趙春濤，王晨翀，陳雪華

(寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部，上海 201900)

0 前言

結(jié)晶器振動裝置是連鑄生產(chǎn)線的核心設(shè)備，結(jié)晶器振動對結(jié)晶器保護(hù)渣消耗、結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力和板坯表面振痕都具有顯著影響，根據(jù)鋼種特點和澆鑄條件，選擇合適的結(jié)晶器振動參數(shù)，可以提高板坯表面質(zhì)量，并降低澆鑄過程中的漏鋼次數(shù)或概率。早期的結(jié)晶器振動采用凸輪結(jié)構(gòu)，但由于凸輪難于加工，故被偏心輪振動替代。偏心輪振動為正弦運(yùn)動，振動頻率和振幅固定，因而靈活性較差。由于液壓系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)晶器振動裝置具有振動幅值和振動頻率靈活可調(diào)，且振動曲線可實現(xiàn)非正弦曲線振動，因此液壓振動裝置在結(jié)晶器上得到廣泛應(yīng)用[1-13]。

結(jié)晶器液壓振動裝置主要分為兩種型式：伺服閥與液壓油缸各自獨立的分體結(jié)構(gòu)和伺服閥和液壓油缸一體式結(jié)構(gòu)。伺服閥與液壓油缸分體式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，故障處理快捷等優(yōu)點，但具有抗干擾能力、耐污染性差的缺點；伺服閥和液壓油缸一體式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障處理困難，但具有耐污染能力強(qiáng)的優(yōu)點[13-17]。

本文圍繞寶鋼煉鋼廠應(yīng)用的一體式結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器振動裝置，分析其工作點設(shè)計、動態(tài)特性和工作特點，分析結(jié)果對深刻理解這一結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器振動裝置具有較大意義和借鑒價值[4-5]。

1 一體式結(jié)晶器振動裝置構(gòu)成

寶鋼煉鋼廠某結(jié)晶器振動裝置采用的伺服閥和液壓油缸一體式結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。在這一振動裝置中，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)指令電信號產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角使?jié)L珠絲桿帶動伺服閥閥芯產(chǎn)生直線位移，閥芯位移使得閥芯和閥套之間形成一個閥口開度，當(dāng)打開的閥口與高壓油相通時，高壓油經(jīng)閥口進(jìn)入無桿腔，推動活塞產(chǎn)生運(yùn)動；當(dāng)打開的閥口與油箱連通時，無桿腔中的液壓油通過閥口回到油箱，活塞在有桿腔高壓油的作用下產(chǎn)生運(yùn)動；當(dāng)活塞位移量等于閥芯位移量時，閥口關(guān)閉，活塞停止運(yùn)動。由于采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥芯來實現(xiàn)油缸振動，這一振動裝置也稱為步進(jìn)油缸[7-8]。

圖1 步進(jìn)油缸結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)步進(jìn)油缸振動裝置的實際工作狀態(tài)，工作原理可以簡化如2圖所示。

圖2 步進(jìn)油缸工作原理圖

由圖2可見，液壓控制系統(tǒng)的動力機(jī)構(gòu)由三通伺服閥控制非對稱油缸構(gòu)成，非對稱油缸的活塞桿與振動臺架之間剛性聯(lián)接，在伺服閥的控制下，非對稱油缸帶動振動臺架實現(xiàn)結(jié)晶器的振動。在這一振動裝置中，內(nèi)置式伺服閥與液壓油缸通過機(jī)械結(jié)構(gòu)形成了對伺服閥閥芯位移的單位反饋，由此可以畫出振動裝置的控制方框圖，如圖3所示。

圖3 振動裝置的控制框圖

2 步進(jìn)油缸工作點分析

由于步進(jìn)油缸的動力機(jī)構(gòu)由三通閥控制非對稱油缸構(gòu)成，動力機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性決定于伺服閥、液壓油缸和負(fù)載。步進(jìn)油缸承受單向外負(fù)載力即振動臺架及內(nèi)部鋼水重量，為實現(xiàn)步進(jìn)油缸兩個方向控制性能一致，液壓油缸、單向外負(fù)載力和液壓系統(tǒng)壓力三者之間要滿足以下要求[9]。

(1)

式中，F(xiàn)L為單向負(fù)載力，N；A1為油缸無桿腔活塞面積，m2；A2為油缸有桿腔活塞環(huán)形面積，m2；ps為液壓系統(tǒng)壓力，Pa。

實際工作中如果單向外負(fù)載力或液壓系統(tǒng)壓力發(fā)生變化，將會影響步進(jìn)油缸兩個方向振動時控制性能的一致，嚴(yán)重時會造成振動曲線產(chǎn)生畸變或突跳。因而，保持鋼水高度和液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定至關(guān)重要。

式(1)又可表示為

當(dāng)步進(jìn)油缸的單向外負(fù)載力出現(xiàn)改變時，可通過調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力，可以實現(xiàn)步進(jìn)油缸兩個方向控制性能的一致。

3 數(shù)學(xué)模型

三通閥控油缸活塞位移對應(yīng)閥芯位移的傳遞函數(shù)[18-21]

(2)

4 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)寶鋼某步進(jìn)油缸實際參數(shù)：活塞直徑300 mm，活塞桿直徑260 mm，油缸行程30 mm，液壓系統(tǒng)壓力為20 MPa。設(shè)計時，考慮的步進(jìn)油缸單向外負(fù)載力為3.55×105N[5]。從步進(jìn)油缸的實際工況分析，單向外負(fù)載力來自負(fù)載的重力，因此步進(jìn)油缸的負(fù)載慣性質(zhì)量3.55×104kg。

油液彈性體積模量取6.9×102MPa，系統(tǒng)阻尼比取0.3，可得油缸活塞位移對應(yīng)伺服閥閥芯位移的傳遞函數(shù)。

4.1 開環(huán)系統(tǒng)bode圖

開環(huán)系統(tǒng)bode圖如圖4所示。由圖4可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，系統(tǒng)穿越頻率Wc為43 rad/s，即6.843 7 Hz，滿足現(xiàn)場最大頻率5 Hz的響應(yīng)需要。

圖4 開環(huán)系統(tǒng)bode圖

4.2 正弦響應(yīng)

為分析步進(jìn)油缸實際工作性能，選擇步進(jìn)油缸實際工作輸入信號：幅值為3 mm、頻率5 Hz的正弦信號，系統(tǒng)simlink模型及響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 正弦響應(yīng)曲線

由圖5可見，正弦響應(yīng)曲線正、負(fù)方向?qū)ΨQ，曲線光滑無畸變。表明在選定的工作點，三通伺服閥控制非對稱液壓缸在正、負(fù)方向上控制性能及動態(tài)性能一致，沒有突變，能夠滿足結(jié)晶器振動要求。

5 結(jié)論

(1)伺服閥與振動油缸一體式結(jié)構(gòu)的步進(jìn)油缸屬于三通閥控制非對稱油缸，因此只有在特定的工作點，才能夠滿足兩個方向控制性能一致。通過對步進(jìn)油缸結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，確定出步進(jìn)油缸特定工作點選擇原則，分析和仿真結(jié)果表明，步進(jìn)油缸只有在選定的工作點，才能滿足結(jié)晶器振動要求，達(dá)到響應(yīng)曲線對稱、不產(chǎn)生畸變。

(2)當(dāng)作用于步進(jìn)油缸上的外負(fù)載力出現(xiàn)變化時，可以通過調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力將步進(jìn)油缸的工作點調(diào)整到特定的工作點，滿足兩個方向控制性能一致。