直接驱动结晶器振动发生装置

摘要

本发明公开了一种直接驱动结晶器振动发生装置，其中驱动装置包括一个低转速、大扭矩的直驱电机，所述直驱电机的转轴与所述偏心轴的中心轴刚性连接，所述直驱电机的转速由一个控制装置实时进行控制；所述控制装置控制直驱电机驱动所述偏心轴转动，所述直驱电机的转动的角速度ω为：K＝192*π*2f3/(1-α)*(1+α)3；ε＝-48π*αf2/(1-α)*(1+α)2；α＝4/(2-T1)；其中，T为振动周期，T1为下降周期，f为频率，t为时间。本发明中传动系统大大简化，并且结构紧凑，不须改变目前传统型结晶器振动装置的其他机械结构，直驱电机只要按单方向运转，使用寿命延长，整体结构具有承载力大、抗冲击力强、可靠性高等优点。

权利要求

1.一种直接驱动结晶器振动发生装置，包括振动台，所述振动台通过连杆连接到偏心轴的偏心部上，一个驱动装置驱动偏心轴转动使得所述振动台发生振动，其特征在于，所述驱动装置包括一个低转速、大扭矩的直驱电机，所述直驱电机的转轴与所述偏心轴的中心轴刚性连接，所述直驱电机的转速由一个控制装置实时进行控制；

所述控制装置控制直驱电机驱动所述偏心轴转动，所述直驱电机的转动的角速度ω为：K＝192*π*2f3/(1-α)*(1+α)3；

ε＝-48π*αf2/(1-α)*(1+α)2；

α＝4/(2-T1)；

其中，T为振动周期，T1为下降周期，f为频率，t为时间。

2.根据权利要求1所述的直接驱动结晶器振动发生装置，其特征在于，所述直驱电机为多极对数永久励磁同步电机。

说明书

直接驱动结晶器振动发生装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种冶金连铸用的结晶器振动发生装置，尤其是一种结晶器振动发生装置。

背景技术

[0002] 结晶器振动是连续铸钢的核心技术之一，而它的发生装置是结晶器振动的心脏部件，多年来一直是连铸工作者的研究对象。尤其是近年来，结晶器逐步流行非正弦振动的形式。由于该项技术对提高拉坯速度、改善铸坯质量等方面具有明显效果，结晶器振动机构的发生装置更是成了专业人士的研究焦点，由此行业里出现了多种能实现非正弦振动的结晶器振动发生装置。要实现非正弦振动，其发生装置，必须是带有可程序控制的运动控制系统。目前，在连铸行业结晶器振动上的发生装置大致有以下几种：

[0003] 1.普遍使用的机械驱动正弦振动发生装置，即由交流异步电动机、减速机和偏心轴等部件组成的最传统的振动发生装置。这种振动发生装置结构简单，运转可靠，连铸中使用面广量大，但是由于只能做正弦振动，不能做非正弦振动，拉坯速度、铸坯的表面质量得不到进一步提高，已经越来越不能满足现代连铸的工艺要求。

[0004] 2.机械驱动非正弦振动发生装置，即在上述机械驱动的装置结构中再附加一个能产生非正弦振动的机械传动装置，如非圆齿轮或反平行四边形机构等等。这种机械驱动非正弦振动发生装置，由于在传统的机械驱动中，又增加了一道传动环节，使驱动结构体积增大，结构复杂了，而且降低了结晶器振动的平稳性和运动的精度，单一的运动波形又不能在线调节，所以应用价值不大。

[0005] 3.伺服液压缸驱动的结晶器振动发生装置。

[0006] 4.伺服电动缸驱动的结晶器振动发生装置。

[0007] 第3种伺服液压缸和第4种伺服电动缸驱动的结晶器振动发生装置，其驱动形式可程序控制，都能实现非正弦振动，并能根据要求在线调节，这两种发生装置，是目前推行结晶器非正弦振动的主要形式。但是，在实际应用中，伺服液压缸存在着系统复杂、维修量大、投入价高的缺点；伺服电动缸存在的缺点是，结晶器的上下振动，是靠伺服电机的频繁正转、反转实现的，而结晶器振动台的质量较大，这种频繁的正反转，不可避免的给结晶器振动的位移、速度等曲线的响应速度和跟踪精度带来影响，所以，对振动台的设计必须符合一定的要求，这样，在推广应用中就受到某些限制。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种连铸结晶器振动发生装置及其振动方法，其中连铸结晶器振动发生装置要求结构简单紧凑，可靠性高，其实现的振动方法能够进行包括正弦或非正弦振动在内的多种振动方式，能够在线调节它的振动波形。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明直接驱动结晶器振动发生装置的技术方案是，包括振动台，所述振动台通过连杆连接到偏心轴的偏心部上，一个驱动装置驱动偏心轴转动使得所述振动台发生振动，所述驱动装置包括一个低转速、大扭矩的直驱电机，所述直驱电机的转轴与所述偏心轴的中心轴刚性连接，所述直驱电机的转速由一个控制装置实时进行控制。

[0010] 所述控制装置控制直驱电机驱动所述偏心轴转动，所述直驱电机的转动的角速度ω为：

[0011]

[0012] K＝192*π*2f3/(1-α)*(1+α)3；

[0013] ε＝-48π*αf2/(1-α)*(1+α)2；

[0014] α＝4/(2-T1)；

[0015] 其中，T为振动周期，T1为下降周期，f为频率，t为时间。

[0016] 本发明中传动系统大大简化，并且结构紧凑，不须改变目前传统型结晶器振动装置的其他机械结构，直驱电机只要按单方向运转，使用寿命延长，整体结构具有承载力大、抗冲击力强、可靠性高等优点。

附图说明

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

[0018] 图1为本发明直接驱动结晶器振动发生装置的结构示意图；

[0019] 图2为本发明直接驱动结晶器振动发生装置运动结构得示意图；

[0020] 图3为图2所示机构的位移和线速度曲线；

[0021] 图4为本发明直接驱动结晶器振动发生装置实现的非正弦运动的位移和线速度曲线；

[0022] 图5为图4所示的运动中角速度的曲线；

[0023] 图6和图7为采用不同参数实现的非正弦振动的曲线图。

具体实施方式

[0024] 本发明提供了一种直接驱动结晶器振动发生装置，包括振动台4，所述振动台4通过连杆3连接到偏心轴2的偏心部上，一个驱动装置驱动偏心轴2转动使得所述振动台4发生振动，所述驱动装置包括一个低转速、大扭矩的直驱电机1，所述直驱电机1的转轴与所述偏心轴2的中心轴刚性连接，所述直驱电机1的转速由一个控制装置实时进行控制。

[0025] 本发明还提供了一种采用上述直接驱动结晶器振动发生装置实现的直接驱动结晶器的振动方法，所述控制装置控制直驱电机驱动所述偏心轴转动，所述直驱电机的转动的角速度ω为：

[0026]

[0027] K＝192*π*2f3/(1-α)*(1+α)3；

[0028] ε＝-48π*αf2/(1-α)*(1+α)2；

[0029] α＝4/(2-T1)；

[0030] 其中，T为振动周期，T1为下降周期，f为频率，t为时间。

[0031] 本发明直接驱动结晶器振动发生装置采用先进的直接驱动技术，即用直接驱动系统来控制结晶器振动发生装置。本发明中包括了直驱电机和控制系统。现有的结晶器振动装置均采用交流异步电机做为驱动电机，异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场。因此，转子的转速一定是小于同步速的。没有这个差值，即转差率，就没有转子感应电流，也因此叫做异步电机。交流异步电机转速高，调速性能好，但其输出扭矩小，必须通过减速机构才能够驱动负载。同时由于异步电机的转差率是由电机的制造工艺决定，其离散性很大，并且负载的变化直接影响电机的转速，很难实现精确的高速运动控制。而本发明中所采用的同步电机的转子内镶有永磁体，当电机瞬间起动完毕后，电机转入正常运行，定子旋转磁场带动镶有永磁体的转子进行同步运行，此时电机的转速根据电机的极数和电机输入电源频率形成严格的对应关系，转速不受负载和其他因数影响。同步电机具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，应用于本发明中可直接驱动负载而省去减速传动齿轮，实现精确的运动控制。所述直驱电机是一种多极对数永久励磁同步电机，它不需要通过减速机构，就可以直接与负载刚性连接，在本发明技术方案中，它可以不需要减速机和联轴器，直接和振动台的偏心轴连接，所述偏心轴通过连杆与振动台连接，这样就组成了一个完整的传动链：所述直接驱动旋转电机的旋转运动，也就是所述偏心轴的旋转运动，所述偏心轴的旋转运动，通过所述连杆，带动所述振动台转换成了上下振动。由于转速比i＝1，所述偏心轴每旋转一圈，所述振动台就完成一个振动周期。这里所述直接驱动旋转电机由运动控制系统控制，运动控制系统包括，运动控制器和驱动控制器。运动控制系统通过通讯方式集成于工厂电气控制系统中，所述运动控制系统接受工厂电气控制系统发出的工艺指令和现场工艺参数，运动控制系统根据工艺指令，通过先进的控制算法生成包括正弦或非正弦振动在内的多种振动曲线，并依据现场工艺参数和生成的振动曲线控制与之连接的直接驱动旋转电机，从而带动振动装置按照指定的振动曲线运动。如果要实现非正弦运动，只要通过改变偏心轴上行区间和下行区间的角速度就可以实现。譬如，把上行角速度设为匀速，把下行角速度设为抛物线式，而在上、下死点位置角速度相等，消除突变。

[0032] 现有的机械式连铸结晶器振动发生装置由于减速机构的存在，需要通过连轴器的部件将电动机连接到减速机构上，通过减速机构降低转速，提高扭矩，然后驱动偏心轴转动。如果只是进行正弦振动，只要偏心轴匀速转动就可以，现有的机械式连铸结晶器振动发生装置是能够完成的，但是对于非正弦振动，需要偏心轴作变速转动，并且速度变化的频率非常高，而现有的机械式连铸结晶器振动发生装置中，由于减速机构中的齿轮相互之间会存在配合上的余量，并且减速机构中齿轮会有惯性，这会导致电动机无法精确的驱动偏心轴进行预期的非正弦振动，另外在进行变速运动的过程中，齿轮之间会不断的发生碰撞，加速了零部件的磨损，缩短了使用寿命。而本发明通过采用直驱电机直接驱动偏心轴，不但减少了结晶器振动发生装置上的机械构造，还消除了减速机构对非正弦振动产生的不利影响，既满足了现代连铸工艺要求，又减少了冲击，保护了机械设备。

[0033] 目前在连铸行业结晶器振动装置上普遍使用的偏心轴驱动的结晶器振动装置，一般是采用匀速运动的方法，如图2所示，当1/r足够大时，C点的运动位移近似于正弦曲线，以A点为始点，C点的位移S、速度V的曲线如图3所示，其中位移S≈r*cosωt，速度V≈-r*sinωt，其中ω为角速度，t为时间。

[0034] 这种运动模式是正弦振动，不是非正弦振动，其结果是铸坯的表面质量得不到提高。随着连铸技术的发展，出现了一种非正弦振动模式，如图4和图5所示，即结晶器向下运动的速度V1大于向上运动的速度V2(V1＞V2)，方程式如下：

[0035]

[0036] 本发明中用偏斜率表达非正弦曲线的崎变程度：

[0037] α＝ΔT/T/4＝4*ΔT/T，

[0038] 其中：ΔT＝T/(2-T1)，非正弦曲线的顶点与同周期正弦波顶点的偏移角度为：

[0039]

[0040] 本发明中，

[0041]

[0042] K＝192*π*2f3/(1-α)*(1+α)3；

[0043] ε＝-48π*αf2/(1-α)*(1+α)2；

[0044] α＝4/(2-T1)；

[0045] 传统的振动模式难以实现以上ω1与ω2之间的转变，主要原因是转变过程中将产生极大的加速度，使机械设备受到冲击，而且，转动惯量过大使转变过程难以在要求的时间内完成。本发明的振动中，振动台在上升时是接近于匀速运动，在下降时是正弦曲线运动，在A点和B点处角速度曲线连续没有跳变，既可以满足非正弦振动，又可避免产生设备冲击。

[0046] 本发明频率取2.8Hz，偏斜率α取0.25，其运动曲线如图6所示；频率取3.2Hz，偏斜率α取0.01，其运动曲线如图7所示。

[0047] 综上所述，本发明将连铸结晶器振动发生装置的传动系统大大简化，而且结构更加紧凑，不须改变目前传统型结晶器振动装置的其他机械结构，直接驱动旋转电机只要按单方向运转，使用寿命大大延长，整体结构具有承载力大、抗冲击力强、可靠性高等优点。