连铸机结晶器振动系统设计

内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)1第一章 绪论1.1 连铸的工艺及设备连 铸 就 是 转 炉 生 产 出 来 的 钢 水 经 过 精 炼 炉 精 炼 以 后 ， 需 要 将 钢 水 铸 造 成 不同 类 型 、 不 同 规 格 的 钢坯。 连 铸 工 段 就 是 将 精 炼 后 的 钢 水 连 续 铸 造 成 钢 坯 的生 产 工 序 ， 主 要 设 备 包 括 回 转 台 、 中 间 包 ， 结 晶 器 、 拉 矫 机 等 。 连 铸 整 体工 艺 如 图 1.1 所 示 ：图 1.1 连 铸 车 间 工 艺 流 程将 装 有 精 炼 好 钢 水 的 钢 包 运 至 回 转 台 ， 回 转 台 转 动 到 浇 注 位 置 后 ， 将 钢水 注 入 中 间 包 ， 中 间 包 再 由 水 口 将 钢 水 分 配 到 各 个 结 晶 器 中 去 。 结 晶 器 是 连铸 机 的 核 心 设 备 之 一 ， 它 使 铸 件 成 形 并 迅 速 凝 固 结 晶 。 拉 矫 机 与 结 晶 振 动 装置 共 同 作 用 ， 将 结 晶 器 内 的 铸 件 拉 出 ， 经 冷 却 、 电 磁 搅 拌 后 ， 切 割 成 一 定 长度 的 板 坯 。 连 铸 自 动 化 控 制 主 要 有 连 铸 机 拉 坯 辊 速 度 控 制 、 结 晶 器 振 动 频率 的 控 制 、 定 长 切 割 控 制 等 控 制 技 术 。 其 工 艺 流 程 如 图 1.2 所 示 ：图 1.2 连 铸 工 艺 流 程 图内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)2连 铸 的 主 要 工 艺 设 备钢 包 回 转 台 ： 设 在 连 铸 机 浇 铸 位 置 上 方 用 于 运 载 钢 包 过 跨 和 支 撑 钢 包 进 行 浇铸 的 设 备 。 由 底 座 、 回 转 臂 、 驱 动 装 置 、 回 转 支 承 、 事 故 驱 动 控 制 系 统 和 锚固 件 6 部 分 组 成 。中 间 包 ： 是 短 流 程 炼 钢 中 用 到 的 一 个 耐 火 材 料 容 器 ， 首 先 接 受 从 钢 包 浇 下 来的 钢 水 ， 然 后 再 由 中 间 包 水 口 分 配 到 各 个 结 晶 器 中 去 。结 晶 器 ： 在 连 续 铸 造 、 真 空 吸 铸 、 单 向 结 晶 等 铸 造 方 法 中 ， 使 铸 件 成 形 并 迅速 凝 固 结 晶 的 特 种 金 属 铸 型 。 结 晶 器 是 连 铸 机 的 和 兴 设 备 之 一 ， 直 接 关 系 到连 铸 坯 的 质 量 。拉 矫 机 ： 在 连 铸 工 艺 中 ， 连 铸 机 拉 坯 辊 速 控 制 是 连 铸 机 得 三 大 关 键 设 备 之 一 ，拉 坯 速 度 控 制 水 平 直 接 影 响 连 铸 坯 的 产 量 和 质 量 ， 而 拉 坯 辊 电 机 驱 动 装 置 的性 能 又 在 其 中 发 挥 着 重 要 作 用 。电 磁 搅 拌 器 ： 其 实 质 是 借 助 在 铸 坯 液 相 穴 中 感 到 的 电 磁 力 ， 强 化 钢 水 的 运 动 。具 体 地 说 ， 搅 拌 器 激 发 的 交 变 磁 场 渗 透 到 铸 坯 的 钢 水 内 ， 就 在 其 中 感 应 起 电流 ， 该 感 应 电 流 与 当 地 磁 场 相 互 作 用 产 生 电 磁 力 ， 电 磁 力 是 体 积 力 ， 作 用 在钢 水 体 积 元 上 ， 从 而 能 推 动 钢 水 运 动 。1.2 连铸机结晶器振动概述结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，是连铸机的核心部件，称之为连铸机的心脏设备 它是一个水冷的钢锭模，功能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强烈冷却，导出其热量，使之逐渐凝固成为具有所要求断面形状和坯壳厚度的铸坯 并使这种芯部仍为液态的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在以后的二次冷却区域内完全凝固创造条件 由于凝固过程是在坯壳与结晶器壁连续 相对运动下进行的，所以为防止坯壳与结晶器壁粘结而采用的结晶器振动装置是连铸过程中的一个非常重要的生产装置。图 1.3 所示为方坯内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)3结晶器。图 1.3 结晶器结晶器振动装置可用来支撑结晶器，其主要功能是使结晶器上下往复振动，确切地说，是使结晶器按给定的振幅 频率和波形偏斜特性沿连铸机半径作仿弧运动，使脱模更为容易 具体来说，连铸过程中，当铸坯与结晶器壁发生粘结时，如果结晶器是固定的，就可能出现坯壳被拉断造成漏钢 而当结晶器向上振动时，粘结部分和结晶器一起上升，坯壳被拉裂，未凝固的钢水立即填充到断裂处，开始形成新的凝固层；等到结晶器向下振动，且振动速度大于拉坯速度时，坯壳处于受压状态，裂纹被愈合，重新连接起来，同时铸坯被强制消除粘结，得到“脱模”同时，由于结晶器上下振动，周期性地改变液面与结晶器壁的相对位置，有利于用于结晶器润滑的润滑油和保护渣向结晶器壁与坯壳间的渗漏，因而改善了润滑条件，减少拉坯摩擦阻力，防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而被拉裂，从而出现粘结漏钢事故。图 1.4 所示为结晶器振动装置。图 1.4 结晶器振动装置内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)4目前，结晶器振动主要有正弦振动和非正弦振动两种方式。1.3 结晶器振动的形式和特点结晶器振动装置的形式有液压伺服驱动式（如图 1.5 所示）和机械电机驱动式（如图 1.4 所示） 。其振动方式有矩形速度规律振动、梯形速度规律振动、正弦速度规律振动和非正弦速度规律振动。图 1.5 液压伺服驱动式结晶器振动装置1.3.1 矩形速度规律振动举行速度规律是最早出现的一种振动方式，其速度变化如图 1.6 中的曲线1 所示。其主要特点是：结晶器在下降时与铸坯做同步运动，然后以 3 倍的拉坯速度上升。图 1.6 结晶器振动方式1.3.2 梯形速度规律振动梯形速度规律是矩形速度规律的改进，其速度变化规律如图 1.6 中的曲线2 所示，它的主要特点是：结晶器在向下运动的过程中有较长的一段时间其速度稍大与拉坯速度，即所谓的“负滑动运动” 。从而在坯壳中产生压应力，可以使结晶器里断裂的坯壳压合，使粘结的坯壳强迫脱模；结晶器在上升和下降的转折点处，速度变化比较缓和，有利于提高运动的平稳性。1.3.3 正弦速度规律振动正弦速度规律如图 1.7 中的曲线 1 所示，这种速度规律的特点是：打破结内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)5晶器和铸坯之间要有一定的速度关系的框框，着重发挥它的脱模作用；用偏心轮取代凸轮。结晶器与铸坯之间没有同步运动阶段,但仍然有一小段负滑动,有利于拉裂坯壳的 “愈合” 和脱模。由于速度是按正弦曲线变化,所以加速度是按余弦曲线变化的。使结晶器振动平稳。由于加速度较小,可以采用较高频率振动, 有利于消除坯壳的粘结, 提高脱模作用，正弦振动是用偏心机构来实现的,比采用凸轮机构优越,加工制造容易,润滑密封方便,运动精度高,易于采用高频振动。图 1.7 结晶器振动方式1.3.4 非正弦速度规律振动非正弦速度规律如图 1.7 中曲线 2 所示，它是近年来出现的一种新型振动方式，其主要特点是：负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面振痕深度；正滑动时间较长可增加保护渣的消耗量，有利于结晶器的润滑；结晶器向上的运动速度与铸坯运动速度差较小，可减小结晶器施加给铸坯像上作用的摩擦力，即减小坯壳中拉应力，减少拉裂。1.4 结晶器振动技术发展1.4.1 结晶器振动的发展历史最初的连铸机结晶器是静止的, 在拉坯过程中坯壳极易与结晶器壁发生粘结, 从而导致 “拉不动 ” 或拉漏事故。因此, 静止不振动的结晶器限制了连铸生产的工业化。 直到 1933 年现代连铸的奠基人 德国的西格弗里德容汉斯(Siegflied Junghans)开发了结晶器振动装置, 并成功地应用于有色金属黄铜的连铸。至 1949 年 S容汉斯的合作者美国的艾尔文罗西(lrving Rossi) 获得了容汉斯振动结晶器专利的使用权, 并在美国约阿勒德隆钢公司 (Allegheng LudlumSteel Corporation)Watervliet 厂的一台方坯连铸试验机上采用了振动结晶器。与此同时, 容汉斯振动结晶器又被用于西德曼内斯曼 (Mannesmann) 公司胡金根(Huckingen)厂的一台连续铸钢试验连铸机。1970 年，连铸钢仅占粗钢产量的 4，而到今天，已经达到了惊人的88%。世界钢铁供大于求的形势即将消退，供需平衡即将恢复，粗钢产量年平均内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)6增长速度 4%。2001 年连铸钢产量 8.503 亿 t ；2 0 0 2 年增长了 6.2%，达到9.0 3 6 亿 t 。2 0 0 3 年粗钢产量为 9 6 4 8 亿 t ，较前一年增长了6.8%；而 2004 年的粗钢产量达到了 10.5 亿 t，增幅 8.8%，该年连铸产量达到9.37 亿 t 。 在产钢大国中，中国占据世界连铸钢产量的 23.72，其后是日本 12.76和美国 10.38。中国连铸比 91.20%，低于工业国的平均水平，但高于 88%的世界平均水平。在提高世界平均连铸比方面，中国仍将扮演重要角色。 结晶器振动在连铸机上的成功应用, 为振动技术的广泛应用打下了基础见表 1。表 1.1 结晶器振动技术的发展过程从表 l 结晶器振动技术的发展来看, 结晶器振动经历了矩形速度方式、 梯形速度方式到目前应用最多的正弦振动方式以及近几年更先进的非正弦振动方式。内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)71.4.2 连铸技术的现状及发展趋势1.4.2.1 结晶器形状的变化结晶器是连铸机的心脏，其设计结构决定了拉坯速度、生产率和连铸坯质量 。若提高拉速 增大产率，则需要结晶器有适宜的几何形状来改 善传热效果、降低摩擦力。目前出现的结晶器有直结晶器、多级结晶器、锥形结晶器、抛物面结 晶器、凸模结晶器、钻石结晶器、可调宽结晶器等。 1.4.2.2 结晶器振动装置的改进结晶器液压振动装置 ：理想 的结 晶器振动是充分利用结晶器价值的先决条件 。结晶器液压振动装置采用两个液压缸驱动，每个液压缸都装有伺服阀，按照预先设定值控制结晶器周期性运动。变速振动曲线作为伺服阀的预置数据 ，正弦 函数用作基础调速模式。振动周期和振幅在速度曲线中是变化的，并能随着拉坯速度 的变化按照预先描述的功能序列 自动进行修正。该系统的特征是振动曲线的在线控制、冲程可变、多种频率、结晶器摩擦力小、铸坯振痕浅、生产安全性 高和维护量低等。 大板坯连铸机的三角波振动：为促进坯壳生长而需要结晶器振动，故需要合理化结晶器的上下振动来降低坯壳应力、充分发挥保护渣的润滑作用。在正弦振动装置上，最大的问题是高频段短程震动机构的正行程时间短。这便为三角波振动模式的开发铺平了道路，这种模式的振动速度可以调节，能使向上运动的周期比向下运动长。正行程时间延长，就缩减了坯壳与结晶器之间的相对运动 ，进而减少了时间短的负周期 内的摩擦，减轻了振痕。1.4.2.3 结晶器液位控制通常使用中包塞棒配合滑板的使用来控制结晶器中的钢水量。液位自动控制系统使用一 PID 控制器，将实际测量信号与预设值进行对比。控制器的输出信号触发伺服驱动装置，利用塞棒调节器的反馈信号控制塞棒的位置，液位控制精度可达2mm。在自动开浇模式下，依据事先储 存的时间斜坡向结晶器内注入钢水，当到达设定 点时，自动从时间斜坡控制切换到 闭环控制 。其 最大优点是振痕浅，表面和皮下质量好，漏钢率 低，从而提高了生产率。结晶器的钢水液位检测 方法有 ：放射性同位素测量、光学测量技术、电 磁结晶器液位控制。光学测量技术是通过检测钢 水弯月面的红外辐射，并将其转化成高度值，这个反馈信息用于调整拉坯速度、中包塞棒与滑板 机构。这种技术无需使用放射性同位素，避免 了 放射性物质的危害。电磁结晶器液位控制检测弯 月面液位的系统是建立在测量 电磁场变化的基础 上的。浮子放置在弯月面处，利用电激励器测量 结晶器的液位波动。1.4.2.4 自动控制系统二级自动化系统的问世提高了连铸坯的质量和连铸机生产率。用于实现连铸 自动质量控制的工艺控制系统包括结晶器液位控制、铸坯锥度控制、用于拉坯速度控制的数学模型、喷淋冷却系统和切割尺寸优化等。 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)8第二章设计方案的比较、确定及经济性分析2.1 设计题目、已知条件针对传统的电机驱动偏心轮结晶器振动装置存在的缺点，设计液压伺服驱动的结晶器振动装置及计算机控制系统。通过改进，使其具有在线可调参数特点。已知条件结晶器的断面尺寸：701560（mmmm）拉坯速度：45m/min结晶器的振动波形：正弦波振幅：3mm结晶器重量：12 吨2.2 方案布置设计设计中采用了液压驱动装置取代了电机驱动偏心轮结晶器振动装置，使新的电液伺服驱动的结晶器振动装置与传统的直流电机或交流电机驱动偏心凸轮的结晶器振动系统相比，具有能实现正弦振动、易于实现计算机控制、不知方便。如图 2.1 所示：内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)9图 2.1 结晶器振动机构原理图该运行机构由伺服液压缸 1、振动台架 2、连杆 3、4、固定杆 5 组成。其中A、B、C、D 为四个铰接点组成平行短四连杆，6 为结晶器。伺服液压缸 1 将振动作用在连杆 4 上，液压缸两端 E、F 点与连杆 4 及底座连接均为铰点连结。在浇住过程中，周期性振动是由两个液压缸驱动两套连杆机构，从而使结晶器按设定的频率和振幅周期性按振动机构轨迹振动。每套振动机构都为独立的，包括液压缸安装在一个共同的基础架上，基础架提供一个稳定的基础，不受热变形影响。同时，液压缸采用带反馈的比例伺服液压缸，加上计算机辅助系统，可以组成一个闭环控制系统。通过计算机辅助系统的控制，本机构可以方便地产生各种振动规律，实现控制过程监督，实时显示并根据拉坯速度实时修改振动参数，提高连铸坯质量和提高金属收得率，从而实现连铸过程的自动化。 2.3 电液伺服系统的优点与常规的四连杆振动装置相比，液压伺服振动机构具有以下特点：（1） 振动力由两点传入结晶器，传入力均匀；（2） 在高频振动时运动平稳，高频和低频振动时不失真，振动导向准确率高；（3） 结构紧凑简单，传递环节少，与结晶器对中调节方便，维护也方便；（4） 采用高可靠性和高抗干扰能力的 PLC 控制，可长期保证稳定的振动波形；（5） 可改变振动曲线，并可设定振动波形等，增加了连铸机的可浇铸钢种；（6） 改善铸坯表面与结晶器铜壁的解除状态，提高铸坯表面质量并减少粘结和漏钢；2.4 经济性评估由于使用液压振动装置取代电机驱动偏心轮结晶器振动装置，因此要用液压伺服系统，因此就需要对液压系统进行经济性分析。液压系统可采用电液、机液、比例相比较，由于该课题对于位置要求不是很高，根据经济性要求，选内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)10择电液伺服系统。在电比例阀控制的液压伺服系统中，当液压泵工作开始后，液压缸的上下振动通过电磁换向阀来实现，但是，该系统中，在液压缸上下振动时，很难控制上下振动的振幅，即液压缸的位置很难确定，虽然有反馈，但其振动位置的控制却达不到精确，同时其曾速也很难控制。其原理图如图 2.2 所示：图 2.2 结晶器液压系统设计电液比例阀控制电液伺服控制的液压伺服系统同样是通过换向阀控制液压缸上下振动的，但这里用的换向阀为电液伺服换向阀，加上计算机控制组成一个闭环的控制，当液压缸上的传感器将信号传到计算机系统后，计算机控制换向阀调整阀换向和流量的大小，从而控制结晶器振动曲线、速度和振幅。其控制原理图如图2.3 所示：内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)11图 2.3 结晶器液压系统设计电液伺服阀控制比较两图不难得出，两种液压系统的功能基本相同但图 2.3 产生的效果要优于图 2.2。具体表现为以下两方面：（1）可降低成本图 2.2 中，系统图的内的原件较多，而且比例阀与电液伺服阀相比价格较低，因此，图 2.3 可大大降低成本。（2）可降低系统泄漏影响液压系统效率的一个重要因素是系统内外泄漏。在高压油区泄漏表现尤为突出，以电液换向阀为例，比较处在中低压系统中的电液换向阀和处在高压系统中的高压系列电磁换向阀，可以得出两阀的内泄漏量之比为 1:60。比如在中低压（6.3Mpa）压力系统中流量为 200L/min 的电液换向阀，其内泄漏量30ml/min，而在高压（如 31.5Mpa）系统压力中，同样流量的电液阀内泄漏量达到 1.8L/min，可见泄漏在高压系统中特别严重。而改用比例换向阀后，泄漏就会大大降低。另外，对密封件的要求也可以降低，并且密封不易损坏。第三章 液压系统的设计计算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。3.1 液压系统工作原理3.1.1 工作原理连铸结晶器振动系统把正弦或非正弦信号作为输入信号, 通过计算机发出相应的振幅、振频、偏斜率信号到伺服阀控制器,控制伺服阀的开口量从而驱动液压缸运动。系统工作原理图如图 3.1 所示。内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)12图 3.1 系统工作原理方块图结晶器液压振动主要是在结晶器两侧的振动装置上安装两个液压缸，分别由两个液压伺服机构进行控制，通过液压缸的快速升降带动整个结晶器快速地上下振动 在每个液压缸上装有一个高精度的位移传感器，用于检测液压缸中活塞杆的移动位置，可以有效确定活塞杆移动距离的长短，经过控制器的计算，得到振动的振幅 在液压缸两侧安装压力传感器，主要用于测算结晶器与铸坯之间的摩擦力在液压缸内还装有温度传感器，用于检测缸内的温度，控制冷却空气流量，保护缸内的传感器及伺服阀等元件，液压回路图如图 3.2 所示。图 3.2 结晶器振动装置液压系统原理图每个液压缸塞侧及杆侧各安装一个压力传感器，把实际测量的压力转换成电信号，通过快速模拟量输入模板传给振动控制器，由控制器计算每一侧的振动摩擦力 然后传给计算机二级控制系统，计算机二级控制系统据此进行模型计算，从而有效地估测保护渣的性能及粘结漏钢等事故发生的可能性。连续高频大振幅振动可能导致液压缸内伺服阀严重发热，而且由于结晶器振动台所处环境条件非常恶劣 为保护缸内电气元件及伺服阀，液压缸需要通压缩空气进行冷却，压缩空气的流量通过涡流量计进行检测，通过电动流量调节阀进行控制 在液压缸内还设有一台温度变送器，测温元件采用热电阻，用于检内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)13测振动缸内的温度，控制冷却空气的流量。3.1.2 系统构成结晶器振动液压伺服系统用于控制和驱动结晶器振动液压伺服油缸, 主要由结晶器振动液压动力站、结晶器振动液压阀台、中间配管组成。其中油箱、管道等采用不锈钢材质。, 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, 将液压缸的位置通过位移传感器反馈到比较端与指令信号比较, 得到误差信号, 然后通过运算放大器放大后驱动电液伺服阀构成闭环控制系统。利用计算机可非常方便地产生各种指令波形, 通过模糊 PID 控制可以使系统输出跟踪指令信号, 从而获得所需要的振动规律。结晶器电液伺服系统如图 3.3所示。图 3.3 液压系统机构示意图结晶器振动液压站由 油箱装置、循环泵装置、主泵装置组成。油箱装置包括液位控制器、空气过滤器、加油过滤器、电加热器、温度检测控制器、液位计等, 油温和油箱液位在上位机画面上实时显示。循环泵装置包括螺杆泵装置、循环双筒过滤器、板式冷却器、回油双筒过滤器等。主泵装置 2 台工作, 1 台备用, 工作压力为 20MPa 。主泵装置上除主泵和主泵电机外, 还装有泵安全阀、压力继电器、压力表等。结晶器振动液压伺服设备每流由 1 套振动用伺服液压缸及蓄能器阀台组成。液压伺服系统液压动力站提供液压振动所需要的压力油。液压缸内部装有位移传感器,外部装有电液伺服阀和压力传感器等。蓄能器阀台中的蓄能器是为了吸收振动用伺服液压缸油路的液压脉动,提高系统的动态性能而设置。3.2 自动控制系统的设计内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)14液压振动装置自动控制系统通过软硬件来实现液压振动装置的控制, 是集过程控制、过程管理、液压振动控制和故障报警诊断为一体的专用控制系统。向上可与连铸机的二级过程控制计算机通过以太网相连, 以完成与二级过程控制计算机的数据交换; 与连铸机的一级控制系统可通过工业以太网或硬线连接, 以完成与连铸机一级控制系统的数据交换; 向下可直接采集液压振动所需的数据并控制液压振动装置。3.2.1 系统总体结构及工作原理液压伺服驱动连铸结晶器振动计算机控制系统的总体结构如图 3.4 所示。图 3.4 控制系统的总体结构图系统包括计算机和模拟量控制两大部分。 计算机部分主要包括人机接口界面的设计和实现非正弦或正弦振动给定波形输出等功能。人机接口主要有人工零位、实验准备、振动开始、停止振动、退出等 5 个基本功能模块，如图 3.5所示。人工零位将伺服阀控制的液压缸的初始位置控制到中位， 并将此时的实际位定为零；实验准备主要提供正弦或非正弦振动曲线的选择、初始振动频率和幅值等参数的输入，实验准备完毕后计算机自动将振动曲线显示在屏幕上，以供使用者参考并决定是否采用这种振动波形。此时若选择“振动开始” ，则计算机将所择的振动波形精确输出，作为位置闭环控制系统的给定。图 3.5 计算机人机接口画面示意图3.2.2 系统软件组成和设计计算机控制系统主机采用 Intel80586/166MHz 工业控制计算机，配有HY6050 光电隔离 D/A 板(10V 输出)和 HY6040 光电隔离 A/D 板(10V 输入)等外设接口板。程序设计采用模块化结构，利用 C 语言和汇编语言，结合汉字技术设计而成主要包括实时监控显示主程序和定时中断服务程序5，及功能键/数字键处内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)15理子程序、正弦/非正弦函数计算子程序、D/A 输出子程序、A/D 采样子程序等。实时监控显示主程序如图 3.6 所示，主要完成人机接口、给定振动波形和测振动波形、振动频率和幅值的实时显示等功能。图 3.6 实时监控显示程序框图定时中断服务程序如图 3.7 所示， 主要完成正弦、 非正弦振动曲线的计算， D/A 输出，A/D 采样等功能。图 3.7 定时中断服务程序框图3.2.3 计算机测控系统连铸结晶器振动计算机测控系统主要由工控机、数据采集板和相应的软件组成。采用的是 I nte l80586 /166MHZ 工业控制计算机, 配有 HY - 6050 光电隔离 D /A 板 ( 10V 输出)和 HY - 6040 光电隔离 A /D 板 ( 10V 输出 ) , 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)16工控机用于完成给定振动信号、控制算法、数据采集、中断定时和图形实时等工作。数据采集板完成模拟输出。控制系统软件是在 W i ndo w s 环境下,采用 V isual C + + 6.0 编写的应用程序。软件由操作界面、参数设置、波形发生、信号采集及波形输出、波形数据显示和控制算法等程序段组成。程序流程见图 3.8。图 3.8 连铸结晶器控制系统程序流程3.3 结晶器液压伺服系统的设计系统主要由电液伺服阀，液压缸，液压泵站等几部分组成。双缸同步振动由两个两个电液伺服阀由电信号精准控制，可以实现两个油缸的同步激振运动，设计要求每个振动缸控制伺服阀都有一个备用阀，两个备用阀经液控单向阀连接到系统，可以随时进行在线切换。3.3.1、结晶器振动参数的计算3.3.1.1 负滑脱量的计算在结晶器下振速度大于拉坯速度时，称为“负滑脱” 。负滑脱量 的定义为：maxv拉拉式中 -负滑脱量，%；-结晶器振动时的最大速度，m/min;maxv内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)17-拉坯速度，4m/min（题设给出要求为 45.5m/min,故v拉这里取 4m/min）负滑脱能帮助“脱模” ，有利于拉裂坯壳的愈合。正弦振动的 选 30%40%时的效果较好，在这里选取 为 30%。则由公式：maxv拉拉可得出结晶器的最大振动速度 为：则ax拉m4130%5.2/in.86/vs3.3.1.2.频率与周期结晶器上下振动一次的时间称为振动周期 T,单位 s。一分钟内振动的次数为频率 f，单位次/min.求解频率的公式为： max2vfA式中 f-结晶器振动频率；A-振幅，3mm；-结晶器振动的最大速度，5.2m/min；maxv故 35.2/in75.810fm次 /in=4.6次 /s周期 .4Tsf圆频率 28.50.w3.3.1.3 结晶器的运动速度和加速度结晶器的振动装置的速度的大小方向是随时间的变化而变化的，由于结晶器是按正弦曲线规律振动的，若结晶器运动的时间为 t（s ） ，则振动结晶器的任一瞬间的运动速度 可又下式求出：mvmaxsinvwt可知，结晶器的运动速度时按正弦规律变化的当 wt=0，t=0 时， =0；mv， =0.0275s 时， ，方向向下；4wt8Tt 5.2sin3.6/in4mv，t=0.055s 时， =5.2m/min,振动速度达到最大值；2，t=0.0825s 时， =3.6m/min；3t mv， t=0.11s 时， =0；结晶器振动达到最低点准备向上运动；w内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)18， t=0.1375s 时， =3.6m/min,方向向上；54wtmv， t=0.165s 时， =-5.2m/min，振动速度达到最大值；32， t=0.1925s 时， =-3.6m/min；7t mv， t=0.22s 时， =0；w结晶器振动装置的加速度可由下式计算：mdvatxcoswt0.862.54由此可见结晶器振动的加速度是按余弦规律变化的。当 wt=0，t=0, ，加速度具有最大值；2.45/ams， 0.0275s 时， ； 4wt8Tt 21.73/as， t=0.055s 时， ；20， t=0.0285s 时， ；3t2./ms， t=0.011s 时， ；w45a， t=0.1375s 时， ；54t 21.73/s， t=0.165s 时， ；320m, t=0.1925s 时， ；7wt2./as， t=0.22s 时， ；45由此，结晶器完成了一个周期，进入下一个周期的振动。3.3.1.4 负滑脱时间 的确定ft当结晶器下振动的速度大于拉坯速度的时候出现负滑脱，在本设计中拉坯速度 =4m/min，设开始出现负滑脱的时间 ，则有v拉 1t145.2sinwt则1arcsin5.20.378Tt s负滑脱总时间内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)191240.(.37).86fTtts结晶器的位置、速度曲线和铸流速度曲线（从结晶器的最高位置开始）如图所示：图 3.9 结晶器位置速度曲线图 3.9 中，曲线 1 表示结晶器位置；曲线 2 表示结晶器的速度；曲线 3 表示铸流速度； 表示负滑脱时间。由于结晶器为上下运动，而铸流为连续向下运ft动，这样在各个位置的运动情况就有所不同，现分析如下：位置 1：结晶器的速度=0，铸流速度= 拉坯速度=4m/min，结晶器在最高位置；位置 2：结晶器的速度加到 4m/min，铸流速度=拉坯速度=4m/min，二者等质同向，相对速度为 0，开始负滑脱位置 3：结晶器下加速到最大速度 5.2m/min，铸流速度=拉坯速度=4m/min, 结晶器速度超过拉坯速度，并达到最大值。位置 4：结晶器速度达到最大后减到 4m/min,铸流速度=拉坯速度=4m/min,结晶器速度减到等于拉坯速度，负滑脱结束。位置 5：结晶器速度=0，铸流速度= 拉坯速度=4m/min,结晶器处于最低位置。位置 6：结晶器向上加速到 4m/min，铸流速度=拉坯速度=-4m/min ，二者等质反向。位置 7：结晶器向上加速到 5.2m/min，铸流速度=拉坯速度=4m/min，二者相对速度最大。位置 8：结晶器回到初始位置，结束了一个周期的循环，下一循环开始。从整体情况看，正弦振动方式采用高频率、小振幅、较大的负滑脱量的振动较为有利。内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)203.3.2、液压伺服系统的静态设计静态计算如下：根据负载轨迹确定 A、Q。液压动力机构的输出力和速度应满足负载力和负载速度的要求，这是动力机构能够完成工作的起码条件。最大功率时的F、V 值可通过数值方法求出。3.3.2.1、确定最大功率查机械设计手册可得公式如下：（1） 位移（1）sinpxXt（2） 速度（2）cov（3） 加速度（3）2sinpat（4） 负载（4）2ipFmXt由（4）式得：222(sin)pt整理后得：（5）22()(sin)pFtmX由（2）式得：22(cos)pvt整理后得：（6）2(cs)()ptX由以上（5）式、 （6）式两式得到负载功率方程：（7）221()()ppFvm设 ， ，则2pmXApB221()vA应用数值解法得：(8)222()()()FvABF因为 PFv所以 2AB内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)21当 Av=BF=0.707AB 时，有 max2ABP即， ，20.7pXF0.7pvX23maxpX将 =3.66mm， =28.5HZ，m=12000kg 代入上式，得pXKN23.128.5610.530m/s0.78.56.74vkw326max1211.50P最后求出最大功率点的 F、v 的值如下：F=10.51KNV=0.074m/s3.3.2.2.确定液压系统的主要参数3.3.2.2.1.初选系统压力根据机械设计手册中冶金机械的工作压力为 2032Mpa 初选压力P=20Mpa。3.3.2.2.2.计算液压缸的主要参数液压动力的机构的最大功率点应该与负载轨迹的最大功率点相重合，并认为它们在该点相切，则 A 和 Q 如下：3237.9102sFmP选双杆伺服刚，为保证活塞杆的稳定性，当活塞杆受压时，一般取 d/D=0.50.7,初选 d/D=0.6d活塞杆的直径D活塞的直径由此可得： 2110.36.4ADd式中活塞杆的截面积1A活塞与活塞杆的截面积的差值则21.0m此时直径为内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)22D=124mm取标准直径后D=125mm则21.30Am则6.54/inQvL3.3.2.2.3 拟定液压系统图本液压系统要实现正弦振动形式，并使其动作可调，所以需要的基本回路有：方向控制回路、调速回路、调压回路、释核回路。液压系统原理图如图 3.10 所示：图 3.10 液压系统原理图各元件的主要功用：1、过滤器：过滤混在液压油中的杂质，降低污染，保证系统正常工作。2、变量柱塞泵：能量转换装置，将电机产生的机械能转换为系统的压力能。3、液流阀：起安全作用，正常工作时不打开，系统过载时打开。4、二位二通阀：调压、卸荷。5、电磁方向阀：调速，定位，换向。6、单向阀：使液压缸具有自锁功能。7、冷却器：冷却油液。8、蓄能器：短时间内供应大量油液，减小液压冲击和液压脉动。内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)233.3.2.2.4 液压元件设计的选择a伺服缸的选择在前面已经对液压缸进行了初步的估算，根据手册最终确定了液压缸的实际尺寸，所以这里不需要单独设计。选用力士乐公司双伸杆伺服液压缸产品型号：CGS 280 E 160 100 500 T 1X/06-6 Z B A D L技术指标如下：额定压力：28Mpa油 温：35 c50供油压力：20Mps粘 度：3555 21/.msb、液压泵的选择确定液压泵的最大工作压力piP式中液压缸的最大工作压力iP从液压泵的出口到液压缸的入口之间的管内损失的精确计算，查手册得：=（0.20.5）Mpa 取 =0.4MpaPPMpa240.52确定液压泵的流量 Qp：maxpQK取泄露系数 k 为 1.2，则L/min1.265=78p选择液压泵的规格为使液压泵有一定的压力储备所选的压力一般要比工作压力大 25%60%；即 P额 0(+%)Mpa内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)24根据计算的结果，查手册得选用力士乐公司 A4SG 125 HS1/22R-PPB10H029U 压力补偿变量型斜盘式输向柱塞泵排量 86L/min 额定转数 1500r/min额定压力 35Mpa 驱动功率 109Kw压力补偿变量泵的双弹簧控制泵的流量和压力特性两者的变化按恒功率的关心变化。根据液压泵的驱动功率选择相应的电动机 ；额定功率 132kw 转速 1490r/min冷却和清洗回路用液压泵选用叶片式定量泵，型号为：PVV2-1X1055RA150MB力士乐生产，额定流量 285L/min.C.蓄能器的选择根据设计的要求蓄能器的主要作用是减小液压冲击和压力脉冲，所以选取囊式蓄能器：NXQ A-40/31.5-F-H，公称容积 40L。公称压力 31.5Mpa。d液压阀的选择溢流阀的选择:在本系统中，溢流阀起到调压吗，卸荷的作用，选择先导式溢流阀，其型号为 SBG-06-H-R。单向阀的选择:在本系统中，单向阀起到保压作用，其在所设定的开启压力下使用。控制油液单向流动，完全阻止反向流动，从机械设计手册第五卷中选取单向阀型号为 S-10-P-0.35-2-0,其额定流量 115L/min,使用最高压力 31.5，开启压力为0.35。二位二通阀的选择:在本系统中，二位二通阀控制液流阀的控制口使泵卸荷。因为二位二通阀在实际中不生产的，在这里选择二位二通阀，把其他 T 口和 B 口堵住即可实现二位二通阀的功能。从机械设计手册第五卷中选取二位四通阀，其型号为：4WE6D50B/AG24.截止阀的选择：截止阀在本系统中起到开关的作用，从机械设计手册第五卷中选取截止阀的型号为：YJGQ_J10N,公称压力 35Mpa。电磁换向阀的选择：电磁换向阀在本系统中起到调速、向的作用，查手册选取电磁换向阀的型号为：4WSE3EE16-1X/100B8E21019EV,最高工作压力为 31.5Mpa，最大工作流量 86L/min.e.其他液压元件的选择过滤器的选择：在液压泵的回油路上，安装粗过滤器，以消除较大的颗粒杂质。根据机械设计手册第五卷在回油路上选用高压管事纸质过滤器，其型号为 ZU-内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)25H6320S。冷却清洗回路上，选用精过滤器，滤除更细微的颗粒杂质，保护液压系统中的液压元件不受细微颗粒杂质的损伤和卡死。根据机械设计手册第五卷，选取低压管式纸质过滤器，其型号为 ZU-A2510S。冷却器的选择：在液压系统中，因液压泵、液压马达、液压缸的容积损失和机械损失，或控制元件及管道的压力损失和液体摩擦损失等小号能量，几乎全转化成热量。这些热量除了一部分散发到周围空间，大部分使油液及元件的温度升高，如果油液温度过高。将严重影响液压系统的正常工作，以本规定液压油正常使用范围为 。通过冷却器可以控制油液的温度。使之适合系统的工作要求，本心痛的发156C热较大，故设计了一个冷却回路以使油箱中的油冷却。从机械设计手册第五卷中选取冷却器的型号为 2LQGW。压力继电器的选择型号：HED1KA20/35.0ZL24H额定工作压力：35Mpa 切换频率：300 次/minf、液压管的选择管材的选择：由于液压油管需承受高达 32.5Mpa 的压力，故需选用钢管。管内径的选择：41.3qdVQ通过油管流量V油管中的允许流速根据资料选取压油管的流速 =5m/s,吸油管为 =1.5m/s,q=1030ml/s,回油管的1V2V流速 =2.5m/s,q=1030ml/s3所以，压油管: ,取 =20mm10365dcm1d吸油管： ，取 =32mm2302回油管： ，取 =25mm310.2.5dcm3d油管的壁厚 S 按以下公式计算：2dPS式中 S油管壁厚 mm内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)26油管材料的允许应力为 602628157/4Nmn所以，压油管 2628157/4Nmn故， 33.50.62dP压油管的公称通径为 200.1mm，外径 280.1mm。吸油管： 26817/4Nmn6350.71dPeSm吸油管的公称通径为 320.25mm，外径 280.25mm。回油管： 2628105/Nm35.9dPeS回油管的公称通径为 250.15mm，外径 280.15mm。g油箱的选择油箱的有效容积： vVaQ按式 ，式中 a=5， 液压泵每分钟排出的容积va 60.54/minvQL已知： ，取 65L/min60.54/minLV=50.065=0.235 取 V=0.3533取油箱型号为 AB40-10-/0500 B N 1 3 St/M3.3.3 液压系统的验算系统压力损失的计算系统压力损失由三部分组成：管道行程的压力损失 、局部压力损失P和阀类元件的拒不损失 ：PvP= + +v1.管道的沿程压力损失 d=0.02m，l=1.5m ，Q=0.00158 。3/ms管子内径 d=0.02m，管长 l=1.5m，流量 Q=0.00158 。内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)27工作介质 YB-N32 抗磨液压油，粘度 。627.510/ms密度 ，粘度系数390/ekgm2248.33.Qvd雷诺数： 2.0R68751vdr因 300 ,则e51.5e.3R41沿程压力损失：20.pLvMpad局部压力损失 100l/min, .4液控单向阀：额定流量为 125L/min, 0.pa比例方向阀额定流量为 100L/min, 5系统额定流量为 65L/min，则泵的出口液压缸的局部压力损失为： 22660.5()0.4()0.311p Mpa出口到液压缸的总压力损失为： P内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)28第四章 振动装置主要零件的强度、刚度分析计算4.1、受力分析结晶器振动装置见图如下所示：图 4.1 结晶器运动简图受力分析：杆 EAB 承受结晶器的重量，构件能否承受承受结晶器的总重量是关键，因此，需要验算，杆 EAB 的受力见图如下内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)29图 4.2 杆 EAB 受力简图作用在杆上的力（1）10326ABEFN由（1）式得 05ABEF4.2 强度校核4.2.1、轴的校核A 点到由两个轴承支撑着轴，该轴材料选用 20CrMnTi，轴的结构如下图所示：图 4.3 轴示意图内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)30轴承支反力（2）120FN由（2）式得 1250载荷 =110000NAF弯矩计算如下：截面 1 处的弯矩： 3600MNm截面 2 处的弯矩： 3151275F中间界面弯矩： 3314068.01542.FNm截面 3 处的弯矩： 31251275MFNm截面 4 处的弯矩： 31600弯矩图如下所示：图 4.4 轴 1 受力分析图