CN102120254B

CN102120254B - 直接驱动结晶器振动发生装置

Info

Publication number: CN102120254B
Application number: CN 201010027240
Authority: CN
Inventors: 刘和兴; 曹铁军
Original assignee: Shanghai Metallurgy & Continuous Casting Technologies Co Ltd
Current assignee: Shanghai Metallurgy & Continuous Casting Technologies Co Ltd
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: CN102120254A

Abstract

本发明公开了一种直接驱动结晶器振动发生装置，包括振动台，所述振动台连接有连杆，所述连杆连接到一个直线电机，由该直线电机驱动连杆带动所述振动台运动，所述直线电机连接到一个控制部件，由所述控制部件控制直线电机的运动方式。所述控制部件控制所述振动台进行非正弦振动，其振动的公式为：

其中，T为振动周期，t_A为上升半周期，t_C为下降周期，f为频率，t为时间，h为振幅，α为偏斜率。本发明传动系统简化、结构紧凑，不须改变目前传统型机械式结晶器振动装置的其他机械结构；直接驱动电机上下运转，使用寿命延长；整体结构具有承载力大、抗冲击力强、可靠性高等优点。

Description

直接驱动结晶器振动发生装置

技术领域

本发明涉及一种冶金连铸用的结晶器振动发生装置，尤其是一种直接驱动结晶器振动发生装置。

背景技术

结晶器振动是连续铸钢的核心技术之一，而它的发生装置是结晶器振动的心脏部件，多年来一直是连铸工作者的研究对象。尤其是近年来，结晶器逐步流行非正弦振动的形式。由于该项技术对提高拉坯速度、改善铸坯质量等方面具有明显效果，结晶器振动机构的发生装置更是成了专业人士的研究焦点，由此行业里出现了多种能实现非正弦振动的结晶器振动发生装置。要实现非正弦振动，其发生装置，必须是带有可程序控制的运动控制系统。目前，在连铸行业结晶器振动上的发生装置大致有以下几种：

1.普遍使用的机械驱动正弦振动发生装置，即由交流异步电动机、减速机和偏心轴等部件组成的最传统的振动发生装置。这种振动发生装置结构简单，运转可靠，连铸中使用面广量大，但是由于只能做正弦振动，不能做非正弦振动，拉坯速度、铸坯的表面质量得不到进一步提高，已经越来越不能满足现代连铸的工艺要求。

2.机械驱动非正弦振动发生装置，即在上述机械驱动的装置结构中再附加一个能产生非正弦振动的机械传动装置，如非圆齿轮或反平行四边形机构等等。这种机械驱动非正弦振动发生装置，由于在传统的机械驱动中，又增加了一道传动环节，使驱动结构体积增大，结构复杂了，而且降低了结晶器振动的平稳性和运动的精度，单一的运动波形又不能在线调节，所以应用价值不大。

3.伺服液压缸驱动的结晶器振动发生装置。

4.伺服电动缸驱动的结晶器振动发生装置。

第3种伺服液压缸和第4种伺服电动缸驱动的结晶器振动发生装置，其驱动形式可程序控制，都能实现非正弦振动，并能根据要求在线调节，这两种发生装置，是目前推行结晶器非正弦振动的主要形式。但是，在实际应用中，伺服液压缸存在着系统复杂、维修量大、投入价高的缺点；伺服电动缸存在的缺点是，结晶器的上下振动，是靠伺服电机的频繁正转、反转实现的，而结晶器振动台的质量较大，这种频繁的正反转，不可避免的给结晶器振动的位移、速度等曲线的响应速度和跟踪精度带来影响，所以，对振动台的设计必须符合一定的要求，这样，在推广应用中就受到某些限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种直接驱动结晶器振动发生装置，能够具有结构简单紧凑，使用寿命延长，承载力大，抗冲击力强，可靠性高的特点。

为解决上述技术问题，本发明直接驱动结晶器振动发生装置的技术方案是，包括振动台，所述振动台连接有连杆，所述连杆连接到一个直线电机，由该直线电机驱动连杆带动所述所述振动台运动，所述直线电机连接到一个控制部件，由所述控制部件控制直线电机的运动方式。

所述控制部件控制所述直接驱动结晶器振动发生装置进行非正弦振动，其振动的公式为：

H (t) = \{\begin{matrix} ht \sin (\frac{π}{π + 2 α} 2 πf) & 0 \leq t \leq t_{A} \\ h (t - t_{A}) \cos (\frac{π}{π - 2 α} 2 πf) & t_{A} \leq t \leq t_{C} \\ h (t - t_{C}) \cos (\frac{π}{π + 2 α} 2 πf) & t_{C} \leq t \leq T \end{matrix}

其中，T为振动周期，t_A为上升半周期，t_C为下降周期，f为频率，t为时间，h为振幅，α为偏斜率。

本发明使得结晶器传动系统简化、结构紧凑，不须改变目前传统型机械式结晶器振动装置的其他机械结构；直线电机上下运转，使用寿命延长；整体结构具有承载力大、抗冲击力强、可靠性高等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明直接驱动结晶器振动发生装置的机械结构示意图；

图2为本发明直接驱动结晶器振动发生装置的控制结构示意图；

图3为传统的正弦振动曲线与本发明实现的非正弦振动曲线相比较的曲线图。

图中附图标记为，1.结晶器振动臂；2.关节轴承；3.振动连杆；4.轴连接器；5.电机输出轴；6.直线电机；7.振动平台。

具体实施方式

本发明公开了一种直接驱动结晶器振动发生装置，包括振动台，所述振动台连接有连杆，所述连杆连接到一个直线电机，由该直线电机驱动连杆带动所述所述振动台运动，所述直线电机连接到一个控制部件，由所述控制部件控制直线电机的运动方式。所述直线电机采用低速、大扭矩的直线电机。

所述连杆连接一台直线电机。或者，所述连杆也可以连接同步并行的多台直线电机，从而增加承载力。

现有的结晶器振动装置均采用交流异步电机作为驱动电机，异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场。因此，转子的转速一定是小于同步速的。没有这个差值，即转差率，就没有转子感应电流，也因此叫做异步电机。交流异步电机转速高，调速性能好，但其输出扭矩小，必须通过减速机构才能够驱动负载。同时由于异步电机的转差率是由电机的制造工艺决定，其离散性很大，并且负载的变化直接影响电机的转速，很难实现精确的高速运动控制。

现有的机械式连铸结晶器振动发生装置由于减速机构的存在，需要通过连轴器的部件将电动机连接到减速机构上，通过减速机构降低转速，提高扭矩，然后驱动偏心轴转动。如果只是进行正弦振动，只要偏心轴匀速转动就可以，现有的机械式连铸结晶器振动发生装置是能够完成的，但是对于非正弦振动，需要偏心轴作变速转动，并且速度变化的频率非常高，而现有的机械式连铸结晶器振动发生装置中，由于减速机构中的齿轮相互之间会存在配合上的余量，并且减速机构中齿轮会有惯性，这会导致电动机无法精确的驱动偏心轴进行预期的非正弦振动，具体来说会存在以下问题：

1.非正弦振动意味着振动台在同一运动周期内需要不同的上振速度和下振速度，这就需要传动机构在同一运动周期内实现加、减速运动，因此在运动过程中势必产生较大的动态势能。这种动态势能会对机械传动装置产生较大的冲击和摩擦，尤其对于高速旋转的减速装置是难以承受这样的冲击和摩擦的。

2.受限于偏心轴的机械形状，交流异步电动机+减速机+偏心轴的驱动结构只能实现一定振幅下的振动，只能够通过人工手动调整偏心轮的偏心轴套实现振幅的调整，无法在线实时调整振幅。

3.非正弦运动需要高精度、高动态响应的控制，而机械传动装置存在的加工误差无法实现高精度高动态响应控制。

本发明提供了一种直线电机控制的连铸结晶器非正弦振动发生装置。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛.磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台之间的机械传动环节，因而这种传动方式又被称为″零传动″。正是由于这种″零传动″方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。因此这种发生装置，能够进行包括正弦或非正弦振动在内的多种振动方式，能够在线调节它的振动波形。并且弥补了现有非正弦振动发生装置存在的不足，传动系统简化、结构紧凑，不须改变目前传统型机械式结晶器振动装置的其他机械结构，而且具有承载力大、抗冲击力强、可靠性高等优点。

本发明提供了直线电机驱动结晶器振动发生装置，包括机械传动和电气控制两部分。

机械传动如图1所示，所述直线电机6固定在安装支座7上，所述直线电机输出轴5与所述连杆3实现刚性连接。所述连杆3的两端都设有轴承孔2，4；所述连杆3的另一端轴承孔2与所述振动台1连接。

电气控制如图2所示：所述直线电机3由所述驱动放大器2驱动，所述驱动放大器2通过网络连接可编程序控制器(PCC)1。所述可编程序控制器(PCC)1通过预先编程在内的结晶器振动模型计算出电机控制指令并将控制指令通过网络传递驱动放大器。所述驱动放大器2接收控制指令，驱动直线电机按照控制指令运转。

本发明还提供了一种采用上述直接驱动结晶器振动发生装置实现的非正弦振动方法，其技术方案是，所述控制部件控制所述直接驱动结晶器振动发生装置进行非正弦振动，其振动的公式为：

H (t) = \{\begin{matrix} ht \sin (\frac{π}{π + 2 α} 2 πf) & 0 \leq t \leq t_{A} \\ h (t - t_{A}) \cos (\frac{π}{π - 2 α} 2 πf) & t_{A} \leq t \leq t_{C} \\ h (t - t_{C}) \cos (\frac{π}{π + 2 α} 2 πf) & t_{C} \leq t \leq T \end{matrix}

结晶器振动是连续铸钢的核心技术之一，而它的发生装置是结晶器振动的心脏部件，多年来一直是连铸工作者的研究对象。随着对高速连铸无缺陷铸坯技术研究的不断深入及广泛应用，现代轧制工艺对铸坯表面质量要求越来越高。近年来研究表明，铸坯表面振痕深度与负脱滑时间成增函数关系，保护渣消耗量与正脱滑时间成增函数关系。这样为了取得良好的振动工艺效果，希望上振时间长、速度慢，下振时间短、速度快。很显然，传统的正弦曲线不能满足这一工艺要求，只有通过有不同的上振曲线和下振曲线相结合的非正弦曲线振动才能够实现。通过图3我们可以看到，曲线A为标准的正弦曲线，其上振周期与其下振周期是完全相等的；曲线B则为通过本发明实现的非正弦曲线，上振周期长，下振周期短，上振周期相对下振周期偏斜了角度α。

本发明结晶器振动发生装置中，包括一个直线电机和一个驱动放大器，以及指导其动作的控制程序。所采用的直线电机是一种低速、大扭矩的直线电机，它不需要通过减速机构，就可以直接与负载刚性连接，在本技术方案里，它可以不需要减速机和联轴器，直接和振动台连接，就组成了一个完整的传动链，通过连杆，直线电机带动振动台转换成了上下振动。直线电机上下行走一次，振动台就完成一个振动周期。上位机采用PPC实现控制，PPC支持C和VB等高级语言编程，程序最小中断时间小于1.6ms，可以实现复杂的数学模型。上位机按照现代连铸工艺的要求编制运动程序模式，发出不同形式的信号进行调整，对所述直接驱动旋转电机的运转进行控制。本发明结晶器振动发生装置技术特点如下：

1.高速响应：由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动装置，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.高精度：直线驱动系统取消了由于机械传动机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高：由于″直接驱动″，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短：由于上述″零传动″的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g(g＝9.8m/s2)，而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5.效率高：由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高

6.工作安全可靠、寿命长：由于无中间传动环节，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，维修简便，工作安全可靠、寿命长。

综上所述，本发明传动系统简化、结构紧凑，不须改变目前传统型机械式结晶器振动装置的其他机械结构；直接驱动电机上下运转，使用寿命延长；整体结构具有承载力大、抗冲击力强、可靠性高等优点。

Claims

1.一种直接驱动结晶器振动发生装置，包括振动台，所述振动台连接有连杆，其特征在于，所述连杆连接到直线电机，由所述直线电机驱动连杆带动所述振动台运动，所述直线电机连接到一个控制部件，由所述控制部件控制直线电机的运动方式；

所述控制部件控制所述振动台进行非正弦振动，其振动的公式为：

H (t) = \{\begin{matrix} ht \sin (\frac{π}{π + 2 α} 2 πf) & 0 \leq t \leq t_{A} \\ h (t - t_{A}) \cos (\frac{π}{π - 2 α} 2 πf) & t_{A} \leq t \leq t_{C} \\ h (t - t_{C}) \cos (\frac{π}{π + 2 α} 2 πf) & t_{C} \leq t \leq T \end{matrix}

2.根据权利要求1所述的直接驱动结晶器振动发生装置，其特征在于，所述连杆连接一台直线电机。

3.根据权利要求1所述的直接驱动结晶器振动发生装置，其特征在于，所述连杆连接同步并行的多台直线电机。

4.根据权利要求1所述的直接驱动结晶器振动发生装置，其特征在于，所述直线电机采用低速、大扭矩的直线电机。