陳世超

(唐山鋼鐵集團有限公司，河北 唐山063000)

唐鋼股份公司第二鋼軋廠鋼區(qū)2007年建成一臺六機六流小方坯連鑄機，其生產(chǎn)150×150mm小方坯直接供給高線進行軋制。該設(shè)備采取了諸多先進技術(shù)，其中結(jié)晶器液壓振動就是其關(guān)鍵技術(shù)。液壓振動裝置相對于機械振動具有控制精度高、調(diào)整靈活、維護簡單等優(yōu)點。而且根據(jù)工藝條件的要求任意改變波形，并可調(diào)整正負滑動速度和時間，改善結(jié)晶器和鑄坯之間的潤滑和脫模，減少黏結(jié)性漏鋼事故。因此，結(jié)晶器液壓非對稱振動是當代連鑄機振動發(fā)展的主導方向。

1 結(jié)晶器液壓振動模型的設(shè)計

圖1為結(jié)晶器液壓振動系統(tǒng)的模型和受力圖。受力對象(即結(jié)晶器和結(jié)晶器振動臺架)可以近似抽象成具有一定質(zhì)量、彈性和阻尼的數(shù)學模型，如下圖1所示。

設(shè)在任一瞬間質(zhì)量塊(結(jié)晶器和結(jié)晶器振動臺架)的位移為y(t)，根據(jù)牛頓定律，其運動的微分方程為

變?yōu)闃藴市问接?/p>

圖1 結(jié)晶器液壓振動系統(tǒng)的模型和受力圖

它的解由兩部分組成

其中一部分yc是式的齊次方程的解，表示成yc=e-ξωnt(C cosωdt+D sinωdt)

另一部分yp是式的特解，表示成

將式6代入1可以求得兩個待定系數(shù)Y和ψ，即

所以運動微分方程的通解表示為

由式(9)可知系統(tǒng)響應(yīng)由兩部分組成:第一項是黏性阻尼系統(tǒng)的自由振動，A和φ決定于初始條件，在運動開始后的很短時間內(nèi)迅速消失，可以不予考慮;第二項是黏性阻尼系統(tǒng)簡諧受迫振動，其振幅Y和相角ψ與運動的初始條件無關(guān)，只是激勵力幅F0與激勵角頻率ω的函數(shù)，F(xiàn)0與ω保持不變，Y與ψ均是常數(shù)值。

所以在自由振動消失后，特解yp代表振動系統(tǒng)的全部運動，即可將運動微分方程簡化為:

由式(7)和(8)可得出

式中β為放大因子，即輸入與輸出的幅值比，λ為頻率比。由上述分析可知，結(jié)晶器液壓振動系統(tǒng)具有以下特點:

(1)結(jié)晶器振動系統(tǒng)是單自由度黏性阻尼系統(tǒng)的簡諧受迫振動系統(tǒng)，它不因阻尼而衰減，是穩(wěn)態(tài)振動，響應(yīng)的頻率就等于激勵角頻率ω，其相角滯后于激勵的相角。

(2)當激勵頻率很低即λ≈0時β≈1，這時由于激勵力變化很緩慢，幾乎是常力，所以受迫振動的振幅Y近似等于激勵力產(chǎn)生的靜撓度F0/ks;當激勵頻率很高即λ?1時β≈1，這是由于激勵力變化過快，受力對象因慣性仍然停止不動;當λ=1時系統(tǒng)會產(chǎn)生共振，振幅Y達到最大值Ymax，β也為最大值。另外隨著ζ增大，Ymax幅值減小。

(3)振動得以維持的原因是系統(tǒng)有存儲動能的慣性元件和儲存勢能的彈性元件。系統(tǒng)有穩(wěn)定的平衡位置，其動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)換，在外界激勵的作用下，產(chǎn)生振動。

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 液壓伺服系統(tǒng)的基本組成

結(jié)晶器液壓振動采用伺服閥驅(qū)動液壓缸進行動作。其特點是輸出量能夠自動而準確地復現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，其控制精度高，響應(yīng)速度快，該系統(tǒng)具有輸出功率大。結(jié)晶器液壓伺服系統(tǒng)的工作原理方框圖如圖2所示。

圖2 液壓伺服系統(tǒng)的工作原理方框圖

由圖2可見，液壓伺服系統(tǒng)由給定元件、執(zhí)行元件、反饋元件、比較元件、放大元件、負載六個部分組成。

2.2 液壓振動系統(tǒng)的原理

圖3所示是結(jié)晶器液壓振動系統(tǒng)的原理圖

圖3 結(jié)晶器液壓振動系統(tǒng)的原理圖

圖3中，當系統(tǒng)的輸入端加上一個載荷信號F0時，此信號經(jīng)過校正放大器1、伺服放大器2輸給電液伺服閥3的力矩馬達，伺服閥的閥芯產(chǎn)生一個位移x，液壓油進入液壓缸4，使缸兩腔產(chǎn)生與載荷信號F0成正比的負載壓力PL，也就給受力對象6(結(jié)晶器和結(jié)晶器振動臺架)加上F=A PL的力(A為活塞有效作用面積A=π(D2－d2)/4，結(jié)晶器振動臺架在活塞推動力F的作用下產(chǎn)生運動，于是液壓缸活塞便產(chǎn)生速度˙y。當不考慮液體壓縮及泄漏時，此時的負載流量qL=A˙y。當伺服閥的閥芯開度不變時，隨著流量的增加，負載壓力PL將降低。因此，用以加載的力F也隨之減小。壓力傳感器5將F的變化反饋到輸入端與給定信號F0相比較，將比較后的偏差信號輸給力矩馬達，即用偏差信號去修正閥芯的位移，從而使加載力F重新回到調(diào)定值。液壓缸的活塞桿是隨著閥芯的運動而運動的，閥芯停止運動，則活塞桿也停止運動。閥芯運動速度有多快，活塞桿運動的移動速度也就有多快。閥芯的運動方向改變，活塞桿運動的方向也隨之改變。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度受負載剛性的影響很大，因此在回路中串了校正放大器以保證液壓伺服系統(tǒng)的正常工作。

2.3 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)要求

該液壓控制系統(tǒng)實際是一個位置控制系統(tǒng)，根據(jù)工程要求，需確定的參數(shù)如下:

振動頻率f=1～300Hz;

振動振幅s0=1～15mm;

波形偏斜因子△=0～1;

最大速度vmax=0.45m/s;

最大加速度amax=28.0m/MtMt;

最大負載質(zhì)量Mt=1.05M=420kg;

最大負載力Fmax=15876N;

頻帶寬度f3dB＞10HZ;

位置誤差ep＜±0.1mm;

速度誤差ev＜1mm。

2.4 確定動力元件參數(shù)及其它組成元件的參數(shù)

2.4.1 液壓缸參數(shù)的確定

(1)供油壓力

為使實驗裝置小型化，選用較高的供油壓力。確定供油壓力Ps=21MPa

(2)工作壓力

工作壓力必須滿足負載靜止和運動兩種狀態(tài)所需壓力。由閥組成的伺服機構(gòu)，工作壓力可由最大功率輸出狀態(tài)決定。即閥輸出功率最大時的壓力定為工作壓力。

因閥的輸出功率為

(3)液壓缸活塞的面積

因為，最大負載力Fmax=15876N

所以，液壓缸活塞的面積為

取標準尺寸，故選取缸徑為D=50mm，缸徑為d=28mm的標準液壓缸。則活塞的有效面積為

2.4.2 伺服閥

閥壓降:pv=ps-pL=(21-2.91)MPa=17.95MPa

負載流量:QL=vmaxAp=0.45×1.348×10-3m3/s=6.065×10-4m3/s=36.39l/min

我們一下子還沒明白過來這句話的意思，大家似笑非笑地看著林孟，看看萍萍，萍萍就又補充了一句，她說：“當他需要我的時候?！?/p>

(2)最大負載工況時負載流量近似為零負載壓降:

pL=11.78MPa

閥壓降:pv=ps-pL=(21-11.78)MPa=9.22MPa

根據(jù)以上參數(shù)，查閱MOOG伺服閥樣本手冊，選用型號為MOOG D661系列伺服閥。

3 液壓振動系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 液壓振動控制系統(tǒng)的組成

該連鑄機采用了高性能的西門子S7－400系列PLC、MOOG公司D660系列伺服閥。它們組成一套速度和位置跟蹤波形發(fā)生器信號的典型伺服控制系統(tǒng)。由二級系統(tǒng)計算機控制PLC實現(xiàn)對液壓伺服閥的控制從而驅(qū)動液壓缸動作。其系統(tǒng)組成框圖如下圖4所示。

(1)上位機

圖4 振動控制系統(tǒng)框圖

上位機提供人機交互的界面，同時存儲有不同工藝條件下的振動模型和控制參數(shù)。生產(chǎn)過程中上位機可以根據(jù)不同的鋼種和不同的工藝環(huán)境，找出相關(guān)的液壓振動控制參數(shù)傳遞給PLC，用來維護和定義連鑄機的振動。

(2)主控PLC

主控PLC選用了416－3DP，主要對結(jié)晶器，二冷水，拉矯機，引錠存放，火切機，輸送輥道等設(shè)備進行檢測和控制，并與上位機和振動PLC實時通訊交換數(shù)據(jù)。

(3)鑄流PLC

即振動PLC，又稱BOC_PLC，主要負責結(jié)晶器液壓振動控制。它選用了416－2DP，并配備了西門子SM431模擬量輸入輸出模板用于檢測液壓缸頂部和底部壓力以及伺服閥的位置、SM432模擬量輸出模板用于控制比例伺服閥、FM452模板用于檢測位移傳感器反饋的液壓缸的位置。

(4)閥放大器模板PL6

鑄流PLC輸出的0～10V的模擬信號通過PL6放大器傳送給比例伺服閥線圈，同時比例伺服閥閥芯傳送的位置反饋信號進入PL6放大器進行系統(tǒng)內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制。

(5)線性位移傳感器

該系統(tǒng)采用Temposonic線性位移傳感器，用于反饋液壓缸位置以做閉環(huán)控制。

3.2 軟件設(shè)計

圖5為一流液壓振動監(jiān)控畫面圖示，該畫面采用Intouch編寫。通過操作上位機可以實現(xiàn)以下功能:①液壓振動的狀態(tài)以及曲線;②液壓缸的行程、實時頻率、拉速;③伺服閥的狀態(tài)、伺服閥閥芯的實時位置，以及工作時液壓缸實際位置與給定位置的誤差。以上數(shù)據(jù)和信號可以幫助我們很好的判定液壓振動系統(tǒng)的故障所在。

液壓振動裝置測試模式的操作非常重要。通過點擊圖5中右側(cè)偏下的振動測試工具(Oscillation Test Tools)按鈕，可進入如圖6所示的振動測試工具畫面。

圖5 N1流液壓振動監(jiān)控畫面

圖6 振動測試工具畫面

在振動測試工具畫面中，可以根據(jù)不同的鋼種，選擇正弦、雙正弦等不同的振動曲線;可以修改測試時液壓缸的行程以及測試頻率;還可以通過調(diào)整液位影響指數(shù)“Mould Level Factor”來調(diào)節(jié)響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

唐鋼新3#連鑄機液壓振動技術(shù)應(yīng)用以來，在廣大技術(shù)人員不斷努力下已取得不少成果。該系統(tǒng)的應(yīng)用必將對唐鋼產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及綜合指標的提升產(chǎn)生積極的影響。

［1］廖常初.S7－300/400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［2］鄭學然.連鑄結(jié)晶器非正弦振動的研究:學位論文.秦皇島:燕山大學，1998.

［3］李憲奎.液壓伺服驅(qū)動連鑄結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)的設(shè)計［M］.北京:冶金自動化，2000.