1、液壓伺服驅(qū)動在連鑄結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用（機(jī)械工程學(xué)院）摘要: 介紹了電液伺服驅(qū)動連鑄結(jié)晶器振動系統(tǒng),分析了結(jié)晶器振動的工藝效果，討論了高速連鑄條件下結(jié)晶器振動參數(shù)選取，高速連鑄的振動頻率與拉坯速度的關(guān)系。與傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動裝置相比, 該系統(tǒng)能根據(jù)連鑄工藝要求改變波形, 在線改變振動頻率和振幅等參數(shù), 有效地提高了控制精度和鑄坯表面質(zhì)量。關(guān)鍵詞：液壓伺服系統(tǒng) 連鑄結(jié)晶器 振動控制Application of hydraulic pressure servo drove at continuous casting mould reciprocation control systemZheng

2、 Weiming(Institute of Mechanical Engineering )Abstract: The electrohydraulic servo vibration system of casting mold is introduced, and analysed the process effects of mould oscillatin and discussed the choice of the oscillaeory parameters under hith continous casting speed and stady on the relation

3、between oscillatory frequence and casting speed at high casting speed.Compared with traditional device it can change waveform according to casting p rocess, change vibration frequency and amp litude in operation, effectively raise thecontrol p recision and imp rove surface quality of casting billet.

4、Key words：hydraulic servo system， continuous casting mold， oscillation cont rol引言近年來, 隨著高效連鑄技術(shù)在冶金工業(yè)生產(chǎn)中的快速發(fā)展和應(yīng)用, 結(jié)晶器振動技術(shù)便成了連鑄生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的直流電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動的偏心凸輪的結(jié)晶器激振系統(tǒng)相比, 電液伺服驅(qū)動的連鑄結(jié)晶器激振系統(tǒng)具有能實現(xiàn)非正弦振動、可明顯改善結(jié)晶器保護(hù)渣的潤滑、有效地減少鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦力, 減少鑄坯振痕,提高鑄坯質(zhì)量和金屬收得率的優(yōu)點, 因此, 開發(fā)可靠性好、控制精度高、響應(yīng)速度快的電液伺服控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。1. 結(jié)晶

5、器的主要工藝參數(shù)分析在連鑄技術(shù)的發(fā)展過程中，只有采用了結(jié)晶器震動裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運動時，減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié)，以防止坯殼受到較大的應(yīng)力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋；而當(dāng)結(jié)晶器向下運動時，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時拉出的裂紋，這就要求向下的運動速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑脫。機(jī)械振動的振動裝置由直流電機(jī)驅(qū)動，通過萬變不離其宗向連軸器，分兩端傳動兩個蝸輪減速機(jī)，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機(jī)后面再通過萬向連軸器，連接兩個滾動軸承支承的偏心軸，在每個偏心輪處裝有帶滾動軸承的曲柄，并通過帶

6、橡膠軸承的振動連桿支承振動臺，產(chǎn)生振動。在新型連鑄生產(chǎn)工藝中，采用帶數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制是保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。國外的應(yīng)用情況表明，采用連鑄潔結(jié)晶器非正弦伺服振動，能夠有效的減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力，從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被拉裂，減少鑄坯振痕，提高鑄坯質(zhì)量。帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動裝置相比，可以方便的實現(xiàn)多種波形振動、實現(xiàn)連鑄過程監(jiān)督和實時顯示振動波形，并能在線修改非振動方式及振動頻率和幅值等參數(shù)，實現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度。（1）結(jié)晶器振動機(jī)構(gòu)結(jié)晶器是通過閥控缸驅(qū)動雙搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)其往復(fù)振動的,液壓缸的位置(或結(jié)晶器鞍座的位

7、置) 通過位移傳感器反饋到綜合端與指令信號比較得到誤差信號, 然后由計算機(jī)算得控制量并經(jīng)過D/ A 和電流負(fù)反饋放大器后驅(qū)動電液伺服閥構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用計算機(jī), 可以非常方便地產(chǎn)生各種指令信號(期望振動規(guī)律) , 通過選擇適當(dāng)?shù)目刂坡煽梢允瓜到y(tǒng)輸出跟蹤指令信號從而獲得所要求的振動規(guī)律。圖1 結(jié)晶器電液伺服振動裝置（2）振動形式分析在結(jié)晶器振動技術(shù)發(fā)展過程中，在振動形式及振動裝置的結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了多種多樣的形式。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用量最多的主要是正弦波模式。近年來，非正弦波模式又被人們接受，并隨著先進(jìn)的液壓振動裝置的出現(xiàn)，采用了各種各樣的振動曲線。正弦振動正弦振動就是結(jié)晶器的運動速度和時間成正

8、弦曲線關(guān)系，如圖1.4（f）中曲線2所示。這種振動規(guī)律的最大優(yōu)點就是只要用一個簡單的偏心機(jī)構(gòu)即可實現(xiàn)，速度變化平穩(wěn)、無沖擊，易于維護(hù)。由于正弦震動的速度始終處于變化之中，在振動機(jī)構(gòu)和拉坯機(jī)構(gòu)之間沒有嚴(yán)格的速度關(guān)系。因此，也不必建立嚴(yán)格的連鎖。同時，在運動中仍有一段負(fù)滑脫階段，具有脫模作用。由于加速度比較小，振動還能實現(xiàn)高頻振動，減少負(fù)滑脫時間以得到較淺的振痕，有利于改善鑄坯表面質(zhì)量，為了使這兩個參數(shù)最佳化，曾經(jīng)歷了不同的發(fā)展，從大量時間經(jīng)驗可以得出結(jié)論，高頻率小振幅對改善鑄坯表面質(zhì)量有明顯的效果，從圖1.3中可以看出拉坯速度相同時，小振幅高頻率可以減少振痕深度，而負(fù)滑脫時間tx=60fcos-

9、11000W熱/2sf,當(dāng)振幅s減小，振動頻率f增大時，其結(jié)果可使負(fù)滑脫時間tx縮短，因此也可以說縮短負(fù)滑脫時間有利于提高鑄坯表面質(zhì)量，目前，有關(guān)文獻(xiàn)報道大多數(shù)負(fù)滑脫時間取值范圍在0.10.25S,對于不同鋼種最佳負(fù)滑脫時間為0.1s。但是，正弦振動的特性完全決定了其振幅和頻率的數(shù)值，即正弦的調(diào)節(jié)能力小，難以完全滿足高速連鑄的工藝要求，特別是對于那些易于粘結(jié)的鋼種，在高速澆注條件下采用具有較長的正滑脫時間的非正弦式結(jié)晶器振動是更有利的，而且采用帶可調(diào)程序控制裝置的液壓機(jī)構(gòu)很容易實現(xiàn)這種非正弦振動方式。 非正弦振動近年來，現(xiàn)代連鑄發(fā)展的一個特點是拉坯速度日益提高，同時，連鑄坯熱送直接軋制技術(shù)的發(fā)

10、展也對連鑄坯的表面質(zhì)量提出了更高的要求。實踐表明，高頻振動和高速鑄造均會造成結(jié)晶器保護(hù)渣消耗量的下降，使坯殼與結(jié)晶器壁間的潤滑性能變壞，摩擦力增加，容易發(fā)生粘結(jié)漏鋼。為了解決高速拉坯速度、高頻振動這一新情況下的漏鋼問題，將彎月面下初凝的薄弱坯殼順利拉出，人們一方面采用含有Li2O的低粘度、低溶點、鋪展性好的保護(hù)渣，以改善鑄坯與結(jié)晶器間的潤滑條件，保持一個合適的保護(hù)渣消耗量；另一方面在結(jié)晶器的振動方式上采用這樣的振動波形：在正滑動區(qū)間V振-V拉較小，以盡可能降低作用在坯殼上的拉伸應(yīng)力，而在負(fù)滑動區(qū)間V振-V拉較大，以對坯殼施加足夠大的壓縮力，并降低負(fù)滑動時間NSR或增大正滑脫時間tp，在正弦振動

11、中，tx、tp互為增函數(shù)關(guān)系，不能同時滿足上述幾個方面的要求，因此，人們開發(fā)了結(jié)晶器上升時間比下降時間長的非正弦振動波形，引入了波形偏斜率這一自由參數(shù)。當(dāng)然，目前開發(fā)的各種波形不同的非正弦振動模式，均是通過液壓伺服系統(tǒng)控制的液壓振動裝置來實現(xiàn)非正弦振動的，除了可以改變振幅和頻率外，還可以根據(jù)工況的變化自由的調(diào)節(jié)波形偏斜率，改變振動波形。圖1.4示出了非正弦振動的位移曲線和速度曲線。其特點是結(jié)晶器的上升時間長且速度平穩(wěn)，可顯著的減小對坯殼的拉伸應(yīng)力：下降時間短且保持了較大的負(fù)滑動量，可對坯殼施加較大的壓縮應(yīng)力。負(fù)滑脫時間tx明顯減少，這符合前面提到的縮短tx，有利于改善鑄坯表面質(zhì)量的論述。同時，

12、在非正弦振動中，tx，tp互為減函數(shù)關(guān)系，tx減少相應(yīng)增大了正滑脫時間tp，可以保證保護(hù)渣的有效提供。工業(yè)實驗已經(jīng)證明，采用合適的非正弦振動波形，至少可使振痕深度減少30，坯殼與結(jié)晶器壁間的摩擦阻力減少40。此外，據(jù)稱非正弦振動方式對于鑄坯皮下的純凈度、結(jié)晶器的傳熱以及初生鉤形凝固殼的形成都有積極影響。 （3）結(jié)晶器振動和潤滑的關(guān)系結(jié)晶器振動的重要影響主要是對潤滑和振動痕跡形成的作用。振動的同時要求提供結(jié)晶器潤滑，兩者的共同作用是減少坯殼和結(jié)晶器壁間的摩擦力，以得到最好的表面質(zhì)量和防止粘結(jié)漏鋼的最佳安全性。如前所述，結(jié)晶器振動對于改善結(jié)晶器壁間的潤滑是非常有效的，但對于結(jié)晶器振動如何影響結(jié)晶器

13、保護(hù)渣的消耗和保護(hù)渣的潤滑作用，其機(jī)理并不十分清楚。早期的研究曾提出一個負(fù)滑脫時間保護(hù)渣流入量的模型，但是隨后的試驗結(jié)果表明，保護(hù)渣消耗量是正滑脫時間的增函數(shù)，圖1.5示出了保護(hù)渣消耗量與正滑脫時間的關(guān)系?？梢?，對于振動結(jié)晶器，正滑脫時間越長，保護(hù)渣消耗量越大，由此也引起了大量的爭議。對于增加保護(hù)渣消耗而言正滑脫時間和負(fù)滑脫時間是振動周期內(nèi)的兩個必不可少的過程：正滑脫期間，結(jié)晶器相對坯殼向上運動。保護(hù)渣在結(jié)晶器鋼水彎月面處形成的渣圈上移，液渣由鋼液面向彎月面流動的通道被“打開”，促進(jìn)了液渣彎月面附近流動和聚集，由于摩擦力作用液態(tài)渣的一部分被“拔出”；負(fù)滑脫期間，結(jié)晶器相對坯殼向下運動，渣圈隨結(jié)

14、晶器下移，液渣受到壓力而向結(jié)晶器和坯殼間填充，同時，由于壓縮的作用，液渣流動的通道被“關(guān)閉”，也部分阻礙了鋼液面上的液渣向彎月面附近流動。結(jié)晶器周期性振動的結(jié)果，導(dǎo)致液渣在彎月面處的流動、聚集以及向結(jié)晶器和坯殼間填充的重復(fù)進(jìn)行，從而改善了結(jié)晶器的潤滑狀況。當(dāng)液渣的填充成為限制性環(huán)節(jié)時，負(fù)滑脫時間反映振動參數(shù)對保護(hù)渣消耗的影響；當(dāng)液渣供應(yīng)成為限制性環(huán)節(jié)時，則正滑脫時間反映振動參數(shù)對保護(hù)渣消耗的影響。通過對生產(chǎn)、試驗數(shù)據(jù)的綜合評價，研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)渣消耗量與總的周期時間有很好的對應(yīng)關(guān)系（見圖1.5），并得到如下的實驗公式：Q=0.5560fVc2-12+0.1式中：Q-單位面積的保護(hù)渣消耗量，kg/

15、m2； VC-拉坯速度，m/min； f-振動頻率Hz； -保護(hù)渣的液渣粘度，pa.s.很明顯，它是保護(hù)渣粘度和振動頻率的函數(shù)，給出了一個與時間有關(guān)的保護(hù)渣消耗機(jī)制，由于高頻振動以及高拉速減少了坯殼的“接觸時間”，保護(hù)渣消耗量降低。但是，上式中變量缺少了振幅s的影響，仍不能對結(jié)晶器振動的影響作出滿意的評價。綜上所述，連鑄工藝要求結(jié)晶器采用高頻率、小振幅的振動方式，以下是包鋼薄板廠CSP生產(chǎn)線的結(jié)晶器的主要工藝參數(shù)：（1）連鑄拉速：06.5m/s（2）結(jié)晶器振動臺設(shè)定振動頻率：0.57Hz（3）結(jié)晶器振動臺設(shè)定振幅：±3mm（4）兩邊最大振動力的偏差：20%（5）結(jié)晶器的最大加速度：5

16、79m/s22. 液壓振動結(jié)晶器的工藝設(shè)備結(jié)晶器液壓振動較以往的振動方式具有很先進(jìn)的特點，包括：頻率可調(diào)、振幅可調(diào)整、振動曲線可調(diào)整及高振頻低振幅等特點。這些特點就能夠充分滿足整個連鑄工藝對包括鋼坯振痕在內(nèi)的表面質(zhì)量及部分內(nèi)部質(zhì)量的要求。（1）系統(tǒng)控制原理結(jié)晶器（Mold）液壓振動控制系統(tǒng)見圖1。結(jié)晶器液壓振動主要是在結(jié)晶器兩側(cè)裝有兩個液壓缸，這兩個液壓缸分別由兩個液壓伺服機(jī)構(gòu)（比例閥）來控制（如圖中Hydraulic Actuator），這樣就可以通過液壓缸的快速升降從而帶動整個結(jié)晶器也快速地上下振動。在每個液壓缸上裝有一個高精度的位置傳感器（如圖中Cylinder pos feedback

17、），用于檢測液壓缸中塞桿的移動位置，從而有效確定塞桿移動的長短，經(jīng)過控制器的計算，得到振動的振幅。同時在液壓缸兩側(cè)還裝有壓力傳感器，主要用于測算結(jié)晶器與鑄坯之間的摩擦力。 圖1 結(jié)晶器（Mold）液壓振動控制系統(tǒng)位置控制是由控制器（如圖Simatic C7）對具有比例效應(yīng)的液壓伺機(jī)構(gòu)的電磁閥的控制來實現(xiàn)的，控制器向電磁閥輸出不同等級的控制信號（4 20mA），這個控制信號通過液壓伺服機(jī)構(gòu)（ 比例閥）就可控制液壓缸產(chǎn)生不同距離的位置移動；同時這種控制器還要對各振動液壓缸之間的機(jī)械同步進(jìn)行有效監(jiān)視，不至于產(chǎn)生兩個缸動作不一致或者動作幅度不統(tǒng)一的錯誤。這種監(jiān)視主要來自于位置傳感器的反饋信號，通過反饋

18、值與校正值的比較就可得到有效的同步信號值。每個液壓缸上位置傳感器反饋的位置信號通過放大器與振動控制器（如圖SimaticC7）連接，該放大器輸出為與控制器液壓缸行程成比例的4 20 mA 的信號?？刂破鞯妮敵鐾瑯訛槟M信號，控制液壓執(zhí)行器（伺服比例閥）。每個液壓缸活塞桿兩側(cè)的壓力傳感器把實際測量的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，傳給振動控制器，控制器計算每一側(cè)振動摩擦力，然后再將這個結(jié)果傳給計算機(jī)二級控制系統(tǒng)，計算機(jī)二級控制系統(tǒng)可以將此數(shù)據(jù)用作模型計算，從而有效地估計出保護(hù)渣的性能及粘結(jié)漏鋼等生產(chǎn)事故。液壓振動控制器PLC 為獨立式專用模塊式PLC（如圖Simatic C7）。采用這種獨立式控制器的主要優(yōu)點

19、為：具有極強(qiáng)的專用性，免于其他控制系統(tǒng)的干擾；具有快速的動態(tài)反應(yīng)能力；高度的可靠性；易于與不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊式的組合，具有通用性特點。同時，因為采用這種獨立的控制器，使我們整個系統(tǒng)的啟動時間更短，維護(hù)更容易。(2) 液壓振動結(jié)晶器的工藝設(shè)備結(jié)晶器電液伺服振動系統(tǒng)組成見圖1, 它由伺服系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)、液壓油源、上位機(jī)、波形生成器、下位控制機(jī)等幾部分組成1 數(shù)字波形生成器由帶模擬量的FP0 型PLC 及控制電路構(gòu)成, 結(jié)晶器是通過閥控缸液壓動力元件驅(qū)動振動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)其往復(fù)振動的, 而振動伺服閥的控制信號來自波形生成器, 結(jié)晶器鞍座的位置通過位移傳感器反饋到下位控制機(jī)和伺服控制器, 經(jīng)過電流負(fù)反饋

20、放大器后驅(qū)動電液伺服閥構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)1 利用計算機(jī)與數(shù)字波形發(fā)生器通信, 可以非常方便地產(chǎn)生各種指令波形, 通過模糊P ID 控制可以使系統(tǒng)輸出跟蹤指令信號從而獲得所要求的振動規(guī)律1 為了保證系統(tǒng)的跟蹤精度, 系統(tǒng)中設(shè)有蓄能器以吸收各類波動和沖擊. 圖1結(jié)晶器電液伺服振動裝置結(jié)構(gòu)及控制原理a.伺服缸伺服缸是由特殊設(shè)計的起動力很小的液壓缸、電液伺服閥和位移傳感器組裝在一起構(gòu)成的，和伺服控制器一起完成將電壓指令信號轉(zhuǎn)換成液壓缸位移輸出的閉環(huán)控制。伺服缸尺寸根據(jù)負(fù)載匹配；由于系統(tǒng)對可靠性及頻率響應(yīng)要求很高, 故選用無節(jié)流小孔、高頻響的電反饋式伺服閥；系統(tǒng)選用恒壓變量泵加蓄能器穩(wěn)壓；位移傳感器選用差

21、動變壓器式直流位移傳感器。b.伺服控制器伺服控制器內(nèi)有兩路獨立的伺服放大器和將這兩路獨立的伺服放大器關(guān)聯(lián)在一起的同步控制回路(見圖1b) 。每路伺服放大器控制1 臺伺服缸,它將指令電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號經(jīng)輸出端驅(qū)動電液伺服閥來使液壓缸移動,裝在活塞桿上的位移傳感器的反饋信號在反饋端輸入后與指令信號進(jìn)行比較,形成位置系統(tǒng)的閉環(huán)控制。每1 路都設(shè)有開環(huán)增益調(diào)整、反饋增益調(diào)整、零位調(diào)整和輸入與反饋相位調(diào)整,并有電流表顯示通過伺服閥的電流狀態(tài)。同步控制回路是對兩臺伺服缸出現(xiàn)不同步時的一種補(bǔ)償,同步控制的原理是對兩個單獨的反饋信號進(jìn)行比較,兩缸同步,則比較后的差值為零,差值不為零時,這個差值以相反的極性

22、分別送入兩個回路各自的輸入信號加法點,使“快缸降速,慢缸升速”,進(jìn)行同步調(diào)節(jié) 。c.液壓泵站泵站選用恒壓式變量泵, 油液清潔度按伺服閥要求。為提高系統(tǒng)的動態(tài)特性,閥臺上設(shè)置穩(wěn)壓蓄能裝置。液壓缸上裝有壓力傳感器,內(nèi)置位移傳感器,用以實現(xiàn)反饋控制。把高速開關(guān)閥應(yīng)用于恒壓變量泵輸出壓力的控制系統(tǒng)中, 泵的輸出流量則由其與負(fù)載的耦合特性決定。恒壓變量泵的電液控制系統(tǒng)原理如圖所示。在上述系統(tǒng)中, 以高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)控制閥,壓力傳感器 3、4采樣得到的壓力信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給計算機(jī), 計算機(jī) 單片機(jī) 經(jīng)過比較計算產(chǎn)生的 PWM矩形調(diào)制波控制高速開關(guān)閥, 高速開關(guān)閥的產(chǎn)生的先導(dǎo)壓力信號又直接作用于恒壓

23、變量泵的調(diào)壓變量機(jī)構(gòu), 因此, 可根據(jù)其輸出先導(dǎo)壓力的不同來達(dá)到調(diào)節(jié)恒壓變量泵的輸出壓力的目的。由于高速開關(guān)閥壓力控制回路具有比例控制的功能, 通過簡單的電液數(shù)字控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)對其壓力的比例控制, 并且高速開關(guān)閥具有數(shù)模 D/A轉(zhuǎn)換的功能, 因此, 應(yīng)用它作為接口元件, 計算機(jī)就可以直接控制恒壓變量泵的輸出壓力, 實現(xiàn)恒壓變量泵輸出壓力的無級變化調(diào)節(jié)以滿足不同液壓控制系統(tǒng)的工作要求。d.計算機(jī)系統(tǒng)整個計算機(jī)控制系統(tǒng)由上、下位機(jī)及數(shù)據(jù)輸入輸出系統(tǒng)構(gòu)成1 上位機(jī)為工控工作站, 下位機(jī)為PLC1 下位機(jī)完成產(chǎn)生給定振動信號、控制算法、數(shù)據(jù)采集、中斷定時; 上位機(jī)用于工業(yè)矩陣設(shè)置、圖形實時顯示等工作1 控制系統(tǒng)軟件由管理程序和控制程序組成1 管理程序包括菜單與界面模塊、報警處理模塊、圖形處理模塊、輸入給定參數(shù)模塊、