板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究1.doc
连铸机结晶器振动装置设计（全套含CAD图纸和SW三维）
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1 板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究 胡 军 宏 （ 上海宝钢研究院 前沿技术所，上海 201900） 摘要 ： 基于板坯连铸试验平台结晶器液压振动装置，检测不同振动参数下液压缸位移等参数，分析了液压缸位移偏差、相位差随振动参数的变化规律，并讨论了非正弦振动波形的特征。结果表明，液压振动装置实现的结晶器正弦 和 非正弦振动，具有较高的振动精度，显示出其在结晶器振动方面具有明显的优势。 关键词 ： 连铸 ； 结晶器 ； 液压 ； 非正弦振动 前言 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 、高效生产的关键，结晶器 振动技术是其中的重要环节。近年来，随着连铸坯热送 装 及直接轧制技术的发展，生产节奏大幅加快，要求在提高拉速的同时保证铸坯质量，对结晶器振动控制技术提出了更高的要求。 液压振动技术是近年来开发的新技术，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。国内外的应用情况表明，采用结晶器非正弦振动技术，可有效地减小铸坯与结晶器之间的摩擦力 1从而防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂， 减轻铸坯振痕 3，提高铸坯质量 4在获得优异的铸坯表面质量的前提下提高拉速，实现自动化的高效连铸生产。 结晶器振动控制的精度与稳定性是保障铸机稳定运行、安全高效生产的前提。由于液压振动装置在近年来才开始逐渐应用于国内连铸生产，研究人员在液压振动系统在线监测方面的研究起步较晚，相关的报道较少。因此，对结晶器液压振动装置进行在线 监测 ，研究其在不同振动参数下的振动特性，成为普遍关心的问题。本文基于宝钢板坯连铸试验平台，通过对液压振动系统的位移等参数进行 检测 ， 研究 了系统随振动参数变化时的振动特性，并分析 了非正弦振动波形的特点，为实际生产 中 的结晶器液压振动控制提供指导与实验基础。 1 试验条件与方法 宝钢板坯连铸试验平台及其液压振动装置 为解决板坯铸机生产过程中存在的质量、技术、设备等问题，借鉴国内外连铸技术研究先进经验，宝钢与西安重型机械研究所等单位合作，设计并制造了国内第 1 台多功能板坯连铸机试验平台。可兼顾板坯、薄板坯的连铸试验，同时还设定了表面温度检测、结晶器摩擦力检测、结晶器瞬时热流检测和二冷区 大（轻）压下的 力检测等功能，可满足不同功能的试验要求，为开发板坯连铸新工艺及新技术等提供了多 功能的 试验 平台 6。 试验平台采用结晶器液压振动 技术 ， 振动装置 参数见表 1，是国内首次设计并制造的基于板坯连铸机的结晶器液压振动系统。该振 动装置由布置于两侧完全对称的两套独立振动体组成。振动体主体两侧设有双层结构的板弹簧导向机构，其下方中部设有油缸驱动装置，前后侧设有缓冲弹簧装置 ，左右侧各设一 振动限位座 用于机械保护 7。 2 表 1 液压振动系统主要参数 序号 项目 参数 1 振动形式 伺服 液压缸驱动式 2 液压缸数量 2 3 振动曲线 正弦、非正弦 4 最大振幅 5 最大振频 400 次 /验方法 两侧液压缸 上 均设有 内置式位移传感器，每个液压缸上下两腔均设有 压力传感器，以用于系统的反馈与控制。主控室的计算机 向 送振动参数设定指令 （ 可 同时设定振幅 、 频率 和波形偏斜角度 ） ， 统的高速动态控制模块接收振动参数， 生成 振动 曲线，并 与现场反馈 的压力信号和 位移 信号 比较，进行控制运算，输出控制指令调节 伺服阀 阀芯动作，从而 控制液压缸按设定的波形和 振动 参数进行振动。 制系统以 1000 采样 频率 获得 两侧液压缸的位移 信号 和工作压力信号，并将信号传输至 计算机检测系统 进行计算处 理 ，以考察不同振动参数下两侧液压缸的瞬态振动特征。 2 检测结果与分析 波形失真率检测 通过测试两侧液压缸位移随时间变化的关系来分析波形的失真率。图 1 是正弦振动方式下 不同振动参数时两侧实际位移与理论位移的比较。图 1（ a）上面曲线是 振频 f 为 75 次 /振幅 h 为 2左右两侧的 实测曲线， 最大位移分别为 1（ b）上面曲线是 振频 f 为 160 次 /振幅h 为 5左右两侧的 实测曲线， 最大位移均为 为清晰起见，将图 1（ a），（ b）中左右两侧纵坐标设置稍作区 分，将右侧位移曲线下移。从图中可以看出，两侧位移曲线基本重合，且 测试的波形曲线与理论计算的波形图吻合较好 ，在正常工作范围内，振幅及振频的变化不会 造成 振动波形 的明显 失真，测试证明振动系统 具有较高的振 动 精度。 两侧 液压缸位移 偏差 对两侧液压缸振动偏 差 和相位差的检测与计算，可随时反映板坯连铸机的运图 1 两侧实际位移与理论位移比较 (a) f=75 次 /h=22 间 /s 1 0 1 2 理论位移/侧位移/右侧 侧位移/mm(b) f=160 次 /h=56 2 0 2 4 理论位移/。 通过分析，可了解两侧液压缸振动随振动参数而改变的规律并可判断液压系统工作状态、导向系统偏差等设备 实际运行状况 。 图 2及图 3分别 给出了 h 同 设定值， 5次 /00次 / 在 一个振动周期内两侧液压缸位移的平均偏差及最大偏差的 变化规律。由图中可以看出， 在测试范围内任意振频和振幅组合下，两侧位移的平均偏差 均小于 20 m。随着振频增大，两侧 最大 瞬时 偏差 在 大 趋势较为显著。一般规律是，随着振幅和 振频 乘积 的增大，平均偏差与最大偏差呈上升趋势 ，因此为了得 到好的两侧动态偏差精度，应考虑按振幅和 振频 乘积值分段进行控制系统参数整定 。 两侧 相位差 计算与分析 相位差是将检测到的两侧位移之间过零点的时间差 ， 换算成 对应 频率下的相位差。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 ， 还可以用于分析结晶器及振动台的振型 7。 本文采用两侧液压缸位移信号过零点判别法计算相位差。 603 60 tS (1) 式中 ， 为 相位差 ， ； 右两侧 液压缸 中的一侧 位移 先到达 零点 为基振频 /次 /均偏差/m 图 2 两侧位移平均偏差随振频变化规律 60 80 100 120 140 160 180 200 220 6 8 10 12 14 16 18 20 0.5 1.0 .5 2.0 .5 .0 大偏差/m 振频 /次 / 3 两侧位移最大偏差随振频变化规律 60 80 100 120 140 160 180 200 220 20 30 40 50 60 70 80 90 0.5 1.0 .5 2.0 .5 .0 4 准起算，另一侧滞后到达零点 的采样点数； t 采样间隔 ， s； T 振动周期 ，s； f 为 振动频率 ，次 / 相位差 检测 与计算 结果 见表 2， 相位差随振频 和振幅乘积 的增高 呈 增大 的趋势 。 测试范围内，偏斜度（非正弦波形相对于正弦波形的偏斜角度，本系统设计的偏斜度范围为 0 40） 对相位差的影响不大。振频与振 幅相同时，在将分别设定为 5和 40时，两种情况下相位差基本不变。 表 2 不同振动参数下两侧相位差检测结果 序号 振动参数 相位差 /o 振频 /（ 次 / 振幅 /斜度 /o 1 75 100 120 150 175 200 160 120 120 0 同 偏斜度 下位移与速度波形特征 在某一固定振幅和振频下， 偏斜角度 分别为 10 ， 20 ， 30 ， 40 时 的位移与速度实测曲线见图 4与图 5。在相同的振幅下，随着偏斜角度的增加，负滑动时间减小；在相同的振动频率下，随波形偏斜率增加，非正弦振动的负滑动时间也减少。与正弦振动方式相比， 非正弦振动有利于降低 正滑脱期间结晶器与初始凝固坯壳之间的相对运动速度，从而降低正滑动期间因结晶器摩擦阻力造成的初始凝壳的拉应力；增加负滑脱期间内结晶器与铸坯的相对运动速度，增大了能使坯壳裂纹愈合的压应力 ，有利于铸坯脱模，从而可以获得更好的铸坯表面质量 。试验中 非正弦振动波形位移曲线连续、速度曲线平滑、加速度曲线变化连续，振动平稳，对结晶器振动机构的冲击 较小 ，有利于设备的正常运转。 30 时间 /s 位移/ 不同非正弦参数下位移波形变化规律 2 1 2 10 20 40 5 液压缸输出力 振动系统沿铸流中心线左右对称，负载质量及作用力等在理论上被平均地分配给左右两侧液压缸，以保证两侧液压缸运动时的同步性。但在实际运行中由双缸作用构成的系统会出现两侧失步的情况。因此，试验中同时对两侧液压缸的压力进行检测，并根据液压缸作用面积计算实际 输出力，观察两侧输出力的变化情况，以分析系统实际运行时的受力情况。数据分析时，引入相关性并采用相关系数来评价他们的相似程度，其定义如下： )()()( （ 2） 式中，中 i 1， 2， ,n 为采样点； x 和 y 为两侧输 出力的平均值；相关系数，如两组数据不存在明显的关系，则近于 0，反之，当近 1 时，则表明两组数据关系密切，变化趋于一致。图 6（ a），（ b）分别为正弦及非正弦振动条件下，左右两侧液压缸输出力与速度的变化情况。左右两侧输出力曲线趋势相同但略有差异，是由于振动左、右两侧非完全对称造成的。但从图中可以看出，左右两侧液压缸输出力的趋势基本一致，相关系数分别为 有相似的变化规律。两侧负载力分担与传递比较均匀，是同步性调节比较容易的重要原因。 图 5 不同非正弦参数下速度波形变化规律 时间 /s 速度/（m/s）0 20 30 40 6 3 结论 本文以板坯连铸试验平台结晶器振动状态实测数据为基础，分析了液压缸位移偏差、相位差等随振动参数的变化规律，并讨论了非正弦振动波形的特点 ，得到如下结论。 （ 1） 在正常工作范围内，结晶器液压振动装置两侧液压缸实测位移与理论 位移曲线符合较好，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； （ 2） 两侧液压缸的位移偏差随振频及振幅的增高呈上升趋势，相位 差随振 频的增高而增大 ； （ 3） 在相同的振幅及振频下，采用非正弦振动有利于提高拉速及改善铸坯 表面质量； （ 4） 系统的 振动位移与速度曲线波形连续、光滑，对振动机构造成的冲击 较小 。两侧液压缸输出力及位移同步性好，系统运行平稳，可靠性高。 2 36 40 44 速度m/s 时间 /s 速度 液压缸输出力/右侧 相关系数 a) f=150 次 /h=4 6 左右两侧液压缸输出力与速度的变化 (b) f=120 次 /h=4=10 时间 /s 2 36 40 44 速度 左侧 右侧 度m/s 液压缸输出力/ 7 参考文献 ： 1王子亮 ,郭世宝 ,王广林 ，等 . 非正弦振动在板坯连铸机上的应用 J. 钢铁 , 2005, 40(1): 312干 勇 , 陈栋梁 ,杨文改， 等 . 连铸结晶器瞬态摩擦阻力的实验研究 J. 钢铁 , 1999, 34(4): 163. of in
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