CN105290349A - 连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置，本发明主要包括两个相同的波形发生器和一个结晶器振动台，固定框架内设有振动框架，振动框架的两个窄面每侧至少设两根导向板簧，该导向板簧的两端与固定框架分别相连，所有板簧中心线相互平行并垂直于结晶器的振动方向；每个波形发生器的常速电机和伺服电机分别与差动轮系传动机构的两个主动构件相啮合，差动轮系传动机构的从动构件与激波轴相连；两个波形发生器的激波轴对称置于振动框架两窄面下方，激波轴上有一个或两个偏心轮，偏心轮通过连杆与振动框架相连，连杆两端分别与偏心轮和振动框架铰接。本发明易控制、运行精度高、耐冲击性能好，原动机单向旋转且振幅，波形和频率均在线可调。

Description

连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置

技术领域

本发明属于连续铸造领域，特别是涉及一种结晶器的非正弦振动装置。

背景技术

连续铸钢是目前钢铁生产的核心环节，在钢水浇注到结晶器的过程中，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，非正弦振动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。

对于浇注横截面尺寸较大的方坯，圆坯和板坯结晶器，由于其质量较重，一般需要至少两个振动单元分布在结晶器振动台下方左右两侧，同步驱动结晶器实现非正弦振动，故称其为双侧驱动装置。当前的双侧非正弦驱动装置根据振动单元的动力源不同，可分为液压式和电动式两大类。

申请号为CN200810048798.1的中国专利，公开了一种液压式双侧非正弦驱动装置，结晶器振动台通过板簧导向，两个液压缸作为波形发生器，分布在振动台下方左右两侧，液压缸与基座、振动台铰接，通过伺服控制是液压缸以一定规律往复伸缩，从而带动振动台非正弦振动。液压式非正弦驱动装置可以方便的产生各种振动波形，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，双缸同步控制难度大，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。

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，电动式双侧非正弦驱动系统主要有：申请号为CN201420322397.1的中国专利，公开一种以电动缸作为波形发生器的板坯非正弦驱动装置，振动台采用板簧导向，四个电动缸对称分布在结晶器振动台下方左右两侧，电动缸与基座、振动台铰接。电动缸中的伺服电机变速正反转使滚珠丝杠以一定规律伸缩，进而带动振动台实现非正弦振动。该装置也能实现振幅，频率和波形的在线调整，而且成本和维护费用相对液压式低，无液压油泄漏造成的环境污染，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相媲美。

再有，申请号为CN200820117966.3的中国专利，公开了一种由两个数字电动缸组成的结晶器驱动装置，两个数字电动缸分布在振动台下方左右两侧，其运行规律与四个电动缸的形式相同，虽然振动参数也能在线调整，但电动缸中的电机仍需频繁正反转动，整个装置的耐冲击和耐磨损性能差。

再如，传统的四偏心振动台，由一个变频电机通过中心蜗轮减速器，将动力分配到两个对称布置的正交轴减速器上，两个正交轴减速器的输出轴上各装有两个不同偏心距的偏心轮连杆机构，四个连杆分布在结晶器振动台下方两侧，与振动台铰接。电机旋转时，可实现振动台同步正弦振动。该装置采用四点同步驱动，振动台运行平稳，但无法实现非正弦振动，并且其振幅和波形均无法在线调整。

综上所述，对于双侧非正弦驱动装置，电动式具有成本低，维护方便，无环境污染等突出优点，大有取代液压式单侧驱动装置的趋势。但是，目前的电动式驱动装置中，伺服电机频繁变速正反旋转的运行模式较差，造成控制难度大，运行精度低，耐冲击性能尚不如液压式。

发明内容

本发明目的在于提供一种易控制、运行精度高、耐冲击性能好且原动机单向旋转，振幅、波形和频率均在线可调的连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括两个相同的波形发生器和一个结晶器振动台，其中结晶器振动台是由固定框架和振动框架及它们之间的连接件组成。固定框架内设有振动框架，振动框架的两个窄面每侧至少设两根导向板簧，该导向板簧的两端通过连接件与固定框架分别相连，使振动框架悬挂于固定框架内。最好导向板簧中部与工字型支撑梁通过连接件相连，该工字型支撑梁固定端与振动框架窄面中部垂直连接。所有板簧中心线相互平行并垂直于结晶器的振动方向。每个波形发生器主要包括普通常速电机，伺服电机，差动轮系传动机构、激波轴及连杆。常速电机和伺服电机分别与差动轮系传动机构的两个主动构件相啮合，差动轮系传动机构的从动构件与激波轴相连；两个波形发生器的激波轴对称置于振动框架两窄面下方，激波轴上有一个或两个偏心轮，偏心轮通过连杆与振动框架相连，连杆两端分别与偏心轮和振动框架铰接。差动轮系传动机构可选用圆柱或圆锥齿轮组成的2K-H型轮系，其中太阳轮和行星架为活动构件。与常速电机和伺服电机啮合的差动轮系传动机构两个主动构件或是两个太阳轮，或是行星架和其中一个太阳轮。普通常速电机选用三相异步交流电动机，伺服电机选用交流永磁同步伺服电动机。每个激波轴上的偏心轮数量为1或2个，当激波轴上的偏心轮数量为1个时，偏心轮通过连杆与振动框架窄边中点铰接，当激波轴上的偏心轮数量为2个时，偏心轮通过连杆与振动框架四角铰接，同一激波轴上偏心轮的偏心距根据振动框架铰接点的仿弧轨迹确定。为平衡振动框架和结晶器重量，最好在振动框架和固定框架之间安装缓冲装置。

本发明的驱动装置工作过程大致如下：

两个波形发生器中的常速电机同步单向恒速旋转，伺服电机同步单向变速旋转，每个波形发生器中的常速电机和伺服电机经差动轮系速度合成后，使得偏心轮以变角速度规律关于水平面对称摆动，从而通过连杆带动结晶器振动台按照板簧设定的轨迹以非正弦规律往复振动。调整伺服电机的角速度规律，可以控制偏心轮摆角大小，摆动频率和摆动速度，进而达到在线调整结晶器振幅，频率和波形的目的。其中偏心轮圆心与回转中心的连线所转过的角度为摆角，其最大摆角不超过180°，在最大摆角处，偏心轮对应的振动框架振幅不小于结晶器要求的最大振幅。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、与液压缸激波的双侧驱动装置相比，本发明不仅可实现液压式的全部功能，而且设备的投资，运行和维护费用大大降低，生产中避免液压油导致的环境污染。

2、与电动缸激波的双侧驱动装置相比，本发明中所有电机单向旋转，而且均在理想转速范围内运行，整个设备的耐冲击，耐磨损性能更加优越。

3、与单向旋转电机激波的双侧驱动装置相比，本发明不仅可实现正弦和非正弦振动两种模式，而且可在线调整所有振动参数，更加符合高效连铸对振动工艺的要求。

附图说明

图1是本发明的主视剖面示意简图。

图2是图1的A-A视图。

图3是本发明的俯视示意简图。

图4是本发明中实施例1的差动轮系传动机构示意简图。

图5是本发明中第一组振动参数对应实施例1中伺服电机的角速度曲线图。

图6是本发明中第一组振动参数对应的结晶器的速度曲线图。

图7是本发明中第一组振动参数对应的结晶器的位移曲线图。

图8是本发明中第二组振动参数对应实施例1中伺服电机的角速度曲线图。

图9是本发明中第二组振动参数对应的结晶器的速度曲线图。

图10是本发明中第二组振动参数对应的结晶器的位移曲线图。

图11是本发明中实施例2的差动轮系传动机构示意简图。

图12是本发明中第一组振动参数对应实施例2中伺服电机的角速度曲线图。

图13是本发明中第二组振动参数对应实施例2中伺服电机的角速度曲线图。

附图标号：1-固定框架、2-振动框架、3-导向板簧、4-伺服电机、5-常速电机、6-差动轮系传动机构、7-激波轴、8-连杆、9-驱动齿轮、10-大太阳轮、11-行星架、12-小太阳轮、13-行星轮、14-工字型支撑梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1：

在图1，图2和图3所示的连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置的示意简图中，结晶器振动台是由固定框架1和振动框架2及它们之间的连接件组成，固定框架内设有振动框架，振动框架的两个窄面每侧设上下共四根导向板簧3，该导向板簧的两端通过连接件与固定框架分别相连，导向板簧中部与工字型支撑梁14通过连接件相连，该工字型支撑梁固定端与振动框架窄面中部垂直连接。本方案的结晶器振动台用于直弧形连铸机，振动框架沿直线往复运动，八根导向板簧的中心线相互平行，并且垂直于结晶器的振动方向。本发明有相同的两个波形发生器，每个波形发生器均包括普通常速电机5，伺服电机4，差动轮系传动机构6、激波轴7及连杆8。常速电机5为普通三相异步交流电动机，满载时其转速n₁＝1460转/分；伺服电机4为交流永磁同步伺服电机，其额定转速为1000转/分。差动轮系传动机构，如图4所示，由驱动齿轮9，小太阳轮12，行星架11，大太阳轮10和三个行星轮13组成。其中，大太阳轮10为双联齿轮，一侧与行星轮13内啮合，另一侧与驱动轮9外啮合，小太阳轮12与行星轮13外啮合。常速电机5通过联轴器与小太阳轮12相连，伺服电机4通过联轴器与驱动齿轮9相连，该驱动齿轮与大太阳轮12啮合。常速电机5和伺服电机4的角速度经过差动轮系传动机构6合成后，通过行星架11与激波轴7相连。两个波形发生器的激波轴对称置于振动框架两窄面下方，激波轴上有一个置于振动框架窄面中心点正下方的偏心轮，该偏心轮通过调心滚子轴承与连杆一端铰接，连杆的另一端通过调心滚子轴承与振动框架窄面中心点铰接。

若根据结晶器的振动工艺条件给出高效生产时的振动参数为：振幅h＝4mm，振频f＝180min^-1，波形偏心斜率α＝0.2，则设定伺服电机4转速即可达到该振动工艺效果。驱动装置的固定参数为：常速电机1的转速n₁＝1460r/min，大太阳轮10和小太阳轮12的齿数比i₁＝z₁₀/z₁₂＝2，驱动齿轮9和大太阳轮10上固连齿轮的齿数比i₂＝1，则伺服电机的转速为

$n_2=\left\{\begin{array}{cc}\left(35277t^2-4703t\right)\left(1+\frac{1}{i_1}\right)-\frac{n_1}{i_1}& 0<t\&le;t_a\\ \left(-1633215t^4+1524334t^3-524371t^2+78723t-4271\right)\left(1+\frac{1}{i_1}\right)-\frac{n_1}{i_1}& t_a<t\&le;T\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，n₂——伺服电机的转速(r/min)，通过分段函数表示，分别对应结晶器一个振动周期内向下和向上运动时伺服电机的转速；

t——时间参数(s)；

t_a——为一个振动周期内，结晶器向下运动所用的时间，t_a＝(1-α)T/2，其中T为结晶器的振动周期(s)，T＝60/f；

根据公式(1)，求出的伺服电机转速曲线如图4所示。

偏心轮的偏心距由结晶器的最大振幅决定，对于摆动型偏心轮来说，其摆角β代表了偏心轴的摆动范围，与振动框架2的振幅相对应，单个偏心轮的摆角如图2所示的β角，偏心轮关于水平面对称摆动，偏心轮圆心与回转中心连线转过的角度β为摆角，其最大值为180°，此时对应振动框架2的最大振幅，那么偏心轮的偏心距在此处激发的振动框架2振幅不应小于结晶器要求的最大振幅。本方案中取偏心轮的偏心距为6mm，则根据连杆的运动关系可得结晶器振动框架2的非正弦振动速度曲线，如图6所示。

将振动框架2的振动速度进行积分，可以得到相应的位移波形，如图7所示。从图7中可以看出，振动框架的振幅h＝4mm，T＝60/f＝60/180＝0.33s，t_a＝(1-α)T/2＝(1-0.2)×0.33/2＝0.133s，完全符合初始给定的结晶器振动参数。

若生产中，需对振动参数进行调整，则在驱动系统其它参数不变的情况下，改变公式(1)中的多项式系数即可。例如，振动参数变为h＝5mm，f＝160min^-1，α＝0.25，则伺服电机4的转速为

$n_2=\left\{\begin{array}{cc}(40593t^2-5708t)\left(1-\frac{1}{i_1}\right)-\frac{n_1}{i_1}& 0<t\&le;t_a\\ \left(-1418825t^2+1463163t^3-52119t^2+89717t-5230\right)\left(1-\frac{1}{i_1}\right)-\frac{n_1}{i_1}& t_a<t\&le;T\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据公式(2)，求出的伺服电机转速曲线如图8所示。

相应的，可以求出结晶器振动框架2的速度曲线和位移曲线分别如图9和图10所示。从图10中可以看出，振动台的振幅h＝5mm，T＝60/f＝60/160＝0.375s，t_a＝(1-α)T/2＝(1-0.25)×0.375/2＝0.14s，符合更改后的结晶器振动参数。

所以，本方案中提出的摆动型双侧非正弦驱动装置，能够保证所有电机单向旋转的情况下，通过控制伺服电机的速度函数，即可调整结晶器的所有振动参数。

实施例2：

本实施例的结构基本与例1相同，只是改变差动轮系传动机构6的主动构件连接方式，如图11所示，常速电机5通过联轴器与小太阳轮12相连，伺服电机4通过联轴器与驱动齿轮9相连，驱动轮9通过行星架11上固接齿轮带动行星架11转动。常速电机5和伺服电机4的角速度经过差动轮系6合成后，通过大太阳轮10将运动传递给激波轴7。

给定结晶器振动参数与实施例1中的第一组振动参数相同：振幅h＝4mm，振频f＝180min^-1，波形偏心斜率α＝0.2，则设定伺服电机4转速即可达到该振动工艺效果。令驱动装置的固定参数为：常速电机1的转速n₁＝1460r/min，大太阳轮10和小太阳轮12的齿数比i₁＝z₁₀/z₁₂＝2，驱动齿轮9和大太阳轮10上固连齿轮的齿数比i₂＝1，则伺服电机4的转速为

$n_2=\left\{\begin{array}{cc}(35277t^2-4703t)\left(\frac{i_1}{1+i_1}\right)+\frac{n_1}{1+i_1}& 0<t\&le;t_a\\ (-1633215t^4+1524334t^3-524371t^2+78723t-4271)\left(\frac{i_1}{1+i_1}\right)+\frac{n_1}{1+i_1}& t_a<t\&le;T\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据公式(3)，求出的伺服电机转速曲线如图12所示，相应结晶器的速度，位移曲线如图7和图8所示。

给定结晶器振动参数与实施例1中的第一组振动参数相同：h＝5mm，f＝160min^-1，α＝0.25，为达到该振动效果，本实施例中伺服电机4的转速为

$n_2=\left\{\begin{array}{cc}(40593t^2-5708t)\left(\frac{i_1}{1+i_1}\right)+\frac{n_1}{1+i_1}& 0<t\&le;t_a\\ (-1418825t^4+1463163t^3-51219t^2+89717t-5230)\left(\frac{i_1}{1+i_1}\right)+\frac{n_1}{1+i_1}& t_a<t\&le;T\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据公式(4)，求出的伺服电机转速曲线如图13所示，相应结晶器的速度，位移曲线如图9和图10所示。

因此，改变差动轮系中的主动构件后，伺服电机和常速电机经速度合成后，仍然能够保证所有电机在单向旋转的情况下，通过控制伺服电机的速度函数，实现调整结晶器的所有振动参数。

Claims (6)

1.一种连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置，其特征在于：本发明主要包括两个相同的波形发生器和一个结晶器振动台，固定框架内设有振动框架，振动框架的两个窄面每侧至少设两根导向板簧，该导向板簧的两端通过连接件与固定框架分别相连，所有板簧中心线相互平行并垂直于结晶器的振动方向；每个波形发生器的常速电机和伺服电机分别与差动轮系传动机构的两个主动构件相啮合，差动轮系传动机构的从动构件与激波轴相连；两个波形发生器的激波轴对称置于振动框架两窄面下方，激波轴上有一个或两个偏心轮，偏心轮通过连杆与振动框架相连，连杆两端分别与偏心轮和振动框架铰接。

2.根据权利要求1所述的连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置，其特征在于：导向板簧中部与工字型支撑梁通过连接件相连，该工字型支撑梁固定端与振动框架窄面中部垂直连接。

3.根据权利要求1所述的连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置，其特征在于：差动轮系传动机构为圆柱或圆锥齿轮组成的2K-H型轮系。

4.根据权利要求1所述的连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置，其特征在于：与常速电机和伺服电机啮合的差动轮系传动机构两个主动构件或是两个太阳轮，或是行星架和其中一个太阳轮。

5.根据权利要求1所述的连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置，其特征在于：所述激波轴上的偏心轮数量为1时，偏心轮通过连杆与振动框架窄面中点铰接，激波轴上的偏心轮数量为2时，偏心轮通过连杆与振动框架四角铰接，同一激波轴上偏心轮的偏心距根据振动框架仿弧半径确定。

6.根据权利要求1所述的连铸结晶器摆动型双侧非正弦驱动装置，其特征在于：在振动框架和固定框架之间安装缓冲装置。