（1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島，066004；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，河北 秦皇島，066003）

摘 要： 針對(duì)液壓伺服驅(qū)動(dòng)連鑄結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的設(shè)備昂貴、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，本文提出一種雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。首先闡述了設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理；其次給出了實(shí)現(xiàn)五段函數(shù)非正弦振動(dòng)波形時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律；最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置能夠很好地實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)波形，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：連鑄；結(jié)晶器；非正弦振動(dòng)；振動(dòng)裝置；試驗(yàn)
 
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
 
目前連鑄生產(chǎn)中廣泛采用的工業(yè)液壓伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：其頻率、振幅、波形偏斜率在線可調(diào)，且可以實(shí)現(xiàn)正弦振動(dòng)波形與非正弦振動(dòng)波形的在線切換，然而其存在系統(tǒng)復(fù)雜，投資昂貴，維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)^[1-4]。Park等^[5]提出將偏心軸作成凸輪輪廓，這在結(jié)晶器振動(dòng)初期曾經(jīng)使用過(guò)，但由于磨損以及參數(shù)不可調(diào)等原因，早已不再應(yīng)用。李憲奎、張興中等^[6.7]開發(fā)的橢圓齒輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)在首鋼等多家鋼鐵公司得到應(yīng)用，取得良好的工藝效果和及經(jīng)濟(jì)效益。張立平等^[8,9]開發(fā)了逆平行四連桿驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)裝置，該裝置的驅(qū)動(dòng)原理同橢圓齒輪相同，只進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，并未進(jìn)行推廣。張興中等^[10,11]開發(fā)了雙偏心驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)裝置，劉大偉等^[12,13]開發(fā)了一對(duì)非圓齒輪嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)，以及采用圓柱齒輪和非圓面齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)。上述機(jī)械驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)裝置其波形及波形偏斜率都不能在線調(diào)節(jié)。
本文開發(fā)了雙伺服電機(jī)雙側(cè)同步驅(qū)動(dòng)的非正弦振動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相比于四偏心振動(dòng)裝置其傳動(dòng)鏈短，易維護(hù)，承載能力強(qiáng)，且波形、波形偏斜率和頻率在線可調(diào)，振幅停機(jī)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)正弦和非正弦振動(dòng)波形在線切換。該裝置的提出不但適用于新建鑄機(jī)，而且對(duì)于現(xiàn)有雙液壓缸驅(qū)動(dòng)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置的改造方便可行。
1  結(jié)晶器非正弦振動(dòng)裝置
雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖1所示。伺服電機(jī)連接減速器，減速器通過(guò)聯(lián)軸器連接偏心軸，偏心軸上裝有偏心套和連桿，連桿的另一端連接振動(dòng)臺(tái)。該裝置工作時(shí)，控制兩個(gè)伺服電機(jī)按某一特定規(guī)律反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)偏心軸及連桿驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)正弦或非正弦振動(dòng)，當(dāng)伺服電機(jī)勻速時(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器正弦振動(dòng)，當(dāng)伺服電機(jī)按特定規(guī)律非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)，正弦振動(dòng)和非正弦振動(dòng)間可以在線切換，非正弦振動(dòng)的波形偏斜率也可以在線調(diào)整。該裝置采用板簧導(dǎo)向，避免了連桿導(dǎo)向的設(shè)備復(fù)雜、軸承處易磨損等缺點(diǎn)，提高了振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)軌跡精度。采用緩沖彈簧平衡掉振動(dòng)臺(tái)的大部分重力和慣性力，減小了電機(jī)的功率及裝置的沖擊和噪音，有利于裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

2 非正弦振動(dòng)波形及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律
    為說(shuō)明伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)非正弦振動(dòng)的原理，以五段函數(shù)非正弦振動(dòng)波形為例說(shuō)明伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律。
2.1 五段函數(shù)非正弦振動(dòng)波形
由分段函數(shù)構(gòu)造的結(jié)晶器非正弦振動(dòng)波形的位移、速度、加速度波形函數(shù)如下^[14]：
位移函數(shù)


式中，s 、v、a分別為五段函數(shù)非正弦振動(dòng)波形的位移、速度、加速度，mm，mm/s，mm/s²； h為振幅，mm；α為波形偏斜率，%；f為振動(dòng)頻率，Hz； t為時(shí)間，s。
當(dāng)h=6mm, f=2Hz,波形偏斜率α取不同值時(shí)，五段函數(shù)非正弦振動(dòng)的位移、速度、加速度波形如圖2所示。當(dāng)α=0時(shí)，非正弦振動(dòng)可轉(zhuǎn)換為正弦振動(dòng)。

2.2 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律
伺服電機(jī)單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)上述五段函數(shù)非正弦振動(dòng)波形，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度隨時(shí)間的變化規(guī)律為

當(dāng)f=2Hz, 波形偏斜率α取不同值時(shí)，伺服電機(jī)角速度變化規(guī)律如圖3所示。伺服電機(jī)按式（4）所示的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)上述五段函數(shù)非正弦振動(dòng)波形（圖2）。由式（4）可以看出，伺服電機(jī)的角速度是關(guān)于振動(dòng)頻率f和波形偏斜率α的函數(shù)，因此，改變伺服電機(jī)的角速度變化規(guī)律即可在線調(diào)整結(jié)晶器振動(dòng)頻率和波形偏斜率。

3 非正弦振動(dòng)波形試驗(yàn)
當(dāng)振幅h=6mm，波形偏析率α=20%時(shí)，控制雙伺服電機(jī)按照式（4）所示的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，采用位移、速度、加速度傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置振動(dòng)臺(tái)左右兩側(cè)的位移、速度、加速度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，振動(dòng)臺(tái)左右兩側(cè)的位移、速度和加速度曲線吻合較好，表明兩個(gè)伺服電機(jī)的同步性很好，同步精度很高，振動(dòng)裝置能夠很好地實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)，且具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性。

選取一個(gè)振動(dòng)周期，將結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)實(shí)際振動(dòng)速度曲線與理論給定的速度曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出實(shí)際速度曲線與理論速度曲線吻合較好，尤其是在結(jié)晶器由最高點(diǎn)向運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，誤差較小，保證了鑄坯的負(fù)滑動(dòng)時(shí)間以及負(fù)滑動(dòng)量在合理范圍內(nèi)，從而可以確保鑄坯的質(zhì)量、脫模以及鑄機(jī)的順利生產(chǎn)。

4  結(jié)論
本文提出的雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)，通過(guò)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)，其振動(dòng)波形及波形偏斜率在線可調(diào)，振幅停機(jī)可調(diào)，正弦與非正弦波形可在線自動(dòng)切換。實(shí)驗(yàn)研究表明，雙伺服電機(jī)同步性很高，振動(dòng)臺(tái)雙側(cè)位移偏差很小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，證明該技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)。該技術(shù)采用偏心軸和連桿作為驅(qū)動(dòng)件，其承載能力強(qiáng)，潤(rùn)滑方便，壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，伺服電機(jī)控制精度高，容易實(shí)現(xiàn)雙側(cè)精確同步控制。
 
參 考 文 獻(xiàn):
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