小方坯连铸液压振动系统的设计

陈世超

(唐山钢铁集团有限公司，河北 唐山063000)

唐钢股份公司第二钢轧厂钢区2007年建成一台六机六流小方坯连铸机，其生产150×150mm小方坯直接供给高线进行轧制。该设备采取了诸多先进技术，其中结晶器液压振动就是其关键技术。液压振动装置相对于机械振动具有控制精度高、调整灵活、维护简单等优点。而且根据工艺条件的要求任意改变波形，并可调整正负滑动速度和时间，改善结晶器和铸坯之间的润滑和脱模，减少黏结性漏钢事故。因此，结晶器液压非对称振动是当代连铸机振动发展的主导方向。

1 结晶器液压振动模型的设计

图1为结晶器液压振动系统的模型和受力图。受力对象(即结晶器和结晶器振动台架)可以近似抽象成具有一定质量、弹性和阻尼的数学模型，如下图1所示。

设在任一瞬间质量块(结晶器和结晶器振动台架)的位移为y(t)，根据牛顿定律，其运动的微分方程为

变为标准形式有

图1 结晶器液压振动系统的模型和受力图

它的解由两部分组成

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

另一部分yp是式的特解，表示成

将式6代入1可以求得两个待定系数Y和ψ，即

所以运动微分方程的通解表示为

由式(9)可知系统响应由两部分组成:第一项是黏性阻尼系统的自由振动，A和φ决定于初始条件，在运动开始后的很短时间内迅速消失，可以不予考虑;第二项是黏性阻尼系统简谐受迫振动，其振幅Y和相角ψ与运动的初始条件无关，只是激励力幅F0与激励角频率ω的函数，F0与ω保持不变，Y与ψ均是常数值。

所以在自由振动消失后，特解yp代表振动系统的全部运动，即可将运动微分方程简化为:

由式(7)和(8)可得出

式中β为放大因子，即输入与输出的幅值比，λ为频率比。由上述分析可知，结晶器液压振动系统具有以下特点:

(1)结晶器振动系统是单自由度黏性阻尼系统的简谐受迫振动系统，它不因阻尼而衰减，是稳态振动，响应的频率就等于激励角频率ω，其相角滞后于激励的相角。

(2)当激励频率很低即λ≈0时β≈1，这时由于激励力变化很缓慢，几乎是常力，所以受迫振动的振幅Y近似等于激励力产生的静挠度F0/ks;当激励频率很高即λ≫1时β≈1，这是由于激励力变化过快，受力对象因惯性仍然停止不动;当λ=1时系统会产生共振，振幅Y达到最大值Ymax，β也为最大值。另外随着ζ增大，Ymax幅值减小。

(3)振动得以维持的原因是系统有存储动能的惯性元件和储存势能的弹性元件。系统有稳定的平衡位置，其动能和势能可以相互转换，在外界激励的作用下，产生振动。

2 液压系统的设计

2.1 液压伺服系统的基本组成

结晶器液压振动采用伺服阀驱动液压缸进行动作。其特点是输出量能够自动而准确地复现输入量的变化规律，其控制精度高，响应速度快，该系统具有输出功率大。结晶器液压伺服系统的工作原理方框图如图2所示。

图2 液压伺服系统的工作原理方框图

由图2可见，液压伺服系统由给定元件、执行元件、反馈元件、比较元件、放大元件、负载六个部分组成。

2.2 液压振动系统的原理

图3所示是结晶器液压振动系统的原理图

图3 结晶器液压振动系统的原理图

图3中，当系统的输入端加上一个载荷信号F0时，此信号经过校正放大器1、伺服放大器2输给电液伺服阀3的力矩马达，伺服阀的阀芯产生一个位移x，液压油进入液压缸4，使缸两腔产生与载荷信号F0成正比的负载压力PL，也就给受力对象6(结晶器和结晶器振动台架)加上F=A PL的力(A为活塞有效作用面积A=π(D2－d2)/4，结晶器振动台架在活塞推动力F的作用下产生运动，于是液压缸活塞便产生速度˙y。当不考虑液体压缩及泄漏时，此时的负载流量qL=A˙y。当伺服阀的阀芯开度不变时，随着流量的增加，负载压力PL将降低。因此，用以加载的力F也随之减小。压力传感器5将F的变化反馈到输入端与给定信号F0相比较，将比较后的偏差信号输给力矩马达，即用偏差信号去修正阀芯的位移，从而使加载力F重新回到调定值。液压缸的活塞杆是随着阀芯的运动而运动的，阀芯停止运动，则活塞杆也停止运动。阀芯运动速度有多快，活塞杆运动的移动速度也就有多快。阀芯的运动方向改变，活塞杆运动的方向也随之改变。该系统的稳定性和响应速度受负载刚性的影响很大，因此在回路中串了校正放大器以保证液压伺服系统的正常工作。

2.3 液压系统基本参数要求

该液压控制系统实际是一个位置控制系统，根据工程要求，需确定的参数如下:

振动频率f=1～300Hz;

振动振幅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;

最大负载质量Mt=1.05M=420kg;

最大负载力Fmax=15876N;

频带宽度f3dB＞10HZ;

位置误差ep＜±0.1mm;

速度误差ev＜1mm。

2.4 确定动力元件参数及其它组成元件的参数

2.4.1 液压缸参数的确定

(1)供油压力

为使实验装置小型化，选用较高的供油压力。确定供油压力Ps=21MPa

(2)工作压力

工作压力必须满足负载静止和运动两种状态所需压力。由阀组成的伺服机构，工作压力可由最大功率输出状态决定。即阀输出功率最大时的压力定为工作压力。

因阀的输出功率为

(3)液压缸活塞的面积

因为，最大负载力Fmax=15876N

所以，液压缸活塞的面积为

取标准尺寸，故选取缸径为D=50mm，缸径为d=28mm的标准液压缸。则活塞的有效面积为

2.4.2 伺服阀

阀压降:pv=ps-pL=(21-2.91)MPa=17.95MPa

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

我们一下子还没明白过来这句话的意思，大家似笑非笑地看着林孟，看看萍萍，萍萍就又补充了一句，她说：“当他需要我的时候。”

(2)最大负载工况时负载流量近似为零负载压降:

pL=11.78MPa

阀压降:pv=ps-pL=(21-11.78)MPa=9.22MPa

根据以上参数，查阅MOOG伺服阀样本手册，选用型号为MOOG D661系列伺服阀。

3 液压振动系统自动控制系统设计

3.1 液压振动控制系统的组成

该连铸机采用了高性能的西门子S7－400系列PLC、MOOG公司D660系列伺服阀。它们组成一套速度和位置跟踪波形发生器信号的典型伺服控制系统。由二级系统计算机控制PLC实现对液压伺服阀的控制从而驱动液压缸动作。其系统组成框图如下图4所示。

(1)上位机

图4 振动控制系统框图

上位机提供人机交互的界面，同时存储有不同工艺条件下的振动模型和控制参数。生产过程中上位机可以根据不同的钢种和不同的工艺环境，找出相关的液压振动控制参数传递给PLC，用来维护和定义连铸机的振动。

(2)主控PLC

主控PLC选用了416－3DP，主要对结晶器，二冷水，拉矫机，引锭存放，火切机，输送辊道等设备进行检测和控制，并与上位机和振动PLC实时通讯交换数据。

(3)铸流PLC

即振动PLC，又称BOC_PLC，主要负责结晶器液压振动控制。它选用了416－2DP，并配备了西门子SM431模拟量输入输出模板用于检测液压缸顶部和底部压力以及伺服阀的位置、SM432模拟量输出模板用于控制比例伺服阀、FM452模板用于检测位移传感器反馈的液压缸的位置。

(4)阀放大器模板PL6

铸流PLC输出的0～10V的模拟信号通过PL6放大器传送给比例伺服阀线圈，同时比例伺服阀阀芯传送的位置反馈信号进入PL6放大器进行系统内环闭环控制。

(5)线性位移传感器

该系统采用Temposonic线性位移传感器，用于反馈液压缸位置以做闭环控制。

3.2 软件设计

图5为一流液压振动监控画面图示，该画面采用Intouch编写。通过操作上位机可以实现以下功能:①液压振动的状态以及曲线;②液压缸的行程、实时频率、拉速;③伺服阀的状态、伺服阀阀芯的实时位置，以及工作时液压缸实际位置与给定位置的误差。以上数据和信号可以帮助我们很好的判定液压振动系统的故障所在。

液压振动装置测试模式的操作非常重要。通过点击图5中右侧偏下的振动测试工具(Oscillation Test Tools)按钮，可进入如图6所示的振动测试工具画面。

图5 N1流液压振动监控画面

图6 振动测试工具画面

在振动测试工具画面中，可以根据不同的钢种，选择正弦、双正弦等不同的振动曲线;可以修改测试时液压缸的行程以及测试频率;还可以通过调整液位影响指数“Mould Level Factor”来调节响应速度。

4 结论

唐钢新3#连铸机液压振动技术应用以来，在广大技术人员不断努力下已取得不少成果。该系统的应用必将对唐钢产品质量的提升以及综合指标的提升产生积极的影响。

［1］廖常初.S7－300/400PLC应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］郑学然.连铸结晶器非正弦振动的研究:学位论文.秦皇岛:燕山大学，1998.

［3］李宪奎.液压伺服驱动连铸结晶器振动控制系统的设计［M］.北京:冶金自动化，2000.