液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)及故障處理

摘 要：以Atlas COP 1132液壓鑿巖機(jī)為研究對象，通過對其鑿巖結(jié)構(gòu)及工作原理的分析，總結(jié)了液壓鑿巖機(jī)的各類故障。

關(guān)鍵詞：液壓鑿巖機(jī);結(jié)構(gòu)特點(diǎn);工作原理;液壓設(shè)計(jì);故障處理

1 工程簡介

廣西桂中治旱工程TBM施工段采用羅賓斯制造的開敞式TBM設(shè)備掘進(jìn)，TBM設(shè)備采用Atlas Copco公司生產(chǎn)的液壓鑿巖機(jī)2臺，液壓鑿巖機(jī)是TBM設(shè)備在掘進(jìn)工藝過程中的主要環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致TBM整個(gè)設(shè)備的停機(jī)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。因此，熟練掌握液壓鑿巖機(jī)故障處理方法尤為必要。

2 液壓鑿巖機(jī)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1? ? 液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)

液壓鑿巖機(jī)主要由沖擊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、潤滑機(jī)構(gòu)、水-氣部分等組成，鑿巖機(jī)的破巖過程是在推進(jìn)部分、沖擊部分、旋轉(zhuǎn)部分、沖洗部分、潤滑部分及緩沖部分的共同作用下，達(dá)到快速破碎巖石的效果。

2.2? ? 液壓鑿巖機(jī)的工作原理

Atlas COP 1132液壓鑿巖機(jī)的工作原理：沖擊部分是活塞前腔恒高壓式，活塞后腔回油并有配油閥的結(jié)構(gòu)。由于活塞前腔是恒定高壓，所以推動活塞往后部移動，當(dāng)活塞向后移動，液壓油運(yùn)動到配油閥的推閥腔，推動配油閥芯改變位置，把高壓油切換到活塞的后腔，吸收活塞回程的運(yùn)動能量。當(dāng)活塞繼續(xù)后退到速度等于零的位置，因活塞后腔高壓油形成的軸向推力大于活塞前腔恒高壓條件下的面積差的軸向力，活塞開始向前運(yùn)動進(jìn)入沖程，在活塞打擊釬尾之前，活塞上的泄壓槽把低壓回油路與配油閥孔道接通，使得配油閥的推閥腔快速失壓，于是配油閥交變復(fù)位，切斷了向活塞后腔供油，同時(shí)把低壓回油路與活塞后腔接通，使活塞后腔失壓。因這時(shí)的活塞沖程能量最大，所以雖然活塞前腔恒高壓開始吸收沖擊能量，但活塞仍然靠慣性向前高速運(yùn)動，快速擊打釬尾，隨后進(jìn)入回程進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)，如此循環(huán)對釬尾進(jìn)行沖擊。

液壓鑿巖機(jī)的工作可分為4個(gè)階段：后退—后退換向—沖擊—沖擊換向，它們之間在液壓油壓的作用下隨著配油閥與沖擊活塞位置的改變而改變。

3 液壓鑿巖機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑿巖機(jī)液壓控制系統(tǒng)主要由動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件、電氣元件等組成。液壓鑿巖機(jī)在具體操作過程中，由動力元件提供動力，由各電氣元件對各執(zhí)行元件提供工作信號，各控制元件、輔助元件在共同作用下控制執(zhí)行元件按照既定要求工作。

3.1? ? 配油閥行程的設(shè)計(jì)計(jì)算

在鑿巖機(jī)工作過程中，配油閥在油壓的作用下，改變沖擊活塞的方向，從而達(dá)到?jīng)_擊工作的效果。配油閥由閥體和閥芯組成，當(dāng)配油閥工作時(shí)，在左位和右位停頓時(shí)能量損失可分為以下3個(gè)部分：

3.1.1? ? 泄漏損失

由流體力學(xué)可知，環(huán)形縫隙上因泄漏引起的功率損失為：

式中：Δp為環(huán)形縫隙兩側(cè)的壓力差;μ為油液的動力粘度;l為封油長度;d為封油段公稱直徑;δ為環(huán)形縫隙間隙;ε為相對偏心比。

配油閥在結(jié)構(gòu)上一般都制造成對稱型式，在閥芯處于左位與右位時(shí)，其泄漏的流量是對等的，由此可知，閥芯在右位時(shí)的泄漏損失為：

閥芯運(yùn)動行程可表示為：

SV=2Δ+y（3）

式中：y為負(fù)開口量。

即在一個(gè)周期內(nèi)，配油閥因泄漏造成的能量損失為：

3.1.2? ? 閥口壓力損失

無論閥芯處于左位還是右位，在閥的進(jìn)油開口處總有高壓油流過。油流經(jīng)閥口的壓力損失為：

式中：ρ為油液密度;Cd為流量系數(shù);Qv為流量。

如果不考慮泄漏的影響，當(dāng)活塞回程加速時(shí)，閥芯處于左位，流經(jīng)流量閥的流量為：

當(dāng)活塞回程制動時(shí)，閥芯處于右位，閥口的流量為：

當(dāng)活塞沖程加速時(shí)，閥芯處于右位，閥口的流量為：

則高壓油流經(jīng)閥口損失為：

3.1.3? ? 閥芯運(yùn)動油耗損失

鑿巖機(jī)的沖擊主要靠配油閥的換向使沖擊活塞交變動作而工作，配油閥閥芯動作所消耗的液壓油壓是必須存在的，但其對于鑿巖機(jī)液壓系統(tǒng)工作而言卻是一種損耗。在活塞的一個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)，閥芯每換向一次消耗的液壓油體積為：

Vuv=2（A5+A6）SV（10）

即一個(gè)周期內(nèi)，閥芯運(yùn)動所消耗的能量為：

綜上所述，每一個(gè)周期配油閥的能量損失為：

E=Ev1+Ev2+Ev3（12）

將式（4）（9）（11）分別代入式（12）中，并令=0，可知：

解方程式可知配油閥能量損失最小的閥芯運(yùn)動行程。

由流體力學(xué)可求得配油閥的穩(wěn)態(tài)液動力：

式中：Qv為通過配油閥回油口的流量;Cv為流速系數(shù);θ為閥口處的液流角。

由式（4）可知，配油閥在沖擊工作換向前的臨界值時(shí)，閥芯兩端壓力值相等，閥芯所受的液壓壓力為：

FV=（p-p0）A5-F（15）

由此可知，若是閥芯定位穩(wěn)定，需使：

（p-p0）A5-F≥0（16）

將安全系數(shù)ξ引入式（15），按照閥口最大流量考慮，可知：

由此可知，式（12）（16）可求出滿足各自條件的閥芯運(yùn)動行程。配油閥的設(shè)計(jì)合理性能減少能量損失，提升鉆孔效率。

3.2? ? 蓄能器設(shè)計(jì)計(jì)算

Atlas COP 1132液壓鑿巖機(jī)配置2個(gè)蓄能器，分別為緩沖蓄能器和進(jìn)口蓄能器。緩沖蓄能器能夠吸收鉆桿通過巖壁傳遞過來的反作用力，充氮壓力值為1 MPa;進(jìn)口蓄能器能夠在鉆機(jī)工作過程中，吸收來自油泵的壓力峰值，對油泵、液壓管路、鑿巖機(jī)各元件都起到一個(gè)很好的保護(hù)作用。下面從4個(gè)方面對蓄能器的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明：

（1）在活塞回程加速階段，蓄能器的充油量為：

式中：Q為液壓泵額定流量;Qrmax為活塞前腔峰值流量。

（2）在活塞回程加速階段末期，蓄能器的排油量為：

式中：v為配油閥回程換向時(shí)的油液消耗量。

（3）在活塞回程制動階段以及沖程加速階段初期，蓄能器的充油量為：

4）在活塞沖程加速階段后期，蓄能器的排油量為：

式中：Vsv為配油閥換向時(shí)的油液消耗量;Qsmax為沖擊活塞做功時(shí)，后腔的最大流量。

在活塞的每個(gè)周期內(nèi)，蓄能器的進(jìn)、回油量應(yīng)相等，則有：

代入求解可知：

實(shí)際施工過程中，蓄能器的進(jìn)、回油是交替產(chǎn)生的，因此，在每次循環(huán)中，蓄能器的最大容積變化應(yīng)是上述4項(xiàng)值中的最大值，則蓄能器的工作容積為：

ΔV=（Vi）max（24）

式中：i取值范圍是1～4。

在實(shí)際工作中，鑿巖機(jī)沖擊頻率很高，導(dǎo)致蓄能器體積和壓力較大，根據(jù)范德瓦爾斯定律可知：

Phvhn=const（25）

在實(shí)際工作中，一般情況下，蓄能器會設(shè)計(jì)成在工作狀態(tài)下偏離距離相等。在蓄能器最大和最小壓力情況下，則有：

max（0.5ho-0.5ΔV）=Phmin（0.5ho+0.5ΔV）（26）

則蓄能器的充氣容積為：

式中：r為最大、最小壓力比。

可推導(dǎo)：

PhoVhon=P（0.5Vho）n（28）

蓄能器充氣壓力為：

式中：P為蓄能器隔膜處于中間位置的壓力。

4 液壓鑿巖機(jī)故障處理

液壓鑿巖機(jī)的失效形式主要有以下幾種：

4.1? ? 沖擊軟管振動異常

在施工過程中，工作人員發(fā)現(xiàn)液壓鑿巖機(jī)鉆進(jìn)速度緩慢且沖擊軟管振動異常，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口蓄能器隔膜已破損失效，經(jīng)后續(xù)調(diào)整充氮值后恢復(fù)正常。初步分析其原因?yàn)檫M(jìn)口蓄能器失效后，鑿巖機(jī)在工作過程中無法吸收因各種情況產(chǎn)生的液壓油壓峰值，從而產(chǎn)生此類故障。

4.2? ? 沖擊無動作

在施工過程中，鑿巖機(jī)沖擊無動作，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)沖擊活塞導(dǎo)承區(qū)域損壞，發(fā)生此種故障有以下幾種原因：（1）液壓油受到污染;（2）側(cè)螺栓損壞或擰緊力不均;（3）嚙合面腐蝕，或者嚙合面之間積攢的臟污引起軸向不對中;（4）缸體與活塞導(dǎo)向套之間存在污染物導(dǎo)致對中不好;（5）密封室和后端蓋或活塞導(dǎo)套中有污染物導(dǎo)致對中不好;（6）后端蓋螺栓擰緊力不均。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)油液呈乳白色，工作人員通過進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是沖擊活塞密封失效所致，修復(fù)后，工作正常。

4.3? ? 鉆桿旋轉(zhuǎn)較慢

施工過程中，在鉆桿未接觸巖石時(shí)，鉆桿旋轉(zhuǎn)較慢;當(dāng)鉆桿接觸巖石時(shí)，鉆桿無旋轉(zhuǎn)動作。發(fā)生此種故障有以下幾種原因：（1）液壓馬達(dá)故障;（2）驅(qū)動套損壞;（3）齒輪箱軸承及傳動齒失效。經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動套磨損超出規(guī)定值，每齒最小不小于2 mm，經(jīng)修復(fù)后恢復(fù)正常。

5 結(jié)語

隨著我國各行業(yè)的快速發(fā)展，液壓鑿巖機(jī)在工程領(lǐng)域中的優(yōu)勢已逐步體現(xiàn)出來，大幅提高了施工效率。

液壓鑿巖機(jī)在該工程的維修報(bào)驗(yàn)過程中，工作人員通過對各種故障的分析統(tǒng)計(jì)，積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，由此建立了一套完整的液壓鑿巖機(jī)維修技術(shù)與工藝流程，為未來類似工程施工提供了必要的技術(shù)參數(shù)和新的解決思路。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 王凱明.液壓鑿巖機(jī)工作原理及常見故障處理[J].科技與企業(yè)，2014（9）：192.

收稿日期：2021-01-04

作者簡介：胡江濤（1988—），男，湖北監(jiān)利人，工程師，研究方向：液壓鑿巖機(jī)技術(shù)。