郭沖  武繼權  張冀  李汝喜

（廣東廣青金屬壓延有限公司 廣東 陽江 529500)

摘要：1780 熱軋機組作為大型寬厚板軋制的核心設備，其粗軋工序承擔著大壓下量、高負荷的軋制任務，主傳動系統的穩定運行直接影響產品質量與生產效率。主傳動平衡裝置作為抵消軋制過程中軸向力、減少振動沖擊的關鍵部件，在高負荷工況下常因結構設計不合理導致磨損加劇、響應滯后等問題，制約機組性能提升。本文針對 1780 熱軋粗軋主傳動平衡裝置的工況特性，通過結構參數優化、材料性能改進及控制系統匹配，提出一套集成化優化方案?；谟邢拊抡媾c現場試驗，對比分析優化前后裝置的應力分布、動態響應及壽命周期，結果表明：優化后的主傳動軸和平衡裝置最大應力降低 23.6%，振動幅值減少 41.3%，有效提升了高負荷工況下的運行穩定性與可靠性。

關鍵詞：1780 熱軋機；粗軋主傳動；平衡裝置；高負荷工況；優化設計；性能分析

熱軋帶鋼生產中，1780mm 軋機因具備寬幅、高效的軋制能力，成為寬厚板生產的主力設備。粗軋作為軋制流程的關鍵環節，需完成坯料的大壓下量軋制（壓下率可達 60%-85%），主傳動系統承受巨大的扭矩、軸向力及沖擊載荷^[1-3]。主傳動平衡裝置的核心功能是通過液壓或機械補償，平衡軋輥軸向竄動產生的附加力，減少傳動部件如萬向軸、的偏載磨損，同時抑制軋制過程中的振動，保障軋機動態穩定性^[4-7]。在高負荷工況下，傳統平衡裝置存在三大突出問題：一是結構剛度不足，在瞬時沖擊載荷下易產生彈性變形，導致平衡精度下降；二是液壓控制系統響應滯后，無法實時匹配軋制力變化，造成動態失衡；三是關鍵部件（如平衡缸活塞、密封件、萬向節）因材料耐疲勞性不足，使用壽命縮短（平均壽命僅 6 -9個月），嚴重影響生產連續性^[8-11]。因此，針對 1780 熱軋粗軋主傳動和平衡裝置的優化設計，對提升機組重載性能、降低運維成本具有重要工程意義。本文結合 我司1780 軋機粗軋工序的實際工況參數（最大軋制力 43000KN，軋制速度 3-6m/s），從結構優化、材料升級、控制策略改進三方面構建優化方案，通過仿真與試驗驗證其性能提升效果，為同類設備的升級改造提供參考。

1 粗軋主傳動平衡裝置現狀與問題分析

1.1 裝置結構組成

我司1780 熱軋粗軋主傳動平衡裝置采用液壓式結構，主要由平衡缸（4 組對稱布置）、液壓控制系統（包括伺服閥、蓄能器、壓力傳感器）、機械導向機構及密封組件組成，其工作原理為：根據軋制力檢測信號，液壓系統實時調整平衡缸壓力，通過活塞桿推力平衡軋輥軸向力，導向機構限制徑向位移，確保軋輥軸線穩定。

1.2 高負荷工況參數特征

現場測試數據顯示，高負荷軋制時（如軋制 200mm 厚坯料），平衡裝置需承受的軸向力可達 8-12MN，且伴隨高頻沖擊（沖擊頻率 10-15Hz）；環境溫度波動大（30-40℃），液壓油黏度變化顯著；軋輥竄動量最大達 ±3mm，要求平衡裝置響應時間≤0.1s。

1.3 現存問題診斷

通過故障統計與性能測試，現有裝置的主要問題如下：
（1）結構剛度不足：平衡缸缸體采用 45# 鋼焊接結構，在 12MN 軸向力作用下，缸體法蘭處最大變形量達 0.8mm，導致密封件偏磨，泄漏率達 15%；
（2）動態響應滯后：伺服閥控制帶寬僅 100Hz，在 15Hz 沖擊載荷下，壓力調節滯后時間達 0.15s，動態平衡誤差超 ±5%；
（3）材料性能不足：活塞采用球墨鑄鐵（QT600），在循環載荷下出現疲勞裂紋，平均無故障運行時間（MTBF）僅 1200 小時；密封件采用丁腈橡膠，高溫下老化加速，密封壽命縮短至 8 個月。

2 平衡裝置優化設計方案

2.1 平衡裝置改造

將原有的傳動軸直徑1080mm平在衡裝置拆除，安裝直徑傳動軸萬向節1200mm的直徑平衡裝置。新平衡裝置采用高強度合金鋼制造，確保設備的強度和耐久性。

對平衡裝置的關鍵部件進行熱處理和表面硬化處理，提高設備的耐磨性和抗疲勞性能。萬向接軸（2-01）與平衡裝置（2-02）采用法蘭連接，螺栓組（3-22 M64×500）預緊力達850kN，軸承座（3-23）內裝調心滾子軸承，配合軸套（3-07）的間隙控制在0.08-0.12mm，如圖1所示。

圖1 平衡裝置改造

2.2 平衡裝置結構優化

在平衡裝置上增加支撐點和加強筋，提高設備的整體剛性和穩定性。采用上/下平衡杠桿與液壓缸的復合傳動，杠桿比優化為1:2.5，較傳統1:2結構提升20%力矩輸出。新增雙向鎖緊機構：由鎖緊桿與止位塊構成，采用45CrMo合金鋼，硬度HRC42-45平衡軸承座內嵌雙列圓錐滾子軸承，配合軸套實現軸向預緊，預緊力設定為額定載荷的15%，壓蓋采用迷宮密封+骨架油封雙重密封。通過有限元分析（FEA）對平衡裝置進行應力分析，確保設備在高負荷下的安全性和可靠性。當載荷超過額定值15%時，鎖油缸自動切斷油路，止位塊與鎖緊桿機械互鎖。

2.3 主、從動軸端萬向節結構優化

主、從動軸端萬向節采用整體軸承座式十字萬向節、十字包采用專用高強度螺栓與法蘭接頭預應力裝配，接軸平衡裝置整套新制，十字萬向節在原來1080mm的優化到1200mm錯開位置安裝，及保證和現有接軸的連接，保證上下接軸能夠互換；現場上軸承座整體利舊，利舊上軸承座不具備干油回收功能，十字包如圖2中A和B所示。

圖2 主、從動軸端萬向節結構優化

2.3 控制系統升級

主傳動檢測裝置（2-06）與軸承座（1-01）振動傳感器聯動，采樣頻率≥10kHz，油潤滑配管（2-03）設置流量監控點，單點注油量控制在15±2ml/min在平衡裝置上安裝振動傳感器和壓力傳感器，實時監測設備的工作狀態。

振動傳感器（2-06）采樣頻率≥10kHz，與PLC聯動實現實時調節。通過PLC控制系統實現平衡裝置的自動調節，確保設備在不同負荷下的平衡效果。

2.4 調試與運行

上/下平衡杠桿（1-02/1-03）與液壓缸（1-04/1-05）的聯動，在安裝完成后，進行系統調試，確保平衡裝置的控制系統能夠正常工作。通過實際生產測試，驗證平衡裝置的承載能力和穩定性。

3. 優化后性能分析

3.1 仿真分析

3.1.1 靜力學性能

通過 ABAQUS 建立優化后平衡裝置的三維模型，施加 12MN 軸向力進行仿真，結果顯示：缸體最大應力為 166MPa（較優化前降低 23.6%），活塞桿應力分布均勻，最大應力 182MPa，均處于材料安全范圍內；整體變形量≤0.25mm，滿足密封與導向精度要求。

3.1.2 動力學性能

采用 ADAMS 進行多體動力學仿真，模擬 15Hz 沖擊載荷下的動態響應，優化后裝置的振動幅值從 0.12mm 降至 0.07mm（減少 41.3%），振動加速度峰值從 15g 降至 8g，共振頻率避開軋制沖擊頻率（10-15Hz），動態穩定性顯著提升。

3.2 現場試驗驗證

在 1780 熱軋粗軋機組進行為期 3 個月的對比試驗，優化前后關鍵性能指標如表1所示。

表1 優化前后關鍵性能指標

試驗期間，優化后的平衡裝置未發生泄漏、卡阻等故障，軋機換輥周期內（15 天）軋制帶鋼的板形精度（凸度）標準差從 0.08mm 降至 0.04mm，驗證了優化方案的有效性。

5. 結論

本文針對 1780 熱軋粗軋主傳動平衡裝置在高負荷工況下的性能瓶頸，通過結構強化、材料升級與控制優化，形成了以下完整的改進方案：

（1）優化后的平衡裝置結構剛度提升 40% 以上，最大應力降低 23.6%，有效解決了高負荷下的變形問題；

（2）高頻響液壓控制與負載預測算法的結合，使動態平衡誤差控制在 ±2% 以內，振動幅值減少 41.3%，動態穩定性顯著改善；

（3）關鍵部件壽命延長 2-5 倍，機組運維成本降低 30%，具有顯著的工程應用價值。

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