CN109047689A - 单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置 - Google Patents

Abstract

单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置，主要包括伺服电机，减速器，联轴器A、联轴器B、联轴器C、联轴器D、换向器A、换向器B，偏心轴A、偏心轴B，连杆A、连杆B、振动台。本发明采用一个伺服电机双侧同步驱动两个偏心轴，使其按特定规律非匀速转动，实现结晶器非正弦振动。两根偏心轴同步反向转动通过机械同步实现，同步性能好，可有效防止振动台的偏摆。每根偏心轴上设有两个偏心，提高了振动台及结晶器运动的平稳性。本发明提出的振动装置具有投资少、维护及运行费用低、载能力大、抗冲击能力强、可靠性高。本振动装置适用于直弧形、弧形连铸机。不但适用于新建的连铸机，而且也适用于对现有连铸机结晶器非正弦振动的改造。

Description

单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置

技术领域

本发明涉及连续铸钢领域，特别是连铸结晶器非正弦振动装置。

背景技术

结晶器非正弦振动是实现高效连铸的关键技术之一。而结晶器非正弦振动的核心是振动装置。因此开发运行可靠、维护简单的非正弦振动装置，成为工程界研究的热点问题。目前连铸工业生产中，结晶器振动装置按传动原理分主要有，液压驱动装置，伺服电动缸驱动装置及机械驱动装置。

申请号为200810048798.1的专利，提出了板坯结晶器液压振动装置。两个液压缸振动单元分布在结晶器的两侧，伺服液压缸的活塞杆通过连杆与振动台连接，在板簧的导向作用下，液压缸以一定的规律反复的伸缩，从而驱动振动台及结晶器实现非正弦振动。液压驱动系统可实现任意波形的振动且振幅、波形偏斜率和频率能够在线调节，但液压驱动系统复杂，投资、运行维护费用高，同时双缸同步控制的难度也比较大。

申请号为200820117966.3的专利，开发了连铸结晶器双伺服电动缸振动台。两个数字电动缸分别位于振动台的左右两侧，通过伺服电机频繁的正反转使滚珠丝杠以一定的规律运动，从而驱动结晶器振动台实现非正弦振动。该装置能够实现任意波形振动且振幅、波形偏斜率和频率在线调节，但因两个电动缸同步运动难以达到较高的控制精度，伺服电机频繁正反转、启停，降低装置使用寿命，同时滚珠丝杠的承载和抗冲击能力难以与液压和偏心轴机构相比。

国内开发的机械驱动装置，操作维护方便，投资费用低。如2004年《机械工程学报》杂志第40卷第11期刊登了“椭圆齿轮驱动结晶器非正弦振动装置”。2009年《机械工程学报》杂志第45卷第5期刊登了“逆平行四连杆驱动结晶器非正弦振动装置”。2013年《制造业自动化》杂志第35卷第1期刊登“基于SolidWorks的结晶器振动装置设计”。虽然机械驱动装置结构简单，维护方便，但波形偏斜率都不能在线调节，在一定程度上限制非正弦振动优越性的发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种波形偏斜率和频率在线调节，同步性能好的单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置。本发明主要是通过单个伺服电机同时驱动两个偏心轴进行连续非匀速同步转动来实现结晶器非正弦振动，两个偏心轴的同步转动采用机械同步方式实现。

本发明主要包括伺服电机，减速器，联轴器A、联轴器B、联轴器C、联轴器D，换向器A、换向器B，偏心轴A、偏心轴B，连杆A、连杆B、连杆C、连杆D，缓冲弹簧和导向板簧。

其中，伺服电机与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器A、联轴器D分别与换向器A、换向器B的输入端相连，换向器A、换向器B的输出端分别通过联轴器B、联轴器C与偏心轴A、偏心轴B的一端相连。偏心轴A和偏心轴B上分别设有两个偏心，且偏心轴A与两根连杆A、B的一端套接，在偏心轴A和连杆A、B的铰链连接处设有滚动轴承，偏心轴B与两根连杆C、D的一端套接，在偏心轴B和连杆C、D的铰链连接处设有滚动轴承，连杆A、B和连杆C、D的另一端分别与振动台的两侧铰接，且对称分布。振动台为适用于板坯或方坯的箱型振动台，防止出现偏载和偏摆现象。两个偏心轴偏心部分的初相位处于水平位置时，其方向相反，且两偏心轴反向同步转动，以保证振动台振动过程中不出现偏摆。结晶器设在振动台上。在振动台底部固定连接缓冲弹簧，以减小振动冲击和减小伺服电机功率。振动台的两侧设有导向板簧，导向板簧沿出钢方向布置，通过导向板簧导向，保证振动台及结晶器的振动轨迹。每组导向板簧的端部与机架固接，导向板簧的中部通过螺栓与振动台的框架端部的中间相连。导向板簧中间也可断开，分别与振动台固定。伺服电机按特定规律单向非匀速连续转动，通过减速器、换向器，使两个偏心轴按特定变角速度规律连续转动，通过四个连杆驱动振动台及其上的结晶器实现非正弦振动。

此外，也可采用双出头大扭矩的伺服电机分别通过联轴器A、联轴器D与换向器A、换向器B的输入端相连，其中换向器A和换向器B为具有减速功能的换向器。

单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置适用于直弧形、弧形连铸机。当两根偏心轴的偏心距相同时，机构适用于直弧形连铸机。当内弧侧和外弧侧偏心距不同，计算出合适的偏心距值，且每组板簧延长线交于铸机弧形的圆心，机构就能适用于弧形连铸机。或者将偏心轴布置于内外弧两侧，使内弧侧偏心轴的偏心距与外弧侧偏心轴的偏心距不同，计算出合适的偏心距值，且布置的每组板簧延长线交于弧形的圆心，机构也适用于弧形连铸机。

本发明的工作过程大致如下：该非正弦振动机构在工作时，伺服电机单向连续变转速转动，减速器的输出轴端单向连续变转速转动，通过联轴器A、联轴器D、换向器A、换向器B、联轴器B、联轴器C驱动偏心轴A、偏心轴B，使偏心轴A、偏心轴B反向变角速度同步转动，偏心轴A、偏心轴B带动连杆A、连杆B、连杆C和连杆D，连杆A、连杆B、连杆C和连杆D推动振动台及其上结晶器实现非正弦振动，当伺服电机匀速转动时，实现正弦振动。采用缓冲弹簧平衡振动台及结晶器等构件的重力和运动时的惯性力，振动台采用板簧导向，保证结晶器的运动轨迹。其中伺服电机连续单向运转、其转速按特定规律周期性变化，转速的变化规律根据波形偏斜率和振动频率确定，即不同的非正弦振动函数要求伺服电机按相应的变转速转动规律转动，如：若想实现图5所示的非正弦振动波形，伺服电机按图4所示的变转速规律转动即可。伺服电机变转速转动通过电气反馈控制方法实现，即由控制人员按照伺服电机变速转动规律要求编制控制程序，通过控制器、伺服电机的驱动器，采用反馈控制方法使电机按照给定的变转速转动规律转动。

若采用双出头的伺服电机，通过联轴器A、联轴器D分别与换向器A、换向器B的输入端相连。该非正弦振动机构在工作时，伺服电机单向连续变转速转动，并通过联轴器A、联轴器D、换向器(具有减速动能)A、B、联轴器B、联轴器C驱动偏心轴A、偏心轴B，使偏心轴A、偏心轴B反向变角速度同步转动，偏心轴A、偏心轴B带动连杆A、连杆B、连杆C和连杆D，连杆A、连杆B、连杆C和连杆D推动振动台及其上结晶器实现非正弦振动，当伺服电机匀速转动时实现正弦振动。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、不需要配备液压站，结构简单、紧凑、占用空间小，采用单个伺服电机同时驱动两根偏心轴，投资、维护及运行费用低。

2、装置采用传统机构原理，避免滚珠丝杠的弊端，提高装置承载能力、抗冲击能力及可靠性，延长装置使用寿命。

3、通过机械同步实现两根偏心轴同步转动，同步性能好，通过单个伺服电机机械式驱动两根偏心轴反向同步转动，可有效防止振动台的偏摆。适用于直弧形、弧形连铸机。

4、实现波形偏斜率和频率在线调节。

5、能够实现任意的正弦与非正弦振动波形，且正弦与非正弦振动波形可以在线切换。

6、每根偏心轴上设有两个偏心部分，增加装置运动的平稳性。

7、本发明不但适用于新建的连铸机，而且也适用于对现有连铸机结晶器非正弦振动的改造。

附图说明

图1是本发明主视示意简图；

图2是本发明俯视示意简图；

图3是本发明左视示意简图；

图4是不同波形偏斜率下伺服电机的转速曲线图；

图5是不同波形偏斜率下非正弦振动的位移曲线图；

图6是不同波形偏斜率下非正弦振动的速度曲线图。

图7是伺服电机直驱实现正弦或者非正弦振动的俯视图

图中：1-伺服电机、2-减速器、3-联轴器A、4-换向器A、5-联轴器D、6-偏心轴A、7-连杆A、8-连杆B、9-缓冲弹簧、10-导向板簧、11-振动台、12-结晶器、13-连杆C、14-连杆D、15-偏心轴B、16-联轴器C、17-换向器B、18-联轴器B。

具体实施方式

实施例1

在图1、图2、图3所示的本发明的示意简图中，伺服电机1与减速器2的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器A3、联轴器D18分别与换向器A4、换向器B17的输入端相连，换向器A4、换向器B17的输出端分别通过联轴器B5、联轴器C16与偏心轴A6、偏心轴B15的一端相连。偏心轴A6和偏心轴B15上分别设有两个偏心，且偏心轴A6与两根连杆A7、B8的一端套接，偏心轴B15与两根连杆C13、D14的一端套接，连杆A7、B8和连杆C13、D14的另一端分别与振动台11的两侧铰接，且对称分布。该非正弦振动机构在工作时，伺服电机单向连续变转速转动，减速器的输出轴端单向连续变转速转动，通过联轴器A、联轴器D、换向器A、换向器B、联轴器B、联轴器C驱动偏心轴A、偏心轴B，使偏心轴A、偏心轴B反向变角速度同步转动，偏心轴A、偏心轴B带动连杆A、连杆B、连杆C和连杆D，连杆A、连杆B、连杆C和连杆D推动振动台及其上结晶器实现非正弦振动。

以下面的非正弦振动波形函数为例，非正弦振动的位移函数为：

式中：s—振动的位移，mm

f—结晶器振动频率，Hz

α—波形偏斜率

t—时间，s

h—振幅，mm

伺服电机的转动角速度为：

式中：ω—伺服电机转动角速度，rad/s

i—减速器的传动比

伺服电机的转速为：

式中：n—电机的转速，转/分

伺服电机的转速n为波形偏斜率α和结晶器振动频率f的函数。若想调节波形偏斜率和振动频率中的任何一个参数，需要计算伺服电机在一个振动周期内的转速曲线。每一个确定的α、f值，在一个振动周期内就对应一个转速n的变化规律。只要伺服电机按着所计算转速曲线转动，就可实现参数调节后的波形。

当振幅h＝5mm,频率f＝2Hz,传动比i＝10，波形偏斜率α＝0～0.35时，若要实现非正弦振动波形(图5、6)，通过PLC、伺服驱动器等元器件使伺服电机转速按图4所示的规律转动，实现的结晶器非正弦振动的位移和速度曲线分别如图5、图6所示。当α＝0，非正弦振动切换为正弦振动。通过改变电机的变转速转动规律实现波形偏斜率α和振动频率f两个振动参数的在线调节。

对于板坯连铸机，结晶器振动频率一般为120次/min，振动周期为0.5s，伺服电机的转速在2000转/分以内。当结晶器振动频率在0-6Hz(0-360次/min)范围变化时，伺服电机转动速度变化范围为0-6000(转/min)。

Claims (5)

1.单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置，主要包括伺服电机，减速器，联轴器A、联轴器B、联轴器C、联轴器D，换向器A、换向器B，偏心轴A、偏心轴B，连杆A、连杆B、连杆C、连杆D，缓冲弹簧和导向板簧，其特征在于：伺服电机与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器A、联轴器D分别与换向器A、换向器B的输入端相连，换向器A、换向器B的输出端分别通过联轴器B、联轴器C与偏心轴A、偏心轴B的一端相连，偏心轴A和偏心轴B上分别设有两个偏心，且偏心轴A与两根连杆A、B的一端套接，在偏心轴A和连杆A、B的铰链连接处设有滚动轴承，偏心轴B与两根连杆C、D的一端套接，在偏心轴B和连杆C、D的铰链连接处设有滚动轴承，连杆A、B和连杆C、D的另一端分别与振动台的两侧铰接，振动台为适用于板坯或方坯的箱型振动台，两根偏心轴偏心部分的初相位处于水平位置时，其方向相反，且两偏心轴反向转动，结晶器设在振动台上，在振动台底部固定连接缓冲弹簧，振动台的两侧设有导向板簧，导向板簧沿出钢方向布置，通过导向板簧导向，每组导向板簧的端部与机架固接，导向板簧的中部通过螺栓与振动台的框架端部的中间相连。

2.根据权利要求1所述的单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置，其特征在于：伺服电机按特定的规律变速转动，同时驱动两个偏心轴按特定的变角速度规律转动，两个偏心轴通过四个连杆驱动振动台及其上的结晶器实现非正弦振动。

3.根据权利要求1所述的单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置，其特征在于：连杆A、连杆B、连杆C、连杆D对称分布。

4.根据权利要求1所述的单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置，其特征在于：导向板簧也可以中间断开，分别与振动台固定。

5.根据权利要求1所述的单伺服电机双侧同步驱动结晶器非正弦振动装置，其特征在于：伺服电机可以采用双出头的伺服电机，其通过联轴器直接与两个换向器相连，去掉中间的减速器，换向器与两根偏心轴连接，其中换向器A和换向器B为具有减速功能的换向器。