直接驅動結晶器振動發生裝置及其振動方法

2023-05-11 01:20:26

專利名稱：直接驅動結晶器振動發生裝置及其振動方法
技術領域：
本發明涉及一種冶金連鑄用的結晶器振動發生裝置，尤其是一種結晶器振動發生 裝置。本發明還涉及一種結晶器振動發生裝置的振動方法。
背景技術：
結晶器振動是連續鑄鋼的核心技術之一，而它的發生裝置是結晶器振動的心臟部 件，多年來一直是連鑄工作者的研究對象。尤其是近年來，結晶器逐步流行非正弦振動的形 式。由於該項技術對提高拉坯速度、改善鑄坯質量等方面具有明顯效果，結晶器振動機構 的發生裝置更是成了專業人士的研究焦點，由此行業裡出現了多種能實現非正弦振動的結 晶器振動發生裝置。要實現非正弦振動，其發生裝置，必須是帶有可程序控制的運動控制系 統。目前，在連鑄行業結晶器振動上的發生裝置大致有以下幾種1.普遍使用的機械驅動正弦振動發生裝置，即由交流異步電動機、減速機和偏心 軸等部件組成的最傳統的振動發生裝置。這種振動發生裝置結構簡單，運轉可靠，連鑄中使 用面廣量大，但是由於只能做正弦振動，不能做非正弦振動，拉坯速度、鑄坯的表面質量得 不到進一步提高，已經越來越不能滿足現代連鑄的工藝要求。2.機械驅動非正弦振動發生裝置，即在上述機械驅動的裝置結構中再附加一個能 產生非正弦振動的機械傳動裝置，如非圓齒輪或反平行四邊形機構等等。這種機械驅動非 正弦振動發生裝置，由於在傳統的機械驅動中，又增加了一道傳動環節，使驅動結構體積增 大，結構複雜了，而且降低了結晶器振動的平穩性和運動的精度，單一的運動波形又不能在 線調節，所以應用價值不大。3.伺服液壓缸驅動的結晶器振動發生裝置。4.伺服電動缸驅動的結晶器振動發生裝置。第3種伺服液壓缸和第4種伺服電動缸驅動的結晶器振動發生裝置，其驅動形式 可程序控制，都能實現非正弦振動，並能根據要求在線調節，這兩種發生裝置，是目前推行 結晶器非正弦振動的主要形式。但是，在實際應用中，伺服液壓缸存在著系統複雜、維修量 大、投入價高的缺點；伺服電動缸存在的缺點是，結晶器的上下振動，是靠伺服電機的頻繁 正轉、反轉實現的，而結晶器振動臺的質量較大，這種頻繁的正反轉，不可避免的給結晶器 振動的位移、速度等曲線的響應速度和跟蹤精度帶來影響，所以，對振動臺的設計必須符合 一定的要求，這樣，在推廣應用中就受到某些限制。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種連鑄結晶器振動發生裝置及其振動方法， 其中連鑄結晶器振動發生裝置要求結構簡單緊湊，可靠性高，其實現的振動方法能夠進行 包括正弦或非正弦振動在內的多種振動方式，能夠在線調節它的振動波形。為解決上述技術問題，本發明直接驅動結晶器振動發生裝置的技術方案是，包括 振動臺，所述振動臺通過連杆連接到偏心軸的偏心部上，一個驅動裝置驅動偏心軸轉動使
3得所述振動臺發生振動，所述驅動裝置包括一個低轉速、大扭矩的直驅電機，所述直驅電機 的轉軸與所述偏心軸的中心軸剛性連接，所述直驅電機的轉速由一個控制裝置實時進行控 制。本發明還提供了一種採用上述直接驅動結晶器振動發生裝置實現的振動方法，其 技術方案是，所述控制裝置控制直驅電機驅動所述偏心軸轉動，所述直驅電機的轉動的角 速度ω為
(V/7；0<t<T,ω = < ,^ ；K = 192* π *2 7(1_α )*(1+α )3 ；ε = -48 π *α f2/(l-a )*(1+α )2 ；α = 4/(2- \)；其中，T為振動周期，T1為下降周期，f為頻率，t為時間。本發明中傳動系統大大簡化，並且結構緊湊，不須改變目前傳統型結晶器振動裝 置的其他機械結構，直驅電機只要按單方向運轉，使用壽命延長，整體結構具有承載力大、 抗衝擊力強、可靠性高等優點。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明圖1為本發明直接驅動結晶器振動發生裝置的結構示意圖；圖2為本發明直接驅動結晶器振動發生裝置運動結構得示意圖；圖3為圖2所示機構的位移和線速度曲線；圖4為本發明直接驅動結晶器振動發生裝置實現的非正弦運動的位移和線速度 曲線；圖5為圖4所示的運動中角速度的曲線；圖6和圖7為採用不同參數實現的非正弦振動的曲線圖。
具體實施例方式本發明提供了一種直接驅動結晶器振動發生裝置，包括振動臺4，所述振動臺4通 過連杆3連接到偏心軸2的偏心部上，一個驅動裝置驅動偏心軸2轉動使得所述振動臺4 發生振動，所述驅動裝置包括一個低轉速、大扭矩的直驅電機1，所述直驅電機1的轉軸與 所述偏心軸2的中心軸剛性連接，所述直驅電機1的轉速由一個控制裝置實時進行控制。本發明還提供了一種採用上述直接驅動結晶器振動發生裝置實現的直接驅動結 晶器的振動方法，所述控制裝置控制直驅電機驅動所述偏心軸轉動，所述直驅電機的轉動 的角速度ω為
\ I IKt2 +ε + π ITx
0 < r < T1 T1 <t<T'
K = 192* π *2f3/ (1- a ) * ( + a )3 ； ε = -48 Ji *a f2/(l-a )*(l+a )2 ； a = 4/(2-I\)；
其中，T為振動周期，T1為下降周期，f為頻率，t為時間。本發明直接驅動結晶器振動發生裝置採用先進的直接驅動技術，即用直接驅動系 統來控制結晶器振動發生裝置。本發明中包括了直驅電機和控制系統。現有的結晶器振動 裝置均採用交流異步電機做為驅動電機，異步電機(感應電機)的工作原理是通過定子的 旋轉磁場在轉子中產生感應電流，產生電磁轉矩，轉子中並不直接產生磁場。因此，轉子的 轉速一定是小於同步速的。沒有這個差值，即轉差率，就沒有轉子感應電流，也因此叫做異 步電機。交流異步電機轉速高，調速性能好，但其輸出扭矩小，必須通過減速機構才能夠驅 動負載。同時由於異步電機的轉差率是由電機的製造工藝決定，其離散性很大，並且負載的 變化直接影響電機的轉速，很難實現精確的高速運動控制。而本發明中所採用的同步電機 的轉子內鑲有永磁體，當電機瞬間起動完畢後，電機轉入正常運行，定子旋轉磁場帶動鑲有 永磁體的轉子進行同步運行，此時電機的轉速根據電機的極數和電機輸入電源頻率形成嚴 格的對應關係，轉速不受負載和其他因數影響。同步電機具有低轉速、大扭矩、過載能力強、 響應快、特性線性度好、力矩波動小等特點，應用於本發明中可直接驅動負載而省去減速傳 動齒輪，實現精確的運動控制。所述直驅電機是一種多極對數永久勵磁同步電機，它不需要 通過減速機構，就可以直接與負載剛性連接，在本發明技術方案中，它可以不需要減速機和 聯軸器，直接和振動臺的偏心軸連接，所述偏心軸通過連杆與振動臺連接，這樣就組成了一 個完整的傳動鏈所述直接驅動旋轉電機的旋轉運動，也就是所述偏心軸的旋轉運動，所述 偏心軸的旋轉運動，通過所述連杆，帶動所述振動臺轉換成了上下振動。由於轉速比i = 1， 所述偏心軸每旋轉一圈，所述振動臺就完成一個振動周期。這裡所述直接驅動旋轉電機由 運動控制系統控制，運動控制系統包括，運動控制器和驅動控制器。運動控制系統通過通訊 方式集成於工廠電氣控制系統中，所述運動控制系統接受工廠電氣控制系統發出的工藝指 令和現場工藝參數，運動控制系統根據工藝指令，通過先進的控制算法生成包括正弦或非 正弦振動在內的多種振動曲線，並依據現場工藝參數和生成的振動曲線控制與之連接的直 接驅動旋轉電機，從而帶動振動裝置按照指定的振動曲線運動。如果要實現非正弦運動，只 要通過改變偏心軸上行區間和下行區間的角速度就可以實現。譬如，把上行角速度設為勻 速，把下行角速度設為拋物線式，而在上、下死點位置角速度相等，消除突變。現有的機械式連鑄結晶器振動發生裝置由於減速機構的存在，需要通過連軸器的 部件將電動機連接到減速機構上，通過減速機構降低轉速，提高扭矩，然後驅動偏心軸轉 動。如果只是進行正弦振動，只要偏心軸勻速轉動就可以，現有的機械式連鑄結晶器振動 發生裝置是能夠完成的，但是對於非正弦振動，需要偏心軸作變速轉動，並且速度變化的頻 率非常高，而現有的機械式連鑄結晶器振動發生裝置中，由於減速機構中的齒輪相互之間 會存在配合上的餘量，並且減速機構中齒輪會有慣性，這會導致電動機無法精確的驅動偏 心軸進行預期的非正弦振動，另外在進行變速運動的過程中，齒輪之間會不斷的發生碰撞， 加速了零部件的磨損，縮短了使用壽命。而本發明通過採用直驅電機直接驅動偏心軸，不但 減少了結晶器振動發生裝置上的機械構造，還消除了減速機構對非正弦振動產生的不利影 響，既滿足了現代連鑄工藝要求，又減少了衝擊，保護了機械設備。目前在連鑄行業結晶器振動裝置上普遍使用的偏心軸驅動的結晶器振動裝置， 一般是採用勻速運動的方法，如圖2所示，當Ι/r足夠大時，C點的運動位移近似於正弦曲 線，以A點為始點，C點的位移S、速度V的曲線如圖3所示，其中位移S ^ r*COSon，速度
5
其中ω為角速度，t為時間。這種運動模式是正弦振動，不是非正弦振動，其結果是鑄坯的表面質量得不到提 高。隨著連鑄技術的發展，出現了一種非正弦振動模式，如圖4和圖5所示，即結晶器向下 運動的速度V1大於向上運動的速度V2 (V1 > V2)，方程式如下 本發明中用偏斜率表達非正弦曲線的崎變程度α = ΔΤ/Τ/4 = 4*ΔΤ/Τ,其中ΔΤ = 17(2_1\)，非正弦曲線的頂點與同周期正弦波頂點的偏移角度為Αθ =——*2π = π/2*α ο
T本發明中， K = 192* π *2 7(1_α )*(1+α )3 ；ε = -48 π *α f2/(l-a )*(1+α )2 ;α = 4/ (2_ \)；傳統的振動模式難以實現以上《工與ω2之間的轉變，主要原因是轉變過程中將產 生極大的加速度，使機械設備受到衝擊，而且，轉動慣量過大使轉變過程難以在要求的時間 內完成。本發明的振動中，振動臺在上升時是接近於勻速運動，在下降時是正弦曲線運動， 在A點和B點處角速度曲線連續沒有跳變，既可以滿足非正弦振動，又可避免產生設備衝
擊ο本發明頻率取2. 8Hz，偏斜率α取0. 25，其運動曲線如圖6所示；頻率取3. 2Hz， 偏斜率α取0.01，其運動曲線如圖7所示。綜上所述，本發明將連鑄結晶器振動發生裝置的傳動系統大大簡化，而且結構更 加緊湊，不須改變目前傳統型結晶器振動裝置的其他機械結構，直接驅動旋轉電機只要按 單方向運轉，使用壽命大大延長，整體結構具有承載力大、抗衝擊力強、可靠性高等優點。
權利要求
一種直接驅動結晶器振動發生裝置，包括振動臺，所述振動臺通過連杆連接到偏心軸的偏心部上，一個驅動裝置驅動偏心軸轉動使得所述振動臺發生振動，其特徵在於，所述驅動裝置包括一個低轉速、大扭矩的直驅電機，所述直驅電機的轉軸與所述偏心軸的中心軸剛性連接，所述直驅電機的轉速由一個控制裝置實時進行控制。
2.根據權利要求1所述的直接驅動結晶器振動發生裝置，其特徵在於，所述直驅電機 為多極對數永久勵磁同步電機。
3.一種採用如權利要求1或2所述的直接驅動結晶器振動發生裝置實現的直接驅動結 晶器的振動方法，其特徵在於，所述控制裝置控制直驅電機驅動所述偏心軸轉動，所述直驅 電機的轉動的角速度ω為[π ITx0<t<T{ω~\/2Κ 2 +ε + π/ΤχT1 <t<T'K = 192* π *2f3/ (1- α ) * (1+ α )3 ； ε =-48 π *α f2/(l-a )*(1+α )2 ; α = 4/(2_1\)；其中，T為振動周期，T1為下降周期，f為頻率，t為時間。
全文摘要
本發明公開了一種直接驅動結晶器振動發生裝置，其中驅動裝置包括一個低轉速、大扭矩的直驅電機，所述直驅電機的轉軸與所述偏心軸的中心軸剛性連接，所述直驅電機的轉速由一個控制裝置實時進行控制。本發明還公開了上述裝置實現的振動方法，所述控制裝置控制直驅電機驅動所述偏心軸轉動，所述直驅電機的轉動的角速度ω為K＝192*π*2f3/(1-α)*(1+α)3；ε＝-48π*αf2/(1-α)*(1+α)2；α＝4/(2-T1)；其中，T為振動周期，T1為下降周期，f為頻率，t為時間。本發明中傳動系統大大簡化，並且結構緊湊，不須改變目前傳統型結晶器振動裝置的其他機械結構，直驅電機只要按單方向運轉，使用壽命延長，整體結構具有承載力大、抗衝擊力強、可靠性高等優點。
文檔編號B22D11/16GK101920320SQ20091005743
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月17日 優先權日2009年6月17日
發明者劉奎奎, 曹鐵軍, 王鵬 申請人:上海重礦連鑄技術工程有限公司