结晶器半板簧正弦振动装置设计毕业论文.doc

I 结晶器半板簧正弦振动装置设计结晶器半板簧正弦振动装置设计毕业论毕业论 文文 目 录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 选题及主要研究内容 1 1 2 连续铸钢工艺流程简介 2 1 3 铸坯成行热工过程 3 1 4 结晶器的振动原理 5 第 2 章 结晶器振动装置 7 2 1 结晶器振动装置简介 7 2 1 1 结晶器振动技术发展史 7 2 1 2 结晶器振动装置的作用 7 2 2 结晶器的振动方式 7 2 2 1 同步振动 8 2 2 2 梯形振动 9 2 2 3 正弦振动 9 2 2 4 非正弦振动 12 2 3 结晶器的振动机构 13 2 3 1 长臂振动机构 13 2 3 2 导轨式振动机构 14 2 3 3 差动振动机构 14 2 3 4 四连杆振动机构 15 2 3 5 四偏心振动机构 16 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 19 3 1 半板簧四连杆振动机构原理示意图及其特点 19 II 3 2 半板簧四连杆振动机构数学建模 20 3 3 计算轨迹振动误差 24 E R 3 4 拉坯速度的确定 26 3 5 结晶器主要振动参数的确定 27 3 6 估算振动台架质量 27 3 7 估算振动机构驱动功率 28 3 7 1 振动台及其承受的总负荷 Q N 28 3 7 2 确定结晶器的摩擦阻力 28 3 7 3 确定动负荷 29 3 7 4 估算振动机构驱动功率 32 3 8 电机的选择 33 3 8 1 电机的选择应考虑的问题 33 3 8 2 选择电动机 33 3 9 减速器的选择 34 3 9 1 适用范围和代号 34 3 9 2 选择减速器 34 3 10 旋转拉伸弹簧的确定 34 3 10 1 结晶器振动装置的受力分析 34 3 10 2 旋转拉伸弹簧的确定 35 第 4 章 结晶器振动装置主要零件的设计与校验 37 4 1 偏心轴的设计和校验 37 4 2 偏心轮的校核 38 4 3 轴承的选择和校验 40 4 3 1 偏心轴上的轴承选择 40 4 3 2 轴承的寿命计算 40 4 3 3 静负荷校验 41 结论 42 参考文献 43 致谢 45 附录 1 开题报告 46 III 附录 2 文献综述 51 附录 3 外文文献和翻译 56 燕山大学本科生毕业设计 论文 0 第 1 章 绪论 1 1 选题及主要研究内容 早在 19 世纪中期美国塞勒斯 赖尼和英国人贝塞麦就提出了连续浇铸 液体金属的初步设想 并用于低熔点有色金属浇铸 但类似现代浇铸设备 的建议是由美国人亚瑟 1886 和德国人戴伦 1887 提出来的 在他们 的建议中有上下敞口的结晶器 二次冷却段 引锭杆 夹棍和猪皮切割设 备等 当时是用于铜和铝等有色金属的浇铸 此后在 1933 年德国人容汉斯 建成首台结晶器振动的立式连铸机 浇铸黄铜并获得成功 结晶器振动的 实现不仅可以提高浇铸速度 而且使钢液连铸生产成为可能 因此容汉斯 成为现代连铸技术的奠基人 而英国人哈里德提出 负滑脱 的概念 结 晶器向下振动比拉坯速度快 铸坯与结晶器产生了相对运动 真正有效的 防止了铸坯与结晶器的粘连 连铸的关键性技术得到突破 因此 20 世纪 50 年代连铸进入了工业生产阶段 1951 年首台工业生产连铸机在前苏联问世 60 年代弧形连铸机问世 实现了连铸技术的一次飞跃 此后至今 连铸发展迅速 不断出现新工艺 和新设备 如盛铜桶炼钢 电磁搅拌 小方坯多级结晶器 结晶器液面检 测和漏钢预报 粒状保护渣的使用和加入 中间罐冶金 结晶器在线调宽 等 我国连铸技术也发展很快 一大批新技术 新工艺 新的设计理念注 入到连铸装备的研发之中 为整个钢铁工业的发展做出了重大贡献 使连 铸比不断提升 2002 年 中国的连铸比攀升为 92 5 高于全球平均水 平 4 个百分点 2003 年上半年已达到 96 36 超过国际的 89 70 平 均水平的 6 66 个百分点 这几年我国的连铸机在设计理念和技术创新上 有了长足进展 上了一个新的台阶 但是在连铸的发展中也存在着不足 目前国产的板坯连铸机在技术 工艺等方面还不能满足国内一些大钢厂的 要求 宝钢 武钢等还都是引进国外产品 我们的连铸机与国外先进国家 相比还有相当大的差距 连铸技术的开发和应用已成为一个国家钢铁工业 发展水平的标志 结晶器是连铸最重要的组成部分 结晶器振动技术是连铸技术的重要 第 1 章 绪论 1 特征 结晶器振动装置可以防止铸坯与结晶器发生粘结 使铸坯形成良好 的表面并在铜坯拉裂时实现钢坯的焊接 另外结晶器的周期性振动有利于 润滑油和保护渣向结晶器壁和坯壳间渗漏 因而改善了润滑条件 减少了 拉皮阻力和粘结可能 目前国内连铸机振动机构应用较多的又短臂四连杆式振动机构 四偏 心轮振动机构 差动齿轮振动机构 本人的毕业设计主要是用板簧代替四 连杆中的一个连架杆 减少了四个轴承的使用 从而大大减少了由于轴承 磨损带来的误差 并且不是铸坯承受水平力和弯矩 只产生轴向的压力或 拉力 另外本振动机构采用交流变频电流实现振动 寿命长 运动轨迹准 确 结晶器振动装置是连铸机的主体设备 是连铸机中的重要组成部分 结晶器振动机构的要求主要有两点 一时使结晶器按一定的速度规律振动 二是使结晶器按一定的轨迹准确振动 结晶器振动装置的设计所要解决的主要问题是如何选择和实现速度振动规律 如何实现结晶器按一定的振动轨迹运动 正弦速度规律是目前世界上最广泛应用的振 动规律 所以本设计选用正弦振动规律 关于振动轨迹的实现主要靠合理设计振动机 构中的各个构建参数 下面的内容中将有叙述 1 2 连续铸钢工艺流程简介 连铸是把液态钢用连铸机浇注 冷凝 切割而直接得到铸坯的工艺 它是连接炼钢和轧钢的中间环节 是炼钢生产厂 或车间 的重要组成部 分 连铸生产的正确与否 不但影响到炼钢生产任务的完成 而且也影响 到轧材的质量和成才率 此外连铸自身的发展 还会带动冶金系统其他行 业的发展 它对企业结构和产品结构的简化和优化 有着重要的促进作用 燕山大学本科生毕业设计 论文 2 图 1 1 带有直线段多半径弧形连铸机 连铸是把液态钢用连铸机浇注 冷凝 切割而直接得到铸坯的工艺 它是连接炼钢和轧钢的中间环节 是炼钢生产厂 或车间 的重要组成部 分 连铸生产的正确与否 不但影响到炼钢生产任务的完成 而且也影响 到轧材的质量和成才率 此外连铸自身的发展 还会带动冶金系统其他行 业的发展 它对企业结构和产品结构的简化和优化 有着重要的促进作用 1 3 铸坯成行热工过程 结晶器内高于液相线温度的钢水 在不断的强制冷却中经结晶器内壁 导出过热的热量 逐渐沿结晶器内壁形成初生的坯壳 起初 钢水的固液 向很不规则 呈现出明显的凹凸不平的现象 图 1 2 随着冷却的继续进 行 坯壳逐渐增厚和收缩 企图离开结晶器内壁 由于坯壳较薄 在内部 高温钢水的静压力的作用下仍紧贴结晶器内壁 在继续冷却向下运动的过 程中坯壳进一步增厚 直到坯壳本身的强度和刚度能完全承受其内钢水的 静压力时 坯壳才能脱离结晶器内壁 形成气隙 第 1 章 绪论 3 2 1 2 2 1 1 1 1 b 图 1 2 凝壳成形示意图 1 结晶器 2 钢液面 3 凝固收缩 4 膨胀 5 凝壳 由于坯壳的四角受到比表面更强的冷却 它先从内壁收缩回来 在结 晶器的四角形成气隙 实践证明 铸坯的宽厚比对结晶器内钢水的凝固速 度有显著的影响 当宽厚比较大时 宽窄边的冷却条件不同 宽边的绝对 收缩量大于窄边 坯壳便脱离内壁较早且气隙大些 随着宽厚比的减少 使冷却条件趋于一致 则坯壳厚度和气隙也随之趋于均匀 结晶器内钢水的热量出由钢液面向上辐射和由坯壳向下传导外 主要 是通过几层导热能力很不同的介质进行的 即由钢水经凝固坯壳 坯壳和 内壁间的薄层 结晶器内壁和冷却水导出热量 在结晶器里通过冷却水带 走的热量占结晶器总散热量的 98 以上 实测结果证明 在凝固过程初期 结晶器内的导热系数与一般钢锭在钢锭模内凝固时一样 都变化在 5024 5862KW m c 之间 当坯壳脱离结晶器内壁形成气隙后 导热系数将急剧的 减少为 836 1673KW m c 当采用拉坯速度为 0 4m min 后 结晶器宽边和 窄边的气隙有所变化 根据统计计算可得出 由钢水和冷却水各层间热阻所占的百分比为 坯壳占 26 坯壳与器壁间的气隙占 71 结晶器壁占 1 结晶器与水的 界面占 2 可见 气隙的热阻占总热阻的 70 以上 显然 气隙的存在对 结晶器的热工条件非常不利 对延缓坯壳的增厚起决定性作用 当坯壳厚度为 m 结晶器内壁厚度为 b2 m 导热面积为 Sm m 时 直到坯壳与结晶器内壁脱离前 结晶器所导出的热量 可由下式表 示 Qh Sm t1 t2 kw 结晶器内壁总导热系数 kw m 燕山大学本科生毕业设计 论文 4 t1 t2 分别为钢水 冷却水的平均温度 1 2 分别坯壳 结晶器内壁的导热系数 1 2 分别为坯壳对内壁 内壁对冷却水的导热系数 依钢种 浇注温度 拉坯速度和冷却条件的不同 则坯壳脱离内壁 处距钢液面得远近亦不同 近者在钢液面以下 50mm 处 远者在钢液面以下 200mm 处 若坯壳的平均温度 t3 气隙的厚度为 b3 m 气体的导 热系数为 3 kw m 坯壳脱离内壁导出的热量 Qh 显著减小 可由 下式表示 Qh Sm t1 t2 kw 有气隙时结晶器内壁总导热系数 3 4 分别为坯壳对气隙 气隙对冷却水的导热系数 1 4 结晶器的振动原理 由于结晶器的振动 使其内壁获得良好的润滑条件 减少了摩擦力又 能防止钢水与内壁的粘结 同时还可以改善铸坯的表面质量 当方式粘结 时 振动能强制脱模 消除粘结 如在结晶器内坯壳被拉断 因振动又可 结晶器与铸坯的同步振动中使其得到愈合 2 1 2 2 4 1 3 3 3 1 1 1 bb kw m 第 1 章 绪论 5 图 1 2 结晶器振动过程示意图 在连铸生产时 结晶器一直在振动 其速度的大小 方向都是变化的 振动的过程如图 1 2 所示 如在 A 点发生粘结 若结晶器以速度 Vm 向下振 动 且 Vm 大于拉坯速度 V 则振动起强制脱模作用 可消除 A 点发生粘结 如图中 a b 所示 若这时结晶器以速度 Vm 向上振动 则坯壳可能在粘结点 A 处被拉裂 如图中 c 所示 且钢液同时填充到断裂处 如图中 d 所示 并开始形成新的坯壳 这时结晶器向下振动 若 Vm V 时 可将断裂的坯 壳部分压合 如图中 e 所示 若 Vm V 时 即结晶器与坯壳同步下降 在 这期间新的坯壳将得到加强 把断裂的部分联合起来 如图中 f 所示 当 结晶器再次向上振动时 如新的坯壳有足够的强度 就能将粘结部分拉离 结晶器内壁 从而实现脱模 燕山大学本科生毕业设计 论文 6 第 2 章 结晶器振动装置 2 1 结晶器振动装置简介 2 1 1 结晶器振动技术发展史 最初的连铸机结晶器是静止的 在拉坯过程中坯壳极易与结晶器壁发 生粘结 从而导致拉不动或拉漏事故 因此 静止不振动的结晶器限制了 连铸生产的工业化 直到 1993 年现代连铸的奠基人 德国的西格弗里 得 容汉斯开发了结晶器振动装置 并成功地应用于有色金属黄铜的连铸 1949 年 S 容汉斯的合作者美国的艾尔文 罗西获得了容汉斯振动装 置结晶器专利的使用权 并在美国约阿 勒德隆钢公司 Watervliet 厂得一 台方坯连铸试验机上采用了振动结晶器 与此同时 容汉斯振动结晶器又 被用于西德曼内斯曼公司胡金根的一台连续铸钢试验连铸机 容汉斯振动的结晶器在这两台连铸机上的成功应用使其在钢连铸中迅 速得到了广泛应用 从此 结晶器振动变成了连铸机的标准操作 2 1 2 结晶器振动装置的作用 结晶器振动装置是连铸机的主体设备 由中间罐水口流出的高温钢水 注入结晶器的同时就须进行间接的强制冷却 当钢液在结晶器内上升到一 定高度时 结晶器开始振动 同时拉坯开始拉坯 这一工艺过程的突出特 点是 液态钢水和具有一定厚度坯壳的铸坯经引锭 再与结晶器连续不断 地相对运动中实现连续浇注 显然 结晶器及其振动设备被是连铸机中的 重要组成部分 2 2 结晶器的振动方式 结晶器振动规律即结晶器振动速度随时间的变化规律是结晶器振动技 术中最基本的内让那个 因此从连铸发展的历史上看每当结晶器采用了一 种较过去更为合理的振动规律时 都对连铸坯的浇铸 表面质量及拉坯速 第 2 章 结晶器振动装置 7 度的提高产生了重大的影响 图 2 1 振动特性曲线 2 2 1 同步振动 矩形速度规律是最早出现的一种振动方式 其速度变化规律如图 2 1 中的曲线所示 它的主要特点是 结晶器在下降时与铸坯做同步运动 然 后以三倍的拉坯速度上升 生产实践表明 这种振动方式对铸坯的脱模是 有效的 早起得到应用但此种振动方式所存在的主要问题是 实现运动规律 的凸轮加工制作比较麻烦 为了保证严格的同步运动 振动机构和拉坯机构 之间要实现严格的电气连锁 在上升和下降的转折点处速度变化很大加速 度在理论上等于无穷大 虽然由于凸轮曲线的上升和下降段之间有过渡曲 燕山大学本科生毕业设计 论文 8 线相连使加速度达不到无穷大 但仍然是很大的 这对铸坯的质量和振动 系统的正常运转都是不利的 因而也不便于采用高频振动 2 2 2 梯形振动 梯形速度规律是矩形速度规律的改进 其速度变化如图 2 1 中的曲线 2 所示 它的主要特点是 结晶器在向下运动的过程中有较长一段时间其 速度销大于拉坯速度 即所谓的负滑动运动 从而在坯壳中产生压应力 可以使结晶器里断裂的坯壳压合 使粘结的坯壳强迫脱模 结晶器在上升 和下降的转折点处 速度变化比较缓和 有利于提高运动的平稳性 实践证明 梯形速度规律是一种较好的振动规律 因此沿用了多年 后来才被正弦振动规律所取代 2 2 3 正弦振动 2 2 3 1 正弦振动简介 正弦速度规律其速度变化如图 2 1 中的正弦曲线所示 选择这种速度 规律的基本出发点是 打破结晶器与铸坯之间要有一定的速度关系的框框 着重发挥它的脱模作用 用偏心轮取代凸轮 这种速度规律的主要特点如下 1 结晶器与铸坯之间没有同步运动阶段 但仍然有一小段负滑 动 有利于拉裂坯壳的 愈合 和脱模 2 由于速度是按正弦曲线变化 所以加速度是按余弦曲线变化 的 使结晶器振动平稳 3 由于加速度较小 可以采用较高频率振动 有利于消除坯壳的 粘结 提高脱模作用 4 正弦振动是用偏心机构来实现的 比采用凸轮机构优越 加工 制造容易 润滑密封方面 运动精度高 易于采用高频振动 正弦振动规律是目前国内外应用最广泛的一种振动规律 它在方坯 板坯及薄板坯连铸机上都有最广泛的应用 2 2 3 2 正弦振动参数 当结晶器向下运动 其振动速度大于拉坯速度时 铸坯对结晶器产生 第 2 章 结晶器振动装置 9 相对的向上滑动 称该滑动为负滑脱 在结晶器按正弦波振动中 结晶器 运动速度按下式变化 V Vm sint 式中 V 结晶器振动速度 m min Vm 结晶器最大振动速度 m min f 振动频率 1 min 结晶器每分钟振动次数 称为频率 结晶器的振动频率 通常情况下等于偏心轮的转数 频率高 凸轮或偏心轮的转速高 从工艺上看 频率高 铸坯处在一 个较大的动态中 这时防止粘结 脱模多有利频率通常为 0 150 次 min 从改善铸坯质量出发 国外已经开始采用 f 400 次 min 或更高振动频率的 振动机构 F 与 T 的关系为 f 60 T Sm 结晶器振动行程 结晶器从水平位置振动到最高或者最低位置所移动的距离 称为振幅 用符号 A 表示 其中 Sm 2A 从工艺角度看 振幅小 结晶器内的钢液面波动小 浇铸较容易控制 而且能减少拉裂 振幅通常取 0 25mm 间且位于下限 国外已有取 2 4mm 角速度 Rad s t 时间 s 所以 Sm 6mm f 160 200010002 fSmSm Vm min 51 1 2000 6160 mVm 3 16 60 1602 60 2 n 燕山大学本科生毕业设计 论文 10 100cos 2 2 1 fSm Vc T t s 那么 图 2 2 结晶器振动速度和铸造关系图 如图 2 2 所示 当结晶器向下运动的速度与拉坯速度相等时 从 A 点 开始进入负滑动区 从 B 点结束 也就是说 只有当 V Vm 时 才会出现 负滑动 图中的斜线部分为负滑动 从 A 点到 B 点所经过的时间 t 为负滑动 时间 则 t 为 负滑动率为 负滑动为 3 16 sin51 1 V s f t12 0 6160 16 cos 60 1 19 32 100 6160 6 1 cos 360 2 1 s 第 2 章 结晶器振动装置 11 式中 Vp 结晶器振动的平均速度 m min Vp 2fSm Vp 2x160 x6x0 001 1 92m min Vc 1 6m min T 振动周期 s 结晶器上下振动一次的时间 叫振动周期 在浇铸过程中 为保证具有一定的负滑动 需不断改变振动机构的振 动频率 以适应拉坯速度的需要 广泛采用的控制负滑动 调整振动频率 与拉坯速度的关系 近年来 国内外广泛采用偏心机构实现结晶器的振动 均系正弦振动 它非常适合小振幅 高频率 短负滑动时间 同时还能减少振痕深度 改 善铸坯表面质量 其振动中的频率应随着拉坯的变化而变化 据有关研究 表明 其最佳振动参数应该具有最短的负滑动时间 而又具有不太高的振 动频率 2 2 4 非正弦振动 非正弦速度规律其速度变化规律是近几年出现的一种新型振动方式 其特点是 负滑动时间段 有利于减轻铸坯表面振痕深度 正滑动时间较 长可增加保护渣的消耗量 有利于结晶器的润滑 结晶器向上的运动速度 与铸坯运动速度差较小 可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力 即 100 2 100 Vc VcfS Vc VcVp 20 6 1 6 1001 061602 min 1 2 1 100 Vc Sm f 燕山大学本科生毕业设计 论文 12 可减小坯壳中的拉应力 减少拉裂 这种振动方式在告诉浇铸中发挥了重大作用 近些年来连铸的发展从 提高生产率和节能的目的出发 一直在进行铸造速度高速化的努力 然而 高速浇铸却降低了结晶器和铸坯间的润滑性能 使铸坯经常产生粘结性拉 漏 因此改善结晶器和铸坯间的润滑措施将成为实现连铸高速化的条件 作为改善润滑的主要措施有两个 一是开发高速连铸用保护渣 二是开发 出有利于润滑的结晶器振动波形 目前已有多个国家的公司相继开发出了 这种新型的振动方式 并收到了令人瞩目的效果 2 3 结晶器的振动机构 结晶器的振动是由振动装置来实现的 振动机构是振动装置的核心 结晶器对振动机构的主要要去有两点 一个是使结晶器按以帝国的速度规 律振动 另一个是使结晶器准确地沿着一定的轨迹振动 因为哎传统的振 动规律如梯形振动 正弦规律的条件下 满足后一个要求比满足前一个要 求困难 所以振动机构一般都是以实现结晶器振动轨迹的方法来称呼 2 3 1 长臂振动机构 在弧形连铸机中 它是把结晶器安装在相同的振动臂上 如图 2 3 所 示 这种振动机构的振动轨迹在理论上市准确地 但如果振动臂较长 则 因为加工制造误差 受热膨胀 受力变形而使结晶器产生较大的振动轨迹 误差 所以它只适用于圆弧半径较小的连铸机 第 2 章 结晶器振动装置 13 在连珠发展的初期这种机构被用于生产 但随着连铸机圆弧半径的增 大而被其它振动机构所代替 2 3 2 导轨式振动机构 这种振动机构可以实现弧形运动 也可以实现直线运动 如图 2 4 所 示 由于导轨式振动机构避免了长振动臂 结构也比较简单 因此早期应 用较多 但是由于导轨小易获得充分润胡 又不易保持清洁 所以磨损较 严重 影响运动轨迹精度 因而逐渐被其它振动机构所代替 图 2 4 弧形导轨振动机构 2 3 3 差动振动机构 差动齿轮振动机构是我国 60 年代中期开发并应用于生产的弧形轨迹振 动机构 如图 2 6 所示 结晶器固定在弹簧 7 支撑的振动框架 1 上 用凸 轮或偏心轮 8 强迫框架下降 利用弹簧的反力使其上升 振动框架的内外 弧侧面 装有齿条 6 分别与节圆半径相等的小齿轮 2 4 相啮合 装在小 齿轮轴上的扇形齿轮 3 5 有不同的节圆半径 内弧侧的节圆半径较大 相 互啮合的扇形齿轮 3 及 5 摆动时 就使与其相连的两个小齿轮及 4 产生不 同的线速度 反应在振动框架两侧的齿条上 其上下运动的线速度也不一 样 因而可是结晶器产生弧线运动 由于它结构复杂 齿轮和导向件磨损 较严重等原因而未能得到推广 但差动原理却在后来的四偏心机构上得到 了应用 燕山大学本科生毕业设计 论文 14 图 2 5 差动齿轮式振动机构简图 1 振动框架 2 4 齿轮 3 5 扇形齿轮 6 齿条 7 弹簧 8 凸轮或偏心轮 9 11 振动连杆 10 结晶器 2 3 4 四连杆振动机构 四连杆振动机构是从国外发展起来的一种仿弧形振动机构 它是一种 双摇杆机构 它的两个摇杆可以装设在连铸机的内弧侧 如图 2 6a 所示 也可装设在外弧侧 如图 2 6b 所示 两者的设计原理都是基于瞬时转动中 心原理 前者适用于小方坯连铸机 后者适用于板坯连铸机 便于拆装二 冷区的扇形段 当使两摇杆平行且等长时 该四连杆振动机构可用于直弧 形或立式连铸机 第 2 章 结晶器振动装置 15 图 2 6 四连杆振动机构 不论是装在铸机的内弧侧还是外弧侧 四连杆机构中的连杆在某一瞬 间的运动是绕瞬心的转动 因此 只要使两摇杆的延长线相交于铸机的圆 弧中心 由于结晶器的振幅与圆弧半径相比很小 因此瞬心位置变化所造 成的运动轨迹误差很小 一般在给定铸机圆弧半径 结晶器振幅及四连杆机构参数的合理约束 条件下 通过优化设计 能够使板坯连铸机结晶器振动误差 R 0 1 mm 小方坯的 R 0 02 mm 综上所诉四连杆振动机构结构简单 运动精度高 适用范围广 是本 次设计的内容 2 3 5 四偏心振动机构 四偏心振动机构是曼内斯曼公司 70 年代开发的又于80 年代加以改进 的 种振动机构 该机构如图2 7 所示 其工作原理同差动齿轮振动机构 完全一样 振幅7 6 mm 振频50 90 次 min 结晶器的弧线运动是利用两 对偏心距不同的偏心轮及连杆机构而产生的 结晶器运动的弧线定中是利 用两条板式弹簧来实现的 弹簧板一端固定在振动台上 一段固定在支架 上 板式弹簧使结晶器只作弧形摆动 而不能产生前后左右的位移 适当 选择弹簧长度 可以使轨迹误差不大于0 02 mm 振动台架是钢结构件 结 晶器及其冷却水管快速接头 振动机构 驱动系统及第一段二冷夹辊都装 在这个振动台架上 可以整体吊运 快速更换 更换时间不超过l h 从图 2 7上可以看出 在结晶器下左右两侧各有一根通轴 轴上装有不同偏心距 的两个偏心轮 外弧的偏心轮有较大的偏心距 用一台直流电动机 通过 两台蜗轮减速器同时驱动 通轴中心线的延长线通过铸机圆弧中心 出于 结晶器的振幅不大 也可以把通轴水平安装 不会引起明显的误差 在偏 心轮连杆上端 使用了特制的球面橡胶轴承 寿命较长 这种振动机构的 最大优点是偏心轮连杆的推力作用于振动台的四角 使结晶器的运动非常 平稳 不会由于结晶器内阻力作用点的偏移而使结晶器作不平稳的运动 其缺点是运动零件较多 机构比较复杂 燕山大学本科生毕业设计 论文 16 图2 7四偏心轮式振动机构 1 偏心轮及连杆 2 定中心弹簧板 3 铸坯外弧 4 振动台 5涡轮副 6 直流电机 第 2 章 结晶器振动装置 17 燕山大学本科生毕业设计 论文 18 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 19 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 3 1 半板簧四连杆振动机构原理示意图及其特点 图 3 1 半板簧四连杆振动机构示意图 半板簧四连杆振动机构是改进了的四连杆机构 在实际应用中表现出 了很多特点和优点 首先 导向臂采用弹簧钢板代替 并且传导机构装在 二冷室外 改善了电动机和传导装置的环境条件 另外 用板簧做导向臂 减少了轴承的使用 也减少了相关位置的润滑 实现了半板簧振动装置 也可以说是局部无轴承装置 这种系统的设计要使弹簧板只承受拉应力 这就需要将振动的支撑作特殊处理 导向臂保持原态 原振动臂可能承受 挤压双向力 这样机构的设计特点是 1 减少了轴承 因而减少了相关磨损 同时没有导轨的磨损 寿命 长 燕山大学本科生毕业设计 论文 20 2 减少了与轴承相关处的配合 运动轨迹准确 3 由于没有间隙 振动冲击小 最大振动频率仅受机构刚度限制所 以可以提高振动频率 3 2 半板簧四连杆振动机构数学建模 四连杆数学模型的建立 有不同的设计方案 下图是一种布置方案 图 3 2 四连杆数学模型 这种布置方案有如下特点 1 ABCD 是一个四连杆机构 杆长分别为 L1 L2 L3 L4 其中 L1 为主动 杆 在 P 的作用下做上下往复运动 AC 杆为板簧 其初始位置如图所示 2 结晶器布置在板簧上方 结晶器高出板簧的距离为 H 设计弧形连铸机半 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 21 径 9 8m A 点至理论半径圆心距离为 R1 其中 a 的取值范围为 a 9000 9500mm 3 振动凸轮转动一周 主动杆 L1 就随着上下摆动一次 结晶器的振 动行程为 2A A 6mm 当主动杆向上或向下摆动的距离为 时 结晶器 的振动行程为振幅的 2 倍 4 结晶器振动台架上 与 AC 杆固定在一起 所以 CE 距离在振动过程中始终 保持不变 AB 为固定侧 在数学建模过程中 我们以结晶器的外弧侧为研究对象 下面是数学处理过程 1 若短臂摆动 角 E 点下降的垂直距离为 S 则起相互 关系为 2 sin12 LS 2 E 点运动轨迹可建立下面一系列公式进行计算 2 arcsinS L1 arcsinH R aL L arctg 1 2 2 1 2 2 aLLOD cos 2 3 2 RaLHCE cos 2 22 ODRODRDE 2 cos 2 221 2 1 2 21 LLLLAD 2 2 2 134 LLLL 2 arccos 14 2 3 2 4 2 1 ADL LLAD 2 arccos 4 2 2 4 2 DPL CPLDP r r cos2 1 22 1 ADDEADDEAE 2 12 SHAEAE RaAERe 2 燕山大学本科生毕业设计 论文 22 短臂摆动角度 2 圆弧半径误差为 用同样的方法建立外弧中点 K 下口 E 的误差计算公式 因此 在四 连杆机构的优化设计中 其目标函数可以是以下几组 a 外弧定点的误差计算公司 RaAERE 2 b 外弧中点的误差计算公式 RaAERE 3 1 C 外弧下口的误差计算公式 RaAERE 4 2 下面确定四连杆优化设计中设计变量及优化条件 1 设计变量的确定 a 弧形连铸机的圆弧半径 R 它与浇铸的铸坯厚度的关系是 1 mmDKR D 铸坯厚度 mm K 与坯壳的高温性能由关系的系数 一般取 28 33 3 b 行程 S 它是与铸坯的表面质量有关的因素 对不同断面的铸坯 小 方坯振幅一般取 10 20mm c 四连杆机构的结晶器与摇杆的倾角 它取决于连铸机的总体结构布置 用 表示 d 四连杆机构的总体结构尺寸 结晶器 二次冷却装置等有关 构成 RaAERe 2 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 23 四连杆机构的设计变量构成一个 6 位欧式空间 这个变量为 1 约束条件的确定 设计变量在优化设计过程中往往要加以限制或者附加某些条件 具体 到四连杆机构的设计中 应满足 a 圆弧半径 R 在已给的设计方案中取值为 9 8m b 行程 S 对于小方坯连铸机行程应为正负 6mm 对于大断面 应 该更大些 1 2 2S 2S c 杆件的倾角几何条件 a 0 0 0 R 0 d 机构构成的限制条件 L3 L1 R a L3 800mm L2 300mm L1 500mm e 参数的约束条件 a L3 R L1 a f 弧形振动的偏差控制条件 R 0 05mm 由以上限制条件 构成不等约束函数 在四连杆机构的优化设计中 没有等约束条件 因此 在惩罚函数中 等约束项 6 5 4 3 2 1 1 x x x x x x R S R A x 0 1 2 1 p j k j k xHr 燕山大学本科生毕业设计 论文 24 目前 对于有约束的非线性规则问题的求见方法很多 本设计采用有 约束的非线性规则中的惩罚函数法 惩罚函数法的基本思想是把一个非线 性规划问题转化为一系列的无约束问题 其方法是构造一个新函数 P P 称 为惩罚函数 并定义为 其中 r 为加权因子它取正值 K 表示迭代次数 在迭代过程中 加权 因子形成一个单调递减系列 在函数的极小化过程中 要满足 kk rxP 0lim k k r 0lim 1 2 1 k p j j k k xHr kkk k xFrxP lim 当惩罚函数在迭代过程中 其相邻两侧的最小函数值为 1kk rxrx 则可认为达到了优化解 此时 x m j k j kk p j j kkkk xG rxHrxFrxP 11 2 1 1 0 r 210 k rrrr m j k j k k xG r 1 1 lim kk kkkk rxP rxPrxP 11 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 25 71 103 xFxF min 其中 是给定的精度计算值 3 3 计算轨迹振动误差 E R 在 3 2 介绍中 详细阐明了若和运用优化设计的方法计算各个量得值 由于优化设计属于非必修内容 所以本人只给出其基本原理的论述过程 而不给出具体计算的过程 下面来求轨迹误差 看是否满足结晶器振动的 工艺要求 首先 在四连杆振动机构中 振幅为 6mm H 12mm L1 500mm L2 300mm L3 800mm a 9296mm R a L3 9300 496 9796mm 将值代入 3 2 公式中得 mmLLLL102 427 2 2 2 14 rad R H 001 0 arcsin rad012 0 500 6 arcsin 2 radarctg aL L 026 0 11 2 mmOD879 11549 mmCE081 305 mmAD766 582 1 2 arccos 4 22 2 4 DEL CEDEL r 燕山大学本科生毕业设计 论文 26 所以可得误差为 摇杆振动的偏角mmmmROERE05 0 03 0 1 值 3 4 拉坯速度的确定 拉坯速度是设计连铸机的重要参数之一 在铸坯断面决定之后 拉坯 速度对连铸机产生决定性作用 通常拉坯速度是以连铸机每一分钟拉出铸 坯的长度表示 在一定的工艺条件下 为得到较好的经济效果 在寻求最佳拉坯速度 时 必须满足两个最基本要求 一是铸坯出结晶器下口时坯壳要有一定的 厚度 以防止铸坯变形太大而引起漏钢 二是一定要保证铸坯内外质量良 好 满足生产要求 先确定结晶器长度 L L 80 120 mm L 结晶器的实际长度 L 结晶器的理论长度 其中 L 取值为 700mm 应为结晶器的有效长度 结晶器出口处坯壳的厚度 mm r cos2 1 2 1 2 1 ADDEADDEAE 2 2 12 SHAEAE 6931 0 2 V k L 2 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 27 k 结晶器凝固系数 min mm 取值范围为 10 15mm 由上式可导出 即 min 8 2700 10 20 2 m V 综上所述 拉坯速度确定为 min 8 2 m 3 5 结晶器主要振动参数的确定 选用 f av b a 75 b 70 控制模型 选振幅为 a 3 则负滑脱时间为 负滑脱率为 20 8 21000 62802 1 1000 2 1 c v fh NS 负滑脱时间应该控制在 0 1 0 25s 最佳在 0 1s 左右 负滑脱率应该控 制在 20 240 范围内 在此范围内变化对铸坯脱模及表面质量无任何不 利影响 2 L k V min 280708 275 H f s v fh v f tN102 0 6280 1000 cos 28014 3 601000 cos 60 11 燕山大学本科生毕业设计 论文 28 3 6 估算振动台架质量 振动臂皆采用等强度梁 有材料未与钢板焊接而成 吊杆的选择则类 比首钢三炼钢的结晶器振动装置 采用双头螺柱并能锁紧的机构 在此设计中 振动台架质量需要估算 首先估算振动台架的体积 然 后再计算质量 V 2Va 2Vb 2Vc Va 振动台架主体部分的体积 Vb 型钢体积 Vc 支撑结晶器部分体积 Va 0 005 X 0 115 2 X0 8 0 00086m Vb 2X 2X 0 1X0 775X0 02 2X 0 115X0 775X0 02 0 012986m Vc 2X 0 18X0 725X0 02 0 55X0 725X0 02 0 012195m3 V 2Va 2Vb 2Vc 2X 0 00086 0 013195 0 012986 0 040887m 钢的密度取 7 8X10 Kg m 则振动台架的质量为 m v 7 8X10 X0 040887 318 918Kg 近似取 m 320Kg 3 7 估算振动机构驱动功率 3 7 1 振动台及其承受的总负荷 Q N Q Q1 Q2 Q1 结晶器及水的负荷 Q2 振动台架的负荷 Q m1 m2 g 估计结晶器及水的质量为 则有Kg 3 105 1 NQ178368 9 320105 1 3 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 29 107 3 3 m Kg 3 7 2 确定结晶器的摩擦阻力 在结晶器的运动过程中 难以避免产生摩擦阻力 实际生产中 人 们逐渐总结出来结晶器的摩擦阻力的计算公式 如下 钢水密度 L 结晶器有效长度 mm B H 结晶器的宽度 厚度 mm 铸坯与结晶器摩擦系数 在前文中已取结晶器的实际长度为 700mm 则结晶器有效长度为 L L 100 600mm 根据任务书给出条件知 B H 120mm 代入公式可得 3 7 3 确定动负荷 3 7 3 1 确定加速度 对于偏心轮连杆机构 其机构如图所示 令 x 为 A 点位移 2HBLF NHBLF52 29638 95 0 12 0 12 0 107 3 2 燕山大学本科生毕业设计 论文 30 图 3 3 偏心轮连杆机构 sincos rLrLx 运算后 省略 r L 高次项 L r 得 将数值代入 并取 x 的一阶导数 得 A 点的速度方程 式中 偏心轮的角速度 rad s 取 V 的一阶导数 得 A 点的加速度方程 当 180 时 当 0 时 3 7 3 2 确定偏心距 由于已确定结晶器的振幅为 A 3mm 参考图纸数据杆件长度为 L1 500mm 摇杆臂长 BC 1326mm 通过相似三角形的计算 可得如图 3 4 所示 2cos1 4 cos1 L r rx 2sin 2 sin 2sin 2 sin L r rt L r trV 30 f 2cos cos 2 L r ra 1 L r raa 1 2 L r raa 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 31 图 3 4 确定偏心距简图 由于摇杆处于水平位置时 偏心轮水平位置 即摇杆下点振动的垂直 高度只等于偏心距 e CC1 经计算得 为使结晶器能更有利于脱模运动 可以改变偏心距 即设计时 采用 双偏心距偏心振动装置 所以可以调节振幅 1 当 A 6mm 时 e 17mm e1 8 5 得 0 2 当 A 5mm 时 e 14mm e2 14 8 5 5 5mm a 8 5 5 5 2 5mm BC CC AB A1 mme176 500 1326 25 0 2 25 2 cos 燕山大学本科生毕业设计 论文 32 2 s m 75 5 调节方法 将偏心衬套旋转 104 5 以此类推 可改变振幅 下面具体计算动负荷 把已知数据代入如上述加速度公式 即 r 18mm L 700mm 得 当 时 180 当时0 所以动负荷 NamPv2377585 151500 1 式中 m1 被振动负荷的质量 m s N 2 a 振动加速度 3 7 4 估算振动机构驱动功率 由上述计算得出的数据 不难得出振动机构驱动功率 也是选择电机 的基础 vt PFQP 17836 2963 52 23775 44574 52N 式中 Q 振动台及其承载的总静负荷 N s rad f 307 29 30 28014 3 30 2 22 055 15 700 18 1 32918 00 r 1 raa s m L 2 22 85 15 700 18 1 3 29018 0 1 s m L r raa 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 33 大 kw 633 701000 28 502 544574 1000 t VP P F 结晶器摩擦阻力 N Pv 动负荷 N 驱动功率 为使振动电机能在正常负荷下启动 通常以代替上式中的 Vp 这 大 V 等于将上式乘以 1 57 工作系数 而易得 s m 28 5007 32918 00r 大 V 所以驱动功率 3 8 电机的选择 3 8 1 电机的选择应考虑的问题 选择电机应综合考虑 1 根据机械的伏在性质和生产工艺对电机的启动 制动 反转 调速等要求 选择电动机类型 2 根据负载转矩 速度变化范围和启动频繁程度等要求 考虑电 机的温升限制 过载能力和启动转矩 选择电动机功率 并确 定冷却冷却通风方式 所选电动机功率应留有余量 负荷率一 般取 0 8 0 9 过大的备用功率会使电动机效率降低 对于感应 电动机 其功率因数将变坏 并使按电动机最大转矩校验强度 的生产机械造价提高 3 根据使用场所的环境条件 如温度 湿度灰尘 雨水瓦斯以及 腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式 选择电动机的结 构形式 kw 1000 大 VP P t 燕山大学本科生毕业设计 论文 34 4 根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求 确定电动机的 电压等级和类型 5 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过滤过程性 能的要求 以及机械减速器结构的复杂过程度 选择电动机额 定转速 除此之外 选择电动机还必须符合节能要求 考虑运行可靠性 设备 的供货情况 备件的通用 安装检修的难以 以及产品价格 建设费用和 运行检修费用 生产过中前后期电动机功率变化关系等因素 3 8 2 选择电动机 由上述计算可知 振动装置的驱动功率是 33 6kw 转速是 min 280r 换算成电机的同步转速 综合以上分析选择 Y 系列 IP23 三 min 1000r 相异步电动机 选择电机 Y225M 6 工作方式为 S1 连续工作制 标准号 为 5271 1991 额定功率为 37kw 额定转速为 同步转速为 T JB min 982r 额定电流为 78 1A 效率 91 功率因素 0 87 重量为 360Kg mi r 1000 3 9 减速器的选择 3 9 1 适用范围和代号 适用范围 ZDY ZLY ZSY 型外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器 可 适用于冶金 矿山 起重运输 水泥 建筑 化工等行业 减速器高速轴转速不大于 1500r min 减速器齿轮传动圆周速度不大 于 20m s 减速器工作环境温度为 40 45 低于 0 时 启动前润滑油应 预热 主要生产厂家 第一重型机器厂 第二重型机器厂 沈阳矿山机器厂 上海冶金矿山机械厂等 3 9 2 选择减速器 选 ZDY125 3 55 即选用中心距是 125mm 传动比是 3 55 用第二 种装配形式装配的减速机 标准号位8853 2001 输入轴直径为 T JB 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 35 38mm 与孔配合为 输出直径为 55mm 与孔配合为 1 d 6 m 2 d 6 m 3 10 旋转拉伸弹簧的确定 3 10 1 结晶器振动装置的受力分析 当结晶器的振动速度向上时的受力分析当 wt 2k k 0 1 2 3 n 时 结晶器的加速度方向向上且能取得最大 值 此时 结晶器的速度方向有向上的趋势电机受力最大 因为 AC 为 2 力杆 所以结晶器惯性力的作用线和拉坯阻力的作用线相 一致 此时惯性力向下 结晶器的速度方向有向下趋势 所以有 17836 2963 52 23775 44574 52N Q 振动台及其承载的总静负荷 N F 结晶器摩擦阻力 N Pv 动负荷 N 当结晶器的振动速度向下 惯性力向上 此时 结晶器的速度方向有 向上趋势 由于惯性力的作用 此时电机受力最小 因为结晶器惯性的作 用线和拉坯阻力作用线与重力的作用线相一致 则不难得出以下公式 v PFQQ min 17836 2963 52 22500 1700N 在以下的计算中应选择拉伸弹簧来平衡多余的作用于偏心轮上的力 且需满足吊杆内始终有拉力 不只受到冲击 3 10 2 旋转拉伸弹簧的确定 3 10 2 1 旋转拉伸弹簧的位置及作用 在小方坯连铸机中 为了平衡结晶器等设备产生的惯性力及其重力 vt PFQP 燕山大学本科生毕业设计 论文 36 需要加一种装置 在本次设计中 采用了旋转拉伸弹簧作为平衡力的设备 它安装在摇杆长臂侧距离吊杆一小段距离处 旋转拉伸弹簧起贮存能力和 缓冲作用 3 10 2 2 旋转拉伸弹簧的确定 根据杠杆原理可以算出弹簧所受的初拉力及最大拉力 在此期间还须 保证吊杆受一定的拉力 其作用是防止偏心轴受到载荷冲击 吊杆中的拉 力初定为 120 千克力 则可以计算所选择的弹簧 弹簧位置及距离如下所 示 则弹簧的最大行程为 当偏心轴不转动时 摇杆处于水平位置 则弹簧的初拉力为未运动所 受的力 那未可得 1318968452 FFFGG 弹拉台 由于未运动 则 0 拉 F 13181209684523002000 弹 F 910kg N 弹 F 安装弹簧时 应安装初拉力 此时平衡重物所产生的杆力 减轻为吊 杆所产生的力 下面选择弹簧 弹簧初拉力 NF kg910 初 弹簧最大拉力 NF kg910 max 弹簧行程 25 7mm 查机械手册 选择和计算结果相符的弹簧 可得 类 最大工作负荷 1184kg 下单圈伸长量 4 753mm 弹簧中径 65mm 弹簧丝直径 16mm 单圈刚度 238 638 mm kg 单圈重量 3 19kg 第 3 章 半板簧式结晶器振动装置设计 37 燕山大学本科生毕业设计 论文 38 第四章结晶器振动装置主要零件的设计与校验 4 1 偏心轴的设计和校验 初算应满足 选用 45 钢调质处理 由参考书可知 取安全系数 n 2 2 则 因为 取 6 0 5 0 2 02 9 4 1655 0 55 0 mmkg 由上述可知 则取 d 90mm 设计偏心轴如下 3 2 0 d M W M n n n 2 36mmkg s 2 65mmkg b 2 1 30mmkg 2 4 16 2 2 36 2 2 mmkg s mm M d n 85 1002 9 2 0 788 110 2 0 3 6 3 max 第 4 章 结晶器振动装置主要零件的设计与校验 39 图 4 1 偏心轴 4 2 偏心轮