1580板坯结晶器振动系统功能分析及优化设计毕业设计正文.doc

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中图分类号： 论文编号：HBLH 2013-001
U D C： 密　　级： 公 开

硕 士 学 位 论 文
1580板坯结晶器振动系统功能分析及优化设计

作者姓名：
学科名称： 机械工程 研究方向：
学习单位：河北联合大学 学习时间: 2.5年 提交日期: 2013年12月5日
申请学位类别：工程硕士
导师 姓名： 单位：河北联合大学 机械工程学院
单位：唐钢公司不锈钢厂
论文评阅人：［评阅人姓名］［职称］ 单位：［评阅人所在单位］
［评阅人姓名］［职称］ 单位：［评阅人所在单位］
［评阅人姓名］［职称］ 单位：［评阅人所在单位］
论文答辩日期：2010年02月15日 答辩委员会主席：［姓名］［职称］
关 键 词： ； ； ；
唐山 河北联合大学
年 月
Caster crystallizer vibration system function analysis and optimization design

Dissertation Submitted to
Hebei United University
in partial fulfillment of the requirement
for the degree of
Master of Engineering
by
Sui Qing
(Mechanical Engineering)
Supervisor:
Professor Wang Baozhong

March, 2013

独　创　性　说　明
本页的签名均应当是亲笔签名，不用输入，用后删除此框。
本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北联合大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

论文作者签名： 日期： 年 月 日

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论文密级：
□ 公开；
□ 保密（至 年 月）(保密论文在解密后遵守此规定)。

作者签名： 导师签名：
签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日

摘 要
摘　　要
板坯连铸装备技术发展迅速，在实际的生产运行过程中，机械故障无疑对其发展、产生了很大的影响，甚至严重影响了生产及工艺水平的提高。结晶器是连铸机的核心设备，结晶器振动功能可以防止结晶器壁发生黏结。针对实际生产过程中结晶器振动系统出现的种种问题，本文较详细的对振动油缸系统进行了动态特性分析，运用传递函数法对整个振动油缸系统建模，计算了油缸系统的传递函数，建立系统传递函数方框图，根据振动油缸的数学模型，搭建基于MATLAB／Simulink软件的非线性数值仿真模型，根据建立的仿真模型对系统进行仿真分析，分析了系统的阶跃响应以及跟踪响应，运用PID控制器对振动油缸系统进行了控制调节，使得系统响应时间从0.60 S减少到0.25 S；结合实际运行和维护情况，重点对结晶器振动系统及相关系统等设备常见的机械故障进行分析，并从结构、材质、维护等多方面提出具体的改进措施，对于部分改进不局限于机械方面，而是综合考虑了电气和设备操作方面进行全面实施。经过改进明显地减少了故障次数，缩短了停机时间，降低了维护成本，提高了设备的使用率；并对连铸机结晶器振动液压控制系统模型进行分析，推导了该系统各个环节的传递函数，给出其通用模型；对该系统进行时域和频域的动态仿真，重点分析PI参数对系统的影响，找出了优化参数，对结晶器控制系统的参数调整具有很好的指导意义。
关键词：板坯连铸机；机械故障；结晶器；PLC；位移传感器；导向弹簧板；异常断裂；计算机模拟
Abstract
Slab continuous casting equipment technology developed rapidly，in the actual production operation，The machinery fault is greatly influences on its development，even limit to raise the level of technology．Mould is the core equipment of a continuous casting machine，and mould oscillation can prevent adhesion on its wall．This paper analyzed the dynamic characteristics of the oscillation cylinder system that puts servo valves inside the step cylinder．A model of the oscillation oil cylinder was built by means of the transfer function method，the system transfer function was calculated，and a block diagram of the transfer function was thus established．According to the mathematical model of the oscillation cylinder，a nonlinear numerical simulation model was built by means of MATLAB／Simulink software，and based on the simulation model，simulation analysis was conducted to analyze the step response and tracking response of the system．A PID controller was used to control and adjust the oscillation oil cylinder system，and as a result，the system response time was reduced from 0．70 S to 0．15 S． based on the actual running and maintenance，with a focus on the ladle turret，tundish car, Mould oscillator system and other equipment common mechanical failure is analyzed，and from the structure，material，maintenance，etc．put forward specific improvement measures，for some improvement is not limited to mechanical aspects，but combines the electrical equipment and operating to cooperate fully implemented．improved significantly reduced the number of failures，reduced downtime，reduced maintenance costs，improve equipment utilization．And The hydraulic control system of continuous caster crystallizer was analyzed． The transfer function of each part was deduced．The general model of the system was given．Then dynamic simulations in time domain and sequence domain were made． The influences of PI parameters Oil the system were analyzed，and the optimal parameters were found out，which had guiding significance for the adjustment of crystallizer control system parameters．
Keywords: slab casting machine, mechanical failure, mold, PLC, displacement transducer, guiding plate springs ,abnormal rupture, computer simulating

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目 次
目　　次

引　　言 4
第1章 1580板坯连铸机结晶器振动系统功能描述 5
1.1 前言 5
1.2设备功能描述 5
1.3现阶段板坯连铸机结晶器振动系统存在的缺陷 7
1.4研究的目的 7
第2章板坯连铸机结晶器振动系统功能分析 8
2.1设备描述 8
2.2弹簧板断裂分析及优化设计 8
2.2.1短边弹簧板安装结构特征分析 9
2.2.2弹簧板材质性能分析 9
2.2.3弹簧板的力学仿真分析 10
2.2.4结晶器导向系统的整体应力分析 12
2.2.5弹簧板断裂研究总结 13
2.3结晶器振动液压缸失效原因分析 13
结 论 51
参考文献 53
导师简介 56
作者简介 57
学位论文数据集 58

第1章 ［单击此处键入1级标题］
引　　言
上世纪六七十年代世界各国制造的板坯连铸机主要采用了大直径的直通辊式技术进行铸坯导向。弧形结晶器和铸坯凝固后采用的是单辊矫直方案，也是当时采用的典型设计，这些早期连铸机的拉速和相应的产能受到了板坯内部质量要求的限制，西门子奥钢联冶金技术公司（西门子奥钢联）于1968年采用了一套完全不同的设计方案，当时新方案采取了包括直通结晶器、铸坯连续弯曲/矫直和中间支承辊等新理念的应用。经过数十年的发展，如今，这种方案已经成为了所有设备制造商的样板。在新方案中并应用了结晶器液压振动，老式连铸机的振动系统绝大部分是杠杆式或4偏心式。它们最大的缺点是导向系统不精确，从而造成较高拉速下漏钢率增大、结晶器保护渣消耗非线性，造成铸坯表面质量差和系统机械部件磨损严重。结晶器液压振动系统的应用带来了以下优点：①无磨损板簧导向系统精度极高，②振动质量小，③可实现无共振操作，④可分别调节振动频率和振幅。因此，铸坯表面振痕深度很浅，而且极大的改善了结晶器保护渣的消耗情况。西门子奥钢联在 2004 年为芬兰的奥托昆普Tornio厂一号连铸机安装了新型连铸机机头，包括带有SIMETALCIS DynaWidth 液压调宽功能的箱式结晶器、SIMETALCIS Mold Expert 漏钢预报系统、新式结晶器液面控制系统和SIMETALCIS DynaFlex 液压振动装置。用户对于新建连铸机机头的性能非常满意。
我公司立足市场需求，于2005、2010两年吸收国际板坯连铸机先进设计理念先后筹建了两条板坯连铸机生产线（一条普碳钢板坯生产线，一条不锈钢板坯生产线），生产初期设备运行比较稳定，但随着设备常年运行，由于设备自身缺陷造成的设备事故逐渐显现并呈上升趋势，主要事故集中体现在由于结晶器液压振动系统不稳定而造成的生产事故逐渐增加。主要典型事故有：①结晶器左右振动不同步②结晶器弹簧板断裂○3液压缸内泄④伺服阀卡阻等事故，结晶器振动事故严重的影响板坯连铸机日常生产，严重影响铸坯质量，造成粘结漏钢、振痕过深、边裂、铸坯拉断等事故，甚至限制到工艺水平的提高。
本文力图通过对上述典型事故案例的深入分析，采用有限元法、控制原理法、振动学法等科学方法找出引起设备故障的起因，经过理论研究及试验最终提出一套完善的与之相对应的行之有效的优化设计方案并达到如下结果：①对弹簧板结构进行研究与分析，找出断裂机理，对弹簧板受力情况进行分析并进行改造，杜绝弹簧板使用过程中发生断裂事故；②对振动液压缸失效形式进行分析，提出处理方案，提高振动液压缸的使用寿命。对现有结晶器振动液压缸密封结构的缺陷，提出一种全新的振动液压缸间隙密封结构，用这种理念制造出的液压缸动、静态性能好，使用寿命长，杜绝由于液压缸内、外泄而造成的结晶器振动的不同步；③对连铸机结晶器振动液压控制系统模型进行分析，推导了该系统各个环节的传递函数，给出其通用模型；对该系统进行时域和频域的动态仿真，重点分析PI参数对系统的影响，找出系统调节用优化参数，利用结晶器控制系统的参数调整来提高结晶器振动的同步性；④针对板坯连铸结晶器振动伺服阀的故障特征，利用伺服阀检测平台，分析故障产生的原因和排除方法，并根据伺服阀使用要求制定了一系列维护措施。
第1章 1580板坯连铸机结晶器振动系统功能描述
1.1 前言
唐山不锈钢股份有限公司两台厚板坯连铸机(1台单流不锈钢板坯连铸机、1台普碳钢板坯连铸机)结晶器形式均采用全鼓肚形H2设计，分别于2005、2010年投产。铸机经过多年的运行与维护，一些常见的机械故障逐渐显现，尤其结晶器振动系统事故尤为突出，本文结合现场实际维护情况，针对其常见的机械故障进行分析并提出优化设计方案，对设备进行改造。
1.2设备功能描述
连续铸钢是提高产品质量、生产效率、降低能耗的关键铸钢技术。连铸技术与模铸相比有本质的区别，它是一种钢水在动态条件下连续凝固、成型的工艺过程，因此，连铸技术带来一系列关于钢水形成的工艺要求，即连铸机的工艺设备功能。这些工艺设备功能由连铸机设备在电气系统的控制下来实现，为了实现连铸机的工艺功能，连铸机由以下主体设备组成接收钢水包的大包回转台、存储和分配钢水的中间包及塞棒控制装置、形成铸坯外壳的水冷结晶器及相关的结晶器振动和润滑系统、直接冷却铸坯表面并加速内部凝固的二次冷却系统及铸坯的支撑扇形段、拉矫和矫直的拉矫机、铸坯定尺切割的切割机、铸坯输出装置、铸机开浇用引锭杆及存放系统。如下图1.1所示。由上述连铸设备，连铸技术工艺流程是：钢水由钢水包进入中间包、经滞留时间后经中间包进入结晶器而形成坯壳、坯壳在润滑剂和结晶器振动条件下脱模并在拉矫机作用下以一定厚度离开结晶器、出结晶器坯壳在二次冷却区直接水冷快速凝固同时在支撑段和拉矫机中经弯曲和矫直、最后由切割机按定尺要求切割并由输出装置输出以供轧制。结晶器振动技术早期只应用于有色金属的浇注，最初用于钢的连铸生产的结晶器是固定的。但这给连铸生产带来很大的问题。由于结晶器是固定不动的，很难在钢水或坯壳与结晶器内壁实行润滑，新生坯壳与结晶器内壁放生粘结，以致造成漏钢 ，致使连铸难于正常进行生产。直到1949年，S.容汉斯和I.罗西第一次将其应用于钢的浇铸，目的就是为了有效的改善铸坯和结晶器内壁的润滑条件。这一成果对于推动连铸技术的发展，使其从实验室走向工业化应用做出了开拓性的贡献。连铸技术以振动结晶器为其基本特征，连铸技术之所以能够大规模工业应用主要得益于如下三大技术的应用：振动结晶器、结晶器润滑和倒锥结晶器。
本章节重点讨论结晶器振动系统分析及优化设计。结晶器位于连铸机顶部，主要包括结晶器、足辊、结晶器宽度调节装置、结晶器盖。结晶器安装在液压振动台上，振动台按照设定的振动曲线垂直运动，通过保护渣保证铜板和坯壳之间良好的润滑。液压振动系统包括：

板坯连铸机生产线示意如图1.1
固定框架、振动台、润滑系统、液压系统。振动系统包括一个固定框架，通过一个平行四边形装置连接到振动台上。在这种条件下，结晶器只能沿竖直方向运动。振动台通过液压缸驱动。所有的振动参数（频率、振幅和波形）与拉速自动保持同步，并可以连续调节以保证合适的负滑脱。总之，在连铸技术的发展过程中，只有采用了结晶器液压振动装置后，连铸才得到成功。连铸机结晶器振动的目的是防止拉坯时坯壳与结晶器壁粘结，同时获得良好的铸坯表面。当结晶器向上运动时，可以减少新生的坯壳与结晶器铜板之间的粘结；结晶器向下运动时，在坯壳上施加一定的压力，愈合上升时出现的裂痕，这就要求结晶器向下运动的最大速度大于拉坯速度，形成负滑脱。为了达到结晶器振动的冶金效果，结晶器振动系统必须具备：①振动的方式能有效的防止坯壳的粘结；②振动参数有利于改善铸坯表面质量，形成表面光滑的铸坯；③振动机构能够准确实现设计的振动轨迹，不会产生因过大的加速度引起的冲击和摆动；④设备的制造、安装和维护方便，便于处理事故，传动系统要有够的安全性能。
我公司结晶器振动系统采用的是液压振动技术，可方便调整振动参数，使结晶器振动装置结构简单，传力均匀，提高产品质量；结晶器是连铸机的心脏，其自动化程度很高，可实现在线调宽、锥度实时调整、漏岗预报、液位检测等多项功能，对正常生产和铸坯质量起着非常关键的作用。
1.3现阶段板坯连铸机结晶器振动系统存在的缺陷
主要缺陷：
(1) 结晶器左右振动不同步，有偏摆现象；
(2) 结晶器弹簧板容易断裂，每个6个月就要组织一次检修，严重影响铸机作业率；
(3) 液压缸内泄，每个1年就要组织一次振动油缸更换检修，振动系统稳定性很难保证；
(4) 伺服阀卡阻等事故较多，停机时间较长。
1.4研究的目的
（1）对结晶器振动装置设备进行功能优化：对弹簧板结构进行研究与分析，找出弹簧板断裂机理，对弹簧板受力情况进行分析并进行改造，杜绝弹簧板使用过程中发生断裂事故；
（2）对结晶器振动执行机构振动油缸密封形式进行优化：对振动液压缸失效形式进行分析，找出油缸失效机理，提出可行性处理方案，从而提高振动液压缸的使用寿命；针对现有结晶器振动液压缸密封结构的缺陷，提出一种全新的振动液压缸间隙密封结构，按这种结构制造的液压缸动、静态性能好，使用寿命长，在实际应用中取得了较好的效果；
（3）对结晶器振动伺服液压控制系统控制参数进行优化：对连铸机结晶器振动液压控制系统模型进行分析，推导出了该系统各个环节的传递函数，给出了其通用模型；对该系统进行时域和频域的动态仿真，重点分析PI参数对系统的影响，找出了优化参数，对结晶器控制系统的参数调整具有指导意义。
（4）对结晶器振动伺服液压系统进行优化：针对板坯连铸结晶器振动伺服阀的故障特征，利用伺服阀检测平台，分析了故障产生的原因和排除方法，并根据伺服阀使用要求制定了一系列维护措施。

第4章 ［单击此处键入1级标题］
第2章板坯连铸机结晶器振动系统功能分析
2.1设备描述
我公司2#板坯连铸机原设计为机械振动，为了提高铸坯表面质量、减小铸坯振痕并实现非正弦振动形式，于2010年5月对结晶器整体结构进行了综合改造，其结晶器振动结构改造为新型的液压驱动—弹簧板导向的振动方式，每个振动框架用10块振动弹簧板连接(东西两侧面各4根短边，内外弧各1根长边)，由此就形成了一个箱体结构。振动弹簧板的作用主要是形成一个箱体导向结构，保证振动轨迹在垂直方向的精度。但改造后，由于各种原因导致在生产达产过程中新型振动结构问题不断，主要问题：①结晶器左右振动不同步；②结晶器弹簧板断裂；③液压缸内泄；④伺服阀卡阻等事故，为了集中解决现结晶器振动系统制约生产的功能缺陷，公司成立了攻关组，彻底解决问题。
2.2弹簧板断裂分析及优化设计
现用结晶器振动系统振动导向弹簧板，在浇铸生产过程中频繁发生断裂，且均为东、西侧的短边弹簧板。针对于弹簧板这种特殊的结构及受载条件，我们与国内某公司合作采用有限元力学仿真技术详细研究了短边弹簧板在振动过程中的受力波动以及影响其工作应力水平的主要因素，找出了一种降低断裂事故的解决方案，为连铸机的稳定生产提供技术支撑。我公司板坯连铸机的振动导向弹簧板的结构形式如图1所示。

图l 单元体式板坯结晶器的振动导向装置
L—振动台缓冲弹簧；2—振动台框架；3—内外
弧长边导向弹簧板；4—东、西侧短边弹簧板；
5—固定台框架
其中，短边弹簧板在东、西侧分别布置有4根，长边的内外弧分别1根，一共10根弹簧板来实现振动台的垂直方向导向。
2.2.1短边弹簧板安装结构特征分析
由原设计可知弹簧板的主体结构及其安装固定结构如图2所示。

短边弹簧板安装结构图2
图中A侧为固定侧，采用四个紧固螺栓通过压块将短边弹簧板的固定侧压靠在固定侧平台上，同时，振动侧采用一个紧固螺栓通过压块将短边弹簧板的振动侧压靠在振动侧平台上；在固定侧端部设置由两个螺栓套组成的轴向间隙调整装置，实现弹簧板的轴向窜动量可调，安装后结构如图b)所示。安装过程中弹簧板承受的紧固力仅来自两个方面：振动侧压块的压靠力Fb以及Fb产生的面摩擦力，抑制振动侧窜动与翘动；固定侧压块的压靠力Fa以及Fa产生的面摩擦力，抑制振动侧窜动与翘动。Fa与Fb的大小直接决定了弹簧板本身在振动过程中发生的变形形式与应力分布。
2.2.2弹簧板材质性能分析
弹簧板的材质可根据设计方提供的图纸可知，长短边弹簧板材质性能不一，通过查阅文献可知：短边弹簧板材质35CrMo；长边弹簧板材质45#。其力学性能参数见表如下。
弹簧板材料力学性能

弹簧导向板的初始设计疲劳寿命应为永久疲劳寿命。根据材料极限强度的近似关系法则可初步计算该长、短边弹簧板的拉压、弯曲应力疲劳极限，分别如下：钢材的拉压疲劳极限σ-11≈0.3σb，弯曲疲劳极限σ-1≈0.43σb，基于此可知：短边拉压疲劳极限应力：294MPa，弯曲疲劳极限应力：421．4Mpa；长边拉压疲劳极限应力：180MPa，弯曲疲劳极限应力：258MPa。长、短边弹簧板在进行上下振动时，板身部位主要以拉伸应力与弯曲应力为主，故其最小疲劳极限应力为分析的校核标准，可确定短边的综合应力水平必须小于294MPa；长边综合应力水平必须小于180MPa。
2.2.3弹簧板的力学仿真分析
根据弹簧板的实际安装结构形式可建立三维弹簧板安装结构模型，如下图3所示。
压块与弹簧板之间建立接触对，模型中采用的单元型号为Solide45／Contactl74／Target95。计算工况以Fa与Fb分别为40000N～160000N等多种紧固力分配形式进行仿真分析，同时考虑振幅水平处在5mm一8mm(模拟实际安装时由于水平对标不准造成弹簧板在平衡位置时已处于1～3mm弯曲振幅状态下的工作应力水平)等振幅过量的异常工况进行分析对照。其中Fa施加于固定压块外面，Fb施加于振动压块的外面上，同时只主要为位移约束，直接施加予端面上。

短边弹簧板三维结构有限元模型3
下面仅列举Fa为160000N且Fb为160000N工况分析结果，如下图所示。

短边弹簧板等效应力分布云图
通过逐个提取分析结果，可得短边弹簧板的最高应力水平受紧固力以及振幅水平(单边振幅为5mm／6mm／7mm／8mm)的影响十分明显，由仿真分析可得如下的曲线。

仿真分析应力曲线
由上图可得如下主要结论：
1)最高应力区主要集中在短边弹簧板的两端固定台的圆弧过渡区域，这与短边弹簧板在生产过程中的实际断裂部位完全一致；
2)短边弹簧板的工作应力水平随两端的紧固力水平的增大而显著增大，然而增大的趋势逐步放缓；另外，当两端紧固力水平固定后，弹簧板的应力水平随振幅的增大呈线性增大趋势。
2.2.4结晶器导向系统的整体应力分析
为了明确短边弹簧板安装后，由于工作环境温度上升造成结晶器整体框架的温度升高对导向弹簧板的工作应力影响程度，采取对10根弹簧板的整个框架进行三维模型的热机耦合应力分析，以模拟实际振动框架在生产区域的热变形对导向弹簧板的影响。根据实际框架的弹簧板安装尺寸建立三维有限元模型，将振动台进行同效果简化，如下图所示。

短边为四根弹簧板的三维有限元模型
结晶器框架的温度场分析的边界条件分别以实测离线检修区域的设备实际温度水平(23℃)与实际生产时设备内的蒸汽温度(80℃)为基准，针对三维模型进行温度场分析，通过温度场分析结果进而计算整体框架的热应力水平，同时附加振动弹簧板的5mm振幅盼弯曲应力，分析结果如下图所示。

短边弹簧板等效应力水平分布云图
由上图可知：短边上侧内弧的圆弧过渡区应力水平最高，可达270MPa，远高于弹簧板正常受力的149MPa，且短边弹簧板每平行布置的两根之间，存在一定程度的相互拉拽应力，即内部约束力，造成弹簧板的工作应力水平进一步提高。故此可知，短边四根弹簧板在实际工作时的应力水平远大于5mm振幅造成弯曲应力，这也是造成弹簧板断裂的主要原因。
2.2.5弹簧板断裂研究总结
通过本次分析结果我们得到如下主要结论：
1)紧固弹簧板的紧固力水平是影响弹簧板应力水平的一个重要指标，适当降低紧固力在一定程度上可降低弹簧板的工作应力水平，故此采用定矩紧固扳手进行紧固，同时每个螺栓的紧固力水平不能高于1100N•m，降低因过高的紧固力导致额外增大弹簧板工作应力的可能；
2)确认安装时刻的弹簧板在振幅方向是否处于自由状态(没有在振幅方向的弯曲、拉伸等现象)，可利用空间三维坐标测试装置，精确测量振动台安装弹簧板的基准面与固定台基准面之间的高度差、水平方向的相对距离等空间距离是否达标；
3)调整铸机主排风机对结晶器区域的抽气能力，及时抽去弯曲度扇形段区域内淤积的高温蒸汽，降低结晶器框架的工作温度水平。在生产现场通过采用以上措施，在最近几个月没有再发生异常断裂事故，这说明本次分析结果所获得改进措施有效的提高了导向弹簧板的服役寿命与工作稳定性，本次分析也为我公司类似导向装置的可靠性研究提供良好的借鉴。
2.3结晶器振动液压缸失效原因分析
2.3.1结晶器振动液压缸结构分析
液压振动装置主要由振动底座、振动液压缸、振动台、缓冲弹簧、导向板弹簧、液压动力系统等组成。结晶器放入振动台后，由伺服阀控制液压油的流向和流量推动带位置传感器的振动伺服液压缸做往复运动，对振动台施加一个周期性的激励力，使振动台按设定的振幅和频率进行受迫振动。结晶器振动液压缸的振幅和频率，将影响结晶器的振动曲线；振动液压缸的动、静态性能，将直接影响结晶器振动是否良好，从而影响铸坯的质量。振动液压缸的动、静态性能包括启动压力、动摩擦力、幅频特性、内泄漏等，它们都与液压缸的密封结构密切相关。
结晶器振动液压缸结构如图1所示。结晶器振动缸与普通缸结构相近似，主要由缸体、活塞和活塞杆、缸底、缸头等部分组成 。为了安装方便，缸体设计为方形。缸头缸底均采用耳环安装形式，这种安装形式简单可靠，能承受大的变载荷。底部法兰采用焊接形式与方形连接板连接，头部法兰以内螺纹方式与活塞杆连接。

1．缸头耳环2 缸头3．吏承环4 缸头法Y-： 5．缸体
6．活塞与活塞杆组件7．缸底法 8．缸底9．传感器
10．耳环连接板11．传感器安装罩12．缸底耳环
13．防尘罩拉板14．防尘罩
结晶器振动液压缸结构图
结晶器振动液压缸具有低摩擦力、高频响等特点，因此采用了与普通液压缸不同的结构。由于高速振动的特性，该缸活塞采用间隙密封形式，减少活塞与缸体内擘的摩擦，且在活塞外表面焊了一层铜，改善其与缸体的磨损状况。活塞的两端面均开有环形槽，通过高压油使活塞边产生微小形变以减小活塞的内泄漏。活塞杆表面采用镀陶瓷处理，以增加其硬度和耐磨性 ．为了测得活塞的位移做闭环控制，结晶器振动缸装有位移传感器装于活塞杆底部中心孔中，并与油源隔绝，以保护传感器。缸底与缸头各设一泄漏油口，排走}1_{活塞杆腔通过伺服环泄漏过来的液压油及缸头、缸底与活塞杆往复摩擦产生的热量，减少磨损。控制阀块用螺钉直接连接在方形缸体表面上，高压油由油口A、B进入到压力杆腔。由于该液压缸的工作环境非常恶劣，灰尘大、污染重，对液压缸的寿命有较大影响，因此在缸头部设计了压力防尘器，靠不问断地向防尘罩内吹入高压空气以防止灰尘在往复振动过程中被吸人缸体内造成磨损。
2.3.2结晶器振动液压缸失效形式分析
结晶振动缸的工作环境非常恶劣，液压缸的生产工艺和使用环境对其使用寿命有很大的影响。通过对结晶器振动缸失效形式的统计，分析其主要失效形式与失效原因如下：
1) 密封件磨损
如图4、5所示密封件在液压缸中起着保持压力的关键作用，也是导致液压缸失效的常见原因。在工作过程中，密封与其他结构不断摩擦并逐渐磨损，最终失去密封作用，而使液压缸泄漏量过大而无法保证正常作压力。

防尘圈破坏

活塞密封失效
影响液压缸密封件工作寿命的原因主要有以下几点：① 密封件本身的质量问题；② 密封件的选用问题。因为液压缸的工作环境不同，对密封件有不同的要求，在高压环境下往往需要耐高压力，在腐蚀性介质中则需要耐腐蚀，而在冲击较大的环境下则需要耐冲击，在高温环境中需要耐高温等；③ 油液清洁问题。油液中的铁屑、锈渣等沉淀物进入缸体后往往会加速密封件的磨损；④ 装配前的清理工作。残留在缸体内壁的铁屑、锈迹对油缸有非常大的危胁，不仅会使密封件划伤，甚至会拉伤缸筒内壁而造成新液压缸漏油而无法使用；⑤ 缸体及活塞杆的形位公差问题。缸体内孔及活塞杆的直线度、圆度不能保证，都会在很大程度上影响密封件的使用寿命；⑥ 缸体内壁及活塞杆外表面粗糙度问题。缸体内壁过于粗糙必然会加速活塞密封磨损，活塞杆表面粗糙度过低会加速缸头杆密封的磨损。
2)防尘圈破坏
防尘圈虽然结构简单，却起着不可缺少的作用。结晶振动缸工作环境非常恶劣，空气中的粉尘密度很高，因此防尘是结晶振动缸的一项重要结构。防尘圈装在活塞杆出缸头处，防止掉落在伸出活塞杆上的粉尘跟随活塞杆缩回而进入缸体内部。绝大多数结晶振动缸除了安装防尘圈外，都有防尘罩。传统的防尘罩在油污、灰尘及高速振动的情况下不仅很容易被破裂损坏，而且在活塞杆外伸的过程中容易在防尘罩内形成负压腔，反而吸入更多的灰尘。为了解决这个问题，现在很多缸已经采用压力防尘结构，即不断地向防尘罩内吹人高压过滤空气，以避免灰尘进入腔内。防尘圈的破坏也受很多因素的影响：① 防尘圈本身的质量问题；② 活塞杆的粗糙度。防尘圈在活塞杆上是有一定的压力的，因此紧贴在活塞杆表面，粗糙度太高会加速其磨损；③ 工作环境。结晶振动缸一般都处于高温高频振动的环境下，因此对防尘圈有比较高的要求；④ 活塞杆的形位公差。活塞杆的圆度、直线度等不够时会造成防尘圈周期性变形，因而会加速其失效。
3)缸体内壁磨损
由于液压缸对缸体的要求比较高，因此液压缸内孔的加工是整个液压缸加工过程技术要求较高的工序。一般都采精镗、滚压、珩磨等工艺来保证其表面粗糙度。缸体的失效形式一般有缸体内壁生锈、缸体内壁拉伤和缸体内壁点蚀等。缸体内进人空气和水时，缸体内壁容易产生锈蚀，由此增大与活塞问的摩擦而刮烂活塞密封。活塞与缸体内孔配合不够精确，或者缸体内孔有椭圆时容易产生内壁拉伤，出现条状槽痕。活塞与缸体内壁问压力过大或者相对运动速度过快则容易产生点蚀，出现凹坑。缸体失效影响因素有以下几点：① 密封不严。油液中进入空气，不仅会使缸体内壁生锈，还会使活塞杆产生爬行、冲击等行为；② 活塞杆受力不平衡。活塞杆受力不在正中心会使活塞产生一定的倾斜，在振动过程中划伤缸体；③ 缸体形位公差过大。缸体内孔圆度、直线度不够时容易产生局部拉伤；④ 密封件使用过久。活塞密封使用时间太长会磨损，可能会导致活塞直接与缸体内壁接触而产生划伤。
4)活塞杆磨损
活塞杆是结晶振动缸中最容易磨损失效的部件。因此在实际应用中，常常会采取一些措施来增加活塞杆表面的硬度，如淬火、表面镀铬层、表面镀陶瓷等。镀层方式不仅可以提高活塞杆表面的耐磨性，还可以在磨损后重新镀层，节约了维修成本。这些措施产生了相对比较好的效果，但是高速振动的活塞杆磨损依然是不可避免的。活塞杆是否耐磨主要与以下因素有关：① 振动频率。结晶振动缸振动频率一般为1～5 Hz，相对运动线速度比较高，因此比较容易磨损；② 镀层硬度。镀铬层活塞杆表面硬度可达900HV，而镀陶瓷活塞杆表面硬度可达1200HV以上，在很大程度上提高了活塞杆的耐磨性；③ 密封件硬度。活塞磨损主要是因为与密封件之间摩擦而产生的，因此密封件硬度过高会加速活塞杆的磨损；④ 温度。密封件与活塞杆高速摩擦会产生热量，温度过高会使活塞杆表面组织软化，从而加速摩损。
5)其他失效形式
除了上述几种失效形式外，液压缸还有其他失效形式，如活塞表面拉花(主要为间隙密封类)、受力螺钉断裂、活塞杆支承带磨损、传感器失效、伺服环内表面磨损及缓冲阀失效等。上述任何一项制造不精或者使用不当都会造成液压缸提前失效而无法工作。
2.3.3 对结晶器振动液压缸改进措施
目前国内工业应用的大部分振动液压缸摩擦副均采用传统橡胶、聚酯纤维、聚四氟乙烯、含合金成份合成材料等密封型式，形成高低压油的分隔。这种密封结构由于都选用了易变形的材料对液压缸的间隙进行填充，在油压作用下密封材料会紧密贴合摩擦副零件表面的密封沟槽，密封效果好，基本可以做到静态无泄漏，容积效率高。但由于密封材料与摩擦副零件表面的贴合作用，导致这类密封型式的液压缸活塞运动过程中阻力较大，并且随着油压升高摩擦阻力会进一步提高，这一特点使振动液压缸的响应频率、动摩擦力、低速稳定性等动态性能大打折扣，同时在振动液压缸活塞频繁运动摩擦作用下，密封材料和运动副容易损伤，密封效果下降，从而导致寿命降低。
目前工业应用中有少量进口的振动液压缸产品采用间隙密封型式，这种结构液压缸的摩擦副不填充密封材料，而是直接设计适当的配合间隙，通过配合间隙形成对高低压油的分隔。这种密封结构完全靠零件机械间隙来实现密封，由于振动液压缸工作压力范围变化较大，在高压工作时泄漏量难以控制，泄漏量的不稳定导致低速稳定性和容积效率较低。但由于无密封材料与摩擦副零件表面的贴合作用，间隙密封液压缸活塞运动过程中阻力很小，这一特点使振动液压缸的响应频率、动摩擦力等动态性能和寿命大大提升。
在充分调研和研究当前两类振动液压缸的工作和制造特点后，我提议对结晶器振动液压缸的密封结构进行改进，采用特殊的活塞及活塞杆密封结构，按这种思路生产的结晶器振动液压缸动态性能好、使用寿命长。
如图4所示，活塞与缸体之间采用间隙密封，利用微窄间隙，对流通其中的油液进行节流并产生尽可能大的，使油液产生压力损失，实现泄流面小压力小流量的泄漏，再利用辅助环节，最终实现油液的密封。

1.缸头；2.伺服环；3.法兰；4.活塞杆；5.缸体；6.缸底1；7.缸底2；
8.传感器；9.O 形圈；10.耐磨环；11.杆密封；12.防尘圈
图4 振动液压缸结构图
密封间隙的大小可按下式计算：
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