液壓鑿巖機(jī)沖擊活塞及釬尾損壞原因分析

胡 賦

(宣化華泰礦冶機(jī)械有限公司，河北 宣化 075100)

0 引言

1970年法國(guó)蒙特貝(Montabert)公司研制出世界上首臺(tái)液壓鑿巖機(jī)H50，堪稱(chēng)業(yè)界元老。但幾十年來(lái)其品牌之路非?？部溃?994年，被美國(guó)英格索蘭(Ingersoll Rand)收購(gòu)；2008年，英格索蘭又將其出售給韓國(guó)斗山(Doosan)；2015年，韓國(guó)斗山將其出售給美國(guó)久益環(huán)球(Joy Globle)；2017年久益環(huán)球被日本小松 (Komatsu)整體收購(gòu)。目前，蒙特貝屬于日本小松的子公司小松礦業(yè)之下的一個(gè)獨(dú)立品牌。

液壓鑿巖機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鑿巖機(jī))結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、配合精度較高，其零部件失效原因相當(dāng)復(fù)雜。本文主要介紹液壓鑿巖機(jī)沖擊活塞及釬尾損壞的原因，為液壓鑿巖機(jī)使用操作者提供避免沖擊活塞及釬尾損壞、提高沖擊活塞與釬尾使用壽命的方法。

1 鑿巖機(jī)概述

鑿巖機(jī)主要由沖擊部分(殼體、缸體、蓄能器、換向元件、沖擊活塞、緩沖活塞)、回轉(zhuǎn)部分(回轉(zhuǎn)馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)軸、齒輪室、主動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)齒輪、花鍵套、釬尾)和注水箱等組成。以法國(guó)蒙特貝H C系列鑿巖機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)

鑿巖機(jī)作業(yè)時(shí)處于較為惡劣的環(huán)境中，巖石種類(lèi)各異，地質(zhì)條件變化萬(wàn)千，鑿巖參數(shù)無(wú)論配置多么合理，液壓系統(tǒng)保護(hù)無(wú)論多么完善，操作無(wú)論多么熟練，鑿巖機(jī)零部件的損壞也在所難免。只要鑿巖機(jī)開(kāi)始工作，其沖擊活塞就會(huì)與釬尾接觸，發(fā)生高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 沖擊活塞損壞原因分析

(1)沖擊活塞端面損壞

a.機(jī)械損傷

活塞沖擊端面機(jī)械損傷一般有如下4種情況：

一是活塞沖擊端面發(fā)生局部變形。其原因是釬尾端部留有加工工藝用頂尖孔，沖擊活塞與釬尾高頻撞擊，久而久之，就發(fā)生塑性變形，呈乳突狀，如圖2所示。

此時(shí)若使用同一廠家、同一規(guī)格釬尾繼續(xù)使用，不會(huì)對(duì)沖擊活塞造成更大傷害。若更換端面無(wú)頂尖孔的釬尾，將會(huì)造成沖擊活塞上乳突嚴(yán)重變形，甚至破裂、掉落小金屬塊。若小金屬塊墊在活塞與釬尾之間，短時(shí)間內(nèi)沖擊活塞、釬尾、釬尾制動(dòng)套即會(huì)爆裂，如圖3所示。

二是釬尾材質(zhì)或熱處理硬度不合適。若釬尾硬度偏軟，沖擊過(guò)程中會(huì)造成釬尾變形，導(dǎo)致打擊面不平整，出現(xiàn)線性接觸，沖擊活塞棱邊金屬掉落等現(xiàn)象；若釬尾硬度偏硬，沖擊過(guò)程中釬尾會(huì)產(chǎn)生裂紋或金屬脫落。

圖2 沖擊活塞端面塑性變形

圖3 沖擊活塞端面爆裂

三是鑿巖機(jī)長(zhǎng)時(shí)間空打。鑿巖機(jī)長(zhǎng)時(shí)間空打時(shí)，反彈沖擊波會(huì)造成沖擊活塞與釬尾產(chǎn)生大量熱量，隨之產(chǎn)生微裂紋。 微裂紋擴(kuò)展到一定程度，將導(dǎo)致金屬脫落。

四是釬尾偏斜或帶入異物。釬尾偏斜或帶入異物后，沖擊活塞撞擊釬尾時(shí)兩接觸面不平行。由于撞擊時(shí)不是面撞面，而是線撞面，所以容易造成沖擊活塞掉落金屬小塊。

避免上述現(xiàn)象發(fā)生措施如下：選用鑿巖機(jī)生產(chǎn)廠或正規(guī)配套商生產(chǎn)的釬尾。操作過(guò)程中要盡量避免長(zhǎng)時(shí)間空打，定期保養(yǎng)，確保釬尾與沖擊活塞同軸。

b.腐蝕

若鑿巖機(jī)接觸到腐蝕性物質(zhì)(氣體或液體)，將使活塞外露表面受到腐蝕，金屬表面生銹或脫落。 鑿巖機(jī)高頻高速?zèng)_擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生高熱量，高熱量會(huì)加速活塞外露表面腐蝕速度。

避免活塞外露表面腐蝕方法是防止水進(jìn)入鑿巖機(jī)內(nèi)部，勤換水密封，沖渣不使用含硫磷較高、酸性較強(qiáng)的水。

(2)沖擊活塞導(dǎo)承區(qū)損壞

H C系列鑿巖機(jī)前導(dǎo)承區(qū)支撐在下缸體緩沖活塞上，后導(dǎo)承區(qū)支撐在后缸體上。導(dǎo)承區(qū)域最常見(jiàn)的失效現(xiàn)象有2種：一是與緩沖活塞接觸面咬死，二是沖擊活塞前段斷裂。

在高頻沖擊波作用下，沖擊活塞局部會(huì)產(chǎn)生微小的熱裂紋。這些小熱裂紋處出現(xiàn)更大的集中應(yīng)力，便會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，如圖4所示。

沖擊活塞與緩沖活塞接觸不良的原因有以下6種：一是沖擊活塞前段異物侵入，細(xì)微顆粒物侵入沖擊活塞與緩沖活塞配合面；二是液壓油受到污染，污染物侵入沖擊活塞與緩沖活塞配合面；三是推進(jìn)力過(guò)大，導(dǎo)致緩沖活塞緩沖腔失效，緩沖活塞端面與缸體端面發(fā)生接觸研磨；四是貫穿螺栓損壞或者擰緊力不均勻，造成沖擊活塞與缸體或緩沖活塞不對(duì)中；五是各殼體端面不平整，造成貫穿螺栓緊固后沖擊活塞與缸體或緩沖活塞對(duì)中性不好；六是緩沖活塞與緩沖活塞套之間存在污染物，導(dǎo)致沖擊活塞與緩沖活塞不對(duì)中。

圖4 沖擊活塞斷裂

為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生，操作人員要定期維護(hù)保養(yǎng)，定期更換液壓油及液壓濾芯。保養(yǎng)時(shí)要保持各零部件表面干凈，按規(guī)定擰緊螺栓力矩。值得提醒的是：若偶件中僅某單一零件磨損嚴(yán)重，要更換整體偶件。

(3)沖擊活塞氣蝕

若氣蝕發(fā)生在活塞前后驅(qū)動(dòng)區(qū)域(油液高低壓交替區(qū)域)表面，呈現(xiàn)小麻點(diǎn)凹坑，基本不影響使用，但會(huì)影響使用壽命。若氣蝕發(fā)生在沖擊活塞端部撞擊面，也基本不影響使用。若氣蝕粗糙面發(fā)生在密封區(qū)域，將導(dǎo)致密封更換頻繁、漏油嚴(yán)重。沖擊活塞端面氣蝕如圖5所示。

高壓蓄能器氮?dú)鈮毫^(guò)高，低壓蓄能器氮?dú)鈮毫Σ蛔?，以及蓄能器損壞造成油液脈動(dòng)過(guò)大，均會(huì)加速?zèng)_擊活塞氣蝕。帶液壓反打機(jī)構(gòu)的鑿巖機(jī)(反打與緩沖共用油源機(jī)型)頻繁進(jìn)行反打，會(huì)引起緩沖腔油液脈動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致沖擊活塞緩沖區(qū)域氣蝕。長(zhǎng)時(shí)間在推進(jìn)力低下情況作業(yè)，也可能導(dǎo)致沖擊活塞緩沖區(qū)域發(fā)生氣蝕。

圖5 沖擊活塞端面氣蝕

3 釬尾損壞原因分析

釬尾失效形式多種多樣，下面將按釬尾失效原因分類(lèi)介紹。釬尾損壞位置標(biāo)識(shí)如圖6所示。

(1)花鍵前后凸臺(tái)頂部磨損

若推進(jìn)力過(guò)高，將導(dǎo)致花鍵后凸臺(tái)頂部(見(jiàn)圖6位置1)嚴(yán)重磨損，如圖7所示。若提升鉆桿時(shí)過(guò)度回轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致花鍵前凸臺(tái)頂部(見(jiàn)圖6位置4)嚴(yán)重磨損或斷裂。

(2)釬尾花鍵端部碎邊爆裂

圖6 釬尾損壞位置標(biāo)識(shí)

釬尾花鍵端部碎邊、爆裂失效原因包括：釬尾制動(dòng)套損壞，致使沖擊偏向；沖擊活塞損壞；更換釬尾時(shí)帶入硬物，在沖擊過(guò)程中局部應(yīng)力加大導(dǎo)致釬尾花鍵端部(見(jiàn)圖6位置2)碎邊、蘑菇狀爆裂。釬尾花鍵端部碎邊如圖8所示。

圖7 花鍵后凸臺(tái)頂磨損

(3)釬尾花鍵截面斷裂

驅(qū)動(dòng)齒輪內(nèi)花鍵套磨損嚴(yán)重、缺少潤(rùn)滑、推進(jìn)力調(diào)整不當(dāng)、回轉(zhuǎn)扭矩太大，以及超期使用鉆頭，均會(huì)導(dǎo)致釬尾花鍵斷裂(見(jiàn)圖6位置3)。

(4)釬尾花鍵齒部蝕損與磨傷

圖8 釬尾花鍵端部碎邊

釬尾花鍵齒部(見(jiàn)圖6位置5)蝕損與磨傷原因如下：超期使用鉆頭；卡鉆造成回轉(zhuǎn)扭矩被動(dòng)加大；齒輪室、釬尾花鍵、花鍵套、釬尾支撐套等部位缺少潤(rùn)滑；釬尾潤(rùn)滑油牌號(hào)不正確；推進(jìn)力調(diào)整不當(dāng)。

(5)水密封處磨出溝槽漏水

水密封功能是預(yù)防來(lái)自注水殼體的沖渣水泄漏至齒輪室或外泄漏。水密封外側(cè)與潤(rùn)滑氣霧接觸，潤(rùn)滑氣霧對(duì)水密封具有潤(rùn)滑、降溫、除塵作用。水密封的位置在釬尾注水孔兩側(cè)，正常情況下，水密封唇邊與釬尾外圓配合嚴(yán)密。

水密封多為聚氨脂材料，具有熱縮性，若氣霧潤(rùn)滑不足將使水密封過(guò)度緊抱釬尾，久而久之便造成水密封部位產(chǎn)生溝槽。鉆鑿上向孔時(shí)若釬尾支撐套孔徑超差，將使礦渣顆粒落入前側(cè)水密封外緣。此時(shí)若潤(rùn)滑氣霧氣壓不足起不到防塵作用，同樣會(huì)造成水密封部位(圖6位置7)出現(xiàn)溝槽，如圖9所示。

圖9 水密封部位出現(xiàn)溝槽

(6)注水孔處疲勞斷裂

釬尾注水孔處縱橫孔道交叉，且交叉處呈直角，該處的應(yīng)力相對(duì)集中，是釬尾強(qiáng)度較弱的地方。同時(shí)該處也是沖渣水必經(jīng)之處，容易出現(xiàn)腐蝕。在鉆孔作業(yè)過(guò)程中，釬尾注水孔處水壓交變，易在其長(zhǎng)孔處(圖6位置8)產(chǎn)生氣蝕，如圖10所示。

圖10 注水孔處產(chǎn)生氣蝕、斷裂

(7)導(dǎo)向支撐區(qū)磨損

導(dǎo)向支撐套偏向磨損或缺少潤(rùn)滑，將導(dǎo)致釬尾導(dǎo)向支撐區(qū)(見(jiàn)圖6位置9)產(chǎn)生磨損。

(8)釬尾螺紋斷裂

在不考慮釬尾材料與加工(包括熱處理)方面因素時(shí)，釬尾螺紋斷裂主要原因如下：

一是鉆孔偏離、鉆具不同心。若釬尾、連接套、鉆桿三者之間不同心造成鉆具變形，將導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起釬尾螺紋根部(見(jiàn)圖6位置10)斷裂。

二是推進(jìn)壓力過(guò)高。推進(jìn)壓力高，鉆頭轉(zhuǎn)速降低，卡鉆危險(xiǎn)增加，螺紋承載扭矩加大，同時(shí)釬具彎曲應(yīng)力增大。

三是回轉(zhuǎn)壓力過(guò)高。合理的回轉(zhuǎn)壓力不但可以預(yù)防卡鉆，還保持連接套與釬尾、連接套與鉆桿的緊度?；剞D(zhuǎn)壓力過(guò)高，連接套擰緊度不夠，往往造成連接套發(fā)熱、螺紋表面(見(jiàn)圖6位置11)剝落。

四是沖擊壓力過(guò)大。沖擊壓力過(guò)大，不僅直接影響回轉(zhuǎn)速度與鉆進(jìn)鑿巖效率，還將影響釬尾壽命，導(dǎo)致螺紋底部(見(jiàn)圖6位置12)斷裂。

(9)釬尾螺紋超常磨損

釬尾螺紋超常磨損主要原因如下：

一是推進(jìn)壓力過(guò)低。推進(jìn)壓力過(guò)低，會(huì)使鑿巖穿孔效率降低。此外返彈沖擊波還將使連接套與釬尾松動(dòng)，引起較大應(yīng)力，從而導(dǎo)致接桿套或釬尾螺紋(見(jiàn)圖6位置14)超常磨損、疲勞破壞，如圖11所示。推進(jìn)壓力不足的表現(xiàn)為鉆具發(fā)熱冒白煙、抖動(dòng)，同時(shí)伴有金屬撞擊聲音。

圖11 釬尾螺紋超常磨損

二是使用方法不當(dāng)。磨損嚴(yán)重的連接套若與新的釬尾配合使用或螺紋處缺少潤(rùn)滑，均會(huì)縮短釬尾的壽命。 螺紋擰緊力矩太大造成過(guò)度咬合，會(huì)造成釬尾早期損壞，如圖12所示。

(10)釬尾螺紋端面碎裂

鉆桿端部損壞繼續(xù)使用，或釬尾端面與鉆桿端面接觸不良，均會(huì)造成釬尾螺紋末端(見(jiàn)圖6位置13)碎裂。

圖12 釬尾螺紋過(guò)度咬合

(11)釬尾螺紋端面嚴(yán)重氣蝕

若螺栓松動(dòng)引起釬尾與鉆桿結(jié)合端面瞬間接觸與分離，將導(dǎo)致排渣水進(jìn)入釬尾和鉆桿端面之間。此時(shí)若活塞以高頻高速?zèng)_擊鉆桿，水中融入的氣體會(huì)在兩結(jié)合端面之間爆裂，從而使端面產(chǎn)生氣蝕。

延長(zhǎng)鑿巖機(jī)釬尾使用壽命的秘訣，概括起來(lái)是“氣霧潤(rùn)滑很重要，作業(yè)參數(shù)要精調(diào)。零件尺寸不超標(biāo)，清潔工作要搞好”。 為避免沖擊活塞與釬尾過(guò)早損壞，就要學(xué)會(huì)“一聽(tīng)二看三摸四測(cè)”。鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)要合理調(diào)整沖擊壓力、推進(jìn)壓力等；定期加注潤(rùn)滑油，不使用超期鉆頭，及時(shí)更換超差花鍵套及釬尾支撐套；更換零件時(shí)要保證外表清潔，杜絕帶入異物，同時(shí)避免新舊件搭配使用。