采用步進油缸的結晶器振動裝置動態性能分析

趙春濤，王晨翀，陳雪華

(寶山鋼鐵股份有限公司設備部，上海 201900)

0 前言

結晶器振動裝置是連鑄生產線的核心設備，結晶器振動對結晶器保護渣消耗、結晶器內的摩擦力和板坯表面振痕都具有顯著影響，根據鋼種特點和澆鑄條件，選擇合適的結晶器振動參數，可以提高板坯表面質量，并降低澆鑄過程中的漏鋼次數或概率。早期的結晶器振動采用凸輪結構，但由于凸輪難于加工，故被偏心輪振動替代。偏心輪振動為正弦運動，振動頻率和振幅固定，因而靈活性較差。由于液壓系統構成的結晶器振動裝置具有振動幅值和振動頻率靈活可調，且振動曲線可實現非正弦曲線振動，因此液壓振動裝置在結晶器上得到廣泛應用[1-13]。

結晶器液壓振動裝置主要分為兩種型式：伺服閥與液壓油缸各自獨立的分體結構和伺服閥和液壓油缸一體式結構。伺服閥與液壓油缸分體式結構具有結構簡單、便于制造，故障處理快捷等優點，但具有抗干擾能力、耐污染性差的缺點；伺服閥和液壓油缸一體式結構結構復雜、故障處理困難，但具有耐污染能力強的優點[13-17]。

本文圍繞寶鋼煉鋼廠應用的一體式結構的結晶器振動裝置，分析其工作點設計、動態特性和工作特點，分析結果對深刻理解這一結構的結晶器振動裝置具有較大意義和借鑒價值[4-5]。

1 一體式結晶器振動裝置構成

寶鋼煉鋼廠某結晶器振動裝置采用的伺服閥和液壓油缸一體式結構如圖1所示[6]。在這一振動裝置中，步進電機根據指令電信號產生轉角，該轉角使滾珠絲桿帶動伺服閥閥芯產生直線位移，閥芯位移使得閥芯和閥套之間形成一個閥口開度，當打開的閥口與高壓油相通時，高壓油經閥口進入無桿腔，推動活塞產生運動；當打開的閥口與油箱連通時，無桿腔中的液壓油通過閥口回到油箱，活塞在有桿腔高壓油的作用下產生運動；當活塞位移量等于閥芯位移量時，閥口關閉，活塞停止運動。由于采用步進電機驅動閥芯來實現油缸振動，這一振動裝置也稱為步進油缸[7-8]。

圖1 步進油缸結構圖

根據步進油缸振動裝置的實際工作狀態，工作原理可以簡化如2圖所示。

圖2 步進油缸工作原理圖

由圖2可見，液壓控制系統的動力機構由三通伺服閥控制非對稱油缸構成，非對稱油缸的活塞桿與振動臺架之間剛性聯接，在伺服閥的控制下，非對稱油缸帶動振動臺架實現結晶器的振動。在這一振動裝置中，內置式伺服閥與液壓油缸通過機械結構形成了對伺服閥閥芯位移的單位反饋，由此可以畫出振動裝置的控制方框圖，如圖3所示。

圖3 振動裝置的控制框圖

2 步進油缸工作點分析

由于步進油缸的動力機構由三通閥控制非對稱油缸構成，動力機構的動態特性決定于伺服閥、液壓油缸和負載。步進油缸承受單向外負載力即振動臺架及內部鋼水重量，為實現步進油缸兩個方向控制性能一致，液壓油缸、單向外負載力和液壓系統壓力三者之間要滿足以下要求[9]。

(1)

式中，FL為單向負載力，N；A1為油缸無桿腔活塞面積，m2；A2為油缸有桿腔活塞環形面積，m2；ps為液壓系統壓力，Pa。

實際工作中如果單向外負載力或液壓系統壓力發生變化，將會影響步進油缸兩個方向振動時控制性能的一致，嚴重時會造成振動曲線產生畸變或突跳。因而，保持鋼水高度和液壓系統壓力穩定至關重要。

式(1)又可表示為

當步進油缸的單向外負載力出現改變時，可通過調整液壓系統壓力，可以實現步進油缸兩個方向控制性能的一致。

3 數學模型

三通閥控油缸活塞位移對應閥芯位移的傳遞函數[18-21]

(2)

4 系統仿真分析

根據寶鋼某步進油缸實際參數：活塞直徑300 mm，活塞桿直徑260 mm，油缸行程30 mm，液壓系統壓力為20 MPa。設計時，考慮的步進油缸單向外負載力為3.55×105N[5]。從步進油缸的實際工況分析，單向外負載力來自負載的重力，因此步進油缸的負載慣性質量3.55×104kg。

油液彈性體積模量取6.9×102MPa，系統阻尼比取0.3，可得油缸活塞位移對應伺服閥閥芯位移的傳遞函數。

4.1 開環系統bode圖

開環系統bode圖如圖4所示。由圖4可知，系統穩定性好，系統穿越頻率Wc為43 rad/s，即6.843 7 Hz，滿足現場最大頻率5 Hz的響應需要。

圖4 開環系統bode圖

4.2 正弦響應

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

圖5 正弦響應曲線

由圖5可見，正弦響應曲線正、負方向對稱，曲線光滑無畸變。表明在選定的工作點，三通伺服閥控制非對稱液壓缸在正、負方向上控制性能及動態性能一致，沒有突變，能夠滿足結晶器振動要求。

5 結論

(1)伺服閥與振動油缸一體式結構的步進油缸屬于三通閥控制非對稱油缸，因此只有在特定的工作點，才能夠滿足兩個方向控制性能一致。通過對步進油缸結構參數分析，確定出步進油缸特定工作點選擇原則，分析和仿真結果表明，步進油缸只有在選定的工作點，才能滿足結晶器振動要求，達到響應曲線對稱、不產生畸變。

(2)當作用于步進油缸上的外負載力出現變化時，可以通過調整液壓系統壓力將步進油缸的工作點調整到特定的工作點，滿足兩個方向控制性能一致。