CN114029460B - 振幅可调的连铸结晶器振动装置及非正弦振动方法 - Google Patents

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    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
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Abstract

振幅可调的连铸结晶器振动装置及非正弦振动方法，其主要是由伺服电机A驱动减速器，减速器驱动偏心轴，偏心轴与连杆的一端铰接，内设滚动轴承，连杆的另一端与振动臂的一端铰接，内设滚动轴承，且连杆只能在其运动平面内摆动。振动臂内铰支点可移动，铰支点处安装有杆件，杆件的一端与振动臂内的铰支点连接，杆件的另一端与梯形丝杠连接，并且杆件的另一端与机架滑道接触。伺服电机B驱动梯形丝杠，实现振动臂内铰支点的移动，从而调节振幅。振动臂底部安装缓冲弹簧以减小振动冲击和伺服电机A驱动功率。伺服电机A匀速或者非匀速转动，实现结晶器正弦或者非正弦振动规律，伺服电机B驱动梯形丝杠实现振动臂铰支点的移动，从而在线调节振幅。本发明结构简单、紧凑、成本低，可实现波形偏斜率、频率、振幅的在线调节。

Description

振幅可调的连铸结晶器振动装置及非正弦振动方法
技术领域
本发明涉及连续铸钢领域，特别是结晶器非正弦振动装置及振动方法。
背景技术
目前，连铸坯生产过程中常用的结晶器振动驱动方式主要有三种：液压驱动，伺服电动缸驱动和机械驱动。液压驱动是国内外应用最广的一种驱动方式，虽其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。而伺服电动缸虽也能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，同时滚珠丝杠的高精密零件长期在局部运动，造成磨损，影响曲线的精度。
机械驱动的结晶器振动装置，结构简单，成本低，易维护，具有一定的推广应用价值。比如椭圆齿轮驱动结晶器非正弦振动装置，逆平行四连杆驱动结晶器非正弦振动装置，专利ZL201410829571公开了通过两个变速齿轮箱实现的结晶器非正弦振动装置，上述开发的结晶器振动装置，其工艺参数不能在线调节，只能在制造的时候，按连铸机正常生产的工艺参数制造一组振动设备，限制钢种及铸坯断面尺寸的改变。专利2017104446301公开了一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动容错控制方法及装置，该装置的振幅只能停机调节，限制拉速和振幅同步控制模型的应用，影响铸坯质量的进一步提高。专利2016112033838中公开了双伺服电机同步驱动结晶器非正弦振动装置，其采用双伺服电机反向同步驱动结晶器振动，该装置也不能在线调整振幅。专利2012105853548公开了一种自动变振幅的结晶器振动驱动装置，其采用步进电机驱动齿轮齿条粘合实现振幅的调节，该装置只能实现正弦振动和特定的振幅。燕山大学胡世祯、杨学武等开发的自动变幅结晶器非正弦振动装置，只能实现特定非正弦振动波形和特定振幅的调节，不利于任意参数的在线调节，限制多钢种的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种任意波形偏斜率、频率和振幅均在线可调的连铸结晶器非正弦振动装置及振动方法。本发明主要是通过一台伺服电机A连续单向非匀速转动实现结晶器非正弦振动，另一台伺服电机B驱动梯形丝杠实现振动臂内铰支点的移动，从而调节振幅。
本发明主要包括，两台伺服电机，一个减速器，两个联轴器，一根偏心轴，一个连杆，一个振动臂，一个缓冲弹簧和两片导向板簧。其中，一台伺服电机通过联轴器与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器与偏心轴一端相连，该偏心轴的另一端又与连杆一端套接，偏心轴与连杆之间设有滚动轴承，连杆的另一端与振动臂的一端通过铰链相连，铰链中装有滚动轴承。振动臂的内部含有滑动的铰链，铰链与杆件的一端铰接，铰链中装有滚动轴承，杆件的另一端与梯形丝杠连接，且梯形丝杠通过另一台伺服电机驱动，实现杆件与滑道间的移动，从而实现振动臂内铰支点的移动，即可在线调节振幅。振动臂的另一端部与振动台铰接，铰链中装有滚动轴承。振动臂底部安装1个缓冲弹簧，以减小振动冲击和减小伺服电机功率。振动台相对的两侧布置2片导向板簧导向，保证振动台及结晶器的振动轨迹。
本发明的工作过程大致如下：非正弦振动机构在工作时，伺服电机A单向连续变转速转动，并通过减速器、联轴器、驱动偏心轴，使偏心轴变角速度转动，偏心轴带动连杆、连杆推动振动臂，振动臂驱动振动台及其上结晶器实现弧线方向的非正弦振动，通过另一台伺服电机B驱动梯形丝杠驱动杆件，杆件带动振动臂的铰支点实现移动，从而实现振幅的调节。伺服电机A匀速转动时，实现正弦振动，调节伺服电机B实现振幅的调节。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A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、振动频率确定，即不同的非正弦振动函数要求伺服电机A按相应的变转速转动规律转动，如：若想实现某一非正弦振动函数，伺服电机A按图2所示的变转速规律转动即可。若调整振幅，即通过控制伺服电机B的角位移，调节振动臂内铰支点的位置，即可实现振幅的调节。伺服电机A的变转速转动和伺服电机B的角位移通过滑模控制方法实现，即由控制人员按照所要实现的非正弦振动函数要求编制控制程序，通过PLC、伺服电机的驱动器，采用滑模控制方法使电机按照给定的变转速转动规律或者角速度规律转动。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、结构简单、紧凑、占用空间小，投资、维护费用低。
2、实现任意的波形偏斜率、频率和振幅在线调节。
3、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。
4、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是本发明机构示意图。
图2是振幅h＝3～6mm下伺服电机A的转速曲线图。
图3是不同振幅下非正弦振动位移曲线图。
图4是不同振幅下非正弦振动速度曲线图。
图5是不同振幅下非正弦振动加速度曲线图。
图中：1、伺服电机A，2、减速器，3、联轴器，4、偏心轴，5、连杆，6、伺服电机B，7、缓冲弹簧，8、振动臂，9、导向板簧，10、振动台，11、结晶器，12、杆件，13、梯形丝杠。
具体实施方式
在图1所示的振幅可调的伺服电机驱动连铸结晶器非正弦振动装置的示意图中，两个伺服电机A、B，减速器2，两个联轴器3，偏心轴4，连杆5，缓冲弹簧7，振动臂8，两片导向板簧9，振动台10，结晶器11，杆件12和梯形丝杠13。其中，伺服电机A通过联轴器3与减速器2的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器与偏心轴4一端相连，偏心轴的另一端与连杆一端套接，偏心轴与连杆之间设滚动轴承。连杆的另一端与振动臂8通过轴承铰接，且连杆只能在运动平面内摆动，振动臂底部装有缓冲弹簧，减小振动台的冲击和伺服电机A驱动功率。振动臂内滑道与杆件12铰接点铰接，内设轴承，杆件12另一端与梯形丝杠13连接，同时也与滑道相连。振动臂末端与振动台10采用铰接，内设滚动轴承。在振动台两侧装有2片导向板簧9，用来保证振动台的振动轨迹。
连铸结晶器非正弦振动波形函数为：
s＝h sin{2πft-λsin[2πft+αsin(2πft)]}
式中：s—振动的位移
f—结晶器振动频率
t—时间
h—振幅
λ—波形修正系数，
Figure GDA0003951682830000041
α—波形偏斜率
ω—伺服电机A转动角速度
伺服电机A的转动角速度为：
Figure GDA0003951682830000042
式中：i—减速器的传动比
e—偏心轴的偏心距
δ—振动臂的杠杆比，
Figure GDA0003951682830000043
l1、l2分别为振动臂左右侧的长度
进一步整理，可以看出伺服电机A的角速度ω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，就需要计算伺服电机A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角速度ω的变化规律。若调整振幅，只需调整伺服电机B的角位移，使得振动臂的杠杆比为
Figure GDA0003951682830000044
只要伺服电机A按着所计算角速度曲线转动，并且伺服电机B，按给定的角位移调整振动臂的杠杆比，就可实现h、f、α参数调节后的波形。
当偏心轴的偏心距e＝8mm，振幅h＝3～6mm,频率f＝2Hz,传动比i＝7，波形偏斜率α＝0.2时，非正弦振动位移曲线、速度曲线和加速度曲线分别如图3、图4、图5所示。通过改变伺服电机A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，通过改变伺服电机B的角位移，调整振动臂的杠杆比，实现振幅的在线调节。
对于板坯连铸机，结晶器振动频率一般为120次/min，振幅为3～6mm振动周期为0.5s。当结晶器振动频率在0-360(次/min)范围变化时，伺服电机的角速度变化范围为0-628(rad/s)。

Claims (4)

1.振幅可调的连铸结晶器振动装置及非正弦振动方法，其特征在于：伺服电机A通过联轴器与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴通过联轴器与偏心轴一端相连，该偏心轴的另一端又与连杆一端套接，偏心轴与连杆之间设有滚动轴承，连杆的另一端与振动臂的一端通过铰链相连，铰链中装有滚动轴承；振动臂的内部含有滑动的铰链，铰链与杆件的一端铰接，铰链中装有滚动轴承，杆件的另一端与梯形丝杠连接，且杆件的另一端同时与滑道接触；梯形丝杠通过伺服电机B驱动，实现杆件与滑道间的移动，从而实现振动臂内铰支点的移动；振动臂的另一端部与振动台铰接，铰链中装有滚动轴承，振动台两侧布置2组导向板簧，板簧的一端与振动台联接，另一端与机架固联；
所述的非正弦振动方法为：以结晶器的振幅h，频率f，波形偏斜率α为参数，当偏心轴处于水平位置，此时，结晶器处于振动的中间位置或者对称平衡位置，伺服电机A顺时针转动角速度ω随时间的变化规律为
Figure FDA0003951682820000011
伺服电机A角速度的改变保证频率f和波形偏斜率α的调节，伺服电机B角位移的改变保证
Figure FDA0003951682820000012
从而实现振幅的调节，其中δ为振动臂的杠杆比，l1、l2分别为振动臂的左、右侧长度，e为偏心轴的偏心距，i为减速器的传动比，λ为波形修正系数且
Figure FDA0003951682820000013
t为时间。
2.根据权利要求1所述的振幅可调的连铸结晶器振动装置及非正弦振动方法，其特征在于：伺服电机B驱动梯形丝杠实现振动臂铰支点移动。
3.根据权利要求1所述的振幅可调的连铸结晶器振动装置及非正弦振动方法，其特征在于：伺服电机A驱动偏心轴非匀速运动，且偏心轴初相位为0。
4.根据权利要求1所述的振幅可调的连铸结晶器振动装置及非正弦振动方法，其特征在于：当波形偏斜率为0时，伺服电机A、B的转动可实现振幅、频率在线可调的正弦振动。
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