采用步進(jìn)油缸的結(jié)晶器振動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)性能分析

趙春濤，王晨翀，陳雪華

(寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部，上海 201900)

0 前言

結(jié)晶器振動(dòng)裝置是連鑄生產(chǎn)線的核心設(shè)備，結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)結(jié)晶器保護(hù)渣消耗、結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力和板坯表面振痕都具有顯著影響，根據(jù)鋼種特點(diǎn)和澆鑄條件，選擇合適的結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)，可以提高板坯表面質(zhì)量，并降低澆鑄過(guò)程中的漏鋼次數(shù)或概率。早期的結(jié)晶器振動(dòng)采用凸輪結(jié)構(gòu)，但由于凸輪難于加工，故被偏心輪振動(dòng)替代。偏心輪振動(dòng)為正弦運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)頻率和振幅固定，因而靈活性較差。由于液壓系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)晶器振動(dòng)裝置具有振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率靈活可調(diào)，且振動(dòng)曲線可實(shí)現(xiàn)非正弦曲線振動(dòng)，因此液壓振動(dòng)裝置在結(jié)晶器上得到廣泛應(yīng)用[1-13]。

結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置主要分為兩種型式：伺服閥與液壓油缸各自獨(dú)立的分體結(jié)構(gòu)和伺服閥和液壓油缸一體式結(jié)構(gòu)。伺服閥與液壓油缸分體式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造，故障處理快捷等優(yōu)點(diǎn)，但具有抗干擾能力、耐污染性差的缺點(diǎn)；伺服閥和液壓油缸一體式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障處理困難，但具有耐污染能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[13-17]。

本文圍繞寶鋼煉鋼廠應(yīng)用的一體式結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置，分析其工作點(diǎn)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)特性和工作特點(diǎn)，分析結(jié)果對(duì)深刻理解這一結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置具有較大意義和借鑒價(jià)值[4-5]。

1 一體式結(jié)晶器振動(dòng)裝置構(gòu)成

寶鋼煉鋼廠某結(jié)晶器振動(dòng)裝置采用的伺服閥和液壓油缸一體式結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。在這一振動(dòng)裝置中，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)指令電信號(hào)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角使?jié)L珠絲桿帶動(dòng)伺服閥閥芯產(chǎn)生直線位移，閥芯位移使得閥芯和閥套之間形成一個(gè)閥口開(kāi)度，當(dāng)打開(kāi)的閥口與高壓油相通時(shí)，高壓油經(jīng)閥口進(jìn)入無(wú)桿腔，推動(dòng)活塞產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；當(dāng)打開(kāi)的閥口與油箱連通時(shí)，無(wú)桿腔中的液壓油通過(guò)閥口回到油箱，活塞在有桿腔高壓油的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；當(dāng)活塞位移量等于閥芯位移量時(shí)，閥口關(guān)閉，活塞停止運(yùn)動(dòng)。由于采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯來(lái)實(shí)現(xiàn)油缸振動(dòng)，這一振動(dòng)裝置也稱(chēng)為步進(jìn)油缸[7-8]。

圖1 步進(jìn)油缸結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)步進(jìn)油缸振動(dòng)裝置的實(shí)際工作狀態(tài)，工作原理可以簡(jiǎn)化如2圖所示。

圖2 步進(jìn)油缸工作原理圖

由圖2可見(jiàn)，液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)由三通伺服閥控制非對(duì)稱(chēng)油缸構(gòu)成，非對(duì)稱(chēng)油缸的活塞桿與振動(dòng)臺(tái)架之間剛性聯(lián)接，在伺服閥的控制下，非對(duì)稱(chēng)油缸帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器的振動(dòng)。在這一振動(dòng)裝置中，內(nèi)置式伺服閥與液壓油缸通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)形成了對(duì)伺服閥閥芯位移的單位反饋，由此可以畫(huà)出振動(dòng)裝置的控制方框圖，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)裝置的控制框圖

2 步進(jìn)油缸工作點(diǎn)分析

由于步進(jìn)油缸的動(dòng)力機(jī)構(gòu)由三通閥控制非對(duì)稱(chēng)油缸構(gòu)成，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性決定于伺服閥、液壓油缸和負(fù)載。步進(jìn)油缸承受單向外負(fù)載力即振動(dòng)臺(tái)架及內(nèi)部鋼水重量，為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)油缸兩個(gè)方向控制性能一致，液壓油缸、單向外負(fù)載力和液壓系統(tǒng)壓力三者之間要滿足以下要求[9]。

(1)

式中，F(xiàn)L為單向負(fù)載力，N；A1為油缸無(wú)桿腔活塞面積，m2；A2為油缸有桿腔活塞環(huán)形面積，m2；ps為液壓系統(tǒng)壓力，Pa。

實(shí)際工作中如果單向外負(fù)載力或液壓系統(tǒng)壓力發(fā)生變化，將會(huì)影響步進(jìn)油缸兩個(gè)方向振動(dòng)時(shí)控制性能的一致，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成振動(dòng)曲線產(chǎn)生畸變或突跳。因而，保持鋼水高度和液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定至關(guān)重要。

式(1)又可表示為

當(dāng)步進(jìn)油缸的單向外負(fù)載力出現(xiàn)改變時(shí)，可通過(guò)調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)油缸兩個(gè)方向控制性能的一致。

3 數(shù)學(xué)模型

三通閥控油缸活塞位移對(duì)應(yīng)閥芯位移的傳遞函數(shù)[18-21]

(2)

4 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)寶鋼某步進(jìn)油缸實(shí)際參數(shù)：活塞直徑300 mm，活塞桿直徑260 mm，油缸行程30 mm，液壓系統(tǒng)壓力為20 MPa。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮的步進(jìn)油缸單向外負(fù)載力為3.55×105N[5]。從步進(jìn)油缸的實(shí)際工況分析，單向外負(fù)載力來(lái)自負(fù)載的重力，因此步進(jìn)油缸的負(fù)載慣性質(zhì)量3.55×104kg。

油液彈性體積模量取6.9×102MPa，系統(tǒng)阻尼比取0.3，可得油缸活塞位移對(duì)應(yīng)伺服閥閥芯位移的傳遞函數(shù)。

4.1 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)bode圖

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)bode圖如圖4所示。由圖4可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，系統(tǒng)穿越頻率Wc為43 rad/s，即6.843 7 Hz，滿足現(xiàn)場(chǎng)最大頻率5 Hz的響應(yīng)需要。

圖4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)bode圖

4.2 正弦響應(yīng)

為分析步進(jìn)油缸實(shí)際工作性能，選擇步進(jìn)油缸實(shí)際工作輸入信號(hào)：幅值為3 mm、頻率5 Hz的正弦信號(hào)，系統(tǒng)simlink模型及響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 正弦響應(yīng)曲線

由圖5可見(jiàn)，正弦響應(yīng)曲線正、負(fù)方向?qū)ΨQ(chēng)，曲線光滑無(wú)畸變。表明在選定的工作點(diǎn)，三通伺服閥控制非對(duì)稱(chēng)液壓缸在正、負(fù)方向上控制性能及動(dòng)態(tài)性能一致，沒(méi)有突變，能夠滿足結(jié)晶器振動(dòng)要求。

5 結(jié)論

(1)伺服閥與振動(dòng)油缸一體式結(jié)構(gòu)的步進(jìn)油缸屬于三通閥控制非對(duì)稱(chēng)油缸，因此只有在特定的工作點(diǎn)，才能夠滿足兩個(gè)方向控制性能一致。通過(guò)對(duì)步進(jìn)油缸結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，確定出步進(jìn)油缸特定工作點(diǎn)選擇原則，分析和仿真結(jié)果表明，步進(jìn)油缸只有在選定的工作點(diǎn)，才能滿足結(jié)晶器振動(dòng)要求，達(dá)到響應(yīng)曲線對(duì)稱(chēng)、不產(chǎn)生畸變。

(2)當(dāng)作用于步進(jìn)油缸上的外負(fù)載力出現(xiàn)變化時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力將步進(jìn)油缸的工作點(diǎn)調(diào)整到特定的工作點(diǎn)，滿足兩個(gè)方向控制性能一致。