双伺服电机驱动连铸结晶器非正弦振动技术

（1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛，066004；2.河北农业大学海洋学院，河北 秦皇岛，066003）

摘 要： 针对液压伺服驱动连铸结晶器振动技术的设备昂贵、维护费用高等问题，本文提出一种双伺服电机驱动的结晶器非正弦振动技术，设计并制造实验样机。首先阐述了设备的结构及工作原理；其次给出了实现五段函数非正弦振动波形时伺服电机的转动规律；最后进行了实验室实验验证。实验结果表明该装置能够很好地实现结晶器非正弦振动波形，设备运行平稳，具有推广和应用价值。
关键词：连铸；结晶器；非正弦振动；振动装置；试验
 
Non-sinusoidal Oscillation Technique Driven by Double servomotors for Continuous Casting Mold
Zhang Xingzhong¹  Zhou Chao^1,2  Zhang Fuzeng¹  Li Jianming¹  Zhang Yuhao¹  
（1. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，Hebei, China；2. Ocean College of Hebei Agricultural University, Qinhuangdao 066003，Hebei, China）
Abstract: The hydraulic servo oscillator for continuous casting mold is expensive and its maintenance cost is higher. A new mold oscillation technique driven by double servomotors was proposed in this paper and the  experimental prototype equipment was designed and manufactured. Firstly, the equipment structure and working principle of the oscillator were described. Secondly, the rotating rules of servomotor to realize non-sinusoidal oscillation waveform for five section functions were given. Finally, the laboratory experiments were made. The experiment results indicate that the oscillator can realize non-sinusoidal oscillation well and the oscillator moves smoothly. The oscillation technique is worth for application.
Key words: continuous casting; mold; non-sinusoidal oscillation; oscillation experiment
 
目前连铸生产中广泛采用的工业液压伺服驱动结晶器振动装置具有很多优点，如：其频率、振幅、波形偏斜率在线可调，且可以实现正弦振动波形与非正弦振动波形的在线切换，然而其存在系统复杂，投资昂贵，维护费用高等缺点^[1-4]。Park等^[5]提出将偏心轴作成凸轮轮廓，这在结晶器振动初期曾经使用过，但由于磨损以及参数不可调等原因，早已不再应用。李宪奎、张兴中等^[6.7]开发的椭圆齿轮驱动实现结晶器非正弦振动技术在首钢等多家钢铁公司得到应用，取得良好的工艺效果和及经济效益。张立平等^[8,9]开发了逆平行四连杆驱动结晶器非正弦振动装置，该装置的驱动原理同椭圆齿轮相同，只进行了实验室试验，并未进行推广。张兴中等^[10,11]开发了双偏心驱动结晶器非正弦振动装置，刘大伟等^[12,13]开发了一对非圆齿轮啮合传动实现结晶器非正弦振动，以及采用圆柱齿轮和非圆面齿轮啮合实现结晶器非正弦振动。上述机械驱动的振动装置其波形及波形偏斜率都不能在线调节。
本文开发了双伺服电机双侧同步驱动的非正弦振动技术，设计并制造实验样机。该装置结构简单，相比于四偏心振动装置其传动链短，易维护，承载能力强，且波形、波形偏斜率和频率在线可调，振幅停机可调，可实现正弦和非正弦振动波形在线切换。该装置的提出不但适用于新建铸机，而且对于现有双液压缸驱动的结晶器振动装置的改造方便可行。
1  结晶器非正弦振动装置
双伺服电机驱动结晶器非正弦振动实验样机如图1所示。伺服电机连接减速器，减速器通过联轴器连接偏心轴，偏心轴上装有偏心套和连杆，连杆的另一端连接振动台。该装置工作时，控制两个伺服电机按某一特定规律反向同步转动，通过偏心轴及连杆驱动结晶器振动台实现正弦或非正弦振动，当伺服电机匀速时，实现结晶器正弦振动，当伺服电机按特定规律非匀速转动时，实现结晶器非正弦振动，正弦振动和非正弦振动间可以在线切换，非正弦振动的波形偏斜率也可以在线调整。该装置采用板簧导向，避免了连杆导向的设备复杂、轴承处易磨损等缺点，提高了振动台的振动轨迹精度。采用缓冲弹簧平衡掉振动台的大部分重力和惯性力，减小了电机的功率及装置的冲击和噪音，有利于装置的平稳运行。

2 非正弦振动波形及伺服电机的转动规律
    为说明伺服电机驱动实现非正弦振动的原理，以五段函数非正弦振动波形为例说明伺服电机的转动规律。
2.1 五段函数非正弦振动波形
由分段函数构造的结晶器非正弦振动波形的位移、速度、加速度波形函数如下^[14]：
位移函数


式中，s 、v、a分别为五段函数非正弦振动波形的位移、速度、加速度，mm，mm/s，mm/s²； h为振幅，mm；α为波形偏斜率，%；f为振动频率，Hz； t为时间，s。
当h=6mm, f=2Hz,波形偏斜率α取不同值时，五段函数非正弦振动的位移、速度、加速度波形如图2所示。当α=0时，非正弦振动可转换为正弦振动。

2.2 伺服电机的转动规律
伺服电机单向连续旋转，为实现上述五段函数非正弦振动波形，伺服电机的转动的角速度随时间的变化规律为

当f=2Hz, 波形偏斜率α取不同值时，伺服电机角速度变化规律如图3所示。伺服电机按式（4）所示的规律转动，可实现上述五段函数非正弦振动波形（图2）。由式（4）可以看出，伺服电机的角速度是关于振动频率f和波形偏斜率α的函数，因此，改变伺服电机的角速度变化规律即可在线调整结晶器振动频率和波形偏斜率。

3 非正弦振动波形试验
当振幅h=6mm，波形偏析率α=20%时，控制双伺服电机按照式（4）所示的转动规律反向同步转动，采用位移、速度、加速度传感器对实验装置振动台左右两侧的位移、速度、加速度进行测试，结果如图4所示。由图4可以看出，振动台左右两侧的位移、速度和加速度曲线吻合较好，表明两个伺服电机的同步性很好，同步精度很高，振动装置能够很好地实现结晶器非正弦振动技术，且具有良好的运行平稳性。

选取一个振动周期，将结晶器振动台实际振动速度曲线与理论给定的速度曲线进行对比，结果如图5所示。由图5可以看出实际速度曲线与理论速度曲线吻合较好，尤其是在结晶器由最高点向运动到最低点的运动过程中，误差较小，保证了铸坯的负滑动时间以及负滑动量在合理范围内，从而可以确保铸坯的质量、脱模以及铸机的顺利生产。

4  结论
本文提出的双伺服电机驱动结晶器非正弦振动技术，通过控制伺服电机的转动规律实现结晶器非正弦振动，其振动波形及波形偏斜率在线可调，振幅停机可调，正弦与非正弦波形可在线自动切换。实验研究表明，双伺服电机同步性很高，振动台双侧位移偏差很小，运动平稳，证明该技术能够很好地实现结晶器非正弦振动。该技术采用偏心轴和连杆作为驱动件，其承载能力强，润滑方便，寿命长，维护成本低，伺服电机控制精度高，容易实现双侧精确同步控制。
 
参 考 文 献:
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