梁子福，張繼強(qiáng)，李新強(qiáng)，薛松

·新技術(shù)新設(shè)備·

連鑄機(jī)結(jié)晶器的單振動(dòng)單元液壓振動(dòng)裝置

梁子福，張繼強(qiáng)，李新強(qiáng)，薛松

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，西安710032)

開發(fā)了一種小方坯或小圓坯連鑄機(jī)的單振動(dòng)單元液壓振動(dòng)裝置，其采用串接式全板簧導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，單液壓缸驅(qū)動(dòng)，外弧或內(nèi)弧側(cè)布置，在緩沖螺旋彈簧、橫向?qū)蛑?、?dǎo)向板簧與液壓驅(qū)動(dòng)裝置的柔性驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)弧形或仿弧形振動(dòng)，集合了仿弧精度高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無需潤滑、控制流程簡單可靠、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，并成功投入生產(chǎn)使用，為小方坯或小圓坯連鑄高頻振動(dòng)提供了有效的、可靠的裝置。

小方坯或小圓坯連鑄機(jī);單振動(dòng)單元;液壓振動(dòng)

0 前言

持續(xù)、穩(wěn)定的高頻振動(dòng)可保證良好的鑄坯質(zhì)量，促使了人們對振動(dòng)機(jī)構(gòu)持續(xù)不斷的改進(jìn)，改進(jìn)從導(dǎo)軌型、長臂型、差動(dòng)齒輪型、四偏心型到短臂四連桿型，又到半板簧型和全板簧型等。由于導(dǎo)軌型、長臂型、差動(dòng)齒輪型、四偏心型結(jié)構(gòu)或因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易于磨損，或因使用中維修工作量大，使用壽命短等因素，在新建的小方坯或小圓坯連鑄機(jī)上很少采用或基本不用。

結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式主要有機(jī)械驅(qū)動(dòng)式、數(shù)字缸驅(qū)動(dòng)和液壓伺服缸驅(qū)動(dòng)式。機(jī)械驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備重;只能進(jìn)行正弦振動(dòng)，不能進(jìn)行非正弦振動(dòng);生產(chǎn)過程中不能實(shí)現(xiàn)振幅和波形的在線自動(dòng)調(diào)節(jié)，而且線外振幅調(diào)整也較為復(fù)雜，已基本被數(shù)字缸驅(qū)動(dòng)和液壓伺服缸驅(qū)動(dòng)所取代。液壓伺服缸驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)機(jī)構(gòu)具有可在線調(diào)整振動(dòng)參數(shù)(振幅、振頻、波形，可按給定的正弦或非正弦曲線進(jìn)行振動(dòng)等)功能，振動(dòng)控制精度高，其穩(wěn)定性更好，可提高鑄坯的質(zhì)量，使用壽命長，故障率低，滿足現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的要求。

中國重型機(jī)械研究院股份公司開發(fā)了一種小方坯或小圓坯連鑄機(jī)結(jié)晶器的單振動(dòng)單元液壓振動(dòng)裝置，能夠滿足結(jié)晶器按連鑄機(jī)設(shè)定的圓弧半徑作弧形或仿弧運(yùn)動(dòng)，有效的控制連鑄機(jī)結(jié)晶器在振動(dòng)過程中對縱、橫兩個(gè)方向的偏擺誤差;并能夠滿足小方坯或小圓坯連鑄機(jī)流數(shù)多、安裝空間小和結(jié)晶器負(fù)荷小的特點(diǎn)。

本文對該小方坯或小圓坯連鑄機(jī)結(jié)晶器的單振動(dòng)單元液壓振動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)組成、工作原理及使用效果進(jìn)行了介紹。

1 機(jī)構(gòu)組成

該小方坯或小圓坯連鑄機(jī)結(jié)晶器的單振動(dòng)單元液壓振動(dòng)裝置主要由機(jī)械機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。其中設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由振動(dòng)臺(tái)架、上導(dǎo)向板簧、下導(dǎo)向板簧、固定臺(tái)架、橫向?qū)蛑⒕彌_螺旋彈簧和液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無軸承無需潤滑。

圖1 單振動(dòng)單元液壓振動(dòng)裝置Fig.1The mould hydraulic oscillator ofsingle oscillating unit

2 機(jī)構(gòu)振動(dòng)工作原理

固定臺(tái)架通過支座與連鑄機(jī)基座固定連接，液壓缸的缸體端鉸接固定在固定臺(tái)架的空腔內(nèi)，液壓缸活塞桿與振動(dòng)臺(tái)架鉸接固定，活塞桿的作用方向垂直于鉸接點(diǎn)與連鑄機(jī)外弧圓心的連線;上板簧和下板簧靠近連鑄坯的一端稱為內(nèi)端，另一端稱為外端，上板簧的內(nèi)端與振動(dòng)臺(tái)架聯(lián)接，上板簧的外端與固定臺(tái)架聯(lián)接，下板簧的內(nèi)端與振動(dòng)臺(tái)架聯(lián)接，下板簧的外端與固定臺(tái)架聯(lián)接，左右兩側(cè)共四幅導(dǎo)向板簧的中心線的延長線相交于連鑄機(jī)外弧的圓心，即可保證振動(dòng)裝置按設(shè)計(jì)的鑄機(jī)基準(zhǔn)圓弧半徑R作仿弧振動(dòng);左右方向的橫向?qū)蛑鶎⒄駝?dòng)臺(tái)架與固定臺(tái)架彈性交錯(cuò)聯(lián)接，既適應(yīng)了仿弧振動(dòng)的要求，又可減少側(cè)向偏擺，使液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不受側(cè)向力作用;上、下板簧內(nèi)外端均設(shè)計(jì)有張力調(diào)節(jié)裝置，可實(shí)現(xiàn)板彈簧的張緊，有利于充分發(fā)揮串接式板簧的性能，保證振動(dòng)裝置仿弧精度的要求。滿足以上條件后，當(dāng)振動(dòng)伺服液壓缸按設(shè)定比例行程做運(yùn)動(dòng)時(shí)，結(jié)晶器外弧線就會(huì)按設(shè)定行程做弧形或仿弧運(yùn)動(dòng)。

3 液壓系統(tǒng)

振動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)的作用是控制和驅(qū)動(dòng)液壓伺服油缸，主要由振動(dòng)液壓裝置、蓄能過濾裝置和連接管路組成。振動(dòng)液壓裝置主要包括帶位移傳感器的振動(dòng)伺服液壓缸、電液伺服閥、壓力傳感器、截止閥和單向閥等，每臺(tái)振動(dòng)液壓裝置中的電液伺服閥、壓力傳感器等集成在其帶位移傳感器的振動(dòng)伺服液壓缸上。位移傳感器固定在振動(dòng)伺服液壓缸的缸頭上。蓄能過濾裝置主要包括壓力油蓄能器、回油蓄能器、壓力表、壓力油過濾器、電磁換向閥、液控單向閥、截止閥等。液壓系統(tǒng)的原理如圖2所示。

壓力油過濾器對提供給振動(dòng)液壓裝置的壓力油進(jìn)行進(jìn)一步過濾，以提高電液伺服閥、振動(dòng)伺服液壓缸等的工作可靠性;在由帶位移傳感器的振動(dòng)伺服液壓缸、電液伺服閥和壓力傳感器等組成的位置閉環(huán)系統(tǒng)工作時(shí)，壓力蓄能器可補(bǔ)充系統(tǒng)瞬時(shí)流量的不足，提高閉環(huán)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力;回油蓄能器可緩解振動(dòng)液壓裝置驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)時(shí)管道的振動(dòng)和噪音，并能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能;在電磁換向閥的控制下，液控單向閥被打開，壓力繼電器發(fā)訊指示壓力油已供給振動(dòng)液壓裝置，這時(shí)振動(dòng)液壓裝置進(jìn)入“投入”狀態(tài)，在此“投入”狀態(tài)下，可依工藝要求給定的正弦或非正弦曲線，對振動(dòng)液壓裝置的振動(dòng)伺服液壓缸進(jìn)行動(dòng)態(tài)位置閉環(huán)控制。振動(dòng)伺服液壓缸上的位移傳感器的反饋信號(hào)實(shí)時(shí)與給定信號(hào)相比較，控制相應(yīng)的電液伺服閥，使振動(dòng)伺服液壓缸按給定的結(jié)晶器振動(dòng)正弦或非正弦曲線驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器上下振動(dòng)。

圖2 液壓系統(tǒng)原理Fig.2Hydraulic system schematic diagram

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

液壓振動(dòng)裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)通過軟硬件來實(shí)現(xiàn)對液壓振動(dòng)裝置的控制，是集過程控制、過程管理、液壓振動(dòng)控制和故障報(bào)警診斷為一體的專用控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有Ethernet(以太網(wǎng))和硬線連接兩種對外接口。縱向，向上通過Ethernet可與連鑄機(jī)的二級(jí)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，向下可直接采集液壓振動(dòng)所需的數(shù)據(jù)并控制液壓振動(dòng)裝置;橫向，通過Ethernet或硬線可與連鑄機(jī)其它設(shè)備的控制系統(tǒng)連接，以完成本系統(tǒng)與設(shè)備其它工位控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由檢測控制器件、PLC控制柜和機(jī)旁接線盒等組成。檢測控制器件安裝在機(jī)械及液壓設(shè)備上用于對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測與控制，PLC控制柜是結(jié)晶器振動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。電氣控制系統(tǒng)主要以德國SORCUS高端嵌入式控制器和西門子S7-300PLC為主體。

4.2 系統(tǒng)控制的主要功能

德國SORCUS高端嵌入式控制器包括DI/ DO、模擬量IO，SSI接口，Ethernet接口、Profibus-DP接口，主要完成液壓振動(dòng)裝置的振動(dòng)控制;S7-300 PLC包括DI/DO模塊、Ethernet通訊模塊等，主要完成液壓站的控制。高端嵌入式控制器不僅很好的繼承了PLC結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)，而且更重要的是:它比PLC的系統(tǒng)運(yùn)行速度更快，編程更加靈活(可方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法)、體積小、性價(jià)比高，且控制流程簡單可靠。

系統(tǒng)使用專業(yè)的觸摸式操作面板，友好的圖形化人機(jī)界面，方便用戶操作。圖3為振動(dòng)裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)圖。

圖3 液壓振動(dòng)裝置自動(dòng)控制原理Fig.3Automatic control diagram of hydraulic oscillator

5 使用效果

該小方坯或小圓坯連鑄機(jī)結(jié)晶器的單振動(dòng)單元液壓振動(dòng)裝置已在攀鋼、鞍鋼成功投入使用，使用效果顯著。能達(dá)到頻率f:0～400 c/min，振幅A:0～5 mm，非正弦因數(shù)Δ:0～40%，完全滿足生產(chǎn)要求。生產(chǎn)結(jié)果表明振動(dòng)裝置及其系統(tǒng)能按工藝要求在線改變振頻、振幅、非正弦因數(shù)，連續(xù)地改變振動(dòng)波形，且振動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，具有較好的可靠性。

6 結(jié)論

(1)采用串接式全板簧導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，單液壓缸驅(qū)動(dòng)，在緩沖螺旋彈簧、橫向?qū)蛑?dǎo)向板簧與液壓驅(qū)動(dòng)裝置的柔性驅(qū)動(dòng)下，有效地、精確地實(shí)現(xiàn)弧形或仿弧形振動(dòng)，并能避免因加速度過大而產(chǎn)生沖擊和擺動(dòng)，有效地避免水平偏擺，有利于改善鑄坯表面。

(2)該裝置結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，無軸承，無磨損，無需潤滑，傳動(dòng)采用直傳式，剛性連接，無干涉，無下垂現(xiàn)象，既可承拉也可承壓，維修量小，壽命長。

(3)振動(dòng)液壓系統(tǒng)能按工藝要求在線改變振頻、振幅、非正弦因數(shù)，連續(xù)地改變振動(dòng)波形，且振動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，具有較好的可靠性。

(4)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，控制流程簡單可靠，操作靈活，控制精度高。

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Mould hydraulic oscillator of single oscillating unit of CCM

LIANG Zi-fu，ZHANG Ji-qiang，LI Xin-qiang，XUE Song
(China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China)

The mould hydraulic oscillator of single oscillating unit of billet or round billet CCM was developed，which features in high curve-imitation precision，simple structure，low weight，non-lubrication，simple and reliable control flow and long life，etc，is series completely leaf-spring guided and drove by single hydraulic cylinder．It is located on the inner curve or outside curve side．Due to the flexible driving of the buffer helical spring，transverse lead，guiding leaf-spring and hydraulic driving device，the curve or curve-imitation oscillation can be accomplished．Its successful application proves that the equipment is feasible and reliable for the high-frequency oscillation of billet or round billet continuous casting．

billet or round billet CCM;single oscillating unit;hydraulic oscillation

TF777

A

1001－196X(2017)01－0007－05

2016－05－20;

2016－06－15

梁子福(1981－)，女，工程師，主要研究方向:冶金設(shè)備。