液压伺服驱动在连铸结晶器振动控制系统中的应用.doc

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1、液压伺服驱动在连铸结晶器振动控制系统中的应用（机械工程学院）摘要: 介绍了电液伺服驱动连铸结晶器振动系统,分析了结晶器振动的工艺效果，讨论了高速连铸条件下结晶器振动参数选取，高速连铸的振动频率与拉坯速度的关系。与传统的结晶器振动装置相比, 该系统能根据连铸工艺要求改变波形, 在线改变振动频率和振幅等参数, 有效地提高了控制精度和铸坯表面质量。关键词：液压伺服系统 连铸结晶器 振动控制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引言近年来, 随着高效连铸技术在冶金工业生产中的快速发展和应用, 结晶器振动技术便成了连铸生产过程中的关键技术之一。与传统的直流电机或交流电机驱动的偏心凸轮的结晶器激振系统相比, 电液伺服驱动的连铸结晶器激振系统具有能实现非正弦振动、可明显改善结晶器保护渣的润滑、有效地减少铸坯与结晶器之间的摩擦力, 减少铸坯振痕,提高铸坯质量和金属收得率的优点, 因此, 开发可靠性好、控制精度高、响应速度快的电液伺服控制系统具有重要的现实意义。1. 结晶

5、器的主要工艺参数分析在连铸技术的发展过程中，只有采用了结晶器震动装置后，连铸才能成功。结晶器振动的目的是防止拉坯坯壳与结晶器粘结，同时获得良好的铸坯表面，因而结晶器向上运动时，减少新生的坯壳与铜壁产生粘结，以防止坯壳受到较大的应力，使铸坯表面出现裂纹；而当结晶器向下运动时，借助摩擦，在坯壳上施加一定的压力，愈合结晶器上升时拉出的裂纹，这就要求向下的运动速度大于拉坯速度，形成负滑脱。机械振动的振动装置由直流电机驱动，通过万变不离其宗向连轴器，分两端传动两个蜗轮减速机，其中一端装有可调节轴套，蜗轮减速机后面再通过万向连轴器，连接两个滚动轴承支承的偏心轴，在每个偏心轮处装有带滚动轴承的曲柄，并通过带

6、橡胶轴承的振动连杆支承振动台，产生振动。在新型连铸生产工艺中，采用带数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制是保证连铸生产质量的关键技术之一。国外的应用情况表明，采用连铸洁结晶器非正弦伺服振动，能够有效的减少铸坯与结晶器间的摩擦力，从而防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂，减少铸坯振痕，提高铸坯质量。带有数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制装置和传统的结晶器振动装置相比，可以方便的实现多种波形振动、实现连铸过程监督和实时显示振动波形，并能在线修改非振动方式及振动频率和幅值等参数，实现控制过程的平稳过度。（1）结晶器振动机构结晶器是通过阀控缸驱动双摇杆机构实现其往复振动的,液压缸的位置(或结晶器鞍座的位

7、置) 通过位移传感器反馈到综合端与指令信号比较得到误差信号, 然后由计算机算得控制量并经过D/ A 和电流负反馈放大器后驱动电液伺服阀构成闭环控制系统。利用计算机, 可以非常方便地产生各种指令信号(期望振动规律) , 通过选择适当的控制律可以使系统输出跟踪指令信号从而获得所要求的振动规律。图1 结晶器电液伺服振动装置（2）振动形式分析在结晶器振动技术发展过程中，在振动形式及振动装置的结构上出现了多种多样的形式。目前，在工业生产中应用量最多的主要是正弦波模式。近年来，非正弦波模式又被人们接受，并随着先进的液压振动装置的出现，采用了各种各样的振动曲线。正弦振动正弦振动就是结晶器的运动速度和时间成正

8、弦曲线关系，如图1.4（f）中曲线2所示。这种振动规律的最大优点就是只要用一个简单的偏心机构即可实现，速度变化平稳、无冲击，易于维护。由于正弦震动的速度始终处于变化之中，在振动机构和拉坯机构之间没有严格的速度关系。因此，也不必建立严格的连锁。同时，在运动中仍有一段负滑脱阶段，具有脱模作用。由于加速度比较小，振动还能实现高频振动，减少负滑脱时间以得到较浅的振痕，有利于改善铸坯表面质量，为了使这两个参数最佳化，曾经历了不同的发展，从大量时间经验可以得出结论，高频率小振幅对改善铸坯表面质量有明显的效果，从图1.3中可以看出拉坯速度相同时，小振幅高频率可以减少振痕深度，而负滑脱时间,当振幅s减小，振动

9、频率f增大时，其结果可使负滑脱时间缩短，因此也可以说缩短负滑脱时间有利于提高铸坯表面质量，目前，有关文献报道大多数负滑脱时间取值范围在0.10.25S,对于不同钢种最佳负滑脱时间为0.1s。但是，正弦振动的特性完全决定了其振幅和频率的数值，即正弦的调节能力小，难以完全满足高速连铸的工艺要求，特别是对于那些易于粘结的钢种，在高速浇注条件下采用具有较长的正滑脱时间的非正弦式结晶器振动是更有利的，而且采用带可调程序控制装置的液压机构很容易实现这种非正弦振动方式。 非正弦振动近年来，现代连铸发展的一个特点是拉坯速度日益提高，同时，连铸坯热送直接轧制技术的发展也对连铸坯的表面质量提出了更高的要求。实践表

10、明，高频振动和高速铸造均会造成结晶器保护渣消耗量的下降，使坯壳与结晶器壁间的润滑性能变坏，摩擦力增加，容易发生粘结漏钢。为了解决高速拉坯速度、高频振动这一新情况下的漏钢问题，将弯月面下初凝的薄弱坯壳顺利拉出，人们一方面采用含有的低粘度、低溶点、铺展性好的保护渣，以改善铸坯与结晶器间的润滑条件，保持一个合适的保护渣消耗量；另一方面在结晶器的振动方式上采用这样的振动波形：在正滑动区间较小，以尽可能降低作用在坯壳上的拉伸应力，而在负滑动区间较大，以对坯壳施加足够大的压缩力，并降低负滑动时间NSR或增大正滑脱时间，在正弦振动中，、互为增函数关系，不能同时满足上述几个方面的要求，因此，人们开发了结晶器上

11、升时间比下降时间长的非正弦振动波形，引入了波形偏斜率这一自由参数。当然，目前开发的各种波形不同的非正弦振动模式，均是通过液压伺服系统控制的液压振动装置来实现非正弦振动的，除了可以改变振幅和频率外，还可以根据工况的变化自由的调节波形偏斜率，改变振动波形。图1.4示出了非正弦振动的位移曲线和速度曲线。其特点是结晶器的上升时间长且速度平稳，可显著的减小对坯壳的拉伸应力：下降时间短且保持了较大的负滑动量，可对坯壳施加较大的压缩应力。负滑脱时间明显减少，这符合前面提到的缩短，有利于改善铸坯表面质量的论述。同时，在非正弦振动中，互为减函数关系，减少相应增大了正滑脱时间，可以保证保护渣的有效提供。工业实验已

12、经证明，采用合适的非正弦振动波形，至少可使振痕深度减少30，坯壳与结晶器壁间的摩擦阻力减少40。此外，据称非正弦振动方式对于铸坯皮下的纯净度、结晶器的传热以及初生钩形凝固壳的形成都有积极影响。 （3）结晶器振动和润滑的关系结晶器振动的重要影响主要是对润滑和振动痕迹形成的作用。振动的同时要求提供结晶器润滑，两者的共同作用是减少坯壳和结晶器壁间的摩擦力，以得到最好的表面质量和防止粘结漏钢的最佳安全性。如前所述，结晶器振动对于改善结晶器壁间的润滑是非常有效的，但对于结晶器振动如何影响结晶器保护渣的消耗和保护渣的润滑作用，其机理并不十分清楚。早期的研究曾提出一个负滑脱时间保护渣流入量的模型，但是随后的

13、试验结果表明，保护渣消耗量是正滑脱时间的增函数，图1.5示出了保护渣消耗量与正滑脱时间的关系。可见，对于振动结晶器，正滑脱时间越长，保护渣消耗量越大，由此也引起了大量的争议。对于增加保护渣消耗而言正滑脱时间和负滑脱时间是振动周期内的两个必不可少的过程：正滑脱期间，结晶器相对坯壳向上运动。保护渣在结晶器钢水弯月面处形成的渣圈上移，液渣由钢液面向弯月面流动的通道被“打开”，促进了液渣弯月面附近流动和聚集，由于摩擦力作用液态渣的一部分被“拔出”；负滑脱期间，结晶器相对坯壳向下运动，渣圈随结晶器下移，液渣受到压力而向结晶器和坯壳间填充，同时，由于压缩的作用，液渣流动的通道被“关闭”，也部分阻碍了钢液面

14、上的液渣向弯月面附近流动。结晶器周期性振动的结果，导致液渣在弯月面处的流动、聚集以及向结晶器和坯壳间填充的重复进行，从而改善了结晶器的润滑状况。当液渣的填充成为限制性环节时，负滑脱时间反映振动参数对保护渣消耗的影响；当液渣供应成为限制性环节时，则正滑脱时间反映振动参数对保护渣消耗的影响。通过对生产、试验数据的综合评价，研究发现，保护渣消耗量与总的周期时间有很好的对应关系（见图1.5），并得到如下的实验公式：式中：Q-单位面积的保护渣消耗量，； -拉坯速度，m/min； f-振动频率Hz； -保护渣的液渣粘度，pa.s.很明显，它是保护渣粘度和振动频率的函数，给出了一个与时间有关的保护渣消耗机制

15、，由于高频振动以及高拉速减少了坯壳的“接触时间”，保护渣消耗量降低。但是，上式中变量缺少了振幅s的影响，仍不能对结晶器振动的影响作出满意的评价。综上所述，连铸工艺要求结晶器采用高频率、小振幅的振动方式，以下是包钢薄板厂CSP生产线的结晶器的主要工艺参数：（1）连铸拉速：06.5m/s（2）结晶器振动台设定振动频率：0.57Hz（3）结晶器振动台设定振幅：3mm（4）两边最大振动力的偏差：20%（5）结晶器的最大加速度：2. 液压振动结晶器的工艺设备结晶器液压振动较以往的振动方式具有很先进的特点，包括：频率可调、振幅可调整、振动曲线可调整及高振频低振幅等特点。这些特点就能够充分满足整个连铸工艺对

16、包括钢坯振痕在内的表面质量及部分内部质量的要求。（1）系统控制原理结晶器（Mold）液压振动控制系统见图1。结晶器液压振动主要是在结晶器两侧装有两个液压缸，这两个液压缸分别由两个液压伺服机构（比例阀）来控制（如图中Hydraulic Actuator），这样就可以通过液压缸的快速升降从而带动整个结晶器也快速地上下振动。在每个液压缸上装有一个高精度的位置传感器（如图中Cylinder pos feedback），用于检测液压缸中塞杆的移动位置，从而有效确定塞杆移动的长短，经过控制器的计算，得到振动的振幅。同时在液压缸两侧还装有压力传感器，主要用于测算结晶器与铸坯之间的摩擦力。 图1 结晶器（Mo

17、ld）液压振动控制系统位置控制是由控制器（如图Simatic C7）对具有比例效应的液压伺机构的电磁阀的控制来实现的，控制器向电磁阀输出不同等级的控制信号（4 20mA），这个控制信号通过液压伺服机构（ 比例阀）就可控制液压缸产生不同距离的位置移动；同时这种控制器还要对各振动液压缸之间的机械同步进行有效监视，不至于产生两个缸动作不一致或者动作幅度不统一的错误。这种监视主要来自于位置传感器的反馈信号，通过反馈值与校正值的比较就可得到有效的同步信号值。每个液压缸上位置传感器反馈的位置信号通过放大器与振动控制器（如图SimaticC7）连接，该放大器输出为与控制器液压缸行程成比例的4 20 mA 的

18、信号。控制器的输出同样为模拟信号，控制液压执行器（伺服比例阀）。每个液压缸活塞杆两侧的压力传感器把实际测量的压力转换成电信号，传给振动控制器，控制器计算每一侧振动摩擦力，然后再将这个结果传给计算机二级控制系统，计算机二级控制系统可以将此数据用作模型计算，从而有效地估计出保护渣的性能及粘结漏钢等生产事故。液压振动控制器PLC 为独立式专用模块式PLC（如图Simatic C7）。采用这种独立式控制器的主要优点为：具有极强的专用性，免于其他控制系统的干扰；具有快速的动态反应能力；高度的可靠性；易于与不同的控制系统进行模块式的组合，具有通用性特点。同时，因为采用这种独立的控制器，使我们整个系统的启动

19、时间更短，维护更容易。(2) 液压振动结晶器的工艺设备结晶器电液伺服振动系统组成见图1, 它由伺服系统、传动机构、液压油源、上位机、波形生成器、下位控制机等几部分组成1 数字波形生成器由带模拟量的FP0 型PLC 及控制电路构成, 结晶器是通过阀控缸液压动力元件驱动振动机构实现其往复振动的, 而振动伺服阀的控制信号来自波形生成器, 结晶器鞍座的位置通过位移传感器反馈到下位控制机和伺服控制器, 经过电流负反馈放大器后驱动电液伺服阀构成闭环控制系统1 利用计算机与数字波形发生器通信, 可以非常方便地产生各种指令波形, 通过模糊P ID 控制可以使系统输出跟踪指令信号从而获得所要求的振动规律1 为了

20、保证系统的跟踪精度, 系统中设有蓄能器以吸收各类波动和冲击. 图1结晶器电液伺服振动装置结构及控制原理a.伺服缸伺服缸是由特殊设计的起动力很小的液压缸、电液伺服阀和位移传感器组装在一起构成的，和伺服控制器一起完成将电压指令信号转换成液压缸位移输出的闭环控制。伺服缸尺寸根据负载匹配；由于系统对可靠性及频率响应要求很高, 故选用无节流小孔、高频响的电反馈式伺服阀；系统选用恒压变量泵加蓄能器稳压；位移传感器选用差动变压器式直流位移传感器。b.伺服控制器伺服控制器内有两路独立的伺服放大器和将这两路独立的伺服放大器关联在一起的同步控制回路(见图1b) 。每路伺服放大器控制1 台伺服缸,它将指令电压信号转

21、换成电流信号经输出端驱动电液伺服阀来使液压缸移动,装在活塞杆上的位移传感器的反馈信号在反馈端输入后与指令信号进行比较,形成位置系统的闭环控制。每1 路都设有开环增益调整、反馈增益调整、零位调整和输入与反馈相位调整,并有电流表显示通过伺服阀的电流状态。同步控制回路是对两台伺服缸出现不同步时的一种补偿,同步控制的原理是对两个单独的反馈信号进行比较,两缸同步,则比较后的差值为零,差值不为零时,这个差值以相反的极性分别送入两个回路各自的输入信号加法点,使“快缸降速,慢缸升速”,进行同步调节 。c.液压泵站泵站选用恒压式变量泵, 油液清洁度按伺服阀要求。为提高系统的动态特性,阀台上设置稳压蓄能装置。液压

22、缸上装有压力传感器,内置位移传感器,用以实现反馈控制。把高速开关阀应用于恒压变量泵输出压力的控制系统中, 泵的输出流量则由其与负载的耦合特性决定。恒压变量泵的电液控制系统原理如图所示。在上述系统中, 以高速开关阀作为先导控制阀,压力传感器 3、4采样得到的压力信号通过数据采集卡传输给计算机, 计算机 单片机 经过比较计算产生的 PWM矩形调制波控制高速开关阀, 高速开关阀的产生的先导压力信号又直接作用于恒压变量泵的调压变量机构, 因此, 可根据其输出先导压力的不同来达到调节恒压变量泵的输出压力的目的。由于高速开关阀压力控制回路具有比例控制的功能, 通过简单的电液数字控制系统就能够实现对其压力的

23、比例控制, 并且高速开关阀具有数模 D/A转换的功能, 因此, 应用它作为接口元件, 计算机就可以直接控制恒压变量泵的输出压力, 实现恒压变量泵输出压力的无级变化调节以满足不同液压控制系统的工作要求。d.计算机系统整个计算机控制系统由上、下位机及数据输入输出系统构成1 上位机为工控工作站, 下位机为PLC1 下位机完成产生给定振动信号、控制算法、数据采集、中断定时; 上位机用于工业矩阵设置、图形实时显示等工作1 控制系统软件由管理程序和控制程序组成1 管理程序包括菜单与界面模块、报警处理模块、图形处理模块、输入给定参数模块、通讯模块、数据采集子模块等1 控制程序包括控制算法程序模块、给定波形生

24、成模块等。3.结论在阅读和分析参考文献的基础上，着重研究了液压伺服驱动的连铸结晶器振动控制系统，主要工作和结论如下：（1）运用液压传动与控制、机电液控制技术及液压系统等理论和知识，将液压伺服系统应用于连铸结晶器振动系统。与传统的结晶器振动装置相比，该系统能根据连铸工艺要求方便的选择波形，并在线改变振动频率和幅值。（2）针对液压伺服驱动连铸结晶器控制系统，设计了相应的计算机控制系统。参考文献1 骆涵秀, 李世伦, 朱捷等. 机电控制M . 杭州:浙江大学出版社, 1994.2液压控制系统，王春行，机械工业出版社，20043液压伺服系统，曹鑫铭，机械工业出版社，1991 4比例阀，威格士有限公司，

25、20045液压传动与控制，曹玉平，天津大学出版社，20036 李宪奎, 乔长锁, 许学山, 等. 连铸结晶器正弦振动参数的研究. 钢铁,1992 ,27(9) :20237 陈栋梁, 杨文改, 干勇, 等. 连铸结晶器电液伺服振动系统的研究开发. 钢铁,1997 ,增刊:7057078 李运华, 王占林, 陈栋梁, 等. 连铸机结晶器电液伺服振动波形系统的开发研制. 机床与液压,1998 , (3) :469 李宪奎, 张德明, 曾宪武. 结晶器非正弦振动的研究. 钢铁,1998 ,33(11) :262910 方一鸣, 王洪瑞, 赵现朝, 等. STD 工控机在可逆冷轧机厚控系统中的应用. 冶金自动化,1998 ,22(4) :161811 田乃媛 薄板坯连铸连轧M1 北京:冶金工业出版社,1998112 卢盛意1 连铸坯质量M1 北京:冶金工业出版社,1993113 韩志强，衷伟霞，韩传基，等.连铸坯内裂纹的形成与防止J.连铸，1999,(6):10- 15.