用于直弧形板坯連鑄機的結(jié)晶器振動裝置的優(yōu)化設(shè)計

穆學(xué)鋒

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢430223）

結(jié)晶器振動的目的，是防止初生坯殼與結(jié)晶器之間粘結(jié)而被拉裂。結(jié)晶器振動裝置，實際上起強制脫膜作用，是關(guān)系到澆鑄能否連續(xù)進行和鑄坯表面質(zhì)量好壞的關(guān)鍵設(shè)備。目前國內(nèi)結(jié)晶器振動裝置，主要分為四連桿式、四偏心式和液壓振動式三種。由于后兩種方式投資較大，安裝調(diào)試周期較長，因此采用四連桿式結(jié)晶器振動裝置的比例仍然很高[1]。

1 全弧形四連桿式結(jié)晶器振動裝置的不足之處

目前已投產(chǎn)的采用四連桿式結(jié)晶器振動裝置的連鑄機系統(tǒng)主要為全弧形式。其不足之處在于：

（1）不能滿足目前直弧形板坯連鑄機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要。由于結(jié)晶器與扇形段等設(shè)備的變化，振動裝置上相關(guān)部位需作相應(yīng)的重新設(shè)計；

（2）結(jié)晶器的仿弧運動不能準確地實現(xiàn)，因此生產(chǎn)出的鑄坯表面存在較明顯的振痕；

（3）設(shè)備運行負荷大。由于生產(chǎn)時結(jié)晶器對振動裝置的負荷高達約25 t，因此振動裝置易產(chǎn)生較大的損耗，導(dǎo)致維持順利的生產(chǎn)需進行經(jīng)常性的維護工作和準備大量的備件。另由于振動裝置在生產(chǎn)時需連續(xù)不斷地工作，較高的負荷也導(dǎo)致了大量的能耗，對于國家目前倡導(dǎo)的節(jié)能方針也相背離[2]。

2 直弧形四連桿型式結(jié)晶器振動裝置

鑒于以上原因，筆者在中冶南方公司總承包的“日照板坯連鑄機工程”中設(shè)計的結(jié)晶器振動裝置，采用了直弧形四連桿型式并進行了針對性優(yōu)化，并獲得一項實用新型專利的授權(quán)，專利號為：“200620172729.8”，結(jié)晶器振動裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)晶器振動裝置整體結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)計要點

3.1 針對直弧形連鑄機系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

（1）為滿足直弧形連鑄機的振動軌跡和鑄坯表面質(zhì)量的要求，優(yōu)化了四連桿中各連桿的長度和傳動的杠桿比。振動裝置的四連桿部分，被設(shè)計成為對邊相等的平行四邊形式且初始狀態(tài)為一邊水平的矩形，使得關(guān)鍵的結(jié)晶器外弧銅板的運動軌跡，成為近似在垂直平面內(nèi)的平動。為滿足鑄坯表面質(zhì)量的要求，在振幅為±4 mm的條件下，結(jié)晶器外弧銅板的水平偏差應(yīng)達到小于0.1 mm的工藝要求。綜合工藝布置、設(shè)備制造和精度要求等因素，最終確定了擺動臂長度為1 500 mm，此時，結(jié)晶器外弧銅板的水平偏差為0.04 mm。從實際生產(chǎn)情況來看，鑄坯表面完全達到設(shè)計要求。

（2）結(jié)晶器鞍座上設(shè)置了定位塊。通過轉(zhuǎn)動結(jié)晶器上的活動偏心輪，可使結(jié)晶器結(jié)晶器外弧銅板精確對準外弧側(cè)基準線并牢固定位，其次通過結(jié)晶器偏心輪上的刻度，可讀出結(jié)晶器銅板的磨損量，以便及時更換。結(jié)晶器鞍座上，還設(shè)置了連接水系統(tǒng)的冷卻水管路和密封圈，實現(xiàn)了結(jié)晶器的快速更換。

（3）在四連桿機構(gòu)和傳動裝置之間，設(shè)計了過載保護裝置。過載保護裝置，由帶法蘭套管、心桿軸裝配、彈簧及雙頭連接螺栓組成。正常工作時，彈簧處于一定的預(yù)緊狀態(tài)。當事故狀態(tài)出現(xiàn)時，連桿對彈簧的作用力超過其預(yù)緊力時，彈簧便會被壓縮，緩沖四連桿機構(gòu)對傳動裝置的沖擊力，實現(xiàn)對傳動裝置的保護作用。

（4）傳動裝置主要由電機、減速機和偏心輪裝配組成。電機和減速機為振動裝置提供動力。實現(xiàn)振動裝置周期性運動的是偏心輪。偏心輪裝配的核心內(nèi)容，是偏心軸與偏心套，通過兩者的不同角度的組合裝配，使結(jié)晶器的振動振幅在一定范圍內(nèi)可調(diào)。采用偏心輪的振動裝置的振動規(guī)律，即為正弦振動，其主要特點結(jié)晶器的運動速度與時間的關(guān)系為一條正弦曲線，在結(jié)晶器下降時，存在一段負滑脫時間，因此能有效防止和消除粘連。另外，結(jié)晶器的加速度，必然按余弦規(guī)律變化，所以運動過渡比較平穩(wěn)，設(shè)備沖擊小。

（5）在傳動側(cè)的連桿中增加了配重，且在結(jié)晶器鞍座下方增加了兩個空氣彈簧，減輕了裝置的運行負荷和電機功耗，也減緩了振動反沖力對結(jié)晶過程的損傷，有利于生產(chǎn)鋼種范圍的開拓。采用空氣彈簧作為支撐平衡緩沖元件，彈簧力易于準確控制，各彈簧作用力易于平衡；彈簧力還可根據(jù)使用工況不同，而通過調(diào)整氣壓的方式易于改變，提高工況的適應(yīng)能力；而且空氣彈簧的循環(huán)次數(shù)，為碟簧的十多倍，提高設(shè)備使用壽命，減少維護量。

3.2 振動裝置運行的能源消耗[3]

設(shè)計參數(shù)：

結(jié)晶器質(zhì)量G0=20 t；

結(jié)晶器與鑄坯摩擦力F摩=50 kN；

振幅A=±0.06 m；

振頻 f=3；

角速度ω=2π×f=2 rad/s；

連桿比i=1.2；

配重質(zhì)量G配=4 t；

空氣彈簧作用力N彈=30 kN，

機構(gòu)效率 μ=0.85

（1）不考慮配重和空氣彈簧時。

連桿拉力 N=（G0×g+F摩+G0×a0）/i

式中，g——重力加速度，g＝9.8 m2/s；

代入得 N=208（kN）

偏心輪力矩 T=N×A=208×0.06=12.5（kN·m）

電機消耗功率W=T×ω /μ=12.5×2/0.85=29（kW）

（2）考慮配重和空氣彈簧時。

連桿拉力N=（G0×g+F摩+G0×a0-N彈×2）/i-G配；

代入得 N=118（kN）；

偏心輪力矩 T=N×A=118×0.06=7.1（kN·m）；

電機消耗功率W=T×ω /μ=7.1×2/0.85=16（kW）。

由此可看出，增加了配重和空氣彈簧后，設(shè)備負荷明顯減輕，同時電機能耗明顯減小（與實際電機電流26 A一致），達到了減輕設(shè)備維護工作量和節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。

3.3 危險零部件的有限元校核[4]

由于結(jié)晶器的負荷全部作用在長臂上，因此長臂是整個結(jié)晶器振動裝置中最危險的部件。由于傳統(tǒng)的計算方法，只根據(jù)材料力學(xué)公式對局部進行強度校核，各參數(shù)的選用以及危險斷面的確定等，都存在個人經(jīng)驗方面的差異。因此，本文運用有限元方法對長臂進行了受力變形分析，可真實地反映其整體強度及變形情況。長臂的材料使用Q235B，查設(shè)計手冊取許用應(yīng)力為[σ]=120 MPa。

計算步驟如下：

（1）根據(jù)設(shè)計圖紙，使用Solidedge軟件進行三維建模；

（2）將建好的模型導(dǎo)入到有限元軟件ansys中，定義材料參數(shù)，選定單元，對三維模型進行切分，以保證有較好的幾何拓撲結(jié)構(gòu)，生成較好的六面體網(wǎng)格；

（3）建立邊界條件。由于長臂中部為轉(zhuǎn)軸，因此在此處施加軸向與徑向約束；在長臂與傳動裝置連接的一端進行全約束；

（4）添加載荷。由于在一個振動周期內(nèi)，長臂受到的載荷隨時間變化，故采用兩點載荷步進行施加，分別為前半周期的力和后半個周期的力，完成載荷的加載；

（5）在瞬態(tài)求解模式下求解，并打開大變形求解方式，防止出現(xiàn)大變形的過程無法模擬的情況；

（6）提取結(jié)果。

圖2 長臂變形計算結(jié)果

圖3 長臂應(yīng)力計算結(jié)果

長臂變形結(jié)果如圖2所示，其中最大變形量為2.764mm。長臂的應(yīng)力結(jié)果為圖3所示，其中最大應(yīng)力為72.632 MPa＜[σ]。由此可見，長臂的設(shè)計滿足強度和剛度的安全性要求。

4 結(jié)束語

（1）文中設(shè)計的結(jié)晶器振動裝置，滿足直弧形連鑄機的要求，能提高鑄坯的表面質(zhì)量；

（2）通過增加配重和空氣彈簧，可減輕設(shè)備負荷，降低能源消耗；

（3）通過有限元計算方法，校核了振動裝置中的危險部件，驗證了設(shè)備的使用安全性。

[1]郭春香.結(jié)晶器振動裝置的應(yīng)用與發(fā)展[J].金屬世界，2009，(6)：53.

[2]劉名延.板坯連鑄機設(shè)計與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社，1990.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2004.