CN104550793B - 电动式板坯结晶器非正弦驱动装置 - Google Patents
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Abstract
一种电动式板坯结晶器非正弦驱动装置，包括变频电机、减速齿轮箱、两个相同的变速齿轮箱、轴承座、偏心轴和连杆，减速齿轮箱由一对蜗杆蜗轮和输出轴A组成，蜗杆与变频电机连接，蜗轮上的输出轴A从减速齿轮箱两侧伸出并与变速齿轮箱的输入轴B相连；变速齿轮箱由输入轴B、输出轴B和一对回转轴垂直的相互啮合封闭空间非圆齿轮副组成；输入轴B和输出轴B与非圆齿轮副连接，每个变速齿轮箱中的输出轴B与各自的偏心轴连接，偏心轴上安装一对轴承座，在偏心轴上铰接一根连杆，在连杆顶端设有安装孔；两个变速齿轮箱和两根偏心轴以变频电机的轴线为中心对称设置，且两根偏心轴平行对称。本发明具有可在线调整、制造维护成本低、同步性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续铸造领域，特别是涉及一种板坯结晶器的非正弦驱动装置。
背景技术
连续铸钢具有节约能源、大幅提高金属收得率和铸坯质量的显著优势，已成为目前钢铁生产的核心环节。在钢水浇注到结晶器的过程中，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，从而防止结晶器与新生坯壳之间发生粘结而导致的漏钢事故。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，结晶器的振动速度波形从最初的矩形波、梯形波发展到正弦波和非正弦波，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，维护简单的先进非正弦驱动装备一直是国内外工程界研究的热点问题。
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。液压式驱动系统由液压缸，伺服阀和液压站组成，液压缸直接与结晶器振动台相连。通过伺服控制，液压缸按给定规律伸缩运动，从而驱动结晶器实现非正弦振动。对于如方坯，圆坯等小结晶器振动台，采用单缸驱动；对于大板坯结晶器振动台，采用双缸驱动，两个液压缸分布在振动台两侧，通过复杂伺服控制实现两缸同步非正弦振动。液压式非正弦驱动装置虽然可以方便的产生各种振动规律，实现振幅、频率和波形的在线调整与监控，有利于连铸生产的自动化控制。但 其建造、运行及维护成本高昂，另外，工作中由于液压油中的杂质堵塞伺服阀会导致液压缸出现偷停现象，严重时会引起漏钢事故，而且对于板坯结晶器驱动系统来说，双缸的同步控制复杂且效果较差。
相比较而言，电动式驱动系统具有成本较低、设备维护方便、无污染等优点。现有技术中，电动式非正弦驱动系统主要有以下几种：如田志恒等人在2004年《钢铁》，39(增刊)：623-629文中，采用伺服电动缸直接驱动结晶器振动台非正弦振动，伺服电动缸由伺服电机和滚柱丝杠组成，可实现结晶器振幅，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也难以与液压缸或曲柄机构相媲美，对于大板坯连铸机，往往采用四个电动缸分布在振动台四个角上同时驱动结晶器振动，但其同步精度不易保证。
再有，公开号为CN 1654142 A的中国专利，公开了由伺服电机、减速器和偏心轴连杆机构组成的结晶器非正弦驱动系统，连杆机构与结晶器振动台铰接，此时伺服电机单向变速转动，通过减速器将变角速度传给偏心轴连杆机构，从而驱动结晶器振动台非正弦振动，其波形和频率在线可调，振幅则需停机调整，但是该驱动系统用于小方坯结晶器等单侧驱动的场合。
再如公开号为CN 101920320 A的中国专利公开了直驱电机与偏心轴连杆机构组成的驱动系统，在结构上与公开号CN 1654142 A的专利相比省去了减速器，最大限度地简化了驱动机构，但驱动功率有限，振幅同样无法在线调整，该系统用于结晶器单侧驱动的场合。
综上所述，电动式非正弦驱动装置具有成本低，维护方便，无环境污染等突出优点，因此在结晶器单侧驱动场合得到了广泛的应用。但是，由于目前的电动式驱动装置自身功率，传动结构和控制等因素的限制，在结晶器双侧非正弦驱动场合，尤其是大板坯结晶器上，电动式并没有得到实际应用，现场几乎全部采用了液压式驱动装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种不需伺服控制、可使板坯结晶器实现双侧同步且精确的非正弦振动的电动式板坯结晶器非正弦驱动装置。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括变频电机、减速齿轮箱、两个变速齿轮箱、轴承座、偏心轴和连杆，减速齿轮箱和两个完全相同的变速齿轮箱连接组成齿轮传动机构；所述减速齿轮箱由一对蜗杆蜗轮和输出轴A组成，蜗杆与变频电机通过联轴器连接，蜗轮上的输出轴A从减速齿轮箱两侧伸出，蜗杆与输出轴A垂直；所述变速齿轮箱由输入轴B、输出轴B和一对回转轴垂直的相互啮合封闭空间非圆齿轮副组成；输入轴B和输出轴B与非圆齿轮副连接，每个变速齿轮箱中的输入轴B另一端与减速齿轮箱的输出轴A通过联轴器连接，每个变速齿轮箱中的输出轴B均通过联轴器与各自的偏心轴连接，偏心轴上安装一对轴承座，在偏心轴上铰接一根连杆，在连杆顶端设有安装孔；两个变速齿轮箱和两根偏心轴以变频电机的轴线为中心对称设置，且两根偏心轴平行对称。
所述减速齿轮箱为一级蜗轮蜗杆减速箱或者一级圆锥齿轮减速箱或者二级 蜗杆齿轮减速箱或者二级圆锥齿轮减速箱。
所述变速齿轮箱中的一对回转轴垂直的封闭空间非圆齿轮副可由椭圆锥齿轮副组成，或由变性椭圆锥齿轮副组成，或由平面非圆齿轮和共轭面齿轮组成，且传动比在0.5～2.5之间。
所述变速齿轮箱中的一对封闭空间非圆齿轮副的从动轮旋转一周，其角速度变化周期为1。
所述变速齿轮箱中的空间非圆齿轮副的从动轮角速度最大时，偏心轴的回转中心与几何中心的连线与水平面平行。
所述连杆安装在偏心轴上两个轴承座的中间位置，且两根偏心轴上的连杆位置相同。
为了使结晶器上升或下降过程中的速度关于中点位置对称，选取变速齿轮箱中的空间非圆齿轮的传动比为对称函数。
工作过程大致如下：
当变频电机旋转时，输出匀速角速度，动力通过减速齿轮箱和变速齿轮箱后，偏心轴获得的角速度是随其转角变化的，变速齿轮箱输出角速度最大时，偏心轴偏心距所在直线与水平面平行，则在给偏心轴变化角速度输入的前提下，偏心轴连杆机构可驱动板坯结晶器实现非正弦振动。调整变频电机的频率，控制其输出角速度，可在线调整结晶器振动频率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、非正弦驱动规律由空间非圆齿轮与偏心轴连杆共同实现，不需复杂的伺 服控制，相对伺服电动缸驱动和电液伺服驱动，其设计难度、制造和维护成本大大降低，运行中不会产生液压油导致的环境污染。
2、不受外界电磁干扰的影响，可长期保证稳定可靠的非正弦波形，同步性精度高，极大地降低了设备电控部分的难度与成本。
附图说明
图1是本发明的装配图。
图2是本发明的俯视图。
图3是本发明中空间非圆齿轮传动比曲线图。
图4是本发明中平面非圆齿轮主视图。
图5是本发明中的共轭面齿轮。
图6是本发明中平面非圆齿轮与共轭面齿轮的装配图。
图7是本发明与结晶器振动台连接后的主视图。
图8是本发明中偏心轴连杆与结晶器振动台机构简图。
图9是本发明中结晶器振动台的非正弦速度波形图。
附图标号：1-变频电机、2-减速齿轮箱、3-变速齿轮箱、4-轴承座、5-连杆、6-偏心轴、7-平面非圆齿轮、8-与平面非圆齿轮共轭的面齿轮、9-结晶器振动台、10-导向板簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1、图2所示，本发明主要包括变频电机1、减速齿轮箱2、两个变速 齿轮箱3、轴承座4、偏心轴6和连杆5，减速齿轮箱和两个完全相同的变速齿轮箱连接组成齿轮传动机构；所述减速齿轮箱由一对蜗杆蜗轮和输出轴A组成，减速比为6，蜗杆与变频电机通过联轴器连接，蜗轮上的输出轴A从减速齿轮箱两侧伸出，蜗杆与输出轴A垂直；所述变速齿轮箱由输入轴B、输出轴B和一对回转轴垂直的相互啮合封闭空间非圆齿轮副组成；输入轴B和输出轴B与非圆齿轮副连接，每个变速齿轮箱中的输入轴B另一端与减速齿轮箱的输出轴A通过联轴器连接，每个变速齿轮箱中的输出轴B均通过联轴器与各自的偏心轴连接，偏心轴上安装一对轴承座，在偏心轴上铰接一根连杆，在连杆顶端设有安装孔；两个变速齿轮箱和两根偏心轴以变频电机的轴线为中心对称设置，且两根偏心轴平行对称。
所述减速齿轮箱为一级蜗轮蜗杆减速箱或者一级圆锥齿轮减速箱或者二级蜗杆齿轮减速箱或者二级圆锥齿轮减速箱。
所述变速齿轮箱中的一对回转轴垂直的封闭空间非圆齿轮副可由椭圆锥齿轮副组成，或由变性椭圆锥齿轮副组成，或由平面非圆齿轮7和共轭面齿轮8组成，且传动比在0.5～2.5之间。
所述变速齿轮箱中的一对封闭空间非圆齿轮副的从动轮旋转一周，其角速度变化周期为1。
所述变速齿轮箱中的空间非圆齿轮副的从动轮角速度最大时，偏心轴的回转中心与几何中心的连线与水平面平行。
所述连杆安装在偏心轴上两个轴承座的中间位置，且两根偏心轴上的连杆 位置相同。
为了使结晶器上升或下降过程中的速度关于中点位置对称，选取变速齿轮箱中的空间非圆齿轮的传动比为对称函数。
当变频电机旋转时，输出匀速角速度，动力通过减速齿轮箱和变速齿轮箱后，偏心轴获得的角速度是随其转角变化的，变速齿轮箱输出角速度最大时，偏心轴偏心距所在直线与水平面平行，则在给偏心轴变化角速度输入的前提下，偏心轴连杆机构可驱动板坯结晶器实现非正弦振动。偏心轴连杆的输出端的速度公式为：
式中，n为电机转速(min-1)，i1为减速齿轮箱的减速比，为空间非圆齿轮转角(rad)，为空间非圆齿轮的传动比，e为偏心轴的偏心距(mm)，v为连杆输出端的速度，同时也是结晶器振动台的速度(m/min)。
实施例1：变速齿轮箱由一个平面非圆齿轮和共轭面齿轮组成空间非圆齿轮副。
设计或选用空间非圆齿轮时要考虑以下三个条件：
(1)结晶器非正弦波形的周期与其上下往复运动一次的时间相同，而空间非圆齿轮副中的从动轮旋转一周的时间正好与结晶器运动周期相同，因此从动轮旋转一周，空间非圆齿轮副传动比变化的周期数为1，也就是说从动轮的节曲线只能是单周期的。
(2)考虑非正弦振动工艺要求和设备动力学特性两个因素，空间非圆齿轮 的传动比应大于0.5，小于2.5。
(3)为了使结晶器上升或下降过程中的速度关于中点位置对称，选取的空间非圆齿轮的传动比为对称函数。
同时满足上述三个条件的空间非圆齿轮能够实现较好工艺效果的非正弦波形。
平面非圆齿轮的节曲线为：其中为平面非圆齿轮的转角，相应的共轭面齿轮的节曲线方程为
令平面非圆齿轮为从动轮，与其共轭的面齿轮为主动轮，则传动比i2为
式中：ω7——平面非圆齿轮的角速度(rad/s)，ω8——面齿轮的角速度(rad/s)。则空间非圆齿轮的传动比曲线如图3所示。
根据节曲线公式可得到图4中的平面非圆齿轮，图5中的面齿轮，以及图6中的平面非圆齿轮与面齿轮的装配图，其中面齿轮固定在变速齿轮箱的输入轴上，非圆齿轮固定在变速齿轮箱的输出轴上，两对空间非圆齿轮关于变频电机的轴线对称布置，变速齿轮箱的输出轴与电机轴平行并且伸出方向相同。
变速齿轮箱的输出轴与偏心轴固定连接，偏心轴由两个轴承座支撑，在两个轴承座的中部，每根偏心轴上铰接一根连杆，两根偏心轴和连杆的尺寸完全相同，连杆的另一端有安装孔，与结晶器振动台9底部铰接，如图7所示。振 动台上安装有导向板簧10，通过布置导向板簧的位置，可以控制结晶器振动台的运行轨迹，本发明的驱动装置为振动台的运动提供动力。
当电机旋转后，图7中一侧偏心轴连杆机构与结晶器振动台的机构简图可等效成曲柄滑块机构，如图8所示，偏心轴的偏心距为曲柄OB的长度，曲柄OB逆时针旋转，连杆的工作长度与连杆BC的相等，结晶器振动台简化成滑块，x轴与水平面平行。当图4中从动轮的节曲线在最短轴OA处啮合时，从动轮的转速最大，为了实现较好的非正弦波形，此时图8中曲柄OA应保证与x轴的负半轴重合，则本实施例中结晶器振动台的速度函数为
其中偏心距e＝4.5mm，两侧偏心轴与连杆组成的机构完全相同，结晶器整体的运动速度与上式相同。当变频电机转速分别取时1500min-1，1200min-1和1000min-1，结晶器的非正弦速度波形如图9所示。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种电动式板坯结晶器非正弦驱动装置，主要包括变频电机、减速齿轮箱、两个变速齿轮箱、轴承座、偏心轴和连杆，其特征在于：减速齿轮箱和两个完全相同的变速齿轮箱连接组成齿轮传动机构；所述减速齿轮箱由一对蜗杆蜗轮和输出轴A组成，蜗杆与变频电机通过联轴器连接，蜗轮上的输出轴A从减速齿轮箱两侧伸出，蜗杆与输出轴A垂直；所述变速齿轮箱由输入轴B、输出轴B和一对回转轴垂直的相互啮合封闭空间非圆齿轮副组成；输入轴B和输出轴B与非圆齿轮副连接，每个变速齿轮箱中的输入轴B另一端与减速齿轮箱的输出轴A通过联轴器连接，每个变速齿轮箱中的输出轴B均通过联轴器与各自的偏心轴连接，偏心轴上安装一对轴承座，在偏心轴上铰接一根连杆，在连杆顶端设有安装孔；两个变速齿轮箱和两根偏心轴以变频电机的轴线为中心对称设置，且两根偏心轴平行对称。
2.根据权利要求1所述的电动式板坯结晶器非正弦驱动装置，其特征在于：所述变速齿轮箱中的一对回转轴垂直的封闭空间非圆齿轮副可由椭圆锥齿轮副组成，或由变性椭圆锥齿轮副组成，或由平面非圆齿轮和共轭面齿轮组成，且传动比均在0.5～2.5之间。
3.根据权利要求1或2所述的电动式板坯结晶器非正弦驱动装置，其特征在于：所述变速齿轮箱中的一对封闭空间非圆齿轮副的从动轮旋转一周，其角速度变化周期为1。
4.根据权利要求1或3所述的电动式板坯结晶器非正弦驱动装置，其特征在于：所述变速齿轮箱中的空间非圆齿轮副的从动轮角速度最大时，偏心轴的回转中心与几何中心的连线与水平面平行。
5.根据权利要求1所述的电动式板坯结晶器非正弦驱动装置，其特征在于：所述连杆安装在偏心轴上两个轴承座的中间位置，且两根偏心轴上的连杆位置相同。
6.根据权利要求1所述的电动式板坯结晶器非正弦驱动装置，其特征在于：所述变速齿轮箱中的空间非圆齿轮副的传动比为对称函数。
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