郭冲  武继权  张冀  李汝喜

（广东广青金属压延有限公司 广东 阳江 529500)

摘要：1780 热轧机组作为大型宽厚板轧制的核心设备，其粗轧工序承担着大压下量、高负荷的轧制任务，主传动系统的稳定运行直接影响产品质量与生产效率。主传动平衡装置作为抵消轧制过程中轴向力、减少振动冲击的关键部件，在高负荷工况下常因结构设计不合理导致磨损加剧、响应滞后等问题，制约机组性能提升。本文针对 1780 热轧粗轧主传动平衡装置的工况特性，通过结构参数优化、材料性能改进及控制系统匹配，提出一套集成化优化方案。基于有限元仿真与现场试验，对比分析优化前后装置的应力分布、动态响应及寿命周期，结果表明：优化后的主传动轴和平衡装置最大应力降低 23.6%，振动幅值减少 41.3%，有效提升了高负荷工况下的运行稳定性与可靠性。

关键词：1780 热轧机；粗轧主传动；平衡装置；高负荷工况；优化设计；性能分析

热轧带钢生产中，1780mm 轧机因具备宽幅、高效的轧制能力，成为宽厚板生产的主力设备。粗轧作为轧制流程的关键环节，需完成坯料的大压下量轧制（压下率可达 60%-85%），主传动系统承受巨大的扭矩、轴向力及冲击载荷^[1-3]。主传动平衡装置的核心功能是通过液压或机械补偿，平衡轧辊轴向窜动产生的附加力，减少传动部件如万向轴、的偏载磨损，同时抑制轧制过程中的振动，保障轧机动态稳定性^[4-7]。在高负荷工况下，传统平衡装置存在三大突出问题：一是结构刚度不足，在瞬时冲击载荷下易产生弹性变形，导致平衡精度下降；二是液压控制系统响应滞后，无法实时匹配轧制力变化，造成动态失衡；三是关键部件（如平衡缸活塞、密封件、万向节）因材料耐疲劳性不足，使用寿命缩短（平均寿命仅 6 -9个月），严重影响生产连续性^[8-11]。因此，针对 1780 热轧粗轧主传动和平衡装置的优化设计，对提升机组重载性能、降低运维成本具有重要工程意义。本文结合 我司1780 轧机粗轧工序的实际工况参数（最大轧制力 43000KN，轧制速度 3-6m/s），从结构优化、材料升级、控制策略改进三方面构建优化方案，通过仿真与试验验证其性能提升效果，为同类设备的升级改造提供参考。

1 粗轧主传动平衡装置现状与问题分析

1.1 装置结构组成

我司1780 热轧粗轧主传动平衡装置采用液压式结构，主要由平衡缸（4 组对称布置）、液压控制系统（包括伺服阀、蓄能器、压力传感器）、机械导向机构及密封组件组成，其工作原理为：根据轧制力检测信号，液压系统实时调整平衡缸压力，通过活塞杆推力平衡轧辊轴向力，导向机构限制径向位移，确保轧辊轴线稳定。

1.2 高负荷工况参数特征

现场测试数据显示，高负荷轧制时（如轧制 200mm 厚坯料），平衡装置需承受的轴向力可达 8-12MN，且伴随高频冲击（冲击频率 10-15Hz）；环境温度波动大（30-40℃），液压油黏度变化显著；轧辊窜动量最大达 ±3mm，要求平衡装置响应时间≤0.1s。

1.3 现存问题诊断

通过故障统计与性能测试，现有装置的主要问题如下：
（1）结构刚度不足：平衡缸缸体采用 45# 钢焊接结构，在 12MN 轴向力作用下，缸体法兰处最大变形量达 0.8mm，导致密封件偏磨，泄漏率达 15%；
（2）动态响应滞后：伺服阀控制带宽仅 100Hz，在 15Hz 冲击载荷下，压力调节滞后时间达 0.15s，动态平衡误差超 ±5%；
（3）材料性能不足：活塞采用球墨铸铁（QT600），在循环载荷下出现疲劳裂纹，平均无故障运行时间（MTBF）仅 1200 小时；密封件采用丁腈橡胶，高温下老化加速，密封寿命缩短至 8 个月。

2 平衡装置优化设计方案

2.1 平衡装置改造

将原有的传动轴直径1080mm平在衡装置拆除，安装直径传动轴万向节1200mm的直径平衡装置。新平衡装置采用高强度合金钢制造，确保设备的强度和耐久性。

对平衡装置的关键部件进行热处理和表面硬化处理，提高设备的耐磨性和抗疲劳性能。万向接轴（2-01）与平衡装置（2-02）采用法兰连接，螺栓组（3-22 M64×500）预紧力达850kN，轴承座（3-23）内装调心滚子轴承，配合轴套（3-07）的间隙控制在0.08-0.12mm，如图1所示。

图1 平衡装置改造

2.2 平衡装置结构优化

在平衡装置上增加支撑点和加强筋，提高设备的整体刚性和稳定性。采用上/下平衡杠杆与液压缸的复合传动，杠杆比优化为1:2.5，较传统1:2结构提升20%力矩输出。新增双向锁紧机构：由锁紧杆与止位块构成，采用45CrMo合金钢，硬度HRC42-45平衡轴承座内嵌双列圆锥滚子轴承，配合轴套实现轴向预紧，预紧力设定为额定载荷的15%，压盖采用迷宫密封+骨架油封双重密封。通过有限元分析（FEA）对平衡装置进行应力分析，确保设备在高负荷下的安全性和可靠性。当载荷超过额定值15%时，锁油缸自动切断油路，止位块与锁紧杆机械互锁。

2.3 主、从动轴端万向节结构优化

主、从动轴端万向节采用整体轴承座式十字万向节、十字包采用专用高强度螺栓与法兰接头预应力装配，接轴平衡装置整套新制，十字万向节在原来1080mm的优化到1200mm错开位置安装，及保证和现有接轴的连接，保证上下接轴能够互换；现场上轴承座整体利旧，利旧上轴承座不具备干油回收功能，十字包如图2中A和B所示。

图2 主、从动轴端万向节结构优化

2.3 控制系统升级

主传动检测装置（2-06）与轴承座（1-01）振动传感器联动，采样频率≥10kHz，油润滑配管（2-03）设置流量监控点，单点注油量控制在15±2ml/min在平衡装置上安装振动传感器和压力传感器，实时监测设备的工作状态。

振动传感器（2-06）采样频率≥10kHz，与PLC联动实现实时调节。通过PLC控制系统实现平衡装置的自动调节，确保设备在不同负荷下的平衡效果。

2.4 调试与运行

上/下平衡杠杆（1-02/1-03）与液压缸（1-04/1-05）的联动，在安装完成后，进行系统调试，确保平衡装置的控制系统能够正常工作。通过实际生产测试，验证平衡装置的承载能力和稳定性。

3. 优化后性能分析

3.1 仿真分析

3.1.1 静力学性能

通过 ABAQUS 建立优化后平衡装置的三维模型，施加 12MN 轴向力进行仿真，结果显示：缸体最大应力为 166MPa（较优化前降低 23.6%），活塞杆应力分布均匀，最大应力 182MPa，均处于材料安全范围内；整体变形量≤0.25mm，满足密封与导向精度要求。

3.1.2 动力学性能

采用 ADAMS 进行多体动力学仿真，模拟 15Hz 冲击载荷下的动态响应，优化后装置的振动幅值从 0.12mm 降至 0.07mm（减少 41.3%），振动加速度峰值从 15g 降至 8g，共振频率避开轧制冲击频率（10-15Hz），动态稳定性显著提升。

3.2 现场试验验证

在 1780 热轧粗轧机组进行为期 3 个月的对比试验，优化前后关键性能指标如表1所示。

表1 优化前后关键性能指标

试验期间，优化后的平衡装置未发生泄漏、卡阻等故障，轧机换辊周期内（15 天）轧制带钢的板形精度（凸度）标准差从 0.08mm 降至 0.04mm，验证了优化方案的有效性。

5. 结论

本文针对 1780 热轧粗轧主传动平衡装置在高负荷工况下的性能瓶颈，通过结构强化、材料升级与控制优化，形成了以下完整的改进方案：

（1）优化后的平衡装置结构刚度提升 40% 以上，最大应力降低 23.6%，有效解决了高负荷下的变形问题；

（2）高频响液压控制与负载预测算法的结合，使动态平衡误差控制在 ±2% 以内，振动幅值减少 41.3%，动态稳定性显著改善；

（3）关键部件寿命延长 2-5 倍，机组运维成本降低 30%，具有显著的工程应用价值。

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