結(jié)晶器液壓振動(dòng)回油管路蓄能器參數(shù)仿真與試驗(yàn)研究

丘銘軍,郭星良,艾春璇,寧 博，陳國防

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

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結(jié)晶器液壓振動(dòng)回油管路蓄能器參數(shù)仿真與試驗(yàn)研究

丘銘軍,郭星良,艾春璇,寧 博，陳國防

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

本文針對(duì)板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)跟隨精度不高且回油管道存在振動(dòng)的工況，通過對(duì)回油蓄能器參數(shù)進(jìn)行分析，采用MatlabSimulink仿真軟件建立了該振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)的控制模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了仿真分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了回油蓄能器參數(shù)選取的正確性及控制模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

連鑄；結(jié)晶器液壓振動(dòng)；液壓伺服控制；蓄能器

0 前言

現(xiàn)代連鑄技術(shù)的快速發(fā)展，幾乎所有的結(jié)晶器振動(dòng)均采用液壓振動(dòng)方式。與傳統(tǒng)的結(jié)晶器機(jī)械振動(dòng)方式相比，液壓振動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活、精度高、響應(yīng)快、振動(dòng)參數(shù)設(shè)定和調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，并且無需對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行調(diào)整即可在線進(jìn)行正弦和非正弦振動(dòng)方式的實(shí)時(shí)切換，以及振幅、振頻、非正弦參數(shù)的調(diào)整，完全滿足連鑄工藝的需要。

結(jié)晶器液壓振動(dòng)參數(shù)根據(jù)工藝的要求能在線調(diào)整，合理的振動(dòng)參數(shù)能有效減少鑄坯與結(jié)晶器的摩擦力，從而減少鑄坯振痕、提高鑄坯質(zhì)量和金屬收得率。振幅、頻率作為結(jié)晶器液壓振動(dòng)的兩項(xiàng)重要參數(shù)，通常用振動(dòng)系統(tǒng)的跟隨性能來表示該參數(shù)，用來表征結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服控制系統(tǒng)的振動(dòng)性能等級(jí)。

本文將對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行建模及仿真，并對(duì)該仿真結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以期使振動(dòng)性能達(dá)到最佳效果，通過實(shí)驗(yàn)，證明了該模型的正確性以及液壓伺服系統(tǒng)蓄能器參數(shù)設(shè)置的合理性。

1 結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服模型的研究

結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服控制系統(tǒng)分為四部分，包括結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)、振動(dòng)液壓系統(tǒng)、連接管路、蓄能器。分別建立它們的模型，并通過流體連續(xù)性方程把它們聯(lián)系起來，得到結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服控制系統(tǒng)的模型。

1.1 結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，連續(xù)澆注用結(jié)晶器1安裝并固定在兩個(gè)振動(dòng)單元體2上，該振動(dòng)單元體2由振動(dòng)液壓缸裝置3驅(qū)動(dòng)，通過控制兩臺(tái)振動(dòng)液壓缸裝置3的伺服振動(dòng)曲線能實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器1的正弦或者非正弦運(yùn)動(dòng)。

圖1 結(jié)晶器液壓振動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of mold servo oscillator

1.2 結(jié)晶器振動(dòng)載荷分析

結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服液壓缸所承受的載荷有：坯殼與銅板之間的摩擦力WK，振動(dòng)體的慣性力PMA，振動(dòng)體自重G，振動(dòng)單元體板彈簧及緩沖彈簧的反力F，如果結(jié)晶器具備在線熱調(diào)寬功能則還需要考慮結(jié)晶器調(diào)寬時(shí)在窄邊銅板上產(chǎn)生的拉坯阻力FS。

(1) 坯殼與銅板之間的摩擦力WK。鋼液靜壓力作用在結(jié)晶器寬邊銅板和窄邊銅板上的力為

式中，B為結(jié)晶器內(nèi)鋼水最高液面處的鑄坯寬度，cm；D為結(jié)晶器內(nèi)鋼水最高液面處的鑄坯厚度，cm；γ為鋼液重度，取7g/cm3；f為銅板和鑄坯之間的摩擦系數(shù)，一般取0.5。

(2) 振動(dòng)體的慣性力PMA。

式中，G為振動(dòng)體的重量(包括結(jié)晶器本體、冷卻水、振動(dòng)單元體振動(dòng)部分的重量)，kg。

(3) 振動(dòng)體的自重G。

G=G1+G2+G3

式中，G1為結(jié)晶器本體重量，kg；G2為結(jié)晶器內(nèi)冷卻水的重量，kg；G3為振動(dòng)單元體振動(dòng)部分的重量，kg。

1.3 蓄能器模型

(1) 蓄能器的流量方程。設(shè)蓄能器的進(jìn)油閥末端的流量為q，即油腔油液流量變化和蓄能器氣腔體積變化有

式中，Va為密封氣體的某一時(shí)刻氣體體積，m3；負(fù)號(hào)表示氣腔體積變化和油液流量相反。

(2) 蓄能器的流量連續(xù)性方程。每增加單位壓力，流體體積所產(chǎn)生的相對(duì)壓縮量稱為壓縮系數(shù)，壓縮系數(shù)表達(dá)式為

式中，β為油液壓縮系數(shù)；V為流體原體積，m3；ΔV為體積減少量；Δp為壓力增量，由于壓力增加時(shí)油液體積減少，兩者變化相反，所以前面加負(fù)號(hào)。

壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為體積彈性模量，體積彈性模量為

所以蓄能器內(nèi)的流量連續(xù)性方程為

式中，q1為流進(jìn)或排出蓄能器的流量。

(3) 蓄能器內(nèi)油液的力平衡方程。

(4) 氣體狀態(tài)方程。氣體的壓力、體積和溫度是理想氣體的重要參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)可以完整地描述氣體的狀態(tài)。

對(duì)一定質(zhì)量的理想氣體，其狀態(tài)方程為

式中，P0、P1、P2分別為充氣壓力、最高工作壓力、最低工作壓力，Pa；V0、V1、V2分別為蓄能器氣囊的總?cè)莘e、最高工作壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的氣囊總?cè)莘e、最低工作壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的氣囊總?cè)莘e，m3；T1、T2、T3分別為充氣時(shí)、最高工作壓力時(shí)和最低工作壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣體熱力學(xué)溫度。

2 仿真分析

2.1 結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器控制模型

結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器模型的仿真是利用MatlabSimulink仿真軟件來實(shí)現(xiàn)的，Simulink仿真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(jī)、電、液耦合控制系統(tǒng)的建模與仿真研究。

圖2所示為根據(jù)上述推導(dǎo)并在MatlabSimulink軟件下建立的結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器模型。圖3為伺服閥后部回油管路的仿真模型。

圖2 結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器模型Fig.2 Oil return accumulator model of mold servo oscillation system

圖3 伺服閥后部回油管路仿真模型Fig.3 Return line model at end of servo valve

結(jié)合結(jié)晶器液壓振動(dòng)液壓缸的載荷分析及計(jì)算公式，代入結(jié)晶器液壓振動(dòng)模型的相關(guān)參數(shù),可以得出結(jié)晶器液壓振動(dòng)用回油蓄能器參數(shù)的結(jié)果,在MatlabSimulink軟件環(huán)境下,對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)的載荷進(jìn)行構(gòu)建并賦值。該項(xiàng)目實(shí)際液壓系統(tǒng)中,假設(shè)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MOOG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(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修正，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，使控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 仿真分析

結(jié)晶器液壓振動(dòng)作為連鑄機(jī)最核心的設(shè)備，能大大提高板坯的表面質(zhì)量，同時(shí)有利于鑄坯的脫模，防止連鑄機(jī)發(fā)生粘接的漏鋼事故。結(jié)合結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服回油蓄能器的仿真模型，在MatlabSimulink軟件下對(duì)液壓伺服回油中無回油蓄能器，有回油蓄能器且考慮蓄能器的安裝位置、蓄能器的工作參數(shù)等情況作仿真分析。

2.2.1 無回油蓄能器的仿真分析

圖2所示的結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器模型中，關(guān)閉回油蓄能器的相關(guān)參數(shù)，即結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服中無回油蓄能器，且分別輸入振幅3 mm、頻率3 Hz；振幅4 mm、頻率6 Hz兩組參數(shù)，整定P(比例)系數(shù)、I(積分)系數(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)分別如圖4、圖5所示。該仿真結(jié)果表明：在伺服振動(dòng)回油管路上沒有安裝蓄能器時(shí)，振動(dòng)曲線不能很好地跟隨輸入值，而且振幅/頻率越大，振動(dòng)曲線越失真。

圖4 振幅3 mm、頻率3 Hz時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)特性Fig.4 System response characteristics at 3mm amplitude, 3Hz frequency

圖5 振幅4 mm、頻率6 Hz時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)特性Fig.5 System response characteristics at 4mm amplitude, 6Hz frequency

2.2.2 有回油蓄能器的仿真分析

圖2所示的結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器模型中，設(shè)置回油蓄能器的相關(guān)參數(shù)，即結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服中設(shè)置有回油蓄能器，設(shè)定振幅4 mm、頻率6 Hz，蓄能器容積為1 L，且分別輸入回油蓄能器的充氣壓力為0.05 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa，整定P(比例)系數(shù)、I(積分)系數(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖6所示。該仿真結(jié)果表明：在伺服振動(dòng)回油管路上設(shè)置有蓄能器時(shí)，選擇合適的充氣壓力，振動(dòng)曲線能較好地跟隨輸入值，隨著充氣壓力的增大，振動(dòng)曲線逐漸失真，在0.15～0.2 MPa之間能較好地滿足要求。

圖6 不同充氣壓力時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)特性Fig.6 System response characteristics at different air charging pressure

在圖2所示的結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器模型中，設(shè)定振幅4 mm、頻率6 Hz，蓄能器充氣壓力為0.2 MPa，且分別輸入回油蓄能器的容積為0.5 L、1 L、2.5 L、5 L、10 L，整定P(比例)系數(shù)、I(積分)系數(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖7所示。該仿真結(jié)果表明：在伺服振動(dòng)回油管路上設(shè)置有蓄能器時(shí)，選擇合適的容積，振動(dòng)曲線能較好地跟隨輸入值，隨著容積的減小，振動(dòng)曲線逐漸失真，考慮到經(jīng)濟(jì)性，選用2.5 L能較好地滿足要求。

圖7 不同容積時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)特性Fig.7 System response characteristics with different volume

圖2所示的結(jié)晶器振動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)回油蓄能器模型中，設(shè)定振幅4 mm、頻率6 Hz，蓄能器充氣壓力為2×105Pa，容積為2.5 L，分別將回油蓄能器設(shè)置在圖3的中部及后部位置(遠(yuǎn)離伺服閥)，整定P(比例)系數(shù)、I(積分)系數(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖8所示。該仿真結(jié)果表明：在伺服振動(dòng)回油管路上設(shè)置有蓄能器時(shí)，回油蓄能器的位置影響著系統(tǒng)的響應(yīng)特性，蓄能器遠(yuǎn)離伺服閥，則振動(dòng)曲線逐漸失真。

圖8 蓄能器位置不同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)特性Fig.8 System response characteristics in accumulator different position

3 試驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)分析，組建的振動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖9所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)合對(duì)結(jié)晶器的載荷分析及借助上述的仿真結(jié)果對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)。

圖9 結(jié)晶器振動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.9 Testing device of mold servo oscillator

圖10為對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器振動(dòng)試驗(yàn)過程中，回油蓄能器容積為2.5 L、充氣壓力0.2 MPa、位置靠近伺服閥所采集的實(shí)際振動(dòng)曲線，圖中通道1為系統(tǒng)的輸入值，通道3為實(shí)際振動(dòng)曲線，從圖中可以看出，該振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置合理、振動(dòng)曲線跟隨性好，完全能滿足控制要求。

圖10 結(jié)晶器振動(dòng)實(shí)測(cè)響應(yīng)曲線Fig.10 Practical feature response of mold servo oscillator

4 結(jié)論

(2) 在伺服閥回油管道中并聯(lián)設(shè)置蓄能器能有效消除由壓力脈動(dòng)引起的振動(dòng)、噪聲以及振動(dòng)波形失真，同時(shí)能大大提高系統(tǒng)的振動(dòng)跟隨性能，提升動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)。

(3) 考慮到經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置的蓄能器容量適中即可，但要求慣性小反應(yīng)靈敏且固有頻率在幾十赫茲以內(nèi)，用于吸收低頻壓力脈動(dòng)比較有效。

(4) 合理的選用蓄能器的容積、充氣壓力以及考慮伺服閥后部回油管道的設(shè)計(jì)是減少和控制液壓沖擊的有效方法。通常采用盡可能短的回油管路、減少彎頭及增大管路的彎曲半徑、蓄能器盡可能靠近伺服閥。

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Simulation and testing research of hydraulic accumulator for oil return line of mold servo oscillation system

QIU Ming-jun，GUO Xing-liang，AI Chun-xuan，NING Bo，CHEN Guo-fang

(China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032 )

Because of the working condition of mold hydraulic servo oscillation system of slab continuous casting machine, for example, the system accuracy is not high, and there is vibration in oil-returning pipe, this thesis analysis parameters of oil return accumulator. Control model of this hydraulic servo oscillation system is established by MatlabSimulink, moreover, simulation analysis and field test to the model. Simulations and experiments show the correctness of the oil-returning accumulator parameter selection and the rationality of the control model parameter setting.

CCM; mold hydraulic oscillation; hydraulic servo control system; accumulator

2016-03-18；

2016-05-09

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2012k10-02)

丘銘軍(1979-),男,中國重型機(jī)械研究院股份公司，高級(jí)工程師。從事專業(yè):液壓傳動(dòng)與控制。

TF777

A

1001-196X(2016)05-0042-06