結(jié)晶器在線熱調(diào)寬液壓伺服系統(tǒng)仿真與試驗研究

丘銘軍，郭星良，艾春璇，王訓(xùn)安

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710032)

結(jié)晶器在線熱調(diào)寬液壓伺服系統(tǒng)仿真與試驗研究

丘銘軍，郭星良，艾春璇，王訓(xùn)安

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710032)

本文對板坯連鑄機結(jié)晶器在線熱調(diào)寬裝置進行受力分析，采用HyPneu仿真軟件建立了該調(diào)寬裝置的液壓伺服控制模型，并對該模型進行了仿真分析及現(xiàn)場試驗，驗證了調(diào)寬裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計的正確性及控制模型參數(shù)設(shè)置的合理性，同時證明了該軟件具有較高的工程使用價值。

連鑄;結(jié)晶器;在線熱調(diào)寬;液壓伺服控制;仿真

1 前言

在鋼水連續(xù)澆鑄的生產(chǎn)線中，為了滿足不同寬度板坯的需要，結(jié)晶器寬度必須隨著板坯的寬度而調(diào)整。

傳統(tǒng)的結(jié)晶器調(diào)寬方法是將前一鋼種的尾坯拉出扇形段后，停止鋼水的澆鑄，再重新調(diào)整結(jié)晶器的寬度，每次板坯寬度的改變需要停產(chǎn)2 h以上。使用在線熱調(diào)寬技術(shù)是在不停機的狀況下連續(xù)澆鑄出不同寬度尺寸的鑄坯。連鑄機采用的結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)，其優(yōu)越性和先進性就是能實現(xiàn)在不停止?jié)茶T，甚至不降低拉速的情況下使結(jié)晶器窄面無級移動，改變鑄坯寬度到所需尺寸，大大提高了連鑄機的生產(chǎn)能力和效率，減少了操作人員的勞動強度，其特點適應(yīng)現(xiàn)代自動控制的發(fā)展要求。

在線熱調(diào)寬結(jié)晶器窄邊的運動方式有伺服電機驅(qū)動蝸輪蝸桿傳動裝置和液壓伺服閥驅(qū)動液壓缸兩種型式。伺服電機驅(qū)動蝸輪蝸桿傳動裝置是通過控制伺服電機來驅(qū)動結(jié)晶器窄邊的運動，并由安裝在伺服電機后部的編碼器檢測結(jié)晶器窄邊的位置，但是機械傳動中的蝸輪蝸桿傳動副、各齒輪傳動副及關(guān)節(jié)軸承連接處不可避免存在機械加工間隙及使用磨損，所以在實際使用中經(jīng)常出現(xiàn)編碼器的檢測值與結(jié)晶器窄邊實際位置不一致的情況。由于檢測值與實際位置存在偏差，所以由于伺服電機驅(qū)動窄邊的控制方式在熱調(diào)寬過程中經(jīng)常出現(xiàn)窄邊位置有較大誤差，甚至由于位置誤差太大而導(dǎo)致漏鋼的生產(chǎn)事故，而且由于檢測與實際位置存在偏差，所以在正常的鋼水澆注過程中，結(jié)晶器窄邊的位置不能實現(xiàn)位置閉環(huán)控制，只能通過機械的鎖緊裝置來鎖定窄邊位置。液壓伺服控制方式由其高功率密度比、中間傳動部件少、控制精度高等優(yōu)點被采用在結(jié)晶器窄邊驅(qū)動控制中。液壓伺服閥驅(qū)動液壓缸方式通過伺服閥控制帶高精度位移傳感器的伺服液壓缸驅(qū)動結(jié)晶器窄邊銅板，形成了對窄邊銅板控制的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于液壓伺服系統(tǒng)具有控制方便且位置精度高，在鋼水澆注過程中窄邊采用實時位置閉環(huán)控制，只要液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計及選型合理、控制策略得當，那么由液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動的結(jié)晶器窄邊控制方式將能很好地實現(xiàn)其各種控制要求。

國外對結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)研究較早，理論體系也比較完善。國內(nèi)對該技術(shù)研究起步晚，國內(nèi)各大鋼廠對結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)的應(yīng)用大多是從國外引進，從而制約了我國連鑄行業(yè)向高精細化、自動化程度發(fā)展的要求。

本文將對在線熱調(diào)寬結(jié)晶器的窄邊調(diào)寬裝置液壓伺服控制系統(tǒng)進行建模及仿真，并將該仿真結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場實際使用，通過現(xiàn)場的實際應(yīng)用，證明了該模型的正確性以及液壓伺服系統(tǒng)選型的合理性。

2 結(jié)晶器窄邊裝置載荷分析

2.1 結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)

在線熱調(diào)寬結(jié)晶器的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)晶器由兩套帶四組拉桿的寬邊銅板裝置及兩套帶四組調(diào)寬伺服液壓缸的窄邊銅板裝置組成一個矩形容腔。結(jié)晶器通過采用安裝在寬邊銅板裝置上的四組拉桿夾緊兩套窄邊裝置，拉桿通過碟簧組保持夾緊力，拉桿上的結(jié)晶器夾緊釋放液壓缸可以在調(diào)寬過程中釋放碟簧的預(yù)夾緊力，以使窄邊在調(diào)寬時能容易移動而不會劃傷銅板，且能防止發(fā)生漏鋼事故。

圖1 在線熱調(diào)寬結(jié)晶器的機械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of online width adjustmentmold

結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置如圖2所示，窄邊銅板裝置通過上下兩套調(diào)寬伺服液壓缸裝置連接，每套伺服液壓缸后部安裝有各自的伺服閥裝置。通過控制伺服閥來驅(qū)動液壓缸裝置，從而控制窄邊的位置。通過調(diào)整上下兩組調(diào)寬伺服液壓缸的行程來改變結(jié)晶器兩邊的寬度和每套窄邊各自的錐度。窄面調(diào)寬液壓控制裝置結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點是占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單而且不會產(chǎn)生錐度的漂移，使用調(diào)整方便。為了減小凝固坯殼的應(yīng)力，窄面的調(diào)整應(yīng)緩慢進行。為保證坯殼與銅板緊密接觸，調(diào)寬過程中，結(jié)晶器錐度隨寬度的減小而減小，隨寬度增加而增大?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)鋼種、澆注速度、要求的錐度和板坯定尺等工藝參數(shù)，在澆注期間為各邊的運動選擇不同的算法。

圖2 結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置Fig.2 Mold narrow-side width adjustment device

2.2 結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置的載荷

結(jié)晶器在線熱調(diào)寬有鑄坯在線寬度增大及在線寬度減小兩種型式，簡稱調(diào)寬與調(diào)窄。由于調(diào)寬與調(diào)窄時窄邊受力不同，所以在對窄邊數(shù)學(xué)建模時應(yīng)分別求出各自的載荷。

2.2.1 調(diào)窄時作用在窄邊裝置上的載荷

(1)鑄坯壓入反力

式中，Ks為凝固系數(shù)，一般取20～23 mm/B=B/2 Vm為調(diào)寬速度，mm/min;1，B為鑄坯寬度，mm;L為結(jié)晶器液面到窄邊最后一個足輥中間的距離，mm;A為實測值。

此作用力的中心位置

(2)窄邊的鋼液靜壓力

式中，D為鑄坯厚度，mm;γ為鋼液重度，取7g/cm3。

此作用力的合力距結(jié)晶器頂面的距離

式中，C為結(jié)晶器上端面到鋼水液面的距離，l1為鋼水液面到最后一個足輥的距離。

(3)寬窄邊銅板之間的摩擦力

此作用力的位置為

式中，F(xiàn)e為寬邊對窄邊銅板的夾緊力;μ1為寬窄邊銅板之間的摩擦系數(shù)，一般取0.5;he為Fe力作用的重心位置。

式中，F(xiàn)c為結(jié)晶器上、下側(cè)夾緊力之和;Fs1、Fs2為結(jié)晶器上、下側(cè)碟型彈簧的預(yù)緊力;FBN為結(jié)晶器寬邊鋼液靜壓力。FBN作用力的中心位置為

寬邊對窄邊銅板的夾緊力Fe作用的重心位置為

式中，l2為結(jié)晶器寬邊上部夾緊碟簧到結(jié)晶器上端面的距離;l3為結(jié)晶器寬邊上部夾緊碟簧到結(jié)晶器上端面的距離。

(4)窄邊導(dǎo)向與導(dǎo)向槽之間的摩擦阻力

式中，F(xiàn)μ3為沿鑄造方向窄邊和鑄坯之間的摩擦阻力，F(xiàn)μ3=μ3(Fsn+FDN);μ2為窄邊導(dǎo)向與導(dǎo)向槽之間的摩擦系數(shù)，一般取0.2;μ3為窄邊和鑄坯之間的摩擦系數(shù)，一般取0.5。

Fμ2的作用力中心位置在窄邊導(dǎo)向與導(dǎo)向槽滑動處。結(jié)晶器調(diào)窄時，作用在窄邊的載荷如圖3所示。

圖3 結(jié)晶器調(diào)窄時作用在窄邊的載荷Fig.3 Load on mold narrow-side when mold working for narrow adjustment

2.2.2 調(diào)寬時作用在窄邊裝置上的載荷

由于結(jié)晶器調(diào)寬時窄邊平行移動的鑄坯壓入反力FSX=0(因窄邊是按原錐度進行平移，因此，在窄邊銅板上仍有鋼液靜壓力，但其數(shù)值較小可忽略，調(diào)寬時窄邊移動總的驅(qū)動力小于調(diào)窄時窄邊移動的驅(qū)動力)，因此，結(jié)晶器調(diào)窄時比調(diào)寬時的油缸裝置受力工況要惡劣得多，所以在對結(jié)晶器窄邊裝置進行建模仿真時，按調(diào)窄時的工況進行設(shè)計，是完全可以滿足要求的。

3 仿真分析

3.1 在線熱調(diào)寬結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置液壓伺服系統(tǒng)控制模型

在線熱調(diào)寬結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置液壓伺服系統(tǒng)的仿真是利用HyPneu仿真軟件來實現(xiàn)的。HyPneu軟件是美國BarDyne公司開發(fā)的產(chǎn)品。該公司前身是美國俄克拉荷馬州州立大學(xué)(OSU/Oklahoma State University)流體動力研究中心(FPRC/Fluid Power Research Center)。此研究中心是由國際著名學(xué)者及科學(xué)家Dr.E.C.與Fitch建立于上世紀50年代初，在國際流體動力領(lǐng)域久負盛名。BarDyne公司一直致力于流體動力領(lǐng)域的理論及應(yīng)用工程技術(shù)的研究，其資深液壓專家為美國及其他國家在航空航天、汽車造船及工程機械等領(lǐng)域的制造業(yè)提供世界級權(quán)威解決方案。90年代初，BarDyne公司推出了HyPneu軟件的商業(yè)版。HyPneu軟件集中體現(xiàn)了BarDyne公司幾十年來的理論、技術(shù)、工程經(jīng)驗等諸多方面的精華。軟件的整體構(gòu)架是針對流體動力設(shè)計工程師的工作，完成從系統(tǒng)原理構(gòu)建到結(jié)果分析的全過程;軟件中的所有元件模型都通過實驗室的驗證以及幾十年的工程應(yīng)用檢驗。

HyPneu軟件提供了各類可用于控制系統(tǒng)仿真的模塊，支持各種機、電、液耦合控制系統(tǒng)的建模與仿真研究。圖4為在HyPneu軟件下建立的在線熱調(diào)寬結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置液壓伺服系統(tǒng)的速度控制模型。圖5為在HyPneu軟件下建立的在線熱調(diào)寬結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置液壓伺服系統(tǒng)的位置控制模型。

結(jié)合結(jié)晶器窄邊裝置的載荷圖及計算公式，代入結(jié)晶器機械結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，可以得出結(jié)晶器窄邊載荷的結(jié)果，在HyPneu軟件環(huán)境下，對結(jié)晶器窄邊載荷進行構(gòu)建并賦值。該項目實際液壓系統(tǒng)中，高壓油源完全能滿足系統(tǒng)使用要求，所以在模型中，壓力源選用恒壓模塊;伺服閥選用REXROTH公司的某系列伺服閥產(chǎn)品。該系統(tǒng)在控制過程中屬于線性定常系統(tǒng)，在控制模型中采用普通PID參數(shù)控制，在建立模型的基礎(chǔ)上，對PID參數(shù)進行修正，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，使控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性滿足設(shè)計要求。

在各種控制環(huán)節(jié)中，雖然D環(huán)節(jié)(微分環(huán)節(jié))能使系統(tǒng)有較高的響應(yīng)速度，但是該環(huán)節(jié)會放大有害的噪聲，這些噪聲常產(chǎn)生較大的數(shù)值，對系統(tǒng)的穩(wěn)定很不利，所以該模型中不采用D環(huán)節(jié)(微分環(huán)節(jié))參與對系統(tǒng)的控制。

3.2 仿真分析

結(jié)晶器在線熱調(diào)寬工藝對窄邊裝置運動的速度及位置控制精度要求較為嚴格，以提高鑄坯的表面質(zhì)量，避免在調(diào)寬過程中發(fā)生漏鋼事故。在線調(diào)寬工藝要求在冷調(diào)寬過程中(鋼水澆注前調(diào)整結(jié)晶器的寬度)調(diào)寬油缸裝置移動速度較快，主要是為了縮短生產(chǎn)準備時間;同時要求位置超調(diào)量要小，即位置精度要求較高，避免造成結(jié)晶器在改變鑄坯寬度時錐度不穩(wěn)的現(xiàn)象。在熱調(diào)寬過程中(鑄坯在線調(diào)寬)，窄邊裝置的移動速度要求較慢。在鋼水澆注過程中，要求錐度變化小，即鋼水澆注過程中，窄邊裝置的位置精度高。

3.2.1 速度仿真分析

在圖4所示的速度控制模型中，輸入以速度階躍信號0.8 mm/s及3.5 mm/s為例;調(diào)整P(比例)系數(shù)、I(積分)系數(shù)，當比例系數(shù)為6，積分時間常數(shù)為200 ms時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖6、圖7所示。該仿真結(jié)果表明，控制系統(tǒng)在調(diào)寬狀態(tài)下調(diào)寬油缸速度(結(jié)晶器窄邊裝置的速度)響應(yīng)較快，調(diào)整時間短，調(diào)寬油缸速度跟隨性較好，頻寬較寬，該液壓伺服系統(tǒng)完全能滿足在線熱調(diào)寬工藝的使用要求。

圖6 輸入階躍信號0.8 mm/s速度響應(yīng)特性Fig.6 Response characteristic as speed of input step signal is 0.8 mm/s

3.2.2 位置仿真分析

圖7 輸入階躍信號3.5 mm/s速度響應(yīng)特性Fig.7 Response characteristic as speed of input step signal is 3.5 mm/s

合適的倒錐度(同側(cè)窄邊銅板上、下沿位置差，由兩個調(diào)寬油缸的位置差決定)，不僅能提高結(jié)晶器的冷卻效果，減少漏鋼事故的發(fā)生，而且還有助于防止和減少鑄坯縱向裂紋的產(chǎn)生。所以在鋼水澆注過程中，調(diào)寬油缸裝置對位置精度要求比較高;同時，為了減小凝固坯殼產(chǎn)生的應(yīng)力，結(jié)晶器在澆鋼過程中對錐度誤差的補償速度要求較慢，并且要求在誤差補償過程中錐度超調(diào)較小，有利于對板坯寬度尺寸的控制及提高鑄坯的表面質(zhì)量，防止出現(xiàn)漏鋼事故。

在圖5所示的位置控制模型中，輸入為位置階躍信號0.1 mm;比例系數(shù)為15，積分時間常數(shù)為200 ms時，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖8所示。該仿真結(jié)果表明，控制系統(tǒng)對位置誤差的糾偏能跟隨輸入要求，響應(yīng)較為平緩，無超調(diào)量。

圖8 輸入階躍信號0.1 mm位置響應(yīng)特性Fig.8 Response characteristic as position of input step signal is 0.1 mm

4 試驗研究

某鋼廠新上項目中，結(jié)晶器具有在線熱調(diào)寬功能。機械結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。在調(diào)試過程中，結(jié)合對結(jié)晶器的載荷分析及借助HyPneu軟件的仿真結(jié)果對現(xiàn)場調(diào)試進行指導(dǎo)。圖9為熱調(diào)寬過程中，結(jié)晶器窄邊錐度的變化，結(jié)晶器錐度的變化是通過改變結(jié)晶器窄邊上、下調(diào)寬油缸裝置的速度差來實現(xiàn)的。從圖中可以看出，在調(diào)寬過程中，窄邊調(diào)寬裝置上、下調(diào)寬油缸的速度運行平穩(wěn)，對給定速度的跟隨性較好，完全能滿足工藝要求。

圖9 結(jié)晶器窄邊錐度變化曲線Fig.9 Variation ofmold narrow-side conical degree

圖10為在正常澆注過程中，結(jié)晶器窄邊位置閉環(huán)控制。通過現(xiàn)場使用證明，結(jié)晶器窄邊位置閉環(huán)控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制精度完全能滿足工藝要求。

圖10 結(jié)晶器窄邊位置閉環(huán)控制試驗Fig.10 Closed-loop control test formold narrow-side position

5 結(jié)論

(1)采用結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)能在不停機狀態(tài)下連續(xù)澆注出不同寬度的板坯，使產(chǎn)量增加，減少鑄坯頭、尾部的損耗，提高連鑄的收得率。

(2)通過對在線熱調(diào)寬結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置進行受力分析，結(jié)合HyPneu軟件提供的各種控制模塊，建立了在線熱調(diào)寬結(jié)晶器窄邊調(diào)寬裝置的液壓伺服控制模型，并對該模型進行了各種工況條件下的分析，通過仿真分析的結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場試驗，驗證了液壓系統(tǒng)設(shè)計、液壓元件選取的正確性及控制模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

(3)通過仿真及試驗證明該軟件在實際工程中具有較高的工程應(yīng)用價值，能大大縮短液壓系統(tǒng)的開發(fā)時間及控制系統(tǒng)的調(diào)試時間。

(4)鑒于液壓伺服系統(tǒng)模型建立的普適性及仿真軟件的通用性，該設(shè)計方法在液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計過程中具有較高的參考價值。

［1］劉明延、李平等，板坯連鑄機設(shè)計與計算 ［M］．北京:，機械工業(yè)出版社，1990．

［2］李洪人，液壓控制系統(tǒng) ［M］，北京:國防工業(yè)出版社，1981．

［3］黎啟柏，電液比例控制與數(shù)字控制系統(tǒng) ［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1997．

［4］王春行，液壓伺服控制系統(tǒng) ［M］．北京:工業(yè)機械出版社，1987．

［5］梅曉榕，自動控制原理 ［M］．北京:科學(xué)出版社，2002．

Simulation and testing research on hydraulic servo control system for ad justing device of w idth ad justmentmold

QIU Ming-jun，GUO Xing-liang，AIChun-xuan，WANG Xun-an
(China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China)

The load analysis ofmold onlinewidth adjustment device in a slab caster is conducted in this paper．Model of the hydraulic servo control system of the width adjustment device was established with the simulation software HyPneu．The simulation analysis and field testing for themodelwere performed to validate the correctness of the hydraulic system design and the rationality ofmodel parameter control system．The result verified that the software has high engineering application value．

CCM;mold;mold width adjustment;hydraulic servo control system;simulation

TF777

A

1001－196X(2012)05－0001－06

2012－06－23;

2012－08－02

丘銘軍(1979－)，男，中國重型機械研究院股份公司工程師，從事液壓傳動與控制的研究。