阅读说明：本技术 结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法及装置、电子设备 (Dynamic analysis method and device for friction force between crystallizer and casting blank and electronic equipment ) 是由 白居冰 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法及装置、电子设备,包括：通过液压振动系统和平衡弹簧结构对结晶器自重进行平衡,构建结晶器受力平衡模型,所述结晶器受力包括液压振动系统输出力、通过位移表征的平衡弹簧结构的弹力、通过振动加速度表征的惯性力以及通过铜板和铸坯之间的相对运动速度线性表征的摩擦力；采集压力传感器测量的液压振动系统的输出力及振动位移传感器测量的结晶器的振动位移；采集的输出力和振动位移输入受力平衡模型,获得摩擦力和相对运动速度之间的线性函数；通过获得线性函数和以后的相对运动速度变化监测摩擦力的变化。本发明无需空振试验和冷态试验。(the invention provides a method and a device for dynamically analyzing friction force between a crystallizer and a casting blank, and electronic equipment, wherein the method comprises the following steps: balancing the dead weight of the crystallizer through a hydraulic vibration system and a balance spring structure to construct a crystallizer stress balance model, wherein the crystallizer stress comprises the output force of the hydraulic vibration system, the elastic force of the balance spring structure represented through displacement, the inertia force represented through vibration acceleration and the friction force linearly represented through the relative movement speed between a copper plate and a casting blank; acquiring the output force of a hydraulic vibration system measured by a pressure sensor and the vibration displacement of the crystallizer measured by a vibration displacement sensor; inputting the collected output force and vibration displacement into a stress balance model to obtain a linear function between the friction force and the relative movement speed; the change in friction is monitored by obtaining a linear function and subsequent change in relative motion speed. The invention does not need air vibration test and cold test.)

结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法及装置、电子设备

技术领域

本发明涉及连铸技术领域，更具体地，涉及一种结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法及装置、电子设备。

背景技术

结晶器铜板与铸坯之间的摩擦状态，代表了二者之间的一种润滑状态，是衡量生产工艺过程状况的重要指标，摩擦力的大小与生产拉速，生产钢种，浇注断面，结晶器保护渣，结晶器振动工艺以及振动设备的偏摆有十分密切的关系，其结果对铸坯产品表面质量具有十分密切的关系，摩擦力太大时，容易产生表面缺陷，造成铜板加快磨损，严重的会导致漏钢事故的发生。

国内外目前采用的摩擦力计算方法，针对不同的振动系统具有不同的计算方法，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 Oscillationin 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，此方法需要进行冷态试验，并且受到冷却水量的影响。

发明内容

本发明提供一种无需空振试验和冷态试验的结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法及装置、电子设备。

根据本发明的一个方面，提供一种结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置，包括液压振动系统、平衡弹簧结构、采集模块、模型构建模块、模型参数获得模块和摩擦力监测模块，其中：

液压振动系统和平衡弹簧结构，对结晶器自重进行平衡，液压振动系统安装有压力传感器和振动位移传感器；

采集模块，采集压力传感器测量的液压振动系统的输出力及振动位移传感器测量的结晶器的振动位移；

模型构建模块，根据结晶器受力平衡构建受力平衡模型，所述结晶器受力包括液压振动系统输出力、通过振动位移表征的平衡弹簧结构的弹力、通过振动加速度表征的惯性力以及通过铜板和铸坯之间的相对运动速度线性函数表征的摩擦力；

模型参数获得模块，将采集模块采集的输出力和振动位移输入模型构建模块构建的受力平衡模型，获得摩擦力和相对运动速度之间的线性函数；

摩擦力监测模块，通过模型参数获得模块获得线性函数和以后的相对运动速度变化监测摩擦力的变化。

所述的结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置，其中，还包括设定模块，所述设定模块设定受力平衡模型的多个假设条件，所述假设条件包括第一条件、第二条件和第三条件，所述第一条件为生产过程中，每个振动周期内，忽略冷却水在周期内的重量变化；所述第二条件为由于振动偏摆导致的摩擦力变化计入摩擦力；所述第三条件为当振动运动速度与拉速相等时，由于未产生相对运动，忽略静态摩擦力的作用，摩擦力为0。

所述的结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置，其中，还包括报警模块，当摩擦力监测模块监测到摩擦力变化值超过设定阈值时，发送信号给报警模块，报警模块发出异常预警信号。

所述的结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置，其中，所述模型参数获得模块还通过获得的线性函数及相对运动速度获得摩擦力的变化周期，将所述变化周期的线性函数发送给摩擦力监测模块，结合变化周期以后的相对运动的变化监测摩擦力的变化。

所述的结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置，其中，所述模型构建模块通过下式构建受力平衡模型

F_t+K(L_b-S_t)＝Ma_t+B(V_m-V_c)

其中，F_t为t时刻液压振动系统输出力，K为弹簧弹性系数，S_t为t时刻振动位移量，L_b为弹簧自由状态顶端位置，M为结晶器综合质量，a_t为t时刻振动加速度，B为摩擦力一阶系数，V_m为结晶器振动速度，V_c为铸机生产拉速。

所述的结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置，其中，所述模型参数获得模块包括：

变化周期获得单元，通过采集模块采集的振动位移时间序列获得振动位移的变化周期，从而获得摩擦力的变化周期；

特征点采集单元，采集变化周期内振动加速度为零的特征点以及振动运动速度与拉速相等的特征点的数据；

第一模型参数获得单元，将特征点采集单元采集的特征点数据输入受力平衡模型，获得第一模型参数，所述第一模型参数包括：弹簧弹性系数、结晶器综合质量和摩擦力线性表征的一阶系数；

第二模型参数获得单元，将第一模型参数获得单元获得的第一模型参数和特征点单元采集的特征点的数据输入受力平衡模型，获得第二模型参数，所述第二模型参数包括弹簧自由状态顶端位置。

根据本发明的另一个方面，提供一种电子设备，包括：

液压振动系统和平衡弹簧结构，对结晶器自重进行平衡，液压振动系统安装有压力传感器和振动位移传感器；

采集模块，采集压力传感器测量的液压振动系统的输出力及振动位移传感器测量的结晶器的振动位移；

服务器，包括模型构建模块、模型参数获得模块和摩擦力监测模块，将监测的摩擦力数据发送到云服务平台；

云服务平台，向客户端发送摩擦力数据。

所述的电子设备，其中，所述采集模块为PLC，设置有多个数据的连续缓冲区，所述服务器通过OPC对数据缓冲区进行读取。

根据本发明的第三方面，提供一种结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法，包括：

通过液压振动系统和平衡弹簧结构对结晶器自重进行平衡，构建结晶器受力平衡模型，所述结晶器受力包括液压振动系统输出力、通过位移表征的平衡弹簧结构的弹力、通过振动加速度表征的惯性力以及通过铜板和铸坯之间的相对运动速度线性表征的摩擦力；

采集压力传感器测量的液压振动系统的输出力及振动位移传感器测量的结晶器的振动位移；

采集的输出力和振动位移输入受力平衡模型，获得摩擦力和相对运动速度之间的线性函数；

通过获得线性函数和以后的相对运动速度变化监测摩擦力的变化。

所述的结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法，其中，包括：通过获得的线性函数及相对运动速度获得摩擦力的变化周期，所述变化周期的线性函数结合变化周期以后的相对运动的变化监测摩擦力的变化。

上述结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法及装置、电子设备对结晶器摩擦力监测无需空振试验或者冷态试验，对水量变化不敏感，对振动状态恶化或者粘结异常事件具有敏感性，无需任何系统参数设置，因此解决了过去系统在一定时间后重新设定调整参数的难题，降低了系统的使用难度。

附图说明

图1是本发明所述结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置构成框图的示意图；

图2是本发明所述结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法的流程图；

图3是本发明振动位移曲线示意图；

图4是本发明摩擦力瞬时变化曲线图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图1是本发明所述结晶器与铸坯间摩擦力动态分析装置构成框图的示意图，如图1所示，所述摩擦力动态分析装置包括：

液压振动系统110和平衡弹簧结构120，对结晶器自重进行平衡，液压振动系统110安装有压力传感器和振动位移传感器，平衡弹簧结构是具有平衡弹簧性质的构件，例如，平衡弹簧、板簧等；

采集模块130，采集压力传感器测量的液压振动系统的输出力及振动位移传感器测量的结晶器的振动位移；

模型构建模块140，根据结晶器受力平衡构建受力平衡模型，所述结晶器受力包括液压振动系统输出力、通过振动位移表征的平衡弹簧结构的弹力、通过振动加速度表征的惯性力以及通过铜板和铸坯之间的相对运动速度线性函数表征的摩擦力；

模型参数获得模块150，将采集模块采集的输出力和振动位移输入模型构建模块构建的受力平衡模型，获得摩擦力和相对运动速度之间的线性函数，；

摩擦力监测模块160，通过模型参数获得模块获得线性函数和以后的相对运动速度变化监测摩擦力的变化。

优选地，还包括报警模块170，当摩擦力监测模块监测到摩擦力变化值超过设定阈值时，发送信号给报警模块，报警模块发出异常预警信号。

在一个实施例中，所述模型参数获得模块还通过获得的线性函数及相对运动速度获得摩擦力的变化周期，将所述变化周期的线性函数发送给摩擦力监测模块，结合变化周期以后的相对运动的变化监测摩擦力的变化。

在一个实施例中，还包括设定模块180，所述设定模块设定受力平衡模型的多个假设条件，所述假设条件包括第一条件、第二条件和第三条件，所述第一条件为生产过程中，每个振动周期内，忽略冷却水在周期内的重量变化；所述第二条件为由于振动偏摆导致的摩擦力变化计入摩擦力；所述第三条件为当振动运动速度与拉速相等时，由于未产生相对运动，忽略静态摩擦力的作用，摩擦力为0。

模型构建模块140通过下式(1)构建受力平衡模型

F_t+K(L_b-S_t)＝Ma_t+B(V_m-V_c) (1)

其中，F_t为t时刻液压振动系统输出力，K为弹簧弹性系数，S_t为t时刻振动位移量，L_b为弹簧自由状态顶端位置，M为结晶器综合质量，a_t为t时刻振动加速度，B为摩擦力一阶系数，V_m为结晶器振动速度，V_c为铸机生产拉速。

模型参数获得模块150包括：

变化周期获得单元151，如图3所示，通过采集模块采集的振动位移时间序列获得振动位移的变化周期，从而获得摩擦力的变化周期，振动位移的变化周期和摩擦力的变化周期相同；

特征点采集单元152，采集变化周期内振动加速度为零的特征点以及振动运动速度与拉速相等的特征点的数据；

第一模型参数获得单元153，将特征点采集单元采集的特征点数据输入受力平衡模型，获得第一模型参数，所述第一模型参数包括：弹簧弹性系数、结晶器综合质量和摩擦力线性表征的一阶系数；

第二模型参数获得单元154，将第一模型参数获得单元获得的第一模型参数和特征点单元采集的特征点的数据输入受力平衡模型，获得第二模型参数，所述第二模型参数包括弹簧自由状态顶端位置。

图2是本发明所述结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法的流程图，如图2所示，所述摩擦力动态分析方法包括：

步骤S1，通过液压振动系统和平衡弹簧结构对结晶器自重进行平衡，构建结晶器受力平衡模型，所述结晶器受力包括液压振动系统输出力、通过位移表征的平衡弹簧结构的弹力、通过振动加速度表征的惯性力以及通过铜板和铸坯之间的相对运动速度线性表征的摩擦力；

步骤S2，采集压力传感器测量的液压振动系统的输出力及振动位移传感器测量的结晶器的振动位移；

步骤S3，采集的输出力和振动位移输入受力平衡模型，获得摩擦力和相对运动速度之间的线性函数；

步骤S4，通过获得线性函数和以后的相对运动速度变化监测摩擦力的变化。

优选地，还包括：当摩擦力变化值超过设定阈值时，发出异常预警信号。

在一个实施例中，在步骤S1中，设定受力平衡模型的多个假设条件，通过公式(1)构建受力平衡模型所述假设条件包括第一条件、第二条件和第三条件，所述第一条件为生产过程中，每个振动周期内，忽略冷却水在周期内的重量变化；所述第二条件为由于振动偏摆导致的摩擦力变化计入摩擦力；所述第三条件为当振动运动速度与拉速相等时，由于未产生相对运动，忽略静态摩擦力的作用，摩擦力为0。

在步骤S3中，包括：

通过采集的振动位移时间序列获得振动位移的变化周期，从而获得摩擦力的变化周期；

采集变化周期内振动加速度为零的特征点(如图3中t₀，t₂时刻所示，a₀＝0，a₂＝0)以及振动运动速度与拉速相等的特征点的数据(如图3中，t₁，t₃时刻所示，V₁＝V_c，V₃＝V_c)；

将采集的特征点数据输入受力平衡模型，获得第一模型参数，所述第一模型参数包括：弹簧弹性系数、结晶器综合质量和摩擦力线性表征的一阶系数，例如将t₀、t₁、t₂和t₃时刻的输出力和振动位移输入公式(1)的受力平衡模型，

令x＝(K B M)^T，Y＝(F₂-F₀F₃-F₁F₁-F₂)^T

将受力平衡模型变换为Ax＝Y，通过上述四个特征点的数据可以得到K，B，M系数；

将第一模型参数和特征点的数据输入受力平衡模型，获得第二模型参数，所述第二模型参数包括弹簧自由状态顶端位置，如上例，将K，B，M系数输入t₀或t₂时刻的受力平衡模型，获得弹簧自由状态顶端位置L_b。

在步骤S4中，所述变化周期的线性函数结合变化周期以后的相对运动的变化监测摩擦力的变化。

上述结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法可以应用于一种电子设备，电子设备包括：

液压振动系统和平衡弹簧结构，对结晶器自重进行平衡，液压振动系统安装有压力传感器和振动位移传感器；

采集模块，采集压力传感器测量的液压振动系统的输出力及振动位移传感器测量的结晶器的振动位移；

服务器，包括模型构建模块、模型参数获得模块和摩擦力监测模块，将监测的摩擦力数据发送到云服务平台；

云服务平台，向客户端发送摩擦力数据。

优选地，所述采集模块为可编程逻辑控制器(PLC)，设置有多个数据的连续缓冲区，所述服务器通过OPC(Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control)对数据缓冲区进行读取。

上述电子设备可以是服务器、手机、平板电脑、便携计算机、桌上型计算机等具有运算功能的终端客户端。

利用上述电子设备对结晶器与铸坯间摩擦力动态分析的方法包括：

PLC采用2ms的采样周期对压力和振动位移进行连续采样，在PLC中开辟1000个数据的连续缓冲区，每次采样，PLC循环将结果写入缓冲区构成数据序列(到缓冲区结束时从开始位置写入)；

服务器通过OPC每1秒读取一次缓冲区，通过受力平衡模型获得摩擦力的变化结果

将所述变化结果发送云服务平台并通过云服务平台向客户端进行界面刷新广播通知；

客户端接受到广播通知后，从云服务平台读取更新数据，完成客户端的刷新；

其它应用模型如果需要使用摩擦力数据，可以通过向云服务平台注册通知接收通知消息，读取数据。

上述电子设备和摩擦力动态分析方法中，PLC采用缓冲区技术，实现PLC高频数据采集和模型相对低频计算的矛盾，无需专门的高速数据传送设备即可获得所需的高频数据序列；通过受力平衡模型，实时计算结晶器摩擦力；结晶器摩擦力计算无需空振试验或者冷态试验；由于每个周期的动态计算对于结晶器水量变化导致本体重量变化对摩擦力的影响得到了约项，因此影响可以忽略；由于结晶器振动偏摆等造成的摩擦力增大，或者粘结发生时产生重量增加具有，能快速反应，可以作为振动状态恶化指标或者粘结预警判定的重要输入数据。

在上述各实施例中，在将采集数据输入受力平衡模型前，对采集数据进行坐标归一化处理或/和数据滤波处理。

在上述各实施例中，还可以对采集的数据和监测的摩擦力进行显示，可以采用数据列表的形式进行显示，也可以采用图形的方式进行显示，还可以采用两者结合的方式进行显示，显示的数据可以包括振动频率、振幅和负滑脱时间；拉速、相位差、最大摩擦力、最小摩擦力和平均摩擦力、左右两侧的位移波形曲线、压力曲线、拉速曲线、最大摩擦力变化趋势曲线、最小摩擦力变化趋势曲线和平均摩擦力变化趋势曲线。

通过受力平衡模型监测的摩擦力的变化，当最大摩擦力和平均摩擦力都有明显的增大时，进行摩擦力异常报警。

在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，横坐标为时间(单位ms)，纵坐标为摩擦力(单位KN)，对振动位移数据和压力数据的采样频率为500Hz，能够很好地识别结晶器振动的波形，通过本发明所述结晶器与铸坯间摩擦力动态分析方法及装置、电子设备实现了结晶器摩擦力的瞬态变化进行监测。监测结果表明摩擦力随时间呈现周期性的变化规律。当摩擦力大于零时，表明铸坯表面受到拉力作用，而当摩擦力小于零时，铸坯受压力的作用，在一个周期内铸坯表面会受到拉力和压力的交替作用。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。