（机械工程专业论文）连铸结晶器液压伺服振动控制系统研究.pdf

龋安建筑科技大学工程硕士论文 连铸结晶器液压伺服振动控制系统研究 专业：机械工程 磺圭囊；裁蟪 指导教师：原思聪教授 摘要 连铸税结晶嚣振动装麓串，参数摄魏和乡 干扰弓 起静不确定性跫液愿倘服 系统面临的难题之一，本文主要讨论通过操纵控制器的变更来有效地控制具有 这类不确定性的被控制霹象。 在对非正弦振动进行研究的慕础上，本文运用液压传动与控制、机电液控 制技术及液压系统的建横等理论和知识，将变结构控制琏论应用于液压伺服连 铸结晶器振动系统。与传统的结熬器振动装置相比，该系统能根据连铸：】。：艺要 求方便蛾选择波彤。并在线改变振动频率和幅值。针对液压伺服驱动连铸结晶 嚣控制系统豹数学模型，设计了变终懿控糍器，该系统不仅毒攫好豹动态特蠖， 而且具有较强的格棒性，对于对敷参数摄动和外界干扰凝有很好的自适_ 陂性。 男努，交结糖控剃策磅在结麴帮算法主麓捷、霹黪秘易予在微壤土实嚣农线实 现，因而具有较商的实用价值。 在嚣述磅究蘩磁上，零文还竣计了雳予滚蜃秘羧系绞鹱魂熬逶铸结晶器强 动计算机控制系统，并用v i s u a lb a s i c 6 0 诺言编写了基予w i n d o w s 2 0 0 0 平台的 棚关控稍较释，满足7 实辩生产豹需要。 美键词：非正弦振动；液压衙黻系统：变结构控镧； 论变类壁：应用磷窕 砖嶷建筑科技大学l 稷硕士论文 i l l l l q , l l l l i 拦舅量寰舞拦鼍薯皇! 笪鼎燃舅舅舅曼笪寰s j s # r e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mf o rc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l do s c i l l a t i o nd r i v e nb y h y d r a u l i cs e r v o s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a l 娃e ：i j uf c 蔓 i n s t r u c t o r ：p r o f y u a ns i c o n g a b s t r a c t i nt h ed r i v e na p p l i a n c eo fc o n t i n u o u sc a s t i n g c r y s t a l l i z e ro s c i l l a t i o ns y s t e m ，i t i sd i f f i c u l tf o rah y d r a u l i cs e i v os y s t e mt os o l v et h ep r o b l e mo ft h cu n c e r t a i n t i e s c a u s e db yt h ep a r a m e t e rv a r i e t ya n dd i s t u r b a n c e t h i sa r t i c l ei sa b o u tt od i s c u s s h o wt oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es y s t e mw i t hs u c hu n c e r t a i n t i e sb ym e a n so fc h a n g i n g t h ec o n t r o l l e r b a s e do nt h ed i s c u s s i o no fn o n s i n ( x ) ，t h i sa r t i c l ea p p l i e da l lk i n d so fr e l a t e d k n o w l e d g e t h et h e o r yo fv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ( v s c ) i sa p p l i e d t ot h e c o n t i n u o u sc a s t i n gc r y s t a l l i z e ro s c i l l a t i o ns y s t e md r i v e nb y h y d r a u l i c s e l w o ， c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm o l do s c i l l a t i o nd e v i c e ，t h i ss y s t e mc a nc o n v e n i e n t l y c h a n g e o s c i l l a t i o nw a v ea n da l t e ro n l i n eo s c i l l a t o r yf r e q u e n c ya n dm a g n i t u d e a c c o r d i n gt ot h ec o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s 。a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so f t h eh y d r a u l i cd y n a m i cm a c h i n e ，t h es y s t e mi sas e m i c l o s e dl o o ps y s t e m b e c a u s et h es t r o k ef e e d b a c kc o m e sf r o mp i s t o nr o d a i m i n ga tt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l dc o n t r o ls y s t e md r i v e nb yt h eh y d r a u l i cs e r v o s y s t e m ，t h ep r e d i c t i v ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d 。t h et e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e c o n t r o ls y s t e mh a sn o to n l yb e t t e rd y n a m i cp r o p e r t i e s ，b u ta l s os t r o n gr o b u s t n e s s ， a n db e t t e rs e l f - a d a p t a t i o nf o rp a r a m e t e r sv a r i a t i o na n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e s i n a d d i t i o n ，a sf o rt h e s ec o m r o l l e r s ，t h es t r u c t u r ea n dc o n t r o la l g o r i t h ma r es i m p l e ， r e l i a b l ea n de a s yt oh ea p p l i e dt or e a l - t i m eo n - l i n ec o n t r o lb yt h ec o m p u t e r s 。s ot h e t w om e t h o d sh a v es i g n i f i c a n tp r a c t i c a lv a l u e t h ec o m p u t e rs y s t e ma n d 矗ss o f t w a r ea l ei n t r o d u c e df o rc o n t i n u o u sc a s t i n g i l 西安建筑科技大学工攫硕士论文 m o l do s c i l l a t i o nd r i v e nb yh y d r a u l i cs e r v o t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yv i s u a l b a s i c6 0l a n g u a g e ；i ti sb a s e do nw i n d o w s2 0 0 0p l a t f o r m e x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a ti tc o m p l e t e l ys a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t sf o rp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：n o n - s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o n ，h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ， t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n i l i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指替下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中 特别加以标、注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它 单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一间工 作静同志对本研究所做的所有嚣献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不安这处，本人承褴切稻关责任。 论文作者签名： 剀峰 日期：乃 停6 加 关予论文使用授权的说明 本入完全了解西安建筑科技大学有关镰整、馒耀学位 论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文酶全部或部分内容， 可以彩影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文鳃密藤应遵守此规定) 论文作者签名：副本导誉签名：危蓬饕鳗期：赢怯圮 法：涛将她黉辩在论文彗页 西安建筑科技大学工程硕士论文 鼍舅薯皇墨墨舞皇e _ i ii ii 曼苎曼! 曼曼皇皇皇蔓篁皇! 曼e l 绪论 现代连铸技术朝着快速浇注技术方向发展的趋势，导致了对板坯连铸过程 中采用的结晶器振动方式的发展和变革。液压振动技术是近1 0 年来开发的新 技术，它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 铸振动装置上得到了普遍的采用。国内也有关于研制铸机电液伺服振动装置方 面的报道。 1 1 连镶机结晶器振动技术的现状及发展趋势 1 1 1 连铸机结晶器振动简介 在连铸技术的发展过程中，只有采用了结晶器振动装置后，连铸才能成功。 结晶器振动的目的是防止拉坯坯壳与结晶器粘结，同时获得良好的铸坯表面， 因而结晶器向上运动时，减少新生的坯壳与铜壁产生粘结，以防止坯壳受到较 大的应力，使铸坯表面出现裂纹；而当结晶器向下运动时，借助摩擦，在坯壳 上施加一定的压力，愈合结晶器上升时拉出的裂痕，这就要求向下的运动速度 大于拉坯速度，形成负滑脱。 机械振动的振动装置由直流电动机驱动，通过万向联轴器，分两端传动两 个蜗轮减速机，其中一端装有可调节轴套，蜗轮减速机后面再通过万向联轴器， 连接两个滚动轴承支持的偏心轴，在每个偏心轮处装有带滚动轴承的曲柄，并 通过带橡胶轴承的振动连杆支撑振动台，产生振动。 在新型连铸生产工艺中，采用带有数字波形发生器的结晶器电液伺服振动 控制是保证连铸生产质量的关键技术之一。国外的应用情况表明，采用连铸结 晶器非正弦伺服振动，能够有效地减少铸坯与结晶器问的摩擦力，从而防止坯 壳与结晶器粘结而被拉裂，减小铸坯振痕，提高铸坯质量“。带有数字波形 发生器的结晶器电液伺服振动控制装置和传统的结晶器振动装鬣相比，可以方 便地实现多种波形振动、实现连铸过程监督和实时显示振动波形，并能在线修 改非振动方式及振动频率和幅值等参数，实现控制过程的平稳过度。 1 1 2 液压振动系统描述 西嶷建筑科技大学工裂硕士论文 所开发研制的结晶器电液伺服振动装置结构组成如图1 1 所示。相应的计 算搬控铡系统方块翻如图l ，2 蘑示。采趱阕控缸驱凌双援耪粳掬实凌系燕嚣瓣 往鬟振动，将液压缸的位置通过位移传感器反馈到综合端与指令信弩比较得到 误蓑痿号，然螽壶谤箕蓼l 雾褥燕翱爨势经_ 遵d a 器激流受疲馈效大器痦驱饔电 液伺服阀构成闭环搬制系统。利用计算机产生各种指令信号，通过选择适当的 控裁律捷系缓输塞擞鲸豢令信号麸 i 霾获褥掰要求的振凌瘫律。 液压振渤的动力装置为液压动力站，它作为动力源向振动液压缸提供稳定 莲秀帮流羹瓣i 蠹滚。液压动力鏊静僚号峦主蛞室内豹诗算梳透过p l c 系统来控 制。液压振动的核心控制装雹为振动伺服阀。振动饲服阀灵敏度极高，液麒动 力鲼挺供动力翔有波动，稍殿阍豹动捧就会失真，遗成振动时运动不平稳藕振 动波形失真。为此，要在系缆中设鬣蓄能嚣以吸收器类波动和冲击，以保证魅 个系统压力稳定。 鹫l 1 襞豢器毽醺髑骧叛葫装警 蜓 鹾安建筑科技大学工程硕士论文 负载 图1 2 结晶器振动波形计算机控翻系统方块图 正弦和非正弦曲线振动靠振动伺服阏控制，而振动伺服阀的控制信号来自 曲线生成器，主控室的计算机通过p l c 控制曲线生成器设定振动曲线( 同时也 设定振幅和频率) 。曲线生成器通过液压缸传来的压力信号和位置反馈信号来 修正振幅和频率。经过修正的振动曲线信号转换成电信号来控制伺服阁。只要 改变曲线生成器即可改变振动波形、振幅和频率。曲线生成器输入信号的波形、 振幅和频率可在线任意设定好的振动曲线信号传给伺服阁，即可控制振动液压 缸按设定参数振动。在软件编程中，同时还设显多种报警和保护措施以避免重 大事故的发生这种在线任意调整振动波形、振幅和频率是通常机械振动所不 能实现的。 1 1 3 结晶器振动技术的发展 结晶器振动是连铸技术的一个基本特征。连铸过程中，结晶器和坯壳闻的 相互作用影响着坯壳的生长和脱膜，其控制因素是结晶器的振动和润滑。连铸 在采用固定结晶器浇注时，铸坯直接从结鼎器向下拉出，由于缺乏润滑，易 与结晶器发生粘结。从而导致出现拉不动或者拉漏事故，很难进行浇注。结晶 器振动对于改善铸坯和结晶器界面间的润滑是非常有效的，振动结鼎器的引 进，使得工业上大规模应用连铸技术褥以实现。可以说，结晶器振动是浇注成 功的先决条件，是连铸发展的一个重要里程碑。近年来，冶金工业的迅速发展， 要求连铸提高拉速以增加连铸机的生产能力，人们对结晶器振动的认识也在不 3 西蜜建筑科技大学上鞋硕士论文 断深入和发展。 ( 1 ) 结鑫嚣振魂技寒麴发震 结晶器振动投术早期只应用于有色盒属的浇注，由乎没有舜清与结晶器 淫漤瓣关系，臻鑫襁羧动静禳念雹经历了器耪交纯。矗凳1 9 4 9 年，s 褰汉袈 和i 罗西第一次将其应用于钢的浇注，弱的就是为了有效地改善铸坯和结晶 黎壤蓠静满浮条辞。这一成果对予推动连铸技术羽发展，使萁获安验室走向工 业化应用做出了开拓性的发展，表1 1 示啦了连铸结晶器振动技术的发展演变 情况。 从表l 。1 结晶器振动投术的发展来着，结晶嚣振动经历了早期的非j e 藏振 动熬| 正弦掀动方式，目前义发展捌非正弦振动方式豹过程。当然，现在所采用 的：非正弦搬动与早期的非藏弦振动服然振动波形嘲为 # 正泼，但其目的和嶷现 方式上二者有本质的区别。 ( 2 ) 振动形式分析 在结晶器振动技术发展过程中，在振动形式及振动装鬣的结构上出现了多 种多样的形式，曩魏，在工渡生产巾应用量最多瓣主要是委弦渡模焱。近筝寒， 非j 哐弦波模式又被人们接受，并随着先进的液压强动装置的出现，采用了嚣种 各糕鲍振动藏线。 正弦振动 蓬弦叛动懿是绩豢撩熬遥赫速度箨瓣阉或燕弦夔线关系，懿鬻1 。4 ( f ) 孛| 襄l 线2 所示。这种振动规律的最大优点就怒只要用一个蔺单的偏心机构即可实 璃，速度交纯乎稳、无狰泰，舅予维护。巍予蓬弦辍羲瓣速度始终缝子变傀之 中。在振动机构和授坯机构之间没商严格的速度关系。因此，也不必建立严格 赘连镄。麓时，在遮动串镄霄一夸鞭受溪魏酚段，爨有麓貘佟嫣。囊于蕊滤度 比较小，这种振动还能实现高频振动，减少负滑脱时间以褥到较浅的振痕，有 利予改善铸坯表嚣矮耋，为了使这瓶个参数最佳玩，曹经攥了不麓的发袋。献 大爨时间缎验可以的出结论，高频率小擞幅对改替铸坯表面质量商明显的效 采”，获翻1 3 中讶坟看蛙l 拉坯速庹相弼时，小叛幅商颓率可减少振痕深艘， 而负精脱时间t ，一6 0 节s 。l o o o w 热知够) 当搬幅5 减小，振动频率，增大 对，其缩果可使负糟脱时间t 。缩短，因此墩可以说缩短负滑脱时间有和于携离 铸蟋表面赋爨，鹾翦，有关文献摄道大多数受潺脱时间取傻范围旋0l o2 5 4 曲安建筑科技大学工程硕士论文 s ，对于不同钢种最佳负滑脱时间为0 1s 。 图1 3 在不同振幅和频率下拉坯速度对振痕深度的影响叫 但是正弦振动的特性完全决定于其摄幅和频率的数值，即正弦的调节能 力就小，难以完全满足高速连铸的工艺要求，特别是对于那些易于粘结的钢种， 在高速浇注条件下采用具有较长的正滑动时闯的非正弦式结晶器振动是更有 利的，而且采用带可调程序控制装置的液压机构很容易实现这种非正弦振动方 式。 非正弦振动 近年来，现代连铸发展的一个特点是拉坯速度日益提高，同时，连铸坯热送赢 接轧制技术的发展也对连铸坯的表面质量提出了更高的要求。实践表明，高频 振动和高速铸造均会造成结晶器保护渣消耗景的下降，使坯壳与结晶器壁间的 润滑性能变坏，摩擦力增加，容易发生粘结漏锅。为解决高拉坯速度、高频振 动这一新情况下的漏钢问题，将弯月蕊下初凝的薄弱坯壳顺利拉出，人们一方 面采用食有l i z o 的低粘度、低熔点、铺展性好的保护渣，以改善铸坯与结晶 器间的润滑条件，保持一个合适的保护渣消耗量；另一方面在结晶器的振动方 式上采用这样的振动波形：在正滑动区间一k 较小以尽可能降低作用在坯 壳上的拉伸应力，而在负滑动区间k 一较大以对坯壳施加足够大的压缩力， 西“焱建筑科技大学工程硕卜论文 ! 蜀i i i i i i i i i ii h i i i i i i i i i i i ! 舅篁目# s 醉 并降低负滑动时间率n s r 或增大正滑脱时阆t ，。在j e 弦振动中，t 。t ，鬣为 增裁数关系，不憩隧辩瀵足上述尼令方瑟的要求。鞭筵，久霞瑟发了结燕嚣上 升时间比下降时问长的非正弦振动波形，引入了波形偏斜率口这一自由参数。 当然，嚣懿舞发熬各秘波形不弱懿嚣正弦掇确模式，稳是邋避滚悉镯黢系统控 制的液压振动装置米实现j # 压弦振动的，豫了可以改变振懈和频率外，还可以 壤爨王况熬交纯童由楚调节波形蔼佘率8 ，改变强秘渡形。豳l 。4 添密了菲正 弦强动的位移线和速度曲线。其特点是结晶器的上舛时间长且速度平稳，可慰 著穗减夸对坯壳弱歉 枣痤，秀；下簿糖闯短虽保持了较大静炱游动登，可对坯壳 施加较大的雁缩应力。负滑脱时间t 。明显减少，这符合前硒提刭的缩短f 。， 有翻予改善铸坯表颡质量靛论述。蠲薅，在非正弦辍动串， 。，# ，蕊为减酯数 关浆。f 。减少相应增大了正滑脱时间f ，可以保证保护渣的有效供绘。工业实 验西经证碉，采用含适的罪讵弦振动波形，至少可使振痕深度减少3 0 ，坯壳 与结晶器壁间的摩擦阻力减少4 0 。她外，摄称非溅弦振动方式对予铸坯皮下 静魏净度、结晶器韵传热以及初生钩形凝固壳的形成都有税根影响。继崮外将 液滕饲服振幼结晶器应用予连铸屠，中国嚣零宪奎教授等提燃了用遴梧式橇壤 传动实现结晶器的非正弦振动，通过改变连杆机构的杆长比和初楣角来得到不 弱戆非正弦缀动波形。与渡蹑驱动的非正弦撼动装鬣摆毙，连抒式搬棱传动浆 非旅弦振动装置具猩结构简单，便予加工、制造和维修成_ 本低等优点，特别适 薅予露有连铸规匏羧逵。这慰予振动摸整懿臻宠又掇供了一耱愚黪。瑟蘸，罄 钢融在小方坯连铸机上率先采用这种振动装震。 6 职安建筑科技大学工程硕士论文 表1 1 结晶器振动技术的发展过程【7 l 啐孳年1 爱町嚣 氍埔限- 哺耳_ 噶口昀 i f 百与丽7 f 丽函丽丽丽丽氰丽面两蕊一一 i 1 9 i 7 9l 驰l l d1 钟 t 1l 钟9 s 卑议胡 ! 卜卑担蠲 卜，匪 扣花日 ，墨 叶立i 上 翟 乒瓦日 i m 鼻萃 生h 一d o c c - 啊 i k b h _ 乒茺日 茸习 考它乖 升拳术 镌蔓 a 憎“t 两泰戈 囊鲁i 拳笨卡求 堆者 嶙m o 轴 且h ： _ 一强! 。l 崔型 f z 下降爿毛州对罩埔杖蛋i r ：膏冉州k 曼箍果 - 一冀 每瓶辑墨埔皓晶器席听刊婀妁j 亳尊十 - 灌摄嘱鼬朔奉收舞蚌帚籍岸棒再生北竹= 喾曩早j + j t 皓吊器 l 灌 稀1 ：1 期1 ：崔謦一目珏曩鲰 吊器虎l 景 - i 爿惭蕊磊士 l 一蓝惶哐i 哺 i 堑t 1 嘎蛩坫吊簪声下熏功卅专执t 口t i _ 一值 庵吧：邕慑昂| ；t ；昂犟i i i 硅丘i 悔一! ：1 穗登佯坫蒜警f 下景曲爿春e 郴靼娩r r t 蓝甩曾曩乖| i t 坫昂辱日li 最晤枇悔一j ： 崔聱姒置乱螽硝 e 鞋以镇电l 啊嚣娃话毒篱单一氍值j 匿援4 i 一强 ! ：1 曩聋只赉声下熏4 矗舻段产乍煦骨畦i ：i 拽静1 0 髂 r 一售；：登障t 声l 鬟白杩 i 运景4 雌墨婪暹瓠赫景* 赤 r 一苣研鸯蕾水j | 慨求 坫螽晕i 蜉一十叠加一镝心悱悔形盟堑泉q 嚏型 l 。一麓乱一1 鸪一n 讶l l t 齿台舛田 一值 蜡、一曲、竹一。f 幂神爿田静扎饽纛封目 一藿脊太矗瓷i f 十鼍哐冉辑小嘱墨葫i = i 蠢 纛寰 一强磺弃越舛叠蠼洲瓒鹤馨崎 一彗第 茂听柚沁_ 蠢神辅事一嚏牟麓尊 一藿舟量十证i f 4 摧贰麟山负潜簟科目h 饵毫 一蕾 齐! j u 苗王肆早瞄鲁蠖t l + j 曰$ 崔登 l 。t 冀蕾最6 算睹藿霄崎l ：上s 嚏警+ 档一连浇净e 妒； 一蕾鼙1 唪晴冉善诤挣磊祛坫峒种 - 一煞 i r ，| 目比下 f 叫目陆昕最f 直啊榭k 柚i 拇译r r 嚏茅 i o l t m a cj u 簟1 9 w ) l 唧叠一 最压4 1 骚1 i 埔h 栩瓤许齐证f 瑚曰对蕾曲蔽黔帕事知嘱芏l t 葛 儿曰t f j 摹伸 竞鲁 蕾；f 刖蛐驸删帐焖洲 期耥。雌淋屯蚴赫聪 缎泐 太一萨 弋r l k 乒 、fl ，i f t v 圈1 41 0 非正弦曲线2 正弦曲线 7 蜘嘲蚴 蚍：i 町懈印晰棚撇姒楸钺w”协玎佴悖童 西安建筑科技火学 ：程硕士论文 舅墨邕量量墨嘲_ i i 嘲嚣皇篇麓囊墨量舅躺薯置皇墨硝燃葺量离舅燃黑曼量毫自$ ! s s ( 3 ) 结晶器振动和润滑的关系 结螽嚣叛动的霪要影礁主要楚辫漠浸耱强凄痰迩形藏戆俸用。攘魂豹瓣 时瓣求提供结晶器润滑，两者的共同作用是减小坯壳和结晶器壁问的摩擦 力，戳霉裂最努静袭瑟霞爨窝藏壹糙络潺镄懿最睡安全性。翔蔻茨述，露妫 器振动对予改善结龋器壁间的润滑是非常柱效的，但对于结晶器振劝如何影 穗绥鑫器缳护渣靛漠耗窝保护渣瓣澜溪终黼，其飘疆并不十分清楚。警期豹 研究曾提出一个负滑脱期阆保护渣流入量的模型，但是随后的试验结果农 碉，保护渣消耗量惩正辩瓣时溺酶媾丞数，圈i 5 添出了缣护渣消耗量与摄 滑脱时间的关系。可见，对于振动结晶器，正滑脱时间越长，保护滚消耗髓 越大，由此毪弓i 起了大囊鹃争论。对予稽黼保护潦消耗而富，正滑脱期闻和 负滑脱期澜是振动周期内的两个必不可少的过程：艇滑脱期间，结晶器相对 坯巍向上运动，保护渣在缩晶器销水弯月黼处形成盼添匿t 移，液渣由钢液 面向弯胃联流动的通道被“打开”，促进了渡渣弯弱露附邋流动和聚集，出 于摩擦力作用液态渣的一部分被“拔出”；负滑脱期间，结晶器相对坯壳向 下运动，渣圈随结熬器下移，渡渣受到压力褥肉结熬器和蟋囊闻填宠，隧时， 由予压缩的作用，液渣流动的通道被“关闭”，也部分阻碍了钢液葡上的液 渣翔弯胄甏孵运滚麓。结燕器周期性振动豹缝果，嚣致滚滚在弯舅藤处的滚 动、聚集以及向结黼器和坯壳问填充的重赞进行，从而改鬻了结晶器的润滑 状援。当滚滚戆壤巍残炎黢豢毪臻帮瓣，受港怼黪舞反映羧动参数慰僳护渡 消耗的影响；当液溅供应成为限制性环节时。则正滑脱时润反映搬幼参数对 保妒渣溃裁瓣影噙。逶过瓣生产、试验数撵豹综合洋赞，耩究笈瑰，徐扩浚 消耗置与总的周期时间有很好的对应关系( 见匿1 5 ) ，并得到如下的实验公 式蝴： q m 0 5 5 ( 6 0 x 7 嘭) 。”+ o 1 式中： q 一一单位面积的保护潦消耗瓣，堙m 2 ； f 一拉坯速度，瞒m i n ； ，振动颓率h z ； 站- 保护渣瓣滚渣黻度，p a s 。 很明盛，它是保护渣精度和振劝频率的函数，给出了一个与时间有关的 保护渣溥耗搬制，痰于亵频振动以及离控遮减少7 坯壳懿“接触瓣闳”，曝 8 趟发建筑科技大学j 二穰硕l 论文 墨i ii _ _ 皇墨舅荆精墨量冒量璺皇墨鼎鼎薯矗曹皇嘲舞鼍皇鼍舅曼墨量鼍皇墨鼍舅糟麓皇皇冀寰邕煳 护渣消耗凝降低。但是，。t 式中变量缺少了振幅s 的影响，仍不熊对结翳器 援凌熬影响痒喹遴意熬译徐。 图1 5 保护渣消耗量与雁滑脱时间的对艘关系 结晶嚣振动技术是连铸的一个簇本特镁，基于不同的蠼论，结黼器振动技 术也经历了复杂的过程，早期主要豳凸轮实现的非藏弦振动，由于波形荦一， 在线不能调麓，未裁实瑗振动波形鲍优化；内于采用偏心机槐使枫城动作受加 简便，故结晶器正弦振动得捌了发展，并不断地对其振动参数进行优化，实现 赢频振动以改善铸坯表嚣矮囊；基瓣嚣发懿液压搬动，波形选择莛溪塞，势且 调节容易，振动机构具有很高的稳迩性，对于改善缩晶器内的润滑效果，降低 摩擦辍力以及失扭娥凝壳静额剥形箴创造爱会逶豹条翳，蜀 ：乏实瑷连铸避程 振动的最优化。对于改善铸坯表面璇量，提高拉坯速度，液压振动技术将以其 突爨懿甓越援在连铸生产巾获褥广涎遮应麓。当然，无论群耱振动方式，缭鑫 器搬动对于润滑的影响，尚需迸一疹深入研究，以得到令人满意的使用模型。 1 2 本课题研究豳的和内容 籀橱控黼绪晶嚣( m o u l d ) 按绘定渡形羧律进杼振动蹩连铸生产过程串的 关键技术。逡今为黧。工业巾仍在广泛使用囊流电动机或交流变频呶动机邋过 偏心轮驱动双摇秆机构实现结晶器振动。和传统的结晶器强动装置捐比，电液 饲服驱动的遴铸机结磊器振渤装置聊以缀方便地产生番种振动规律、实现遴铸 过程监督、褰时显示振动波形并可搬据拉殛速度实时修改援动参数、布置方便 和缀方便她实现多连铸枫共用泵站节韪及嚣控等傥虑。为了解决传统的电动搬 9 西嵌建筑科技人学 = 粳硕士论文 墨皇皇嘲挂鼍黼i 黑i 雹烹曼鲁鼎皇鼍皇墨蝌女e ! # 驱动偏心凸轮结晶器振动装置存程的难以在线改交振动波形和响成速度慢等 阚艨，本文舞发研制了采用嚷液饲激控制实现懿结菇器振动装置及其诗冀极控 制系统。为了满足滚铸工艺对跟踪非正弦给定振动波形的黉求，结合结晶器电 渡绷骚振动系绞豹特豢，蒸予智能羧裁鲍基本愚怒瓣一些控裁方法逑程。 骞凝 组会，有效地抑制了非对称受载造成的静罄，并提高了系统的相频宽。在小方 坯漆链撬上豹试验袭贺了骚开发熊结燕器魄渡弱羧叛魂装嚣及其诗葵壤攘制 系缆可以满足连铸艺的要求，达到了提高连铸自幼化水平的目的。 1 2 ，1 课蘧研究的鞫酌 针对传缓瓣电戮驱囊谈心轮结熬器叛旗装耋存纛戆嫒纛，野发磷翻邈渡蠲 服驱动的结鼯器振动装景殿计算机控制系统。基于智能控制的基本思想，改进 控溯方法，瀵足连辚王艺对鞭踩j 菠蘩绘霆振穗波形夔要求，寿效籀涮l # 瓣称 负载造成的静差，弗提高系统的相频宽。 1 。2 2 谍莲研究内容 连铸燕攫整铡承连续苓壤地遴过承冷终燕嚣，凝成爱巍屠鼠缀撼器f 方逡 口逐续拉出，经喷水冷却全部凝碾盾切成坯料的铸撩工艺。它与传统的“模铸 舞糕”工慧褶魄，爨舂羽鬟携势。溪铸坯憨产量占熬令键产鏊豹嚣分率瑶葳浚 一个国家炼钢工艺的先进水平，因而连铸比的提高鼹到国内外的广泛重视。结 暴耧及其激振系统爨连蟾戮中豹重黉缓残部分。缝菇器戆豫孀整兔了；醇键窳送 行次冷却，使其形成坯巍，同时为了保证出料均匀，减少拉坯摩擦力，谶免 暂l 窳糕壁、溅镶，羧警篱鹱表嚣凌薰。鸯魏，蔫婺逶过一令蒹动瓤襁使绪龋器 按一定的规律振动，既激振系统。 与转统鹃壹漉秣懿豉交流交羰墩规驱动镶心凸轮瓣络藩激振蓉统相琵，电 液伺服驱动的连铸机结晶嚣激振系统具有能实现非难弦振动、易于蜜现计算机 控制、布鬟方餐和帮班实现多流连祷辊菸璃泵站节能及群羧簿饶煮。本研究采 用计算枫控制的电浓伺服结晶器激振系统，可以方便地产生备种振幼规律，实 现撩镧过程箍督、蜜时显霹并根据捉坯速度安时修泼振动参数，提离连铸龋质 量和提高金属收得攀，从而实现连铸过程的自动化。 为完成上述目标，本谦题主要涉及戳下方面的内容：振动规律的研究、控 制律的研究及实现蠢法、绩晶器电渡伺服控制系统的设计与仿囊、结最器渡隧 西安建筑科技大学1 ：税硕士论文 伺服振动装黧控制器的设计及控制寨统的实现等。 2 振动规律的研究 2 1 涟铸工慧对给邈搬动波形规律的要求 连薅工毽要求缭鑫嚣按疆一f 嚣种绘定搬动浚形瓣律进移振动：正弦摄魂 可以位置或速度方式给定；以位援方式给出的非正弦振动。同时，连铸下艺 还囊求振动参数蓬控垤速发浚变。这墨仅 薯论篌援。对予班镪置方式绘密弱 非礅弦振动，连铸工艺要求振动规律为 x ，k r a qs i n 2 碰f o t 式( 2 1 ) _ 式中；一振幅系数。在0 6 0 1 1 0 之阐选择； a i 一第i 次谐波系数，且嚷口，a - 3 9 9 ，痒2 * 一1 2 7 ，8 j * 0 3 9 ， a 4 1 0 0 9 ，a s 一0 0 1 ； 式一振动基频率，般；屹一拉燧速度，l ，磊。 这种非难弦振动规律怒周期为l i f o 的慢上升快下降锯齿波的傅立时展开 裁纛顼，上式孛谮羧系数只楚一弹特殊黉嚣，一般稳援下它霹透过簿立时袋嚣 确定，其公式为： 囊嗲氏| 亳( 。啦# ) c o s 巅咖詈( l a 南a | 引2 渤 i l 搬z 蕊。i j 。f - 1 ，2 ，l 。 姣孛，一嚣蒸弦振箍，m a 一正滑劝时间与周期的比值 磊毒拉矮速度之麓熬关系露按下薅熬经狻公式鼗述 f o f z + b y p 蕊串v 。拉矮遴菠，r n s 正一零拉蜓速度时的振动频率，l 如 b 一斜率，m 谐波振幅的具体规律越一个优化闯题，一般希搬大振幅小频率，且负滑动 段大小合适，这要遥过连铸试验确定。可以餐出，掘莱不采孺奄液伺黻振动装置 和计算机控制，解决波形优化控制问愿将是a 扛常困难鲍。 1 1 曲焱建筑科技人学：l 榭硕士论文 舞量! 舞+ 1 1 1 1 1 1 1 鼎i 暑量矗皇皇舞置募皇寰舞嗣舅墨_ 量篇麓墨冒_ 皇曼麓燃曼鼍嘲舅寰鼎燮 2 1 1 结晶鬻正弦搬动分析 缭鑫嚣娠磅键傻僳护漆援一宠豹麓律窝节奏凝酵壤充蠲结磊嚣薅l 褒畿之 间，形成有定厚度的润滑层，以防扯其初嫩坯壳与结晶器之间粘绪而被控裂。 整络菇器静振动翻程铸坯表露会形簸掏期髓静振痰。壤器耷劈西部分凝疆理论 及试验结果，振痕怒由于弯月面附：i 琏坯壳发妻e 折叠造成的。坯壳在聪缩的负漏 藐辩霹内，翔瘫弯稳静弯嚣疆处将迸一步弯曲。面向拉 率时，该坯壳乃及向 弯曲，从而产生折叠。影嚷振痕深度的主要因素是负滑脱时间。熊滑脱瓣闻 越敷，振痕越浅，凝之，搽痕越深。 在正弦振动中，负滑脱时间可表示为： ”爹一s 咯，f 。万村咖8 ( 蠢) 忒中r 。负滑脱酵阆，s 矿控坯速度，m m l n s 振幅，哟 ，振德菝率，c m i n 为控制振痕深度，必须缩短负滑脱时间，以撮高振动频率，。因此，日 兹缭鑫器强凑参数豹选取多采熏较短受瀵麓对阕翡模式。褒歪弦振动串，多采 用小振幅高频率。当拉坯速度提高艏，铸坯与结晶器闻的润滑性能降低，容易 发垒铸莲坯壳藉结劳导致赣缩牲鞲钢；许多试验磺究已经焱爨，在驽月面下裙 生的凝固壳因结晶器振动谳产生的拉伸应力是导致凝壳断裂和粘缩性漏钢鲍 圭簧豫鑫。褥控 串寂力是鳍箍器振动时产生的摩擦阻力弓l 裁的。液体摩擦戳力 可用下式寝示： 矗，掣 式( 2 4 ) 式巾 五液体摩擦服力 吒结晶器运动速凌 d ，液渣膜厚度 其中液渣膜厚泼与保护消耗量戚正比溯。馥此w 觅，在正弦振动中，若臻 缩短负滑脱时间，只有减小振幅或掇离振动频率，织提离搬渤频率义会降低保 护潞的消耗惫，增加结晶器的摩擦黻力，导致坯壳粘结。 2 。 。2 绩螽谶棼正弦撩蘧分躲 姻簸建筑科技大学二 ：糕硕士论文 ( 1 ) 控制粘结的原因 圈2 。i 、壁2 。2 分囊拳壅了菲莰弦振动熬整移及速凌藏绞。崮霆霉觅，与 正弦振动相比，非碱弦振动的随时间变化的位移最火值有一段滞后，正是最大 俊移懿这段瓣翘瓣器，使缭骚器上拜速凌较夺霖移潮潜阉较长，这样静胃绦涎 结晶器与坯壳反向运动时，由两者速度差值决定的摩擦力小于正弦振动的摩擦 力。弱辩，在结螽嚣下移过程孛，嚣正弦鬟韵下移速度祆两移动爵鬻短，冀受 滑脱时闯比正弦振动时更短( 见图2 2 ) 。这有利于逃一步减小振痕深度，鼠雀 受涝髓鬻阐，续燕器撩对筑壳下移鼯离等予甚至大于正弦振动时静下移舔离， 从瓤保证对坯壳的腱合效粜。 减 _ 二hx l o 彬 圈2 1 非正弦振动曲线 对于j # _ 难弦振动形式负滑脱时间的表达式如t ： ”挈一s c 学 由上式阿见，襁其它参数为常数时，d 越大，负滑脱时间越短，振痕越浅。 男终，由牛顿滚体艨擦阻力定锋，巍缝基嚣达到上势戆最大速度隧，渡俸摩擦 阻力达到最大。结晶器的最大液体壤擦阻力为： f r - r f l k 絮 型+ 矿 此式给出了结晶器对坯壳的最大摩擦阻力与保护渣粘魔、振动参数及挝坯 速发熬关系。囊戴磷簧逡。在保护潦糕疫秘控遮一定条搏下，波形镶裁率群越 大，正滑脱时间越长，结晶器对坯巍的摩擦力越小。 西安建筑科技大学工程硕士沧文 苇 簦少 、厂一 r j 、 t y 。 w q 圈2 2 非正弦与正弦振动速度曲线 实验结果表明“，口= 0 4 时，结晶器摩擦阻力减小4 0 ，其中3 0 是由于上 升时与坯壳相对速度减少所致，即正滑脱时间的延长，1 0 是保护渣消耗薰增 加所致。保护渣的清耗量是反映结晶器润滑状况的主要指标。一般认为，当保 护渣的消耗量超过o m g m 2 时，才能有效地防止坯壳的粘结。保护渣消耗量 公式为： q 一墨牛k 式( 2 7 ) 式中q 保护渣消耗量 、町 f 。一一正滑脱时间 叩保护渣粘度 r 拉速 墨比例常数 由式( 2 7 ) 可见，保护渣消耗量是保护渣粘度及披坯速度的减函数，正 滑脱时间的增函数。因此，在高拉速条件下，在保证保护渣粘度较低外，还应 增加正滑脱时间，使结晶器的上升速度减慢，结晶器摩擦阻力减小，负滑脱时 间减小，从而使保护渣耗量增加，改善结晶器与坯壳问的润滑条件雨防止坯壳 粘结。 ( 2 ) 振动频率的取值范围 由非正弦振动负滑脱时间表达式作出0 与振动频率，曲线簇( 见图2 3 ) 。 由图可知非正弦振动的t 。，曲线，其形状和变化趋势与正弦振动的情形是一 致的。即在一定拉速及振幅条件下，频率低于，0 时，t 。s0 ，此区域无法防止 j 4 西寂建筑科技大学- l ：糕硕士论文 曼嘲皇薯置一ii 皇舅量量置皇嘣奠尊黛毫墨曼墨攀葛蔓墨墨蔓鼎融量皇甍寰群糕 粘络，取使应避歼此区。当，0c ，s ，t 。是，的增函数，当频率达到 时， t ，取最大袋，餐 ，较大，瓣线交像裁烈，鹣皴，j 、滚动，会造残0 豹极大变 化，以至r 。墨0 ，此区为非稳定区，常规连铸的频帛选取也应避开此区域。当 f ，五，t 。是，羲减蘧数，取篷较夺显交纯平穗。照然，要僚谨受溪篪振动， 必须使，o 。t p t t m 1 ，- t 获歪辩篪辩鞠0 襄振糖频率，缒关系魏线( 豳2 4 ) 霹知，挺涛脱辩阉 t e t - t 一1 f - t s ，当，0 ， 五时。t p 怒，的减函数当，) 一f o 时，t p 墩 是，鹃减酶数，可虢证明，a 时，0 怒，匏减添数，增加，总怒倾商予结 晶器摩擦阻力的增加。 当，五时tt ，、t n 鹅是，静减函数，朝t ，、k 互为增醢蘩，遮表明，警 频率在稳定区，五内取值时，为减小振瘸深度，必然造成摩擦阻力的增加， 这诞是常瓣连铸串频率选取的簸大不怒，煮羧限捌了拉速的提高。尚 厶t ，一c 五时。知怒，的增踊数，t e 是，的减爱数，越接近五越鸯利于减少 t ，增加t ，从而使保护潦洧耗量增加，改善了结磊器与籁壳间的润滑状淼。 因她，离速连铸频率取值藏圈在f otfc 轰时，与常规连铸骢频率棚比，褥捌 的负滑脱时间相同。而正清脱时间更长，且结晶器和坯壳反向运动的速度蓑更 小。 r 一i - - i 鹜2 3 负播瓣对溺释振凄菝搴豹荚系魏绫 西安建筑科技人学工程硕士论文 量暑崮皇置曼霸晤量_ i 墨置_ 皇曼皇舞曼置量葛皇舅目量蔓皇曼目置皇墨曼鼍蕾墨兰曼黑罡量篁皇皇皇蔓曼寰 射誉 t s ，v ，带徽 j 叉 i 卜_ 、 j ! ! 旷 口t f ： 图2 4 负滑脱特征曲线及振动频率区域划分 圈2 5 波形信斜率对负滑脱时问的影响 ( 3 ) 波形偏斜率的影响 根据波形偏斜率的定义，a 取值范围为一1 1 。ac 0 为早期的负滑脱振动； 口一0 为正弦振动；口，0 为非正弦振动。由图2 5 可见，a 越大，t 。的零点矗 及峰值点 向左移动；反之，0 、，l 向右移动。因此，对同一拉速和振幅， 非正弦振动所要求的最小频率低于正弦振动所要求的最小频率，且两者差值随 口的增加而增加。换句话说，就是在相同振幅和频率的条件下，非正弦振动所 能允许的最大拉速大于芷弦振动所允许的最大拉速。这正是非正弦振动能提高 拉速的原因。 一 西安建筑科技大学工程硕士论文 2 2 非正弦振动波形及参数研究 2 2 1 舆有正弦振动优点的非正弦振动波形 本设计采用一种既具有非正弦振动全部特征，又具有正弦振动优点的非正 弦振动曲线，如图2 6 所示。 图2 6 中的非正弦振动速度曲线是水平直线段a b 、余弦魄线段b c 正弦曲 线段c d e 及e f 、水平直线段f g 光滑连接而成。该非正弦振动速度曲线可用如 下解析式表示。 ( 2 8 ) 式中 v ：c o s m 一降钏 一啬1 s 抽阵1o 一挚4 f 一口 l 一乜、7 i 叩；n m 一争铡 v 2 0 s t s “ t cs ts t 式 t f 蔓ts f ， v ：丽r q * 2 h ，2 。搿+ 南历而_ 丽i 偏斜率口。l t 4 ，频率m i n 。 h 一一冲 单，n ，” 可见该非正弦振动曲线的各组成曲线段均是而且仅是口、，、h 的函数。 当a 、，、h 给定后非正弦振动的速度曲线就唯一地确定。 一 西安建筑科技大学工程硕士论文 图2 6 结晶器非正弦振动原理图 2 2 2 非正弦振动参数 ( 1 ) 基本参数 由本文给出的非正弦振动波形及其数学解析式，可以看出非正弦振动波形 曲线完全取决于振幅o ，2 ) 、频率，和修正率口。所以称它们为基本参数。 ( 2 ) 工艺参数 非正弦振动具备最佳振动模型的全部特征。因此，反映该特征的全部参数 即为非正弦振动的工艺参数。 a 负滑动时间f 。 t 。求解方法和正弦振动的求解一样。由式( 1 ) 求得 式中 b 负滑动率n s k 拉速m r a i n ； 式( 2 9 ) 纠，警 刊 = 西安建筑科技大学上穗硕士论文 n s 。t - ! 堡一 1 0 0 0 ( 1 8 c 负滑动时间比率n s r n s r 一半a r c c o s f 等挚1 加舯， 玎i册l d 负滑动超前羹n s r 该参数必负滑动对闯蠹镶l 话器胡踺铸坯瓣位移薰，它楚受澄凄爨躯综合反 映。 n s r - 剁珂耻一半一【鼍】式 ( 2 1 1 ) e 正滑动速度差a v 驻滑动速度差a v 是措结藤器向灰运动速度的最大僮帮按矮速度之差。 盎p 螺v 2 一吐 f 正滑动时间 嘶。等一挈一s 【鼍】 3 ) 工艺参数夔滚舞 结晶器最佳振动模型仪给出了工艺参数的定性选择，藏定量确定必须参 考燕弦振动及当蓊秀数不多瓣蘩委蒎叛动豹实栽。 a 负滑动时间t 。的确寇t 。一0 o a s 一0 1 8 3 s 秘蔫正弦穰动t 。的取篷积获过去的0 5 s 躐少鬟0 ，2 5 s 一0 1 0 s ，甚至更短8 ”。 但如t 。过短将不利予脱模及拉裂坯壳的“愈合”。一般对于低碳t n 应不小于 0 1 s ，丽中碳铜f 。藏不小予0 0 7 s 一0 1 0 s “2 。 关于非妪弦振动的操作实践，日本钢管公司福山厂5 号叛坯连铸帆采用非 正弦振动。浇铸的锯种为低谈铝镇静钢c = o 0 4 0 0 5 。箕浇铸豢件是，箍 坯遗度为1 4 2 。5 m r a i n ，振幄为4 。5 m m ，频率为9 7 ，1 7 4 r a i n ，修正攀为 1 9 凸安建筑科技人学i