目前国内外振动液压缸采用的密封结构
目前国内工业应用的大部分振动液压缸摩擦副均采用传统橡胶、聚酯纤维、聚四氟乙烯、含合金成份合成材料等密封型式,形成高低压油的分隔。这种密封结构由于都选用了易变形的材料对液压缸的间隙进行填充,在油压作用下密封材料会紧密贴合摩擦副零件表面的密封沟槽,密封效果好,基本可以做到静态无泄漏,容积效率高。但由于密封材料与摩擦副零件表面的贴合作用,导致这类密封型式的液压缸活塞运动过程中阻力较大,并且随着油压升高摩擦阻力会进一步提高,这一特点使振动液压缸的响应频率、动摩擦力、低速稳定性等动态性能大打折扣,同时在振动液压缸活塞频繁运动摩擦作用下,密封材料和运动副容易损伤,密封效果下降,从而导致寿命降低。
目前工业应用中有少量进口的振动液压缸产品采用间隙密封型式,这种结构液压缸的摩擦副不填充密封材料,而是直接设计适当的配合间隙,通过配合间隙形成对高低压油的分隔。这种密封结构完全靠零件机械间隙来实现密封,由于振动液压缸工作压力范围变化较大,在高压工作时泄漏量难以控制,泄漏量的不稳定导致低速稳定性和容积效率较低。但由于无密封材料与摩擦副零件表面的贴合作用,间隙密封液压缸活塞运动过程中阻力很小,这一特点使振动液压缸的响应频率、动摩擦力等动态性能和寿命大大提升。
我公司在充分调研和研究当前两类振动液压缸的工作和制造特点后,对结晶器振动液压缸的密封结构进行了改进,采用特殊的活塞及活塞杆密封结构,生产的结晶器振动液压缸动态性能好、使用寿命长,为国内多家大型钢铁企业的结晶器配套,使用效果良好,受到用户的好评。
3 活塞的密封结构
如图1所示,活塞与缸体之间采用间隙密封,利用微窄间隙,对流通其中的油液进行节流并产生尽可能大的,使油液产生压力损失,实现泄流面小压力小流量的泄漏,再利用辅助环节,最终实现油液的密封。
1.缸头;2.伺服环;3.法兰;4.活塞杆;5.缸体;6.缸底1;7.缸底2;8.传感器;9.O形圈;10.耐磨环;11.杆密封;12.防尘圈
密封间隙的大小一般可按下式计算:
式中:s为间隙宽度(mm),μ为油液动力粘度(Pa.s),L为活塞长度(mm),ΔQ为允许内泄漏量(ml),d为活塞直径(mm),ΔP为活塞两端压差(Pa)。
为进一步加大流阻,加剧压力损失,减小泄漏,在活塞的外圆设置有若干条平衡槽,如图二所示,平衡槽宽1.5mm,深0.6 mm。油液流经平衡槽时,会在槽中形成涡旋,使油液由层流状态转为紊流混合状态并形成阻力屏障,在高频运动状态下,活塞的内泄漏量很小。同时也使油液平衡作用于活塞外圆,有利于活塞与缸体的同心,在油缸工作过程中,活塞外圆面始终处于油膜轴承的包围下,避免了活塞与缸体的直接接触,活塞外圆面不易磨损,极大地延长了液压缸的使用寿命。
由于振动液压缸运动频率高(每分钟达400次),工作压力范围变化大,在油液温度升高和在高压工作时,缸体内孔会有微量的膨胀,使泄漏量不稳定、难以控制,导致容积效率低。为解决此难题,我们在活塞两侧的端面上加工有环槽,并在活塞外圆上均匀地钻了一些小孔与环槽相通,如图2所示。这一结构可使活塞两端环槽外圆在高压油液的作用下产生微小的变形,以适应缸体内孔膨胀,达到控制活塞与缸体之间的间隙的目的,使液压缸在工作过程中密封间隙能随工作压力变化而改变,使泄漏量基本保持稳定。
在实际应用过程中,我们与国内某高校联合建立了振动液压缸数值模型,通过Ansys和Fluent软件,对不同压力作用下活塞的变形量、密封间隙、运动副内的油液压力场、速度场、泄漏量、粘性摩擦阻力等进行定量分析和优化,选取了合适的活塞的几何形状、尺寸和公差范围,制造的产品使用效果良好。
4 活塞杆的密封结构
活塞杆采用伺服环密封技术,该伺服环采用间隙密封及浮动调节原理,选用低摩擦系数特殊材料,结构及与活塞杆的配合间隙经过计算机动态仿真,能有效地防止流体泄漏,高频运动时不磨损活塞杆,并能带走活塞杆与密封件摩擦产生的热量,实现活塞杆密封的恒间隙控制及液压伺服自动调心控制。
如图1所示,活塞杆密封由套在活塞杆4外表面的缸头1(右端为缸底6)、伺服环2、法兰3、O形圈9、耐磨环10和杆密封11等组成,伺服环2位于缸头1(右端为缸底6)和法兰3之间,两端面分别装有O形圈9。
由于伺服环2由两端的O形圈9与缸头1(右端为缸底6)和法兰3相连,外圆与法兰3的内环槽孔之间有一个浮动间隙,当活塞杆4高速运动或受到侧向力作用时,伺服环2能随活塞杆4沿径向上下浮动,当油液通过伺服环2与活塞杆4之间间隙时,会自动保持与活塞杆4之间间隙均匀,而无需完全依赖加工或安装精度来保证,从而可以降低加工精度要求;同时伺服环2内孔设置有平衡槽,如图3所示,伺服环2与活塞杆4之间选用适度的间隙,油液通过时必然产生压力降,泄漏的油液通过缸头1上的泄油口A(右端为缸底6上的泄油口D)流回油箱,从而使缸头1(右端为缸底6)上的耐磨环10和杆密封11处于低压工作状态,工作寿命长。
该密封结构通过运用伺服环,将普通的整体缸头、缸底密封分解为三块,将活塞杆由普通的各段同油压,分隔为逐级降低的分段油压,改善了密封件的工作环境。同时伺服环选用特殊材料,结构尺寸及与活塞杆之间的间隙经过计算机动态仿真,使伺服环与活塞杆之间形成均匀油膜,为活塞杆导向,保证高速往复运动时密封圈与活塞杆之间的磨损小,使活塞杆密封具有较长工作寿命,且对配合件的加工精度要求低。
5 结论
对运动频率快、动态性能和使用寿命要求高的结晶器振动液压缸,采用间隙密封原理,选用合适的间隙及活塞、活塞杆密封结构,能获得较好的效果,且制造成本低,值得推广应用。
摘要：冶金结晶器振动液压缸的动、静态性能,直接影响结晶器的振动效果,从而影响铸坯的质量。本文针对现有结晶器振动液压缸密封结构的缺陷,提出了一种新的振动液压缸间隙密封结构,制造的液压缸动、静态性能好,使用寿命长,在实际应用中取得了较好的效果。
关键词：冶金结晶器,振动液压缸,间隙密封,活塞变形,伺服环
参考文献
[1]李健.微间隙密封设计及其在旋转机械中的应用.机械设计与制造,1998,(6):65.
结晶器振动 篇2
关键词：连铸,结晶器,振动,便携式
0 引言
某炼钢厂年产转炉钢超过600万t,拥有两条连铸生产线。由于生产任务紧,设备检修时间有限,对设备正常生产的可靠性就提出了更高的要求。1#和2#方坯连铸结晶器由于缺乏振动监测系统,每次维修都只能在结晶器上放一盆水,通过观察水的波动情况来判断检修后结晶器的振动情况,以至于现场技术人员对生产也不能有十分的把握。当铸坯出现质量问题时,无法判定问题产生原因。因此,该炼钢厂于2006年与重庆大学合作开发了便携式结晶器振动监测系统。该系统自投入应用以来,在该厂结晶器的定检与大修中发挥了极大的作用,能准确地监测结晶器的振幅、频率、相位和工艺参数,为检修后的正常生产提供了科学依据。
1 系统总体设计
结晶器振动状态监测分析系统由位移传感器、传感器固定架、安装装置、信号传输电缆、信号采集盒、便携式电脑、系统功能软件包等软硬件组成[1]。系统总体结构如图1所示。
2 系统软件设计中的关键技术
结晶器振动状态监测分析系统的软件设计和开发借鉴了国内外相关系统的成功之处,使用了若干软件开发的新技术,引进工控组态软件的思想,对系统总体功能进行了详细规划和设计。系统软件具有振动三维动画显示、振动频率辨识与计算、振动相位计算、幅值及偏差计算和工艺参数计算等功能。
2.1 三维振动动画显示
把结晶器抽象为一个立方体,立方体的8个角分别代表结晶器的8个角,如图2所示。
利用对结晶器8个测点同步采集的振动波形,包括Z向左上角、Z向右上角、Z向左下角、Z向右下角、左侧X方向、左侧Y方向、右侧X方向、右侧Y方向,每次分别取8个测点的相应位移值,按规定的坐标赋给对应的顶点,由此来构建三维振动的动画模型。
2.2 振动频率辨识与计算
系统采用时域信号过零点判别法计算振动频率。设垂直方向Z的振动频率为f,振动周期为T,数据采集频率为F,采集间隔为Δt,垂直方向Z相邻两次振幅的正变负(或负变正)之间的采集次数为n,则:
undefined
为保证在不同拉速下都能检测到高精度的结晶器振动频率f,应选择适当的采集频率。F太低将影响f在低频段的精度和计算速度,太高将会影响f在高频段的稳定性。
假设有振幅负变正的采样点值为Xi,Xi+1,其中Xi<0,Xi+1>0;其相邻的下一次振幅负变正的采样点值为Xj,Xj+1,其中Xj<0,Xj+1>0。由于采样间隔一般不为振动周期的整数倍,因此如果取n=j-i,必然带来误差。通常采样频率都比较高,而结晶器振动的频率非常低,所以Δt非常小,这就意味着在i,i+1以及j,j+1之间的极小局部可以认为正弦波是线性的,因此采用线性插值来精确确定n,其方法如下:
undefined
式中,i′,j′分别为Xi,Xi+1和Xj,Xj+1通过线性插值求得的过零点,再取n=j′-i′。
2.3 振动相位计算
理想状态下,结晶器内外弧振动机构产生的正弦振动应具有相同频率和相位。相位分析是结晶器振动分析的重要内容,不仅可直观看到结晶器振动时的4角同步性误差,还可以分析结晶器及振动台的振型。如果两侧振动机构存在相差,那么测得的两侧振动信号间将存在一定的平移。
计算垂直测点Zi与Zj(i,j=1,2,…,4)振动频率的相位差与计算振频类似,需要先找到垂直测点的正变负(或负变正)过零点。设αij为Zj相对于Zi的相位差(°);nij为Zj与Zi时间上最靠近的两个过零点之间的采集点数差,则有:
undefined
显然,αij=-αji,αii=0。所测振动频率f的精度与采集频率F的选择对αij的计算精度有直接影响。
2.4 幅值及偏差计算[2]
在信号幅值上进行的各种处理称作幅域分析。信号的简单幅域参数包括均值、最大值、最小值、均方根值、峰峰值等。峰峰值是反映结晶器振动状态的一个重要参数,也是设定结晶器振动波形的一个必要参数。峰峰值的数学定义如下,设信号x(t)为采样所得的一组离散数据x1,x2,…,xN,若信号最大值Xmax=max{xi},信号最小值Xmin=min{xi} ,则信号峰峰值Xp-p=Xmax-Xmin。这是最常用的峰峰值的求法,这种求法的最大弊端是不能抑制信号中的干扰信号。信号中一些非振动特征的偶然波动对峰峰值影响很大,使其不能反映结晶器振动状态的真实峰峰值。
在求峰峰值的过程中,引入滑动平均,很好地改善了这个问题。滑动平均也叫移动平均,对于一个给定信号的离散数列,首先设定一个固定的k值(至少应大于一个周期的采样点数),分别计算第1项到第k项的峰峰值,第2项到第k+1项峰峰值,第3项到第k+2项峰峰值等等,直到数列的尾部,再用所有局部峰峰值的平均值作为该信号的峰峰值。
A0i为垂直方向测点Zi的振幅设计值,实测振动峰峰值为Xp-pi,实测振幅为:
Ai=Xp-pi/2
垂直方向振幅偏差为:
ΔAi=Ai-A0i
水平窜动偏差值就是水平振动幅值的最大实测值。
2.5 工艺参数计算[3,4]
描述结晶器的各项工艺参数对产品质量至关重要,在系统中,根据用户输入的结晶器拉坯速度Vc(m/min)和结晶器实际振动波形来计算其实际生产中的工艺参数,以便用户合理地调整参数优化生产。
设结晶器4个角正弦振动的幅值为:A1,A2,A3,A4,结晶器4个角正弦振动的频率为:f1,f2,f3,f4,结晶器的振幅(mm)和频率(次/min)均取其平均值:undefined,结晶器振动行程h=2A。则负滑动时间tN为:
undefined
负滑动时间比为:
undefined
负滑动率为:undefined
3 系统现场应用
3.1 结晶器振动的测试过程
结晶器振动空车测试安排在定修后开浇前的时间进行,所选择的试验流道是炼钢厂1#方坯连铸机的第6流。其传感器的布置见图3,由左上、右上、左下、右下4个传感器分别测量振动台上4个点在垂直方向(Z方向)的位移,也就是振幅;右下和右上布置了4个传感器,两个用来测量振动台沿铸流方向(Y方向)的位移,另外两个则用来测量振动台与铸流垂直方向(X方向)的位移,也即偏振。
结晶器振动测试内容包括:频率f=53+66Vc、振程h=4+2Vc、波形偏斜率α=0正弦振动时的空车测试,以及拉速Vc分别为0.5,0.6,0.7,0.8,1.0 m/min时的数据和波形采集。
3.2 测试结果与分析
经过测试,由便携式结晶器振动监测系统得到表1～4的测试数据,其结果与分析如下。
结晶器空车振动幅值的测试数据见表1。测试数据中振动台右边内弧侧的值比左边内弧侧的值略大,振动台左边外弧侧的值比右边外弧侧的值略大。这些差值由两个原因产生,一是各传感器在振动台安装位置不同,对于弧形连铸机来说,振动台上每一点的振幅是不同的,传感器的安装位置的差别带来振幅的差别;另一个原因是测量误差引起的。
mm
结晶器空车振动频率的测试数据见表2。表2中结晶器在各拉速下的频率测量误差分别为0.041,0.007,0.839,0.167 和1.353 Hz。其中拉速为0.7 m/min和1.0 m/min时的误差稍大。振动时,低拉速条件下结晶器能以较高的精度反映控制台的设定频率。因此要使该流结晶器在较高的频率精度下生产时,应避免采用较高的拉速。
Hz
结晶器空车振动各个测点的平均相位差数据见表3。表3中结晶器各测点的相位差大部分都在1°以内,相对误差在1/360=0.27%以内,故结晶器4个测点振动的同步性较好。
同时,从表3也可以看出,拉速为0.7 m/min时振动的相位差较大,所以为了保证该流结晶器4个角振动的同步性,应该尽量避免使用该拉速或者对该拉速进行优化。该流结晶器右下角的相位差较其他点大,下次检修设备时应重点关注。
结晶器空车振动各拉速下的工艺参数数据见表4。表4中负滑动时间与负滑动时间比都随着拉速的提高而减小,负滑动率随着拉速的提高而增大。因此,当某钢种需要较小的负滑动时间和较大的负滑动率时,应提高拉速。由于该表所得数据来源于结晶器空车振动,所以对于生产只具有参考意义,不具有指导意义。
4 结束语
便携式结晶器振动监测系统软件的设计过程中,充分考虑了信号离散采样的各种不利因素。利用线性插值法消除了频率计算的误差,采用滑动平均抑制了信号中一些非振动特征的偶然波动对峰峰值的影响。该系统于2007年4月投入应用,系统的设计满足工业现场的使用要求,能精确地测量结晶器的振动幅值、频率和相位,为结晶器的安全生产提供了科学的依据,有较好的工程应用价值。
参考文献
[1]陈志新,阎瑾,赵友军,等.板坯结晶器振动状态在线监测系统设计与实现[J].冶金自动化,2001,25(2):20-24.CHEN Zhi-xin,YAN Jin,ZHAO You-jun,et al.Designand realization for an on-line oscillation monitoring systemof the slab caster mold[J].Metallurgical Industry Auto-maion,2001,25(2):20-24.
[2]杨文志,苏凤岐,陈宏杰.太钢不锈钢厂连铸机结晶器振动测试及分析[J].包头钢铁学院学报,2003,22(1):59-62.YANG Wen-zhi,SU Feng-qi,CHEN Hong-jie.The vibra-tion test and analysis of continuous mould crystal devicein steel making plant of stainless steel of Taiyuan Iron andSteel Co.[J].Journal of Baotou University of Iron andSteel Technology,2003,22(1):59-62.
[3]陆哲时.连铸结晶器振动装置在线监测系统的研究与设计[D].杭州:浙江大学,2005.
结晶器振动 篇3
结晶器是连铸技术中最主要的生产设备, 其主要作用是一次冷却。结晶器振动有利于防止初凝坯壳与结晶器壁发生粘结而被拉破。采用高频、小振幅的振动形式可明显减少连铸坯表面的振痕深度, 提高铸坯质量。近年来, 连铸坯热直接轧制技术的发展不仅对铸坯的表面质量提出了更高的要求, 而且还要求连铸机的拉坯速度同高生产率的热轧机相适应, 即要求在高速铸造下生产出高质量的铸坯[1]。
实现高拉速的主要技术措施之一就是结晶器振动的完善。结晶器的振动是由振动装置来实现的, 主要采用机械式或液压振动方式。原来在连铸机中广泛使用的是电动—机械式的振动装置。机械振动由于其驱动装置为电动机-偏心轮系统, 因而只能产生正弦振动曲线, 振动波形、振幅固定不变。由于自身结构的原因, 在使用一段时间后, 必然会逐渐出现振动偏摆量增加、振动精度降低、偏心轴轴承和联轴器寿命短的问题, 严重时会影响连铸机的正常生产和铸坯质量, 加重设备维修工作的负担;而且由于只能进行正弦振动, 无法在钢种和浇注条件变化时改变振动波形和参数以达到最佳效果。
液压振动技术是近十几年来开发的新技术, 具有机械振动所没有的优越性, 目前已在欧美许多国家的大型板坯连铸机上得到普遍应用。液压振动装置是机、电、液一体的复杂系统。国内目前使用的液压振动控制装置大部分是从国外引进的, 存在成本高、维修难等问题。为此, 笔者开发了一种基于Nios Ⅱ的连铸结晶器振动控制装置。该结晶器振动控制装置采用伺服液压缸驱动结晶器振动, 由伺服阀控制液压油的流向和流速, 推动带位置传感器的伺服液压缸做往复运动来控制结晶器的振动。结晶器振动控制装置采用计算机控制, 可长期保证振动波形的稳定, 并可在线调整振幅、振频等参数, 还可根据工艺条件的要求任意改变振动波形, 实现正弦或非正弦振动。
1 结晶器振动控制装置的构成
结晶器通过与振动台相连的液压缸做上下往复运动来振动, 液压缸振动单元的动力装置是液压站, 液压站中的油液通过分流阀被分成压力、流量特性完全相同的两路, 经由伺服阀控制, 进而控制结晶器的振动。结晶器振动控制装置由振动装置、蓄能过滤装置和振动控制装置3个部分构成。
振动装置安装在振动台下部, 由2个可以完全互换的液压缸组成, 液压缸分别配有位置传感器、压力传感器以及伺服阀, 图1为振动装置的结构, 图2为传感器安装示意图。
伺服阀是结晶器振动控制装置的核心控制部件, 它的灵敏度极高, 微小的油液波动和油液中的杂质都会使伺服阀动作失真, 所以设置了蓄能过滤装置来吸收油路中的扰动和过滤大分子油污, 以达到伺服阀对油液的平稳和纯度要求。
振动控制装置的功能主要是将检测到的2路振动位移信号与给定的振动位移信号进行比较, 然后用PID控制算法对其偏差信号加以运算, 输出控制信号通过伺服阀控制液压缸驱动结晶器按照给定的曲线做正弦或非正弦振动。
2 基于NiosⅡ的振动控制装置的设计
2.1 总体设计方案
本文利用FPGA嵌入式技术, 设计了一款基于NiosⅡ的结晶器振动控制装置, 可以最大限度地发挥FPGA实时性好、可靠性高的特点。外扩的CAN控制器可以使其作为CAN总线的独立节点 (下位机) 。采用多个控制器便可构成基于CAN总线的结晶器振动控制系统, 从而实现多流连铸机结晶器的振动控制, 降低控制成本, 提高连铸自动化水平。
结晶器振动控制装置总体构成如图3所示。
输入模拟信号有2路液压缸位置信号、2路压差信号、1路拉速信号和2路伺服阀阀芯反馈信号。
液压缸的位置检测装置选用美国MTS公司生产的RD4线性位移传感器, 其头部固定在液压缸柱塞的底部, 杆侧贯穿于活塞杆中, 通过位置磁环来感受活塞的上、下移动, 从而将位置信号转换为直流电流信号。
压力差信号是与液压缸上、下两缸分别相连的进油回路和回油回路管道中的压力之差, 选用上海胜拓传感器有限公司生产的PC18-0545型陶瓷压力传感器。
拉速信号通过测量拉矫机发动机电动机的转速间接得到, 并转换为标准模拟电信号。
伺服阀阀芯位置反馈信号用位移传感器以与实际位移成正比的电压形式输出。
在FPGA内部由VHDL语言设计的实时波形发生器用于产生振动波形。位移1和2是两侧液压缸的实际位移, 它们被送入FPGA后与波形发生器的输出信号在NiosⅡ软核处理器中进行比较, 然后进行PID运算, 处理后的数据经D/A输出控制2个电液伺服阀里油液的方向和流速, 驱动液压缸按波形发生器输出的曲线振动, 从而实现振动位移的闭环控制。在液压伺服控制系统中, 伺服阀的灵敏度极高, 起着至关重要的作用, 所以伺服阀本身也是负反馈阀。阀芯反馈信号与FPGA输出的指令信号相比较, 得出的偏差信号控制位移放大器驱动力矩马达, 直至反馈信号等于指令信号, 使控制达到更高的精度。
压力差1和2分别是液压缸上、下两侧的压差, 2路压差信号经过A/D转换器在FPGA内经采样控制器控制采样, 以便对其进行监控。一般情况下2路压差信号应该相同或相近, 如果超过规定偏差则发出报警信号。
拉速信号是拉坯时的速度信号, 在工艺上要始终保持拉速与结晶器振动频率成一定的关系, 才能保证生产的顺利进行, 因而将拉速信号转换成频率信号并显示。
控制装置用准备、启动、停止以及波形选择等开关量输入信号来实现相应控制功能, 准备好信号用红色LED灯点亮显示;系统编制的VGA控制器用来将采集到的实际位移曲线波形和给定参考波形在LCD液晶屏上进行显示, 实现对结晶器振动状况的在线监控。
该控制装置带有CAN控制器, 可以作为CAN总线的独立节点实现与上位机的通信。CAN控制器可以将上位机的指令参数传给控制装置, 控制装置也可以将检测到的现场参数上传, 实现现场和控制室之间的远程操作及数据共享功能。
2.2 控制装置的硬件设计及实现
2.2.1 NiosⅡ软核处理器简介
NiosⅡ是Altera公司的第二代可配置嵌入式软核处理器, 最大处理性能比第一代提高了3倍, 而CPU的内核部分的面积最大可缩小1/2。NiosⅡ是32位的RISC结构的嵌入式软核处理器, 具有超过200DMIP的性能, 实际上是一个用户可自行定制的CPU。它具有很大的灵活性, 可以在多种系统设置组合中进行选择, 用户可以增加新的外设、新的指令、分配外设的地址等, 满足成本和功能要求。采用NiosⅡ处理器进行设计, 可以帮助用户将产品迅速推向市场, 延长产品生命周期, 防止出现处理器逐渐过时的情况[2]。
2.2.2 硬件开发
NiosⅡ的硬件开发就是由用户定制合适的CPU和外设。硬件开发需要在QuartusⅡ及SOPC Builder下完成[3]。QuartusⅡ是Altera公司的综合性PLD开发软件, 是功能强大的可编程逻辑器件设计环境, 支持Altera公司各种类型的可编程逻辑器件和多种输入形式。QuartusⅡ提供了SOPC设计的综合开发环境, 是SOPC设计的基础。QuartusⅡ将设计、综合、布局、仿真验证和编程下载及第三方EDA工具集成在一个无缝的环境中, 可以进行系统级设计、嵌入式系统设计和可编程器件设计。QuartusⅡ中的SOPC Builder可以在SOPC设计中添加和连接嵌入式微处理器、协处理器、外围设备、存储器和用户自定义逻辑IP核等。SOPC Builder是QuartusⅡ中的SOPC开发工具, 是用户创建和检验SOPC设计的自动化平台。用户利用这个平台, 可以在短时间内完成一个从软件到硬件的完整系统, 并生产出产品推向市场[3]。
根据总体设计方案, 本设计的定制和配置过程如下:
(1) A/D采样控制器用VHDL硬件描述语言编制, 控制A/D转换器TLC549进行采样;由于控制装置本身要发出波形作为给定值, 因此用VHDL硬件描述语言编写波形发生器的实时应用程序, 在本设计的顶层设计文件下生成符号图。波形发生器中存储了正弦波和非正弦波2种波形, 可以通过开关来选择波形输出。
(2) D/A转换控制器用VHDL硬件描述语言编制, 用于控制D/A转换, 继而控制伺服阀动作。
(3) VGA控制器用VHDL硬件描述语言编制, 控制LCD液晶显示屏对结晶器振动状况进行实时监控。
(4) 在SOPC Builder中从NiosⅡ开发组件提供的外设列表中选择CPU核、onchip_ROM、SDRAM控制器、EPCS控制器、定时器、JTAG_UART、System ID以及PIO等外部设备, 这些外部设备都是通过Avalon交换式总线模块实现与NiosⅡ核的通信。Avalon交换式总线是由Altera公司开发的一种专用的内部连线技术, 由SOPC Builder自动生成, 是一种理想的用于系统处理器和外设之间的内联总线, 这种内联策略使得任何一个Avalon总线上的主外设可以与任何一个外设沟通。
(5) 加入各组件后, 分配外设地址和中断号及设置复位地址, 最后生成系统, 配置情况如图4所示。
(6) 用SOPC Builder生成系统后, 将其集成到整个QuartusⅡ工程中, 到此就完成了系统的硬件配置。
(7) 设计中涉及到的拉速、频率、振幅以及偏移因子等参数通过片外CAN控制器实现与上位机的传输。
2.3 软件设计及系统流程
本设计中PID控制算法的实现是在NiosⅡ集成开发环境 (IDE) 中用C语言编程完成的。NiosⅡIDE是NiosⅡ系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以在NiosⅡIDE下完成, 包括编辑、编译和调试程序。NiosⅡIDE提供了一个统一的开发平台, 用于所有NiosⅡ处理器系统。Altera提供外设驱动和硬件抽象层 (HAL) , 使用户能够快速编写与低级硬件细节无关的NiosⅡ程序, 控制程序流程如图5所示。
3 基于CAN总线的结晶器振动控制系统
为了使基于NiosⅡ的结晶器振动控制装置具有CAN通信的功能, 本设计方案中有外扩的CAN控制器, 因此该振动控制装置可以作为CAN总线的智能节点, 能收发数据, 实现与上位机的实时通信。利用多个控制器节点即可构成基于CAN总线的现场总线控制系统, 从而实现多流连铸结晶器的正弦及非正弦振动控制, 系统构成如图6所示。
4 结语
本文设计的基于Nios II的结晶器振动控制装置采用FPGA嵌入式技术, 能最大限度地发挥FPGA快速性、功能强大的优势。利用该技术不仅可以简化硬件设计、提高装置的可靠性, 而且可以大大降低成本。由于外扩了CAN控制器, 该装置既可以独立使用, 也可以作为CAN总线的智能节点。利用多个这样的控制器节点即可方便地构成基于CAN总线的振动控制系统, 通过上位机进行实时监控, 根据工艺要求随时更改振动波形并在线调整振动参数, 实现多流连铸结晶器的液压振动控制, 从而有效降低连铸自动化成本。
摘要：介绍了连铸结晶器液压振动控制装置的构成, 在FPGA平台下利用NiosⅡ设计开发了结晶器智能振动控制装置。用VHDL硬件描述语言编写控制装置部分外设的控制程序, 并在SOPC Builder开发环境下完成装置硬件的定制和选配, 在NiosⅡIDE编程环境下利用C语言编制PID控制程序, 实现了控制结晶器按照给定波形振动的目的。该控制装置既可单独使用, 又可作为CAN总线的独立节点构成基于CAN总线的结晶器振动控制系统, 从而实现多流连铸机结晶器的振动控制, 降低了控制成本, 提高了连铸自动化的水平。
关键词：结晶器,振动,控制装置,NiosⅡ,CAN总线
参考文献
[1]盛义平, 任廷志, 张兴中.结晶器的非正弦振动[J].钢铁, 1996 (7) :27-31.
[2]周立功.SOPC嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006:3-8.
[3]江国强.SOPC技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 2006:8-11.
[4]田燕翔.现代连铸新工艺、新技术与铸坯质量控制 (第二册) [M].北京:当代中国音像出版社, 2004:579-625.
[5]郑亚民, 董晓舟.可编程逻辑器件开发软件QuartusⅡ[M].北京:国防工业出版社, 2006:238-281.
结晶器振动 篇4
关键词：大断面圆坯,连铸,结晶器,液压振动
结晶器振动装置是连铸机的核心设备, 控制结晶器和坯壳之间的相互作用是保障连铸机稳定运行、高效生产及产品质量的关键[1]。近年来, 随着连铸坯热送、热装和直接轧制技术的发展, 生产节奏大幅加快, 对结晶器振动控制技术提出了更高的要求, 力图在提高拉速 (拉矫机从结晶器中拉铸坯的速度) 的前提下获得优异的铸坯表面质量, 实现自动化的高效连铸生产。而国内普遍采用的传统的机械式振动技术无法满足这一要求, 于是液压振动技术应运而生。与传统的机械振动装置相比, 液压振动系统具有结构简单、布置灵活、精度高、响应快速的优点, 可以实现正弦或非正弦振动, 尤其便于实现计算机控制, 进行实时参数调整及监控, 而操作上也更加安全可靠[2]。
稳定运行、安全高效生产的关键。本文作者在此绍了结晶器液压振动电控系统在江阴兴澄特钢坯连铸机上的应用。该连铸机为R 17m全弧形连矫直3机3流圆坯连铸机, 铸机具备生产直Υ450、Υ500、Υ550、Υ600、Υ700、Υ800规格巨型坯能力, 其铸机半径及生产断面为目前世界上全形圆坯连铸机之最。
1结晶器振动装置的技术参数
由于振动单元的中点运动方向经过半弧的圆心, 两个振动缸安装存在倾角, 因此, 两缸的振动幅度不同、频率相同, 才能保证结晶器的运动过程保持水平。
2液压振动系统的基本构成
结晶器液压振动装置由机械设备、液压伺服系统和电气控制系统三部分组成。
结晶器液压振动装置 (见图 1) , 包括两个独立的振动单元;振动单元由振动底座、振动台架、振动导向装置、振动液压缸等零部件组成[3]。振动底座是振动装置的固定部分, 通过导向键准确安装在底座支撑架上;振动台架是振动装置的活动部分, 用于支撑结晶器并随结晶器一起振动;振动底座和振动台架通过导向装置连接在一起, 导向装置由四组预应力钢板弹簧组成, 通过调整钢板的厚度和长度可以适应铸坯规格的变化;装有位移传感器和控制阀组的振动液压缸是整套装置的动力源, 通过改变液压缸活塞杆的升降速度和行程, 可以得到不同的振动波形, 在铸坯规格、浇注速度等参数变化的情况下, 达到改善铸坯表面质量的目的。
液压系统包括液压站、液压伺服设备和中间配管。液压站由高压泵组、循环泵组、油箱、加热器、冷却器、蓄能器、温度及压力检测元件、开关元件等组成, 提供振动系统工作压力;液压伺服设备主要由2套伺服液压缸及相应的伺服阀, 压力、位移传感器和蓄能器装置组成。安全、充足、稳定的工作压力, 是液压振动系统稳定运行的关键。
电气控制系统是基于西门子S7—400 PLC站、以SIMATIC系列的FM458—1功能模块为控制核心的电液伺服控制系统。控制系统通过工业以太网实现与其他PLC控制系统、连铸机一级HMI操作监控站的数据通讯, 通过Profibus—DP实现与远程I/O站ET200M之间的通讯, 采用SSI (带有帧同步信号的串行数据协议) 数据传输协议完成对位移传感器数据采集[4]。
3控制系统的工作原理
控制系统硬件采用Siemens S7—400系列PLC (可编程控制器) , 核心运算部件为FM458—1。控制系统以高速的采样频率将液压缸内置的高精度位移传感器检测到的活塞杆位移即结晶器振动位移反馈到系统PLC内, 并与由HMI操作站设定参数 (振幅、频率、偏斜率) 生成的工艺振动曲线相比较, 实时计算出位移偏差, 按一定的控制算法计算调节量, 输出控制信号经比例放大板放大后, 控制伺服阀阀芯动作, 从而按设定的波形和振动参数在线控制2个液压缸作同频不同幅振动, 通过机械机构转为仿弧型振动。图2中, 每台阀控液压缸均构成一个位置闭环控制系统, 以准确地跟踪指令信号。
液压振动控制器为独立式专用功能运算模块。主要优点为:具有极强的专用性, 免于其他控制系统的干扰;具有高度的可靠性、响应速度、控制精度;启动时间更短, 维护更容易。
4振动参数设置
结晶器振动的振幅、振频和振动波形参数由下面5个变量决定, 即:
—A1 在零拉速时的行程, mm;
—A2 行程/拉速因数, mm/m-1·min-1;
—F1 在零拉速时的频率, opm;
—F2 频率/拉速因数, opm/ (m·min-1) ;
—As 非正弦因数 (0. 0—0.4) 。
关系式如下:
式中, ν为实际拉速, m/min;E为振动频率, 次/min;A为振动行程, mm;A1为行程常量参数;A2为比例因数;F1为频率常量参数;F2为比例因数; As为非正弦因数。
参数输入仅在所列范围内有效, 且计算后的振幅和频率不能大于允许值。有效的数据将被控制系统接受并在L1-HMI (一级操作员工作站) 上显示。
基础自动化系统中储存有10套这样的参数表可供选择并且修改, 这样操作人员可以通过主控制室内的HMI操作画面进行参数设定并选择, 然后下载到结晶器控制器中, 实现远程自动化操作与控制。
需要特别注意的是:虽然振动参数表中的参数可以修改, 但是只有经过授权的人员才能进行修改, 而且整个参数设定具有口令保护功能。
优化的振动工艺参数, 能有效改善结晶器保护渣的润滑特性, 提高铸坯表面质量和减少漏钢事故[5]。
5系统主要功能
结晶器液压振动控制系统以全液压伺服装置为基础, 以西门子可编程控制器 (S7—400) 和运动控制器 (FM458—1) 为核心, 以标准化、模块化、参数化的振动控制软件包为灵魂, 控制功能先进、性能可靠, 操作界面良好。
5.1高效、精确的控制算法
结晶器由两个分别安装在结晶器两侧下的液压缸作上下运动。位置控制指控制两侧振动液压缸的振幅及相位完全同步。其核心控制思想是采用“波形发生器+位置调节器”的模式, 如图3示。通过波形发生器, 可以将阶跃变化的位置给定变换为满足外部限制要求的连续变化的实际位置给定曲线, 同时计算出相应的速度前馈分量 (为补偿扰动的影响, 叠加上的正比于内部指令速度的信号, 使被控参数不变或基本保持不变。) 。实际位置给定与位置反馈进行比较和PI调节, 再叠加速度前馈分量产生最终速度给定。这种位置控制模式采用外力补偿调节功能, 克服了下降过程中重力、摩擦力等外部作用力的变化对系统的影响, 可以在实现快速定位的同时减少对振动机构造成的冲击, 在外部参数发生变化时仍能实现可靠工作。
相位分析是结晶器振动分析的重要内容, 可直观地看到结晶器振动时两侧的同步性误差。相位差是将检测到的两侧位移之间过零点的位置差, 换算成对应频率下的相位差。这里采用两侧液压缸位移信号过零点判别法计算相位差。 公式如下:
式中, Φ为相位差 (°) ; ΔS为两侧液压缸最大位移差;Δx最大位置差处点的振幅系数; A为振幅 (mm) 。
通过记录并分析相位差, 能够很好地判定系统两侧的同步性能差异。
5.2多种操作模式切换
结晶器液压振动系统工作模式可以在终端 (操作面板或HMI操作站) 上用指定的键进行选择, 分为手动、定位、远程自动、就地自动等几种模式, 方便操作人员随时干预与管理。最大程度地提高生产的灵活性[6]。
手动: 该模式主要用于手动调节或测试。在此模式下, 振动器按所选择的方向 (如:向上或向下) 移动, 该操作为点动。液压缸的实际位置在终端上显示。这种对液压缸移动的控制可以通过用指定的键选择液压缸进行。
定位:该模式主要用于测试。在此模式下, 用于使液压缸移动到工作位。开浇前液压缸必须在工作位。
就地自动模式:该模式下, 振动器按照操作人员手动下达的指令动作。该模式用于维修测试, 可以进行液压缸升降。振动系统按设定的振动参数如液压缸行程, 频率和非正弦因数 (在终端上输入) , 操作启动和停止键可以使振动器启动和停止, 按终端上人工输入的设定值操作, 不考虑浇铸速度。此方式用于生产前测试。
远程自动模式:振动器按照操作人员预先设定好的指令动作。该模式下振动参数可以从控制器振动参数表上选择。在此模式下, 只要启动连铸机拉矫装置, 就可以自动启动振动器。设定值自动取决于所选择的参数操作表和实际浇注速度。该模式主要用于连铸机的正常浇注。
控制器在接收来自于连铸机一级控制系统的HMI操作员设定的数据时, 首先要检查其极限和有效性, 只有既符合设定要求也符合授权要求的数据, 才能下载到控制器, 实现振动控制。
5.3高精度的位置控制
振动系统能按工艺要求在线改变振频、振幅、非正弦因数, 实现正弦和非正弦波形振动。采用双缸内外弧同频不同幅振动方式, 振幅及振频的变化不会造成波形的明显失真, 具有较高的振动精度。实际检测波形转换连续、光滑, 同步性好 (如图4示) 。系统饭应快、启动时间短、运行平稳, 易于和其他的连铸机控制系统整合。系统正向和非正向振动模式, 配上抗干扰性好的独立的结晶器液压振动液压站, 能适应各钢种的浇注工艺要求。
(1—目标位置值, 2—外弧液压缸的实际位置, 3—内弧液压缸的实际位置)
5.4友好的人机交互界面
上位机软件采用西门子WINCC软件, 主站PLC通过以太网与上位机相连;上位机提供友好的人机操作界面, 显示画面采用全中文界面。人机界面以简洁、清晰的风格组态操作画面, 画面上准确明了地以数字图形方式表示出当前生产线设备工况。
操作人员通过人机接口系统与控制系统交换信息, 该系统提供了方便灵活的选择、设定和监控功能:
(1) 设备运行状态显示;
(2) 结晶器振动表的建立、存贮和修改;
(3) 振动液压站压力、温度、液位等显示;
(4) 通过画面, 可进行振动参数 (振幅、频率、波形) 的预设定及修改 ;可手动升/降操作测试液压缸状态, 以及液压缸位置校准等;
(5) 实时显示现场振动液压缸压力、液压缸位置等参数, 数据刷新时间小于l s;
(6) 系统故障诊断显示;
(7) 报警信息的显示、存储、打印。
5.5快速数据采集及分析
系统配置的专门用于液压振动系统专业数据采集的软件, 是监控设备状态、诊断故障、快速恢复生产的有效工具。
数据采集软件实现的主要功能如下:
(1) 高速数据采集:包括采集通道定义, 采集周期定义;
(2) 波形数据存储:包括数据存储目标设置, 存储文件前缀定义, 存储周期定义;
(3) 波形曲线实时图形化显示:包括波形的显示方式的定义, 调整显示数据长度, 在线分析, 导出波形图像, 导出波形数据到表格文件等;
(4) 数据压缩:将大量数据压缩, 用于提高存储效率;
(5) 历史波形数据提取:提取波形存储文件信息, 包括通道信息, 采集周期, 采集方式等;
(6) 历史波形数据的查询分析:包括波形的显示方式的定义, 离线分析, 导出波形图像, 导出波形数据到表格文件等;
典型监控应用如下:
(1) 与质量有关的变量——气体和流体的温度, 流量和压力;
(2) 调节回路变量——设定点, 实际数值, 调节参数, 执行机构的反馈信号;
(3) 设备控制——电磁阀激励, 限位开关, 编码器和传感器/执行机构。
5.6系统整体技术水平达到工艺设计要求
技术性能指标:
X向精度误差 (+/-mm) :<0.1 mm;
Y向精度误差 (+/-mm) :<0.1 mm;
两缸位移差 (+/-mm) :<行程的3%;
相位差 (+/-m°) :<0.5°;
最高振动频率350次/min;
最大振幅:±7.4 mm;
非正弦系数:0—0.4。
技术性能指标达到国内外同类系统的技术指标。
6结论
液压振动电气控制系统已经投产运行一年, 经过不同断面、不同钢种的多次检验, 证明系统设计合理、具有很高的可靠性、维护操作简便、控制精度、机械和液压系统的精度都达到了国内外的先进水平, 完全达到了工艺设计的预期目的。而且软件对外部液压设备参数的适应性强, 因此当液压、机械设备安装完成后, 可很方便的投入运行, 几乎实现零调试。系统的成功应用, 为提升国产连铸机的装备水平奠定了坚实基础, 降低了用户的日常维护量、维修的生产成本, 为用户带来的良好的经济效益。
参考文献
[1]赵冠夫, 马传庆, 刘金玲, 等.结晶器液压振动机构在方圆坯连铸机上的应用.莱钢科技, 2009;2:15—16
[2]胡军宏.板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究.冶金自动化, 2006;5:1—5
[3]张虹, 姜宗明.液压振动技术在大方坯连铸机上的应用.连铸, 2007;5:34—35
[4]周亚军, 徐江.结晶器电液振动控制系统中的FM458—1功能模块.重型机械, 2006;6 (4) :6—9
[5]米俊峰, 张温永, 王军, 等.φ800圆坯连铸机的设计特点和应用实践.2009中国金属学会连铸分会论文集;营口, 2009;129—133
结晶器振动 篇5
在连续铸钢生产中,连铸机的结晶器必须按一定规律进行振动,以保证铸坯与结晶器的润滑条件,防止结晶器与新生坯壳之间发生黏结。随着人们对铸坯与结晶器间各种复杂物理机理认识的深入,结晶器振动波形一直发生着变化,其中非正弦波形被公认为是目前实现高效连铸的最优波形,因此开发运行可靠、波形稳定、维护方便的先进非正弦驱动装备成为国内外工程界 的热点问题,也是各大冶金企业关注的焦点。
当前的非正弦驱动装备根据传动原理可分为液压式和电动式两大类。液压式驱动系统可以方便地产生各种振动规律,实现在线参数调整[1],但其建造、运行及维护成本高昂,另外液压缸存在偷停现象,液压油易造成环境污染。相比较而言,电动式驱动系统投资成本较低,设备维护方便,无污染,大有取代液压式驱动系统的趋势。电动式驱动系统主要有四种:镭目公司[2]采用伺服电动缸直接驱动结晶器非正弦振动,可实现振幅、频率和波形的在线调整,但伺服电机频繁正反转动影响控制精度,其核心传动构件滚柱丝杠的承载和抗冲击能力难以与液压缸或曲柄机构相媲美;Yao等[3]提出伺服电机、减速器和偏心轴连杆机构组成的驱动系统,此时伺服电机单向变速转动,波形和频率在线可调,振幅停机可调;直驱电机与偏心轴连杆机构组成的驱动系统在结构上最为简单, 但驱动功率有限,振幅同样无法在线调整[4];为了降低控制系统的成本和难度,采用变频电机、非匀速传动机构和偏心轴连杆机构的组合型式也非常实用,其操作维护方便,投资及运行费用低,可靠性高,并且对原有的机械式正弦振动机构改造方便[5,6]。
由于结构、功率和同步控制等原因,上述四种电动驱动方式主要应用于小方坯连铸机上,大型板坯连铸机的非正弦驱动系统几乎全部为双缸液压式,但是其双缸同步性较差并伴有突然停振、零飘、颤振等缺陷。因此在吸收各种驱动方式的特点后,综合考虑使用效果和经济效益等因素,提出由变频电机、新型空间非圆齿轮和偏心机构组成的大型板坯结晶器驱动系统,不仅可以在振动台双侧同步实现精确非正弦波形,而且设备运行可靠、成本最低。
1空间非圆齿轮双侧同步驱动系统的结构原理
板坯连铸机结晶器的振动系统一般由驱动系统、板簧导向机构、缓冲装置和振动台组成。生产时,结晶器与振动台固接,驱动系统与振动台相连,然后通过导向机构和缓冲装置的综合作用,实现以合理的功率驱动结晶器按特定轨迹运动的目的。
目前驱动系统与振动台有两种连接方式:两点连接和四点连接[7]。液压式采用两点连接,两个液压缸分布在振动台两侧,振动台的运动轨迹由导向板簧控制,液压缸只起振动发生作用;四点连接是指驱动系统与振动台四角相连,这时驱动系统除了起振源的作用,还可以通过控制四角的振幅使振动台做直线或仿弧运动,它与板簧机构共同作用,控制振动台的运动轨迹,电动式驱动系统往往采用该结构。比较两种连接方式可知,两点连接中驱动系统的功能唯一,且振动发生单元少,其同步控制难度相对较低,另外结晶器轨迹完全由板簧控制,具有工作可靠、寿命长、精度高和免维修等优点。因此借鉴液压驱动中两点连接方式,提出了一种新型的电动式非正弦驱动系统,其结构如图1所示。
该驱动系统中变频电机与双输出轴蜗轮减速器的输入轴连接,蜗轮减速器的两个输出轴通过万向联轴器与回转轴线正交的两个变速比传动箱相连,在两个变速比传动箱的输出轴上安装相位角完全相同的两个偏心轴连杆机构,最后连杆机构的输出端与振动台铰接。当电机匀速转动时, 通过变速比传动箱与偏心轴连杆机构的速度合 成,实现振动台的非正弦振动,因此变速比传动箱是整个系统的核心。
2核心传动部件的设计
文献[6]提出了由平面非圆齿轮组成的方坯结晶器非正弦驱动方案,若要将平面非圆齿轮应用于图1所示的双侧驱动系统,那么在变速比传动箱中平面非圆齿轮要与圆锥齿轮组合使用,才能实现正交轴间的变速比传动,这无疑将增加系统的复杂程度,降低系统的精度。因此在变速比传动箱中,选用能够实现正交轴间变速比传动的空间非圆齿轮,可以用最少的传动零件实现双驱动系统的非正弦振动,是该系统的最佳设计方案。
非圆锥齿轮副[8]和直齿非圆齿轮与特殊面齿轮组成的齿轮副[9]是现有的两种空间非圆 齿轮副,为了便于描述,将第二种空间非圆齿轮副称为波状面齿轮副。波状面齿轮副与非圆锥齿轮副相比,具有装配精度要求不高,直齿非圆齿轮无轴向力,振动和噪声低等优点,故选用波状面齿轮作为双驱动系统的核心传动部件。波状面齿轮副是一种新型的空间非圆齿轮副,但文献[9]仅讨论了直齿椭圆齿轮及其共轭面齿轮的特殊传动形式,而更多场合下是要根据实际的传动比设计专用的非圆齿轮,因此必须完善波状面齿轮副的节曲线设计理论。
2.1波状面齿轮副节曲线封闭条件
波状面齿轮副由一个直齿平面非圆齿轮和与其共轭的特殊面齿轮组成,二者的回转轴线正交, 节曲线如图2所示。平面非圆齿轮绕轴O2A旋转,节曲线为一条平面非圆曲线,点O2与其在同一平面内,波状面齿轮绕轴O1A旋转,节曲线为一条绕在圆柱体上的空间曲线,点O1在圆柱体底部端面上。
当波状面齿轮副传动时,二者的节曲线发生纯滚动,在滚动接触点B处,非圆齿轮的回转半径为其节曲线在B点处的向径r,而波状面齿轮的回转半径为圆柱体的半径R,则波状面齿轮副传动比为
式中,φ1和φ2分别为波状面齿轮和平面非圆齿轮的转角, rad;w1和w2分别为波状面齿轮和平面非圆齿轮的转速, rad/s;t为时间,s。
r随平面非圆齿轮的转角φ2变化,R为固定值,所以当两个齿轮转动时,能够实现变速比传动规律。根据式(1)可得波状面齿轮的转角表达式:
为了实现稳定连续的传动,二者的节曲线必须保证是光滑且封闭的,若平面非圆齿轮的节曲线是光滑的,那么与之共轭的波状面齿轮节曲线也应该是光滑的,所以r(φ2)的一阶导数是连续的。若要保证二者节曲线是封闭的,则应满足:
式中,n1和n2分别为波状面齿轮和平面非圆齿轮节曲线的周期数。
比较式(3)与平面非圆齿轮副节曲线封闭公式可知:凡是满足平面非圆齿轮节曲线封闭条件的传动比函数,都可以构建出封闭的波状面齿轮副节曲线,该性质同样适用于非圆锥齿轮,这就统一了平面和空间非圆齿轮副的连续传动条件。
2.2波状面齿轮副节曲线方程
图2中,坐标系O1x1y1z1与O2x2y2z2分别固定在平面非圆齿轮与波状面齿轮上,其中轴x1与波状面齿轮的回转轴线O1A重合,轴z2与平面非圆齿轮的回转轴线O2A重合。在两个齿轮传动的初始位置,如图2中所示,轴x1与轴x2,轴y1与轴y2以及轴z1与轴z2互相平行。若已知给定传动比i12,则平面非圆齿轮节曲线的极坐标方程根据式 (1)可以得到r(φ2)=Ri12(φ2),将其转化到直角坐标系O2x2y2z2中为
将平面非圆齿轮与波状面齿轮节曲线在滚动过程中 的重合点 坐标从O2x2y2z2转化到O1x1y1z1后,即可得到 波状面齿 轮的节曲 线方程:
式中,a为线段O1A的长度,mm。
在给定传动比i12后,将i12代入式(4),然后设计出参数R,即可得到波状面齿轮副的节曲线方程,选取R时应满足平面非圆齿轮上有整数个轮齿,即
式中,m为平面非圆齿轮模数,mm;Z为齿数;i′12为i12的导数。
2.3双驱动系统非正弦波形及相应波状面齿轮副
波状面齿轮副中的平面非圆齿轮作为从动轮与图1中的偏心轴连杆机构相连,为了便于表示系统的机构简图,将波状面齿轮用平面非圆齿轮代替,如图3所示。偏心轴连杆机构简化成曲柄滑块机构,其中滑块代表结晶器振动台,曲柄与从动轮2固定连接。φ2为从动轮节曲线的极角,与转角方向相反,但大小相等,二者可互相替代。
构建具有匀速段特征的非正弦波形如图4所示,令图3中的平面非圆齿轮转角φ2∈(0,β]时, 结晶器向上匀速运动,且匀速运动的区间正好在结晶器向上运动过程的中间。结晶器的振幅h与曲柄OA的长度相等,一般为3~5mm,h相对连杆AD的长度很 小,结晶器振 动台的位 移可表示为
对式(7)求时间的 导数可得 结晶器的 速度公式:
式中,f1为结晶器的频率,min-1。
匀速段的速度为结晶器向上运动的最大速度vmax=cv0=cπf1h/1000,令vD=vmax,将其代入式(8),可得结晶器在匀速段时波状面齿轮的传动比:
式中,c代表非正弦振动的最大速度vmax与相同振幅和频率下正弦振动最大速度v0的比值。
设结晶器非匀速段对应的波状面齿轮副传动比函数为i2=a0+a1φ2+a2φ22+a3φ32+a4φ42,则根据波状面齿轮副节曲线光滑且封闭的约束条件可得方程:
式中,i′1、i′2分别为i1、i2的导数。
求解式(10)可以得到传动比i2中的系数,然后代入式(8)得到结晶器的非正弦速度波形:
一般使用的非正弦波形是关于时间的函数, 在式(11)的基础上,进一步推导,得到由分段参数方程表示的波形,其中匀速段方程为
式中,t1和vD1分别为匀速段结晶器运动时间(s)和速度 (m/min)。
非匀速段方程为
式中,t2和vD2分别为非匀速段结晶器运动时间(s)和速度(m/min)。
图2中非正弦波形的两段速度 曲线圆滑 过渡,其加速度曲线保持连续,则设备运行无冲击。 该波形具有匀速段特征,能够最大限度地降低结晶器的最大正速度,减小铸坯与结晶器之间的摩擦力,另外参数c和β可分别独立控制结晶器的最大正速度和负滑动时间,在设计波形时,能够更加充分地发挥出非正弦振动工艺的优势[6]。
最后将i1和i2的公式代入式(4)和式(5)中, 即可得到波状面齿轮副的节曲线,其中平面非圆齿轮可由数控插齿机加工,而波状面齿轮可先根据齿廓数学模型计算出齿面数据,然后用数控铣床进行加工。
3仿真实例
设计结晶器双侧驱动系统的关键问题在于波形参数的确定及在此基础上核心传动部件的几何参数设计。波形参数目前没有统一的确定方法,因此调研了多条国产和进口的板坯连铸机的振动参数及相应的产品表面质量,并对其工艺参数进行详细计算和比较后,得到了一组非正弦波形参数, 有助于减轻铸坯表面振痕深度,并且加强润滑效果,减少铸坯 拉漏事故。波形公式 (式 (12)、式 (13))中的设计参数为:c=0.65,β=0.8rad,h =3.5mm,频率f1根据铸坯拉速可以调整,当f1=180min-1时,结晶器的速度曲线如图5所示,为了与常用波形的表达方式统一,其横坐标以时间t为变量。
根据给定参数c与β设计的一对波状面齿轮副如图6所示,图6a为波状面齿轮三维模型图, 图6b为齿轮副的装配图。
波状面齿轮作为图1中变速比传动箱的主动轮,平面非圆齿轮作为从动轮,当变频电机的转动频率为180min-1,那么该驱动系统的两个连杆可以同步驱动结晶器两侧,实现图3中的非正弦波形。
4结论
(1)与双缸液压式驱动系统相比,在由空间非圆齿轮组成的双侧驱动系统中,偏心轴连杆机构共用同一个原动机,可非常容易地实现同步运动, 并且系统不需复杂的伺服控制,即可得到准确的非正弦振动波形。
(2)新型驱动系统成本保守估计仅为液压式的1/8左右,其后续运行和维护的二次成本相对液压式更低,因此该驱动系统非常适合目前钢铁行业急需淘汰落后产能,降低生产成本的大环境。
【结晶器振动】推荐阅读：
结晶器振动装置07-25
板坯结晶器论文05-15
结晶器液位控制系统论文08-22
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