机械驱动结晶器非正弦振动的开发.pdf

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1、机械驱动结晶器非正弦振动的开发李宪奎郑学然于敏之孙振江孙爱民王贵阳!燕山大学!首钢总公司摘要采用运动的叠加原理#开发出一种机械驱动的非正弦振动装置$生产实践证明#它同液压伺服系统驱动的非正弦振动系统相比具有投资省%操作维护方便%可靠性高等优点$现已应用于首钢第一炼钢厂的板坯连铸机#并取得显著的效果$关键词连铸结晶器振动非正弦振动&()*+,-.-,+/+0/+/1 2,/3 2+,4.*+2 5,*.-,+/+06 5 7./,5.*84 9,:/6+*4;?A B C DE FG=B H I?JK L M N!J?O N?K P H I O Q R S KFC N H T?U S KFV W

2、 XVFGG B R?U!S N Y B U?UZ Y I .2-9.5-?O H _Y O B H I Y O Q Y I a H#?H bQ R HY c WH N?a a R_ I P H Y d O B dO Y _?a Y O a a?Q Y _ H P HN?Oe H H H f a Y Q H _ Y I?Q HQ N?QQ N H_ H P H OWY I H?_ P?Q?U H Y B O P H O Q WH Q#Y H I?Q Y#W?Q H?H?_I H a?e a Q RQ N?N R _ I?B a d O H I P Y d O R O Q H WFY bQ N

3、HY O a a?Q Y _ H P HN?Oe H H B O H _?Q Z ZO a?e?O Q H I?Q FY gS Q H H a W?A Uh a?Q Y c S N Y B U?UZ Y I?_Y e P Y B OH c c H Q N?Oe H H Y e Q?H _ i 8j+9 4 2 Y Q B Y B O?O Q U#WY a _Y O a a?Q Y#Y d O B O Y _?a Y O a a?Q Y k前言连铸结晶器非正弦振动是发展高效连铸的关键技术#国外一些钢铁工业发达的国家已采用了非正弦振动技术#他们在不同断面的连铸机上均取得了令人瞩目的效果l g m$

4、目前非正弦振动都是由电液伺服系统驱动来实现的#它具有参数控制方便#调节灵活的优点#但其系统复杂#投资昂贵#操作和维护都需要较高的技术水平$考虑到国内冶金工厂的工作环境和液压元件的质量等方面#跟国外发达国家相比都有一定的差距$为此#研究开发了一种机械驱动的非正弦振动装置#在国内首次成功地应用于首钢第一炼钢厂的n o p q g rW板坯连铸机上#并取得了明显的效果$s机械驱动非正弦振动机构的原理s k非正弦振动波形目前广泛应用的非正弦振动波形如图g所示$图g非正弦振动波形t U g X?P H c Y I W Y c Y d O Y O a a?Q Y 该非正弦振动波形具备以下特点u&联系人u李

5、宪奎#教授#秦皇岛!v o o v v w 燕山大学机械工程学院!#正滑动时间较长$使保护渣的消耗量增加$弯月面附近的液体摩擦力减小%!&#在正滑动时间内$结晶器振动速度与拉坯速度的差$即!()*#的值减小$因此$作用在弯月面下坯壳的拉应力减小%!+#在负滑动时间内!()*#值增大$因此$作用于坯壳上的压力增大$有利于铸坯脱模%!,#负滑动时间短$铸坯表面振痕浅-./.机械驱动的非正弦振动的原理实现机械驱动的非正弦振动$要解决两个方面的问题0一个是实现非正弦振动波形的运动学原理%另一个是实现该非正弦振动波形的机构-././1运动学原理实现非正弦振动波形的运动学原理可能有多种$但是其最终目的是用

6、机械驱动系统能够很方便地实现它$因而$运动学原理必须同实现它的机构和结构一起来考虑-在过去对正弦振动及复合正弦振动研究的基础上$提出了两个余弦波迭加的运动学原理$通过对运动参数如幅值2角频率和相位的优化得出了一种非正弦振动波形-该波形具备非正弦波形的全部特征$如图&所示-图&机械驱动的非正弦振动波形曲线3 4 5/&6 7 8 9:;?4=;?*4 A B 4;=CA 9:;8(D 8 4 9:=E F(:*G A=4?(././.实现非正弦振动的机构由非正弦振动波形的运动学原理可知$只有采用两个偏心轮分别驱动$产生两个具有一定角频率2幅值及初相位关系的余弦波$然后再将其迭加$构成一个非正弦波

7、形-用偏心轮来产生余弦波是最简单可行的方法$目前国内外仍然普遍应用于生产的正弦振动都是由偏心轮来驱动的$它具备许多优点$如易于加工2制造2运动精度高2便于润滑和密封$能够实现高频率2小振幅振动-因此$采用偏心轮机构来产生两个余弦波是可行的-将两个余弦波迭加在一起也有几种不同的方案0如将偏心轮及其上的偏心套分别驱动$偏心轮及其偏心套各自所产生的余弦波在与偏心套装配在一起的连杆上迭加-虽然这种迭加原理很直接$但传动系统比较复杂2结构很难紧凑-所以采用H扁担梁I的方案!图+#$由两个偏心轮!轴#驱动产生的两个余弦波$迭加成非正弦波$通过传动机构来实现结晶器的非正弦振动-图+非正弦振动机构原理图3 4

8、 5/+J*G:(A B 4*D 4 A 5 8 A(;?4=;?*4 A B 4;=(:*G A=4?(该装置的机构原理如图+所示K&L-该机构为多杆机构$其中四杆机构MN O P用以实现结晶器振动轨迹$九杆机构PQ R S TU V WX YZ用以产生非正弦振动规律-非正弦振动装置的传动系统$如图,所示-偏心轮 2 分别产生两个余弦波$其幅值分别由两个偏心轮的偏心距给定%其角频率由齿轮机座的两个输出轴给定%其初相位可通过连轴器 2 _在安装时给定-由于两个偏心轮的偏心套均可调$因此$该非正弦振动装置不仅振动频率可随拉速在线自动调节2振幅停机可调$还可作到非正弦和正弦振动波形的互换-./动力

9、学分析./1非正弦振动波形动力学特性分析由于机械驱动的非正弦振动波形是由两个余弦波迭加而成$波形函数是基本初等函数-由高等数学ab.a第&期李宪奎等0机械驱动结晶器非正弦振动的开发图!传动系统示意图#$%!&()*+,#-#+$.+*/0,.+1 2*#2 2#/12 3 2,)*4 5电机6 7 8!8 9 8:5联轴器6;5减速器6 5偏心轮装置可知?初等函数为连续函数?由连续函数经过有限次初等运算和复合运算也是连续函数显然其加速度函数也是连续函数根据机构学理论可知?由该函数所决定的非正弦振动波形?不会使振动装置产生刚性冲击和柔性冲击A;BC%D%C机构动力学分析由于首钢原振动机构为一七杆

10、机构?质量较大?改造后的非正弦振动的速度曲线比正弦速度曲线陡?故有必要对原机构和改造后的振动机构作动力学分析?并确认改造后的机构是否能满足工作要求在设计中?保留了原振动机构的运动轨迹形成部分?因而设计误差和制造安装误差及静力变形误差8温升引起的变形误差几乎不变?只有惯性力发生变化根据振动理论?只有当施加于系统上的外界激振力频率与振动系统自身的固有频率接近时?系统才会发生共振?振动才能引起较大的变形?因而必须对设备进行固有频率分析在结构分析中?采用&EF系列中的&G H).&EF对振动机构进行分析在机构有限元模型的建立过程中?尽量避免模型的简化?使其充分体现机构的实际特点?以保证计算结果的真实性

11、I 4 J动力模型的建立将机构划分为三维板梁单元结构板梁单元所承受的力包括节点力8节点力矩8重力以及作用于单元任意位置上的分布力8集中力和力矩?机构所受到的外激励为结晶器的拉坯阻力和惯性力?单元变形为拉压变形和扭转变形以及两个方向弯曲变形的综合?因此板梁单元可以反映机构实际受力状况及其变形特点I 7 J固有频率分析在对振动机构分析后可以看出?原振动机构的过载保护装置部分刚度较大?对于提高振动频率留有较大的余地在对原振动机构进行改造后?单个过载保护装置弹簧刚度不变但由于实际设计中?每个实体的断面相应减小?抗拉刚度降低?再加上振动时采用非正弦振动?工作于高频小振幅状态?振动机构的振动频率可能接近于

12、固有频率?因此有必要对振动机构作动力学分析为了便于比较?把机构传动系统用边界单元表示?其刚度值赋予整个传动系统的等效刚度之后?利用软件包?计算了振动机构的前;K阶固有频率通过对改造后的振动机构分析可以看出?虽然每个过载保护装置的断面有所降低?但是总体的固有频率并没有降低并且对于所设计振动机构的振动频率?同样有相当大的富余量因此?认为改造后的振动机构仍然是安全的I;J振型分析利用此软件还对振型作了进一步的分析振动机构的抗扭刚度是最弱的?因此最低阶固有频率是振动的扭转频率?而振动机构铅垂方向的刚度较大?该方向机构的振动固有频率也较大?这种刚度分布形式是合理的当过载保护装置刚度变化时?铅垂方向的固有

13、频率将受到影响?但对于整个系统而言?其最低阶频率变化不显著从前三阶振型可以看出?此振动台传动机构的刚度是足够的?若振动轨迹仍有较大的误差?应考虑提高振动台与结晶器连接处的刚度过载保护装置刚度值的变化?仅对铅垂方向的机构固有频率影响较大?而对其他方向的固有频率影响不大本设计中过载保护装置的总体抗压刚度为原来的两倍?总体抗拉刚度也有所提高?因此固有频率不会降低?所以?提高振动频率后仍满足工作要求D研究的技术路线D%L波形参数优化非正弦振动波形只有通过对振动参数的优化?才能最大限度地发挥它的优越性振动参数优化的流程图?如图所示D%C计算机模拟在设计中?对整个结晶器非正弦振动机构?用M语言编制了模拟程

14、序?并上机调试成功?其中不仅包括理论计算?而且包括图形显示8数字显示D%D振动装置预装配8试运行及测试由于计算机模拟结果仍属于理论分析?与实际运行存在一定的误差?所以模拟结果还应通过实测来验证在制造厂对该装置进行了预装配和试运转?NOCN钢铁第;卷图!振动参数优化流程图#$%!&()*+,-./-#0#1 2 3)#&+-#4/+,+02-2,并对位移和位移曲线进行了测试5结果与理论计算吻合6由于采用上述技术路线5确保了振动装置现场顺利安装和调试5并一次浇铸成功67非正弦振动装置的工业应用该振动装置于8 9 9:年8 8月应用在首钢第一炼钢厂板坯连铸机6自投产以来5设备运行稳定5工艺效果明显6

15、由于采用了非正弦振动的技术5改善了结晶器保护渣的润滑条件5减少了结晶器与铸坯间的摩擦阻力5从而减少了坯壳的拉裂或拉漏6同时由于非正弦振动加强了结晶器的负滑脱运动5有利于拉裂坯壳的愈合及粘结坯壳的强制脱模6铸机漏钢率从;%降低到;%8;?5漏钢率降低了 6由于非正弦振动的负滑脱时间比正弦振动的时间短5从而使铸坯表面振痕深度由原来的平均;%A005减小到平均;%5明显地提高了铸坯表面质量6B结论C 8 D在板坯连铸机上采用机械驱动的非正弦振动装置技术可行5生产安全6在首钢一炼钢厂现有条件下5已在减少粘结性拉漏上取得了显著的效果5铸坯表面振痕也有明显减轻E其他方面潜在的工艺效果5如拉速的提高等5将在

16、相应工艺措施具备之后不断地发挥出来6C D该非正弦振动装置5完全适用于浇注各种断面的连铸机结晶器振动5包括半板簧和全板簧导向的振动装置6C?D由于非正弦振动的优越性主要来自其波形自身所具备的F最佳振动模型G的全部特征5因此5机械驱动的非正弦振动装置参数自动控制方面的弱点不会明显影响其优越性的发挥6参考文献8 H#I#J K 1 K I#%L 2 M 2&/02 4-.+N2(H&OP3)#&+-#4H O 2.,Q#$*R 3/2 2 OS 4-#4 K K 3 S+3-#4$.J-2 2&J&+T 3%U J U VU 4-2,4+-#4+&58 9 9 8 5?8 C?D W !A X 8%李宪奎%机械驱动的非正弦振动装置%专利号Y Z 9 9 8 :?%A%?孙午光%高速凸轮%北京W高等教育出版社5 8 9:%8 A X8 9%第8 期李宪奎等W机械驱动结晶器非正弦振动的开发