专利名称：一种连铸结晶器摩擦力在线检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明属于冶金连铸检测技术领域，具体地本发明涉及一种摩擦力检测装置及其 检测方法，所述摩擦力检测装置及其检测方法是一种连铸结晶器摩擦力在线检测装置及其 检测方法。
背景技术：
在冶金连铸技术领域，结晶器与铸坯间良好的润滑对于追求高质高效的连铸生产 来说是至关重要的。结晶器摩擦力是反映结晶器与铸坯间润滑状况的重要参数。具体来 说，在连铸机组设计时，结晶器摩擦力参数可以指导振动系统的受力分析，从而确定合理的 振动动力、缓冲强度等参数，以及为机组拉坯阻力的分析计算提供一个重要依据，从而确定 准确的拉坯电机功率、机架强度等参数。而且，在线检测摩擦力对于评价保护渣润滑效果、 在线监控铸坯表面质量、诊断设备运行状态以及预报漏钢事故等，具有十分重要的作用。结晶器摩擦力是连续向下运动的铸坯与不断振动的结晶器之间，由于相对运动产 生的相互作用力。这种相互作用力从微观上看，在相对运动的正滑脱期间，是结晶器脱坯 力，在负滑脱期间，是结晶器作用在坯壳上的愈合力。在宏观上，表现为铸坯被拉出结晶器 时，在结晶器内遇到的阻力，是连铸机组拉坯阻力的一部分。它的形成主要有三个方面的原 因一，钢水静压力通过坯壳传递，形成作用于结晶器冷却壁的正压力，在坯壳与冷却壁做 相对运动时产生摩擦力；二，按工艺要求设定(或动态变化)的结晶器冷却壁锥度，使坯壳 在与冷却壁做相对运动时产生摩擦力；三，结晶器在垂直方向振动时，因为设备制造、安装 或运行松动而产生的在水平面内的微小摆动，加剧了坯壳与冷却壁之间的相互作用，而产 生的附加摩擦力。由于结晶器在连铸生产中所处的特殊工况，现有的检测设备和手段难以对结晶器 与铸坯间的力学行为进行直接检测，因而一般都采用间接测量，通过检测空振(不拉坯的 空载状态)和拉坯状态下的特定参数(如功率、压力、加速度、电流信号等)，并把检测参数 代入相应的数学模型，计算得到摩擦力。已开发出的检测方法主要有功率法、电阻应变片法、测力传感器法、加速度测量 仪法和直流元件测量法等。其中较为典型的摩擦力检测方法有申请号00105382. 5的专利 “确定连铸时结晶器与坯壳之间摩擦的方法”，作者A ·吉尔根索恩提出了一种通过振动系 统已有的传感器检测摩擦力的方法。该方法特别强调了根据结晶器重量和振动加速度来计 算摩擦力。然而，振动系统在不同的振频、振幅下，结晶器惯性力和系统输出力会存在很大 差异，对于解决不同振动条件下系统输出力和振动系统的参数如何确定这些关键问题，并 未给出明确说明，检测原理不够清晰；ISIJ刊载了 ‘Tseof a Multi-sensor Technique to Monitor the Mould Oscillation in a ContinuousBillet Caster，，白勺文章。Ρ· P. Sahoo 等人通过在结晶器四角安装的加速度传感器，检测结晶器振动的加速度，由此换算出结晶 器在冷态和拉坯状态下的惯性力，二者之间的差值即为摩擦力。该方法的不足之处在于在 振动系统中安装加速度传感器的工作比较繁琐，维护困难，受环境干扰严重，且当振动系统横向水平面出现微小摆动时，会对加速度信号产生很大的影响，使得由此计算出的摩擦力 出现较大的误差，实用性和可靠性差。另外，申请号200510110048. 9的专利“在线检测连接铸结晶器内摩擦力的方法”， 本专利方法通过传感器测量作用在结晶器上的力和结晶器的振动位移；实测并计算出结晶 器系统的质量、刚度、阻尼参数；连铸时，将计算出的系统参数，检测得到的作用在结晶器上 的力和结晶器实际振动位移，对位移做一次和两次差分可分别获得结晶器振动速度和加速 度，代入结晶器受迫振动力学模型，实时计算出连铸时每一采样时刻结晶器冷却壁与铸坯 坯壳之间摩擦力，并将摩擦力变化趋势显示在显示器上。该方法的不足之处在于在结晶器 空振状态下，振动系统的参数确定困难，容易给摩擦力的计算带来误差。粒子群算法是一种基于迭代的快速优化工具，适用于与函数优化相关问题的求 解。粒子群算法是从鸟群觅食的生物模型中得到启示，并将其用于解决优化的问题。在此 算法中，每个优化问题的解都是搜索空间中的一只鸟，被称之为粒子。所有的粒子都有一个 被优化的函数决定的适应值。每个粒子都具有自己的位置向量和速度向量，其中的位置代 表需要优化调整的参数，速度则决定他们运动的方向和距离。每个粒子的位置和速度都以 随机方式进行初始化，而后通过迭代，不断更新个体和全局最优值，直到最终找到最优解。粒子群计算时涉及到的主要参数有①粒子的长度，即优化问题解的长度；②粒子数目，粒子群优化过程中所有在解空 间中搜索的粒子数量；③学习因子，是调整粒子群学习速度的参数，一般有两个学习因子， 都取为2 ；④粒子的范围，由优化问题决定，可根据每一维参数设定相应的求解范围；⑤粒 子的速度，是粒子在一次迭代计算中最大的移动距离；⑥终止条件，计算中止的判别条件， 一般根据通过最大迭代次数或最小收敛误差判断是否中止计算。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种连铸结晶器摩擦力在线检测装置及其检测 方法，该检测装置及其检测方法在不需要在结晶器振动系统上额外安装传感器情况下，能 准确、可靠、实时地实现连铸结晶器摩擦力检测。为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案一种连铸结晶器摩擦力在线检测装置，包括振动系统、可编程控制器、A/D数据采 集卡、工控机、通讯板卡和数据存储服务器，所述振动系统包含装有压力传感器和位移传感 器的液压缸，两传感器检测的信号依次经过可编程控制器，A/D数据采集卡，工控机，通讯板 卡处理后，传至数据存储的服务器，其特征在于所述振动系统设有振动台、振动台底座和两个液压缸，所述两液压缸以左右对称 的方式布置在所述振动台下方两侧。根据本发明所述的检测装置，其特征在于所述两液压缸上均安有压力传感器和 位移传感器。根据本发明所述的检测装置，其特征在于所述液压缸和振动台底座之间装有缓 冲弹簧。由于振动系统设有两个以左右对称的方式布置在振动台下方两侧的液压缸，同时 在两液压缸上均安有压力和位移传感器，可以实现液压系统的反馈控制，较高频率采集液压缸的工作压力和位移，实现瞬态检测。一种基于本发明所述检测装置的连铸结晶器摩擦力在线检测方法，包括对静止在 振动平衡位置时液压缸输出力的平均值Ft。、空振时液压缸输出力Ft1、拉坯时液压缸输出 力Ft、结晶器的振动位移S、振动速度ν和加速度a的检测和对拉坯时对应的空振输出力 Ft1'的计算，其特征在于通过对振动系统的综合刚度K和等效阻尼B的测定，对振动系统进行受力分析，从 而建立三种情况下的受力方程，即静止在振动平衡位置时的受力方程Ft0 = G-kS0(1)空振受力方程Ft1- (G-kS0) -KS-Bv = Ma(2)拉坯受力方程Ft+F·- (G-kS0) -KS-Bv = Ma(3)根据上述三个受力方程，再通过计算机软件程序实现检测，步骤如下第一步，静止在振动平衡位置时，检测液压缸输出力的平均值Ft。借助液压系统进行反馈控制的压力传感器，检测5 10分钟内的液压缸输出力的 平均值Ftci,得到振动体自身重力G与缓冲弹簧预压支反力的合力，其中k为缓冲弹簧 的刚度，S0为缓冲弹簧预压缩量；第二步，在空振状态下，综合刚度K和等效阻尼B的测定具体有4个分步i.在固定振幅和偏斜率的条件下，使振频逐渐增加或减小，同时借助液压系统进 行反馈控制的压力和位移传感器，连续检测空振输出力Ft1和振动位移S ；ii.由S差分计算出振动速度ν和加速度a ；iii.将Fti、S、V、a、振动体质量M和第一步中得出的Ftci代入空振受力方程式(2) 中，通过计算机利用粒子群算法，求解综合刚度K和等效阻尼B ；iv.寻找K、B与振频f的关系，确定二者的取值规律；第三步，在拉坯状态下，计算出对应的空振输出力Ft1'借助压力和位移传感器检测拉坯输出力Ft1和振动位移S,由S差分计算出振动速 度ν和加速度a，并找到空振时求得的此振频f下的综合刚度K和等效阻尼B，再将F、、S、 ν、α、M、K和B代入空振受力方程式O)中，通过计算机计算出对应的空振输出力Ft1'；第四步，将第三步中检测出的拉坯输出力Ft和计算出的空振输出力Ft1'作差，最 终计算得到结晶器摩擦力FmF。根据本发明所述的连铸结晶器摩擦力在线检测方法，其特征在于所述检测方法 的采集频率为每分钟50 400次。根据本发明所述的连铸结晶器摩擦力在线检测方法，其特征在于在利用粒子群 算法求解综合刚度K和等效阻尼B的过程中，将K和B设为粒子群的粒子，以空振输出力的 实测值Ft1与计算值Ft1'之差的绝对值的均值作为粒子的适应值。本发明的有益效果为由于振动系统设有两个以左右对称的方式布置在振动台下 方两侧的液压缸，同时在两液压缸上均安有压力和位移传感器，可以实现液压系统的反馈 控制，较高频率采集液压缸的工作压力和位移，实现瞬态检测。
由于检测方法采用了粒子群算法，可以对振动系统的综合刚度K和等效阻尼B进 行快速有效地求解，使得空振输出力的计算误差小；由于空振输出力的计算误差小，使得摩 擦力的计算较为准确，同时由于传感器具有较高的采集频率，因此可实现摩擦力的瞬态检 测，周期内的信息完整，也可实现对周期内摩擦力的最值和均值的检测，了解摩擦力的变化 趋势，有效地掌握和控制连铸生产；由于不需要在结晶器振动系统上额外安装传感器，因此 对连铸生产影响小，同时受生产环境的干扰也小，实用性强；计算机数据处理的工作量小、 速度快，因此可以准确、可靠、实时地实现连铸结晶器摩擦力在线检测。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。图1是结晶器振动系统的结构示意图；图2是结晶器振动系统静止在振动平衡位置时的受力分析示意图；图3是结晶器振动系统空振时的受力分析示意图；图4是结晶器振动系统拉坯时的受力分析示意图；图5是结晶器摩擦力检测系统信息传输装置构成示意图；图6是结晶器振动系统静止在振动平衡位置5分钟内液压缸输出力的波动曲线 图；图7是空振条件为正弦振动，振幅1. 5mm,振频为250cpm时，实测的空振输出力Ft1 与计算出的空振输出力Ft1'的比较图；图8是空振条件为正弦振动，振幅1. 5mm,振频为325cpm时，实测的空振输出力Ft1 与计算出的空振输出力Ft1'的比较图；图9是不同振频下振动系统的综合刚度K的变化趋势及其拟和直线图；图10是不同振频下振动系统的等效阻尼B的分布情况图；图11是拉坯条件为正弦振动，振幅1. 5mm，振频300cpm时，液压缸的拉坯输出力 Ft、计算出的空振输出力Ft1'和结晶器摩擦力Fmf随时间的变化曲线图；图12是拉坯条件为非正弦振动，偏斜度20°，振幅5mm，振频60cpm时，计算出的 结晶器摩擦力Fb3f随时间的变化曲线图；图13是拉坯条件为非正弦振动，偏斜度20°，振幅5mm，拉坯过程中一段时间内检 测出的各周期内摩擦力的最大值、最小值和拉速随时间的变化趋势图；图14是拉坯条件为非正弦振动，偏斜度40°，振幅2. 2mm,振频175cpm时，计算出 的结晶器摩擦力Fb3f随时间的变化曲线图；图15是拉坯条件为非正弦振动，偏斜度40°，振幅2. 2mm,拉坯过程中一段时间内 检测出的各周期内正摩擦力的平均值、负摩擦力的平均值和拉速随时间的变化趋势图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明作具体的、进一步的详细说明实施例1 图1是振动系统的结构示意图，如图所示，结晶器1安装在振动台2之上，振动台 下方两侧布置有两个对称的液压缸3，两液压缸与振动台刚性直连，在两缸上均安有压力传感器4和位移传感器5，用以检测液压缸的工作压力和位移，两液压缸下端与振动台底 座6相连，在振动台和振动台底座之间安装有缓冲弹簧7。图中左侧粗实线代表振动下限， 点划线代表振动平衡位置，细实线代表振动上限，振动系统围绕着预先设定的振动平衡位 置上下振动，可实现正弦和非正弦振动方式，振动的最大上、下限为士5mm，振频范围50 400cpmo图2是振动系统静止在振动平衡位置时的受力分析示意图，如图所示，静止在振 动平衡位置时的受力方程为Ft。= G-kS。，箭头方向取向上为正，Ft0表征振动体自身重力G 与缓冲弹簧预压支反力的合力，其中k为缓冲弹簧的刚度，&为缓冲弹簧预压缩量，M是 振动体质量。图3是振动系统空振时的受力分析示意图，如图所示，空振时的受力方程为 Ft1-(G-kS0)-KS-Bv = Ma，箭头方向取向上为正，Ft1是空振时液压缸的输出力，(G_kSQ)表 征振动体自身重力与缓冲弹簧预压支反力的合力，K和B分别是系统的综合刚度和等效阻 尼，S、ν和a分别是结晶器的振动位移、振动速度和加速度，M是振动体质量。图4是振动系统拉坯时的受力分析示意图，如图所示，拉坯时的受力方程为 Ft+FH)F-(G-kS0)-KS-Bv = Ma，箭头方向取向上为正，Ft1是空振时液压缸的输出力，Fhif为结 晶器摩擦力，(G-kSj表征振动体自身重力与缓冲弹簧预压支反力的合力，K和B分别是系 统的综合刚度和等效阻尼，S、￥和a分别是结晶器的振动位移、振动速度和加速度，M是振 动体质量。图5是摩擦力检测系统信息传输装置构成示意图，如图所示，振动系统液压缸3内 安装的压力传感器4和位移传感器5，将两侧液压缸的位移和压力的模拟量信号同步传至 用于液压系统的反馈与控制的可编程控制器(PLC) 8，而后经过A/D数据采集卡9的转换， 位移和压力的模拟量信号被转换为数字量信号送入工控机10，并通过相应的摩擦力计算程 序，在工控机上实现摩擦力的计算、图形显示、数据存储及查询、打印等功能，摩擦力的计算 结果通过通讯板卡11传至连铸机所有检测参数数据存储的服务器12，图中细实连接线表 示模拟量信号的传输，宽箭头表示数字量信号的传输。图6是振动系统静止在振动平衡位置5分钟内液压缸输出力的波动曲线图，如图 所示图中横轴是时间，单位为分(min)，纵轴是力，单位为千牛(kN)。振动系统静止在振动 平衡位置时，液压缸的输出力Ftci会出现小范围的波动，对检测数据进行均值运算得出Ftci =18. 2!3kN。图7是空振条件为正弦振动，振幅1. 5mm,振频为250cpm时，实测的空振输出力Ft1 与计算出的空振输出力Ft1'的比较图，如图所示图中横轴是时间，单位为秒(s)，纵轴是 力，单位为千牛(kN)，粗实线代表液压缸输出力的实测值，细实线代表液压缸输出力的计算 值，两曲线的重合性较好，计算值的平均误差为1. 06kN，其数据记录在表1中。表 权利要求
1.一种连铸结晶器摩擦力在线检测装置，包括振动系统、可编程控制器、A/D数据采集 卡、工控机、通讯板卡和数据存储服务器，所述振动系统包含装有压力传感器和位移传感器 的液压缸，两传感器检测的信号依次经过可编程控制器，A/D数据采集卡，工控机，通讯板卡 处理后，传至数据存储的服务器，其特征在于所述振动系统设有振动台O)、振动台底座(6)和两个液压缸(3)，所述两液压缸(3) 以左右对称的方式布置在所述振动台( 下方两侧。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述两液压缸C3)上均设置有压力 传感器(4)和位移传感器(5)。
3.根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于所述液压缸C3)和振动台底座 (6)之间装有缓冲弹簧(7)。
4.一种基于权利要求1所述检测装置的连铸结晶器摩擦力在线检测方法，包括对结晶 器静止在振动平衡位置时液压缸输出力的平均值Ft。、空振时液压缸输出力Ft1、拉坯时液 压缸输出力Ft、结晶器的振动位移S、振动速度ν和加速度a的检测和对拉坯时对应的空振 输出力Ft1'的计算，其特征在于通过对振动系统的综合刚度K和等效阻尼B的测定，对振动系统进行受力分析，从而建 立三种情况下的受力方程，即静止在振动平衡位置时的受力方程 Ft0 = G-kS0(1)空振受力方程Ft「(G-kS。) -KS-Bv = Ma(2)拉坯受力方程Ft+F腿-(G-kS0) -KS-Bv = Ma (3) 根据上述三个受力方程，再实现检测，步骤如下 第一步，结晶器静止在振动平衡位置时，检测液压缸输出力的平均值F、 借助液压系统进行反馈控制的压力传感器，检测5 10分钟内的液压缸输出力的平均 值Ftci,得到振动体自身重力G与缓冲弹簧预压支反力的合力，其中k为缓冲弹簧的刚 度，&为缓冲弹簧预压缩量；第二步，在结晶器空振状态下，综合刚度K和等效阻尼B的测定 具体有4个分步i.在固定振幅和偏斜率的条件下，使振频逐渐增加或减小，同时借助液压系统进行反 馈控制的压力和位移传感器，连续检测空振输出力Ft1和振动位移S ； .由S差分计算出振动速度ν和加速度a;iii.将FtpS^j、振动体质量M和第一步中得出的Ft。代入空振受力方程式O)中， 通过计算机利用粒子群算法，求解综合刚度K和等效阻尼B ；iv.寻找K、B与振频f的关系，确定二者的取值规律； 第三步，在拉坯状态下，计算出对应的空振输出力Ft1'借助压力和位移传感器检测拉坯输出力Ft1和振动位移S，由S差分计算出振动速度ν 和加速度a，并找到空振时求得的此振频f下的综合刚度K和等效阻尼B，再将F、、S、ν、a、 M、K和B代入空振受力方程式O)中，通过计算机计算出对应的空振输出力Ft1'；第四步，将第三步中检测出的拉坯输出力Ft和计算出的空振输出力Ft1'作差，最终计 算得到结晶器摩擦力FmF。
5.根据权利要求4所述的连铸结晶器摩擦力在线检测方法，其特征在于所述检测方 法的采集频率为每分钟50 400次。
6.根据权利要求4所述的连铸结晶器摩擦力在线检测方法，其特征在于在利用粒子 群算法求解综合刚度K和等效阻尼B的过程中，将K和B设为粒子群的粒子，以空振输出力 的实测值Ft1与计算值Ft1'之差的绝对值的均值作为粒子的适应值。
全文摘要
本发明提供一种连铸结晶器摩擦力在线检测装置及其检测方法，该检测装置的振动系统包含装有压力传感器(4)和位移传感器(5)的液压缸(3)，两液压缸以左右对称的方式布置在振动台下方两侧，两传感器检测的信号依次经过可编程控制器(8)，A/D数据采集卡(9)，工控机(10)，通讯板卡(11)处理后，传至数据存储的服务器(12)，该检测方法通过粒子群算法对振动系统的综合刚度和等效阻尼的测定，再对振动系统进行受力分析，建立振动系统静止在振动平衡位置、空振和拉坯状态下的受力方程，通过对拉坯输出力和空振输出力作差，得到结晶器摩擦力。本发明可以准确、可靠、实时地实现连铸结晶器摩擦力在线检测。
文档编号B22D2/00GK102126001SQ201010022779
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者叶世鸿, 姚曼, 张立, 王旭东, 藏欣阳, 马勇 申请人:大连理工大学, 宝山钢铁股份有限公司