板簧式连铸机结晶器振动机构误差分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.s1.023 第19卷增刊 北京科技大学学报 Vol.19 199/年2月 Joural of University of Science and Technology Beijing Ft.1997 板簧式连铸机结晶器振动机构误差分析 秦勤》田毅盛)邹家祥)刘联群2) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)大西洋冶金技术研究所 摘要通过对板簧式结晶器振动机构的误差分析，指出了影响振动机构轨迹误差的主要因素， 关键词结晶器，振动机构，误差分析 目前，短臂四连杆振动机构在小方坯连铸机上得到了广泛应用，其结构设计也在不断 改进完善.本文所分析的板簧式结晶器振动机构用板弹簧代替导向臂，其优点是可以减少4 个轴承和相应的润滑，这符合当前连铸机普遍采用全弹簧钢板的振动机构的趋向，因而 有必要对这种新型的振动机构的运动轨迹与振动机构的理想运动轨迹间的设计误差进行 详细分析. 1振动机构设计误差分析 板簧式连铸机结晶器振动装置的振动机构原理示 意图如图1.OA为曲柄，长度可根据使用情况进行调 整；AB为连杆；BCD为振动臂；DE为振动台架；EF B 为板弹簧（导向臂）.其中E、D两点在连铸机的基准半 L1=0A=16mm 径弧线上. 因为振动机构中EF为板弹簧，且F点为固定端， L=AB=1550.08mm 在振动过程中弹簧会发生变形，振动机构为仿弧机构， L=BC=1494.17mm 因此，对EF为板弹簧和EF为刚性杆且在F点为铰接 A L=CD=548.32mm 09 这2种情况E点的轨迹进行了分析.图2和图3分别 L=DE=297.09mm 77 L=EF=548.32 mm 表示了上述2种情况E点的运动轨迹， 当F点为铰链点，EF为刚性杆时，E点作半径为 图1振动机构原理示意图 L的圆弧运动.当E点的垂直位移为振幅S时，E到达E,点，E,点到连铸机弧心O的距离 为RE,此时，实际轨迹与理想弧线之间的误差为△RE,则△RE可由下式计算： ARE =R-RE;RE=[(R-EE+S;EE3=Ls-(Li-S) 式中：R-铸机名义半径；S-振幅；L6-连杆长度. 如果EF为板弹簧时，F点为固定端，E点简化为自由端，当E点受力P时E点运动到E, 点，设y方向变形为振幅S,x方向变形为ǒ，在考虑横向变形的基础上，此时实际轨迹与理 想孤线之间的误差△RE2,则△RE2,S和δ，可由下式计算四： 1996-03-20收稿 第一作者男26岁硕士

第 珍 卷 增刊 北 京 科 技 大 学 学 报 1勇 l年 2 月 J伙叮目 of of 欣妇以 川川 1记皿如群 欣汤啥 V成 19 f也 】望刀 板簧式连铸机结晶器振动机构误差分析 秦勤 1 ) 田 毅盛 ’ ) 邹家祥 , ) 刘联 群 2 ) l) 北京科技大学机械工 程 学院 , 北京 l (X幻8 3 2) 大西洋冶金 技术研究所 摘要 通 过对板簧式结晶器振动机构的误差 分析 , 指出 了影响振动机 构轨迹误差 的主 要因 素 . 关键词 结晶器 , 振动机构 , 误差 分析 目前 , 短 臂 四 连杆振 动机 构在小 方 坯 连铸 机 上得 到 了广 泛 应 用 , 其 结 构 设 计 也在 不 断 改进 完 善 . 本文所 分析 的板簧 式结 晶器振 动机 构用板 弹簧代替 导 向臂 , 其优点是 可 以 减 少 4 个轴承 和相应 的润 滑 , 这符合 当前 连铸机 普遍 采 用 全 弹 簧 钢 板 的 振 动 机 构 的 趋 向 , 因而 有必 要 对这种 新型 的振 动机构 的运 动轨迹 与振 动机 构 的理 想 运 动 轨迹 间 的设 计误 差 进行 详细分析 . 1 振动 机构设计误 差分 析 板 簧 式连铸 机结 晶器振 动装置 的振动 机构 原理 示 意 图如 图 1 . O A 为 曲柄 , 长度 可根据使用情 况进 行调 整 ; A B 为连杆 ; B C D 为振 动臂 ; D E 为振动 台架 ; E F 为板弹 簧 (导 向臂 ) . 其 中 E 、 D 两点在连 铸机 的基 准半 径弧 线上 . 因 为振动机 构 中 五F 为板弹 簧 , 且 F 点 为固 定端 , 在振 动过 程 中弹簧会发生 变形 , 振动机 构为仿弧 机构 . 因此 , 对 五F 为板 弹簧和 E尸 为刚性杆 且在 F 点 为铰接 这 2 种情 况 E 点 的轨迹进 行 了分 析 . 图 2 和 图 3 分别 表示 了上 述 2 种情况 E 点的运 动轨迹 . 当 F 点 为铰链 点 , 五F 为 刚性 杆 时 , E 点 作半 径为 八二 A B = 巧见08 ~ 乌=.s c = l州 · 17 ~ = E F = 义 8 . 32 n m l 图 1 振动机构原理示意图 几 的圆弧运 动 . 当 E 点 的垂 直位 移为振 幅 S 时 , E 到 达 E , 点 , E , 点到连 铸机 弧心 O 的距 离 为 R E : , 此时 , 实 际轨迹 与理想 弧线 之间 的误差 为 从 E l , 则 从 E l 可 由下 式计 算 : AR E ` = R 一 R E , ; R E , = [(R 一 E 扩+ 5 2)] ,尽 ; E E 3 = L 6 一 (砚一 S今 ,尽 式 中: R 一 铸机 名义半 径 ; S 一 振 幅 ; 从一 连杆 长 度 . 如 果 E F 为板 弹簧时 , F 点 为固定端 , E 点简化为 自由端 , 当 E 点受力 p 时 E 点运 动到 E Z 点 , 设 y 方 向变形 为振 幅 S , x 方 向变形 为 占 , , 在 考虑 横向变 形 的 基 础 上 , 此时实际轨迹 与理 想弧 线之 间 的误 差 AR 及 , 则 从瓦 , S 和氏可 由下 式计算:l[ 1望双5一 03 一 20 收稿 第一 作者 男 26 岁 硕 士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. s1. 023

·90· 北京科技大学学报 1997年 RE. 图2F点为固定端，EF为板弹簧时E点轨迹 图3F点为铰链点，E正F为刚性杆时E点轨迹 △RE2=R-RE2；RE2=S+(R-δ，2；S=L6-2(El/P1TEk)-Ek,: (EIsin0/Py ;()=(1-k'sin;E(k(I-sintd; k=[(1+sin)/2]1;=arc sin[1/(21k)] 上列各式中，E-弹性模量；I-惯性矩；0一E点转角. 根据R。小方坏连铸机结晶器的振动机构的参数对上述2种情况进行了计算，其结果 如表1所示. 表1振幅对轨迹误差的影响 序号 1 2 3 4 5 6 振幅mrm 1.58 3.0 4.34 5.34 5.96 6.0 △RE,mm 0.002068 0.007457 0.01561 0.02363 0.02943 0.02983 △RE,/mm 0.002488 0.009194 0.01937 0.02921 0.03668 0.03733 由表1可以看出，振幅在0~6m之间变化时，板簧式振动机构和短臂四连杆振动机构 的设计误差相差不大，但前者减少了4个轴承和相应的润滑，避免了由于连杆仅做摆动运 动，形成局部磨损带来的轨迹误差；同时，由于减小了间隙，振动冲击也相应减小，即可避 免由于振动机构采用高频率，小振幅造成的严重的局部磨损带来的轨迹误差.从这个意义 上讲，板簧式振动机构的运动轨迹更为准确. 2振动机构主要参数对设计误差的影响 板簧式振动机构和短臂四连杆振动机构均为仿弧机构，从理论上讲，设计轨迹与理想弧 线之间总存在一定的误差.下面就振动机构主要参数对结晶器外弧上口K,中点E和下口 G点的振动半径与铸机名义半径之间设计误差的影响进行了分析计算， 2.1振幅对误差的影响 图4显示了结晶器外弧上K,E和G3点的误差随振幅的变化情况.计算结果表明：当 振幅为0~6mm时，3点之间的误差值相差最大为0.00013mm,从图中也可以看到3条曲线

7 北 京 科 技 大 学 学 报 男 年 1 阵一一一下 R 勺 ` 4 圈 F 点 为固定端 Z , EF 为板弹赞时 E 点轨迹 图 3 F 点为铰 链点 , EF 为 刚性杆时 E 点轨迹 从及 = R 一 R凡 ; R E Z = [ S , + (R 一 占公勺 ,口 ; S = L 6一 2 ( lE/ )P ,舫( k ) 一 石(人 , 咧 ; “ : 一 、 一 卿 S in 。、 。 】 一 ( 、卜 户 一 、 2 5 1一) 1勺! ; · ( 、 , 。 一 乒 1 一 、 2 Sin )zt 1勺! ; k = [( l + s i n s口/2 ] ’ 尽 ; 中 = a er s i n [ l (/ 2 ,气)] . 上列 各式 中 , E 一 弹性模 量 ; I 一 惯性 矩 ; 0 。 一 E 点 转角 . 根据 R 。 小方 坯 连铸 机结 晶器 的振动机 构 的 参数 对 上述 2 种 情 况 进 行 了计 算 , 其 结 果 如表 1所 示 . 表 1 振幅对轨迹误差的影响 序号 振幅 的加 △尺药/m m △只凡加m 3 D 4 . 34 5 . 34 .5 % .6 0 .0 (幻2 (又沼 .0 (刃2 48 8 0 . X() 7 457 .0 X( 珍 1男 0 . 0 15 6 1 0 . 0 19 37 0 . 023 63 0 . 029 2 1 .0 029 43 .0 03 6 咫 0 . 029 83 0 . 03 7 33 由表 1 可 以看 出 , 振幅在 0 一 6 ~ 之间变化 时 , 板 簧式 振 动机构 和短臂 四 连 杆振 动机 构 的设计误差 相 差不 大 , 但前 者减 少 了 4 个 轴 承 和 相 应 的 润 滑 , 避 免 了 由于 连杆 仅做 摆 动 运 动 , 形成 局部磨 损 带来 的轨迹 误差 ; 同时 , 由于 减 小 了间 隙 , 振 动 冲 击 也 相 应减 小 , 即可 避 免由于振动机 构采 用高频 率 , 小振 幅造 成的严 重 的局部磨损带来 的轨迹 误差 . 从 这个 意义 上 讲 , 板簧式振 动机 构 的运 动轨迹 更为 准确 . 2 振动机构主 要参数对设计误 差 的影 响 板簧式振 动机 构和短臂 四连 杆振 动机构 均 为仿弧 机 构 , 从理 论上 讲 , 设 计轨 迹 与理想 弧 线之 间总存在 一定 的误差 . 下 面就振 动机构 主要 参数 对结 晶 器 外 弧 上 口 K , 中点 E 和 下 口 G 点 的振动半 径 与铸机 名义半 径 之 间设 计误 差 的影 响进 行 了分 析计算 . .2 1 振幅对误差的影响 图 4 显示 了结晶 器外弧上 K , E 和 G 3 点的误差 随振 幅 的变化情况 . 计 算结果表 明 : 当 振幅 为 O~ 6 r n n l 时 , 3点之 间 的误差值 相差 最大 为 .0 以加〕 13 m m , 从 图 中也 可 以 看到 3条 曲线

Vol.19 秦勤等：板簧式连铸机结晶器振动机构误差分析 ·91· 重合为一条曲线.而且随着振幅S的增加，误差也相 应增大，并且增加的趋势加剧.所以减小振幅可以减 0.000 小误差，这也和目前普遍采用的高频率、小振幅来减 -0.005 小振痕，改善铸坯质量的观点相吻合. -0.010 -0.015 2.2导向臂L%对误差的影响 -U.020 图5显示了结晶器外弧上K,E和G3点的误差随 -0.025 -0.030 导向臂长度L。的变化情况，由图可以看出，L。的大 2 3456 S/mm 小对误差影响较大.随着L的增大，误差逐步的减 小.因此，只要L。大于一定的值，就可把误差控制在 图4结晶器外弧上K,E和G点的 一定的范围之内，但L。增大后，振动机构的整体尺寸 误差随振幅的变化曲线 增大，设备质量增大，给设备制造、安装和维护带来困难，所以在满足误差精度要求的情况 下，振动机构的尺寸应尽量小，即设计时应根据误差要求确定最小的导向臂长度L:, 2.3连杆EF和CD的夹角p对误差的影响 图6显示了结晶器外弧上K,G两点的误差随连杆EF和CD的夹角P的变化情况.其 中，E点的误差只和L6有关，而与p无关，由图可以看出，连杆夹角p的变化对K,点误 差影响不是很大，当误差在一定的数值时，连杆夹角p的变化范围很大，所以在设计时连杆 夹角p可由结构来确定. -G -0.02956 -0.02960 -04 一：t 目-0.02964 G 等-0.02968 -111 -0.02972 -13 一1114 -0.02976 1)3400)50200000 0246810 L。mm p1(°) 图5结晶器外瓢上K,E和G3点的误差 图6结晶器外弧上K,G点的误差 随L的变化曲线 随EF和CD夹角P的变化曲线 3结论 (1)板簧式振动机构具有准确的运动轨迹. (2)减小振幅可以减小轨迹误差， (3)导向臂长度对振动机构的运动轨迹（半径方向）精度有很大影响，可以通过调整板

V 6 1 . 19 秦勤等: 板簧式连铸机结晶器振动机构误差分析 重合为一条曲 线 . 而 且 随着振 幅 S 的 增 加 , 误差 也 相 应增 大 , 并 且增 加 的 趋 势加 剧 . 所 以 减 小 振 幅可 以 减 小误差 . 这 也和 目前普遍 采用 的高频率 、 小 振 幅 来减 小振痕 , 改 善铸坯质 量 的观点相 吻合.lz[ 0 . 0 0 0 一 U . 0 0 5 .2 2 导向臂 几 对误 差的影响 图 5 显示 了结 晶 器外 弧上 K , E 和 G 3点 的误差随 导向臂长 度 几 的 变化 情 况 . 由图 可 以 看 出 , 几 的大 小 对误差影 响较大 . 随 着 几 的增 大 , 误 差 逐 步 的 减 小 . 因此 , 只要 几 大 于 一 定 的值 , 就可 把 误差 控 制在 一定 的范围之 内 . 但 L 。 增大后 , 振 动机构的整 体尺 寸 一 0 刀 10 日 三 一 0 . 0 1 5 写 一 。刀 2 0 一 0 . 0 2 5 一 0 . 0 3 0一3 4 S / m m 圈 4 结晶器外弧上 K, E和 G 点的 误差随振幅 的变化 曲线 增 大 , 设 备质 量增大 , 给设备 制造 、 安装和维 护 带来 困难 . 所 以 在 满足 误 差 精度 要求 的情 况 下 , 振动 机构的尺 寸应尽 量小 , 即设 计时应根 据误差要求确定 最小 的导 向臂 长度 几 . .2 3 连杆 EF 和 C 。 的夹角 p 对误差 的影响 图 6 显示 了结 晶器外弧 上 K , G 两点的误差 随连杆 E F 和 C D 的 夹角 P 的变化情 况 . 其 中 , E 点 的误差 只和 L 。 有 关 , 而 与 p 无 关 . 由图可 以 看 出 , 连 杆 夹 角 p 的 变化 对 K , 点误 差影 响不 是很 大 . 当误 差在 一定 的数值时 , 连 杆夹角 P 的变化范 围很 大 . 所 以在 设 计时 连杆 夹角 P 可 由结构 来确 定 . O 曰 ) 几 (已 一 0 . 0 2 9 5 6 一 0 . 0 2 9 6 0 飞 `川 卜 {丫 { L) 丢 一 0 · 02 9 “ 4 妥 一 。 , 0 2 9 6 8 司 一 O , 02 9 7 2 64 / ù l! ùù . 一一 一 { ’ } 2 一 口 } 4 一 0 . 0 2 9 7 6 、 } 、( ) 飞( 、戈、 5 (飞O , t) 0 O t) 0 4 P / ( 圈 5 结晶器外弧上 K, E和 G 3点的误差 ’ 随 人 的变化 曲线 图 6 结 晶器外弧上 K, G 点的误差 随 EF 和 C。 夹角 p 的变化 曲线 3 结论 ( l) 板簧式振 动机 构具有 准确 的运 动轨迹 . (2) 减小 振幅可 以减小轨迹误差 . ( 3) 导 向臂 长度对振 动机 构的运动 轨迹 (半径 方 向 )精度有 很大影 响 , 可 以 通过调 整板

·92· 北京科技大学学报 1997年 弹簧的长度来控制机构的运动误差. 致谢 在完成本文的过程中得到了北京科技大学机械工程学院潘毓淳教授的帮助，特此表示感谢 参考文献 1刘鸿文主编.高等材料力学，北京：高等教育出版社，1985 2潘毓淳主编.炼钢设备.北京：冶金工业出版社，1992 Error Analysis on Plate Spring Mould Oscillating Mechanism Qin Qin Tian Yisheng Zou Jiaxiang Liu Lianqun 1)Coliege of Mechanical Enginaering,USTB,Beijing 100083.PRC 2)Atlantic Metallurgical Technology Institute ABSTRACT This paper focuses on the error analysis of the plate spring mould oscillating mechanism,the main factors influencing deviation of the mould oscillating mechanism from its normal track are given KEY WORDS mould,oscillating mechanism,error analysis

二竺二一一一一一一一一一二竺重二 . _ _ . 一一止竺进 弹簧的长 度来控 制 机构的运 动误差 . 致谢 在完成本文的过程 中得到 了北京科技大学机械工程学 院潘 毓 淳教授的帮助 , 特此表示 感谢 . 参考文献 1 刘鸿文 主编 . 高等材料 力学 . 北京 : 高等教育 出版社 , 19 85 2 潘毓 淳 主编 . 炼 钢设备 . 北京 : 冶 金工 业 出版 社 . 1卯2 E r or r A卫 a l ys i s o n P l a te S P r ign M o ul d Os ic l a t ign M e h a ins m Qi n Qi n ” 物 。 y is 入en 夕 ’ ) Z 〔川 iaJ x i a 叩 ’ ) L i u L i a n g u n 2) l ) bC ll e罗 o f M eC h a n i司 E叩 n翻 n g , U S T B , B e ij ing l (乃〕8 3 , P R C 2) tA lan t i c M e t al h l犯】司 T eC hn o l o gy nsI t i t ut e A 硬汀R A C I , hT is P a Pe r fo cus es o n ht e e n ℃ r a n a lys is o f t h e P l a te s Pn n g mo ul d o s icl a itn g n 篮℃h a njs .m ht e rna in fa cto rs I n fl u e n icn g d e vi a t i o n o f t h e mo u ld o s d l a t in g n 丫℃h a此m fro m its n o n n a l 姗ck a re g i v en . K E Y W O R D S mo u ld , o s d ll a t i n g l刀 e c h a njs .m e mr r a n a lys is