液压凿岩机冲击活塞及钎尾损坏原因分析

胡 赋

(宣化华泰矿冶机械有限公司，河北 宣化 075100)

0 引言

1970年法国蒙特贝(Montabert)公司研制出世界上首台液压凿岩机H50，堪称业界元老。但几十年来其品牌之路非常坎坷：1994年，被美国英格索兰(Ingersoll Rand)收购；2008年，英格索兰又将其出售给韩国斗山(Doosan)；2015年，韩国斗山将其出售给美国久益环球(Joy Globle)；2017年久益环球被日本小松 (Komatsu)整体收购。目前，蒙特贝属于日本小松的子公司小松矿业之下的一个独立品牌。

液压凿岩机(以下简称凿岩机)结构比较复杂、配合精度较高，其零部件失效原因相当复杂。本文主要介绍液压凿岩机冲击活塞及钎尾损坏的原因，为液压凿岩机使用操作者提供避免冲击活塞及钎尾损坏、提高冲击活塞与钎尾使用寿命的方法。

1 凿岩机概述

凿岩机主要由冲击部分(壳体、缸体、蓄能器、换向元件、冲击活塞、缓冲活塞)、回转部分(回转马达、驱动轴、齿轮室、主动齿轮、驱动齿轮、花键套、钎尾)和注水箱等组成。以法国蒙特贝H C系列凿岩机为例，其结构如图1所示。

图1 液压凿岩机结构

凿岩机作业时处于较为恶劣的环境中，岩石种类各异，地质条件变化万千，凿岩参数无论配置多么合理，液压系统保护无论多么完善，操作无论多么熟练，凿岩机零部件的损坏也在所难免。只要凿岩机开始工作，其冲击活塞就会与钎尾接触，发生高频往复运动或回转运动。

2 冲击活塞损坏原因分析

(1)冲击活塞端面损坏

a.机械损伤

活塞冲击端面机械损伤一般有如下4种情况：

一是活塞冲击端面发生局部变形。其原因是钎尾端部留有加工工艺用顶尖孔，冲击活塞与钎尾高频撞击，久而久之，就发生塑性变形，呈乳突状，如图2所示。

此时若使用同一厂家、同一规格钎尾继续使用，不会对冲击活塞造成更大伤害。若更换端面无顶尖孔的钎尾，将会造成冲击活塞上乳突严重变形，甚至破裂、掉落小金属块。若小金属块垫在活塞与钎尾之间，短时间内冲击活塞、钎尾、钎尾制动套即会爆裂，如图3所示。

二是钎尾材质或热处理硬度不合适。若钎尾硬度偏软，冲击过程中会造成钎尾变形，导致打击面不平整，出现线性接触，冲击活塞棱边金属掉落等现象；若钎尾硬度偏硬，冲击过程中钎尾会产生裂纹或金属脱落。

图2 冲击活塞端面塑性变形

图3 冲击活塞端面爆裂

三是凿岩机长时间空打。凿岩机长时间空打时，反弹冲击波会造成冲击活塞与钎尾产生大量热量，随之产生微裂纹。 微裂纹扩展到一定程度，将导致金属脱落。

四是钎尾偏斜或带入异物。钎尾偏斜或带入异物后，冲击活塞撞击钎尾时两接触面不平行。由于撞击时不是面撞面，而是线撞面，所以容易造成冲击活塞掉落金属小块。

避免上述现象发生措施如下：选用凿岩机生产厂或正规配套商生产的钎尾。操作过程中要尽量避免长时间空打，定期保养，确保钎尾与冲击活塞同轴。

b.腐蚀

若凿岩机接触到腐蚀性物质(气体或液体)，将使活塞外露表面受到腐蚀，金属表面生锈或脱落。 凿岩机高频高速冲击时会产生高热量，高热量会加速活塞外露表面腐蚀速度。

避免活塞外露表面腐蚀方法是防止水进入凿岩机内部，勤换水密封，冲渣不使用含硫磷较高、酸性较强的水。

(2)冲击活塞导承区损坏

H C系列凿岩机前导承区支撑在下缸体缓冲活塞上，后导承区支撑在后缸体上。导承区域最常见的失效现象有2种：一是与缓冲活塞接触面咬死，二是冲击活塞前段断裂。

在高频冲击波作用下，冲击活塞局部会产生微小的热裂纹。这些小热裂纹处出现更大的集中应力，便会发生疲劳断裂，如图4所示。

冲击活塞与缓冲活塞接触不良的原因有以下6种：一是冲击活塞前段异物侵入，细微颗粒物侵入冲击活塞与缓冲活塞配合面；二是液压油受到污染，污染物侵入冲击活塞与缓冲活塞配合面；三是推进力过大，导致缓冲活塞缓冲腔失效，缓冲活塞端面与缸体端面发生接触研磨；四是贯穿螺栓损坏或者拧紧力不均匀，造成冲击活塞与缸体或缓冲活塞不对中；五是各壳体端面不平整，造成贯穿螺栓紧固后冲击活塞与缸体或缓冲活塞对中性不好；六是缓冲活塞与缓冲活塞套之间存在污染物，导致冲击活塞与缓冲活塞不对中。

图4 冲击活塞断裂

为了避免上述现象发生，操作人员要定期维护保养，定期更换液压油及液压滤芯。保养时要保持各零部件表面干净，按规定拧紧螺栓力矩。值得提醒的是：若偶件中仅某单一零件磨损严重，要更换整体偶件。

(3)冲击活塞气蚀

若气蚀发生在活塞前后驱动区域(油液高低压交替区域)表面，呈现小麻点凹坑，基本不影响使用，但会影响使用寿命。若气蚀发生在冲击活塞端部撞击面，也基本不影响使用。若气蚀粗糙面发生在密封区域，将导致密封更换频繁、漏油严重。冲击活塞端面气蚀如图5所示。

高压蓄能器氮气压力过高，低压蓄能器氮气压力不足，以及蓄能器损坏造成油液脉动过大，均会加速冲击活塞气蚀。带液压反打机构的凿岩机(反打与缓冲共用油源机型)频繁进行反打，会引起缓冲腔油液脉动过大，导致冲击活塞缓冲区域气蚀。长时间在推进力低下情况作业，也可能导致冲击活塞缓冲区域发生气蚀。

图5 冲击活塞端面气蚀

3 钎尾损坏原因分析

钎尾失效形式多种多样，下面将按钎尾失效原因分类介绍。钎尾损坏位置标识如图6所示。

(1)花键前后凸台顶部磨损

若推进力过高，将导致花键后凸台顶部(见图6位置1)严重磨损，如图7所示。若提升钻杆时过度回转，将导致花键前凸台顶部(见图6位置4)严重磨损或断裂。

(2)钎尾花键端部碎边爆裂

图6 钎尾损坏位置标识

钎尾花键端部碎边、爆裂失效原因包括：钎尾制动套损坏，致使冲击偏向；冲击活塞损坏；更换钎尾时带入硬物，在冲击过程中局部应力加大导致钎尾花键端部(见图6位置2)碎边、蘑菇状爆裂。钎尾花键端部碎边如图8所示。

图7 花键后凸台顶磨损

(3)钎尾花键截面断裂

驱动齿轮内花键套磨损严重、缺少润滑、推进力调整不当、回转扭矩太大，以及超期使用钻头，均会导致钎尾花键断裂(见图6位置3)。

(4)钎尾花键齿部蚀损与磨伤

图8 钎尾花键端部碎边

钎尾花键齿部(见图6位置5)蚀损与磨伤原因如下：超期使用钻头；卡钻造成回转扭矩被动加大；齿轮室、钎尾花键、花键套、钎尾支撑套等部位缺少润滑；钎尾润滑油牌号不正确；推进力调整不当。

(5)水密封处磨出沟槽漏水

水密封功能是预防来自注水壳体的冲渣水泄漏至齿轮室或外泄漏。水密封外侧与润滑气雾接触，润滑气雾对水密封具有润滑、降温、除尘作用。水密封的位置在钎尾注水孔两侧，正常情况下，水密封唇边与钎尾外圆配合严密。

水密封多为聚氨脂材料，具有热缩性，若气雾润滑不足将使水密封过度紧抱钎尾，久而久之便造成水密封部位产生沟槽。钻凿上向孔时若钎尾支撑套孔径超差，将使矿渣颗粒落入前侧水密封外缘。此时若润滑气雾气压不足起不到防尘作用，同样会造成水密封部位(图6位置7)出现沟槽，如图9所示。

图9 水密封部位出现沟槽

(6)注水孔处疲劳断裂

钎尾注水孔处纵横孔道交叉，且交叉处呈直角，该处的应力相对集中，是钎尾强度较弱的地方。同时该处也是冲渣水必经之处，容易出现腐蚀。在钻孔作业过程中，钎尾注水孔处水压交变，易在其长孔处(图6位置8)产生气蚀，如图10所示。

图10 注水孔处产生气蚀、断裂

(7)导向支撑区磨损

导向支撑套偏向磨损或缺少润滑，将导致钎尾导向支撑区(见图6位置9)产生磨损。

(8)钎尾螺纹断裂

在不考虑钎尾材料与加工(包括热处理)方面因素时，钎尾螺纹断裂主要原因如下：

一是钻孔偏离、钻具不同心。若钎尾、连接套、钻杆三者之间不同心造成钻具变形，将导致产生应力集中，严重时会引起钎尾螺纹根部(见图6位置10)断裂。

二是推进压力过高。推进压力高，钻头转速降低，卡钻危险增加，螺纹承载扭矩加大，同时钎具弯曲应力增大。

三是回转压力过高。合理的回转压力不但可以预防卡钻，还保持连接套与钎尾、连接套与钻杆的紧度。回转压力过高，连接套拧紧度不够，往往造成连接套发热、螺纹表面(见图6位置11)剥落。

四是冲击压力过大。冲击压力过大，不仅直接影响回转速度与钻进凿岩效率，还将影响钎尾寿命，导致螺纹底部(见图6位置12)断裂。

(9)钎尾螺纹超常磨损

钎尾螺纹超常磨损主要原因如下：

一是推进压力过低。推进压力过低，会使凿岩穿孔效率降低。此外返弹冲击波还将使连接套与钎尾松动，引起较大应力，从而导致接杆套或钎尾螺纹(见图6位置14)超常磨损、疲劳破坏，如图11所示。推进压力不足的表现为钻具发热冒白烟、抖动，同时伴有金属撞击声音。

图11 钎尾螺纹超常磨损

二是使用方法不当。磨损严重的连接套若与新的钎尾配合使用或螺纹处缺少润滑，均会缩短钎尾的寿命。 螺纹拧紧力矩太大造成过度咬合，会造成钎尾早期损坏，如图12所示。

(10)钎尾螺纹端面碎裂

钻杆端部损坏继续使用，或钎尾端面与钻杆端面接触不良，均会造成钎尾螺纹末端(见图6位置13)碎裂。

图12 钎尾螺纹过度咬合

(11)钎尾螺纹端面严重气蚀

若螺栓松动引起钎尾与钻杆结合端面瞬间接触与分离，将导致排渣水进入钎尾和钻杆端面之间。此时若活塞以高频高速冲击钻杆，水中融入的气体会在两结合端面之间爆裂，从而使端面产生气蚀。

延长凿岩机钎尾使用寿命的秘诀，概括起来是“气雾润滑很重要，作业参数要精调。零件尺寸不超标，清洁工作要搞好”。 为避免冲击活塞与钎尾过早损坏，就要学会“一听二看三摸四测”。钻进作业时要合理调整冲击压力、推进压力等；定期加注润滑油，不使用超期钻头，及时更换超差花键套及钎尾支撑套；更换零件时要保证外表清洁，杜绝带入异物，同时避免新旧件搭配使用。