穆學(xué)鋒

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢430223）

結(jié)晶器振動(dòng)的目的，是防止初生坯殼與結(jié)晶器之間粘結(jié)而被拉裂。結(jié)晶器振動(dòng)裝置，實(shí)際上起強(qiáng)制脫膜作用，是關(guān)系到澆鑄能否連續(xù)進(jìn)行和鑄坯表面質(zhì)量好壞的關(guān)鍵設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)結(jié)晶器振動(dòng)裝置，主要分為四連桿式、四偏心式和液壓振動(dòng)式三種。由于后兩種方式投資較大，安裝調(diào)試周期較長(zhǎng)，因此采用四連桿式結(jié)晶器振動(dòng)裝置的比例仍然很高[1]。

1 全弧形四連桿式結(jié)晶器振動(dòng)裝置的不足之處

目前已投產(chǎn)的采用四連桿式結(jié)晶器振動(dòng)裝置的連鑄機(jī)系統(tǒng)主要為全弧形式。其不足之處在于：

（1）不能滿足目前直弧形板坯連鑄機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要。由于結(jié)晶器與扇形段等設(shè)備的變化，振動(dòng)裝置上相關(guān)部位需作相應(yīng)的重新設(shè)計(jì)；

（2）結(jié)晶器的仿弧運(yùn)動(dòng)不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)出的鑄坯表面存在較明顯的振痕；

（3）設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷大。由于生產(chǎn)時(shí)結(jié)晶器對(duì)振動(dòng)裝置的負(fù)荷高達(dá)約25 t，因此振動(dòng)裝置易產(chǎn)生較大的損耗，導(dǎo)致維持順利的生產(chǎn)需進(jìn)行經(jīng)常性的維護(hù)工作和準(zhǔn)備大量的備件。另由于振動(dòng)裝置在生產(chǎn)時(shí)需連續(xù)不斷地工作，較高的負(fù)荷也導(dǎo)致了大量的能耗，對(duì)于國(guó)家目前倡導(dǎo)的節(jié)能方針也相背離[2]。

2 直弧形四連桿型式結(jié)晶器振動(dòng)裝置

鑒于以上原因，筆者在中冶南方公司總承包的“日照板坯連鑄機(jī)工程”中設(shè)計(jì)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置，采用了直弧形四連桿型式并進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化，并獲得一項(xiàng)實(shí)用新型專利的授權(quán)，專利號(hào)為：“200620172729.8”，結(jié)晶器振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)晶器振動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 針對(duì)直弧形連鑄機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）為滿足直弧形連鑄機(jī)的振動(dòng)軌跡和鑄坯表面質(zhì)量的要求，優(yōu)化了四連桿中各連桿的長(zhǎng)度和傳動(dòng)的杠桿比。振動(dòng)裝置的四連桿部分，被設(shè)計(jì)成為對(duì)邊相等的平行四邊形式且初始狀態(tài)為一邊水平的矩形，使得關(guān)鍵的結(jié)晶器外弧銅板的運(yùn)動(dòng)軌跡，成為近似在垂直平面內(nèi)的平動(dòng)。為滿足鑄坯表面質(zhì)量的要求，在振幅為±4 mm的條件下，結(jié)晶器外弧銅板的水平偏差應(yīng)達(dá)到小于0.1 mm的工藝要求。綜合工藝布置、設(shè)備制造和精度要求等因素，最終確定了擺動(dòng)臂長(zhǎng)度為1 500 mm，此時(shí)，結(jié)晶器外弧銅板的水平偏差為0.04 mm。從實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，鑄坯表面完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）結(jié)晶器鞍座上設(shè)置了定位塊。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)晶器上的活動(dòng)偏心輪，可使結(jié)晶器結(jié)晶器外弧銅板精確對(duì)準(zhǔn)外弧側(cè)基準(zhǔn)線并牢固定位，其次通過(guò)結(jié)晶器偏心輪上的刻度，可讀出結(jié)晶器銅板的磨損量，以便及時(shí)更換。結(jié)晶器鞍座上，還設(shè)置了連接水系統(tǒng)的冷卻水管路和密封圈，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器的快速更換。

（3）在四連桿機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)裝置之間，設(shè)計(jì)了過(guò)載保護(hù)裝置。過(guò)載保護(hù)裝置，由帶法蘭套管、心桿軸裝配、彈簧及雙頭連接螺栓組成。正常工作時(shí)，彈簧處于一定的預(yù)緊狀態(tài)。當(dāng)事故狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，連桿對(duì)彈簧的作用力超過(guò)其預(yù)緊力時(shí)，彈簧便會(huì)被壓縮，緩沖四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)裝置的沖擊力，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)裝置的保護(hù)作用。

（4）傳動(dòng)裝置主要由電機(jī)、減速機(jī)和偏心輪裝配組成。電機(jī)和減速機(jī)為振動(dòng)裝置提供動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)振動(dòng)裝置周期性運(yùn)動(dòng)的是偏心輪。偏心輪裝配的核心內(nèi)容，是偏心軸與偏心套，通過(guò)兩者的不同角度的組合裝配，使結(jié)晶器的振動(dòng)振幅在一定范圍內(nèi)可調(diào)。采用偏心輪的振動(dòng)裝置的振動(dòng)規(guī)律，即為正弦振動(dòng)，其主要特點(diǎn)結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系為一條正弦曲線，在結(jié)晶器下降時(shí)，存在一段負(fù)滑脫時(shí)間，因此能有效防止和消除粘連。另外，結(jié)晶器的加速度，必然按余弦規(guī)律變化，所以運(yùn)動(dòng)過(guò)渡比較平穩(wěn)，設(shè)備沖擊小。

（5）在傳動(dòng)側(cè)的連桿中增加了配重，且在結(jié)晶器鞍座下方增加了兩個(gè)空氣彈簧，減輕了裝置的運(yùn)行負(fù)荷和電機(jī)功耗，也減緩了振動(dòng)反沖力對(duì)結(jié)晶過(guò)程的損傷，有利于生產(chǎn)鋼種范圍的開(kāi)拓。采用空氣彈簧作為支撐平衡緩沖元件，彈簧力易于準(zhǔn)確控制，各彈簧作用力易于平衡；彈簧力還可根據(jù)使用工況不同，而通過(guò)調(diào)整氣壓的方式易于改變，提高工況的適應(yīng)能力；而且空氣彈簧的循環(huán)次數(shù)，為碟簧的十多倍，提高設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)量。

3.2 振動(dòng)裝置運(yùn)行的能源消耗[3]

設(shè)計(jì)參數(shù)：

結(jié)晶器質(zhì)量G0=20 t；

結(jié)晶器與鑄坯摩擦力F摩=50 kN；

振幅A=±0.06 m；

振頻 f=3；

角速度ω=2π×f=2 rad/s；

連桿比i=1.2；

配重質(zhì)量G配=4 t；

空氣彈簧作用力N彈=30 kN，

機(jī)構(gòu)效率 μ=0.85

（1）不考慮配重和空氣彈簧時(shí)。

連桿拉力 N=（G0×g+F摩+G0×a0）/i

式中，g——重力加速度，g＝9.8 m2/s；

代入得 N=208（kN）

偏心輪力矩 T=N×A=208×0.06=12.5（kN·m）

電機(jī)消耗功率W=T×ω /μ=12.5×2/0.85=29（kW）

（2）考慮配重和空氣彈簧時(shí)。

連桿拉力N=（G0×g+F摩+G0×a0-N彈×2）/i-G配；

代入得 N=118（kN）；

偏心輪力矩 T=N×A=118×0.06=7.1（kN·m）；

電機(jī)消耗功率W=T×ω /μ=7.1×2/0.85=16（kW）。

由此可看出，增加了配重和空氣彈簧后，設(shè)備負(fù)荷明顯減輕，同時(shí)電機(jī)能耗明顯減小（與實(shí)際電機(jī)電流26 A一致），達(dá)到了減輕設(shè)備維護(hù)工作量和節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3.3 危險(xiǎn)零部件的有限元校核[4]

由于結(jié)晶器的負(fù)荷全部作用在長(zhǎng)臂上，因此長(zhǎng)臂是整個(gè)結(jié)晶器振動(dòng)裝置中最危險(xiǎn)的部件。由于傳統(tǒng)的計(jì)算方法，只根據(jù)材料力學(xué)公式對(duì)局部進(jìn)行強(qiáng)度校核，各參數(shù)的選用以及危險(xiǎn)斷面的確定等，都存在個(gè)人經(jīng)驗(yàn)方面的差異。因此，本文運(yùn)用有限元方法對(duì)長(zhǎng)臂進(jìn)行了受力變形分析，可真實(shí)地反映其整體強(qiáng)度及變形情況。長(zhǎng)臂的材料使用Q235B，查設(shè)計(jì)手冊(cè)取許用應(yīng)力為[σ]=120 MPa。

計(jì)算步驟如下：

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，使用Solidedge軟件進(jìn)行三維建模；

（2）將建好的模型導(dǎo)入到有限元軟件ansys中，定義材料參數(shù)，選定單元，對(duì)三維模型進(jìn)行切分，以保證有較好的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成較好的六面體網(wǎng)格；

（3）建立邊界條件。由于長(zhǎng)臂中部為轉(zhuǎn)軸，因此在此處施加軸向與徑向約束；在長(zhǎng)臂與傳動(dòng)裝置連接的一端進(jìn)行全約束；

（4）添加載荷。由于在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，長(zhǎng)臂受到的載荷隨時(shí)間變化，故采用兩點(diǎn)載荷步進(jìn)行施加，分別為前半周期的力和后半個(gè)周期的力，完成載荷的加載；

（5）在瞬態(tài)求解模式下求解，并打開(kāi)大變形求解方式，防止出現(xiàn)大變形的過(guò)程無(wú)法模擬的情況；

（6）提取結(jié)果。

圖2 長(zhǎng)臂變形計(jì)算結(jié)果

圖3 長(zhǎng)臂應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

長(zhǎng)臂變形結(jié)果如圖2所示，其中最大變形量為2.764mm。長(zhǎng)臂的應(yīng)力結(jié)果為圖3所示，其中最大應(yīng)力為72.632 MPa＜[σ]。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)臂的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度的安全性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）文中設(shè)計(jì)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置，滿足直弧形連鑄機(jī)的要求，能提高鑄坯的表面質(zhì)量；

（2）通過(guò)增加配重和空氣彈簧，可減輕設(shè)備負(fù)荷，降低能源消耗；

（3）通過(guò)有限元計(jì)算方法，校核了振動(dòng)裝置中的危險(xiǎn)部件，驗(yàn)證了設(shè)備的使用安全性。

[1]郭春香.結(jié)晶器振動(dòng)裝置的應(yīng)用與發(fā)展[J].金屬世界，2009，(6)：53.

[2]劉名延.板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.