液壓鑿巖機的設計及故障處理

摘 要：以Atlas COP 1132液壓鑿巖機為研究對象，通過對其鑿巖結構及工作原理的分析，總結了液壓鑿巖機的各類故障。

關鍵詞：液壓鑿巖機;結構特點;工作原理;液壓設計;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設備掘進，TBM設備采用Atlas Copco公司生產的液壓鑿巖機2臺，液壓鑿巖機是TBM設備在掘進工藝過程中的主要環節，一旦出現故障，將會導致TBM整個設備的停機，嚴重影響施工進度。因此，熟練掌握液壓鑿巖機故障處理方法尤為必要。

2 液壓鑿巖機的技術要點

2.1? ? 液壓鑿巖機的結構

液壓鑿巖機主要由沖擊機構、回轉機構、潤滑機構、水-氣部分等組成，鑿巖機的破巖過程是在推進部分、沖擊部分、旋轉部分、沖洗部分、潤滑部分及緩沖部分的共同作用下，達到快速破碎巖石的效果。

2.2? ? 液壓鑿巖機的工作原理

Atlas COP 1132液壓鑿巖機的工作原理：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構。由于活塞前腔是恒定高壓，所以推動活塞往后部移動，當活塞向后移動，液壓油運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，吸收活塞回程的運動能量。當活塞繼續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，活塞開始向前運動進入沖程，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，于是配油閥交變復位，切斷了向活塞后腔供油，同時把低壓回油路與活塞后腔接通，使活塞后腔失壓。因這時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動，快速擊打釬尾，隨后進入回程進行下一個工作循環，如此循環對釬尾進行沖擊。

液壓鑿巖機的工作可分為4個階段：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 液壓鑿巖機液壓系統設計

鑿巖機液壓控制系統主要由動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件、電氣元件等組成。液壓鑿巖機在具體操作過程中，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行元件按照既定要求工作。

3.1? ? 配油閥行程的設計計算

在鑿巖機工作過程中，配油閥在油壓的作用下，改變沖擊活塞的方向，從而達到沖擊工作的效果。配油閥由閥體和閥芯組成，當配油閥工作時，在左位和右位停頓時能量損失可分為以下3個部分：

3.1.1? ? 泄漏損失

由流體力學可知，環形縫隙上因泄漏引起的功率損失為：

式中：Δp為環形縫隙兩側的壓力差;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為環形縫隙間隙;ε為相對偏心比。

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

閥芯運動行程可表示為：

SV=2Δ+y（3）

式中：y為負開口量。

即在一個周期內，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，在閥的進油開口處總有高壓油流過。油流經閥口的壓力損失為：

式中：ρ為油液密度;Cd為流量系數;Qv為流量。

如果不考慮泄漏的影響，當活塞回程加速時，閥芯處于左位，流經流量閥的流量為：

當活塞回程制動時，閥芯處于右位，閥口的流量為：

當活塞沖程加速時，閥芯處于右位，閥口的流量為：

則高壓油流經閥口損失為：

3.1.3? ? 閥芯運動油耗損失

鑿巖機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，但其對于鑿巖機液壓系統工作而言卻是一種損耗。在活塞的一個運動周期內，閥芯每換向一次消耗的液壓油體積為：

Vuv=2（A5+A6）SV（10）

即一個周期內，閥芯運動所消耗的能量為：

綜上所述，每一個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動行程。

由流體力學可求得配油閥的穩態液動力：

式中：Qv為通過配油閥回油口的流量;Cv為流速系數;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，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，若是閥芯定位穩定，需使：

（p-p0）A5-F≥0（16）

將安全系數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動行程。配油閥的設計合理性能減少能量損失，提升鉆孔效率。

3.2? ? 蓄能器設計計算

Atlas COP 1132液壓鑿巖機配置2個蓄能器，分別為緩沖蓄能器和進口蓄能器。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;進口蓄能器能夠在鉆機工作過程中，吸收來自油泵的壓力峰值，對油泵、液壓管路、鑿巖機各元件都起到一個很好的保護作用。下面從4個方面對蓄能器的設計進行說明：

（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為配油閥換向時的油液消耗量;Qsmax為沖擊活塞做功時，后腔的最大流量。

在活塞的每個周期內，蓄能器的進、回油量應相等，則有：

代入求解可知：

實際施工過程中，蓄能器的進、回油是交替產生的，因此，在每次循環中，蓄能器的最大容積變化應是上述4項值中的最大值，則蓄能器的工作容積為：

ΔV=（Vi）max（24）

式中：i取值范圍是1～4。

在實際工作中，鑿巖機沖擊頻率很高，導致蓄能器體積和壓力較大，根據范德瓦爾斯定律可知：

Phvhn=const（25）

在實際工作中，一般情況下，蓄能器會設計成在工作狀態下偏離距離相等。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：

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 液壓鑿巖機故障處理

液壓鑿巖機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，工作人員發現液壓鑿巖機鉆進速度緩慢且沖擊軟管振動異常，經檢查后發現，進口蓄能器隔膜已破損失效，經后續調整充氮值后恢復正常。初步分析其原因為進口蓄能器失效后，鑿巖機在工作過程中無法吸收因各種情況產生的液壓油壓峰值，從而產生此類故障。

4.2? ? 沖擊無動作

在施工過程中，鑿巖機沖擊無動作，經拆解發現沖擊活塞導承區域損壞，發生此種故障有以下幾種原因：（1）液壓油受到污染;（2）側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）缸體與活塞導向套之間存在污染物導致對中不好;（5）密封室和后端蓋或活塞導套中有污染物導致對中不好;（6）后端蓋螺栓擰緊力不均。經檢查發現油液呈乳白色，工作人員通過進一步排查發現該現象是沖擊活塞密封失效所致，修復后，工作正常。

4.3? ? 鉆桿旋轉較慢

施工過程中，在鉆桿未接觸巖石時，鉆桿旋轉較慢;當鉆桿接觸巖石時，鉆桿無旋轉動作。發生此種故障有以下幾種原因：（1）液壓馬達故障;（2）驅動套損壞;（3）齒輪箱軸承及傳動齒失效。經拆解發現，驅動套磨損超出規定值，每齒最小不小于2 mm，經修復后恢復正常。

5 結語

隨著我國各行業的快速發展，液壓鑿巖機在工程領域中的優勢已逐步體現出來，大幅提高了施工效率。

液壓鑿巖機在該工程的維修報驗過程中，工作人員通過對各種故障的分析統計，積累了相關經驗，由此建立了一套完整的液壓鑿巖機維修技術與工藝流程，為未來類似工程施工提供了必要的技術參數和新的解決思路。

[參考文獻]

[1] 何雄彬.HD135A和COP1238ME型液壓鑿巖機工作原理及常見故障處理[J].廣東水利水電，2001（z2）：57-58.

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

收稿日期：2021-01-04

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