液压凿岩机的设计及故障处理

摘 要：以Atlas COP 1132液压凿岩机为研究对象，通过对其凿岩结构及工作原理的分析，总结了液压凿岩机的各类故障。

关键词：液压凿岩机;结构特点;工作原理;液压设计;故障处理

1 工程简介

广西桂中治旱工程TBM施工段采用罗宾斯制造的开敞式TBM设备掘进，TBM设备采用Atlas Copco公司生产的液压凿岩机2台，液压凿岩机是TBM设备在掘进工艺过程中的主要环节，一旦出现故障，将会导致TBM整个设备的停机，严重影响施工进度。因此，熟练掌握液压凿岩机故障处理方法尤为必要。

2 液压凿岩机的技术要点

2.1    液壓凿岩机的结构

液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、润滑机构、水-气部分等组成，凿岩机的破岩过程是在推进部分、冲击部分、旋转部分、冲洗部分、润滑部分及缓冲部分的共同作用下，达到快速破碎岩石的效果。

2.2    液压凿岩机的工作原理

Atlas COP 1132液压凿岩机的工作原理：冲击部分是活塞前腔恒高压式，活塞后腔回油并有配油阀的结构。由于活塞前腔是恒定高压，所以推动活塞往后部移动，当活塞向后移动，液压油运动到配油阀的推阀腔，推动配油阀芯改变位置，把高压油切换到活塞的后腔，吸收活塞回程的运动能量。当活塞继续后退到速度等于零的位置，因活塞后腔高压油形成的轴向推力大于活塞前腔恒高压条件下的面积差的轴向力，活塞开始向前运动进入冲程，在活塞打击钎尾之前，活塞上的泄压槽把低压回油路与配油阀孔道接通，使得配油阀的推阀腔快速失压，于是配油阀交变复位，切断了向活塞后腔供油，同时把低压回油路与活塞后腔接通，使活塞后腔失压。因这时的活塞冲程能量最大，所以虽然活塞前腔恒高压开始吸收冲击能量，但活塞仍然靠惯性向前高速运动，快速击打钎尾，随后进入回程进行下一个工作循环，如此循环对钎尾进行冲击。

液压凿岩机的工作可分为4个阶段：后退—后退换向—冲击—冲击换向，它们之间在液压油压的作用下随着配油阀与冲击活塞位置的改变而改变。

3 液压凿岩机液压系统设计

凿岩机液压控制系统主要由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、电气元件等组成。液压凿岩机在具体操作过程中，由动力元件提供动力，由各电气元件对各执行元件提供工作信号，各控制元件、辅助元件在共同作用下控制执行元件按照既定要求工作。

3.1    配油阀行程的设计计算

在凿岩机工作过程中，配油阀在油压的作用下，改变冲击活塞的方向，从而达到冲击工作的效果。配油阀由阀体和阀芯组成，当配油阀工作时，在左位和右位停顿时能量损失可分为以下3个部分：

3.1.1    泄漏损失

由流体力学可知，环形缝隙上因泄漏引起的功率损失为：

式中：Δp为环形缝隙两侧的压力差;μ为油液的动力粘度;l为封油长度;d为封油段公称直径;δ为环形缝隙间隙;ε为相对偏心比。

配油阀在结构上一般都制造成对称型式，在阀芯处于左位与右位时，其泄漏的流量是对等的，由此可知，阀芯在右位时的泄漏损失为：

阀芯运动行程可表示为：

SV=2Δ+y（3）

式中：y为负开口量。

即在一个周期内，配油阀因泄漏造成的能量损失为：

3.1.2    阀口压力损失

无论阀芯处于左位还是右位，在阀的进油开口处总有高压油流过。油流经阀口的压力损失为：

式中：ρ为油液密度;Cd为流量系数;Qv为流量。

如果不考虑泄漏的影响，当活塞回程加速时，阀芯处于左位，流经流量阀的流量为：

当活塞回程制动时，阀芯处于右位，阀口的流量为：

当活塞冲程加速时，阀芯处于右位，阀口的流量为：

则高压油流经阀口损失为：

3.1.3    阀芯运动油耗损失

凿岩机的冲击主要靠配油阀的换向使冲击活塞交变动作而工作，配油阀阀芯动作所消耗的液压油压是必须存在的，但其对于凿岩机液压系统工作而言却是一种损耗。在活塞的一个运动周期内，阀芯每换向一次消耗的液压油体积为：

Vuv=2（A5+A6）SV（10）

即一个周期内，阀芯运动所消耗的能量为：

综上所述，每一个周期配油阀的能量损失为：

E=Ev1+Ev2+Ev3（12）

将式（4）（9）（11）分别代入式（12）中，并令=0，可知：

解方程式可知配油阀能量损失最小的阀芯运动行程。

由流体力学可求得配油阀的稳态液动力：

式中：Qv为通过配油阀回油口的流量;Cv为流速系数;θ为阀口处的液流角。

由式（4）可知，配油阀在冲击工作换向前的临界值时，阀芯两端压力值相等，阀芯所受的液压压力为：

FV=（p-p0）A5-F（15）

由此可知，若是阀芯定位稳定，需使：

（p-p0）A5-F≥0（16）

将安全系数ξ引入式（15），按照阀口最大流量考虑，可知：

由此可知，式（12）（16）可求出满足各自条件的阀芯运动行程。配油阀的设计合理性能减少能量损失，提升钻孔效率。

3.2    蓄能器设计计算

Atlas COP 1132液压凿岩机配置2个蓄能器，分别为缓冲蓄能器和进口蓄能器。缓冲蓄能器能够吸收钻杆通过岩壁传递过来的反作用力，充氮压力值为1 MPa;进口蓄能器能够在钻机工作过程中，吸收来自油泵的压力峰值，对油泵、液压管路、凿岩机各元件都起到一个很好的保护作用。下面从4个方面对蓄能器的设计进行说明：

（1）在活塞回程加速阶段，蓄能器的充油量为：

式中：Q为液压泵额定流量;Qrmax为活塞前腔峰值流量。

（2）在活塞回程加速阶段末期，蓄能器的排油量为：

式中：v为配油阀回程换向时的油液消耗量。

（3）在活塞回程制动阶段以及冲程加速阶段初期，蓄能器的充油量为：

4）在活塞冲程加速阶段后期，蓄能器的排油量为：

式中：Vsv為配油阀换向时的油液消耗量;Qsmax为冲击活塞做功时，后腔的最大流量。

在活塞的每个周期内，蓄能器的进、回油量应相等，则有：

代入求解可知：

实际施工过程中，蓄能器的进、回油是交替产生的，因此，在每次循环中，蓄能器的最大容积变化应是上述4项值中的最大值，则蓄能器的工作容积为：

ΔV=（Vi）max（24）

式中：i取值范围是1～4。

在实际工作中，凿岩机冲击频率很高，导致蓄能器体积和压力较大，根据范德瓦尔斯定律可知：

Phvhn=const（25）

在实际工作中，一般情况下，蓄能器会设计成在工作状态下偏离距离相等。在蓄能器最大和最小压力情况下，则有：

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

则蓄能器的充气容积为：

式中：r为最大、最小压力比。

可推导：

PhoVhon=P（0.5Vho）n（28）

蓄能器充气压力为：

式中：P为蓄能器隔膜处于中间位置的压力。

4 液压凿岩机故障处理

液压凿岩机的失效形式主要有以下几种：

4.1    冲击软管振动异常

在施工过程中，工作人员发现液压凿岩机钻进速度缓慢且冲击软管振动异常，经检查后发现，进口蓄能器隔膜已破损失效，经后续调整充氮值后恢复正常。初步分析其原因为进口蓄能器失效后，凿岩机在工作过程中无法吸收因各种情况产生的液压油压峰值，从而产生此类故障。

4.2    冲击无动作

在施工过程中，凿岩机冲击无动作，经拆解发现冲击活塞导承区域损坏，发生此种故障有以下几种原因：（1）液压油受到污染;（2）侧螺栓损坏或拧紧力不均;（3）啮合面腐蚀，或者啮合面之间积攒的脏污引起轴向不对中;（4）缸体与活塞导向套之间存在污染物导致对中不好;（5）密封室和后端盖或活塞导套中有污染物导致对中不好;（6）后端盖螺栓拧紧力不均。经检查发现油液呈乳白色，工作人员通过进一步排查发现该现象是冲击活塞密封失效所致，修复后，工作正常。

4.3    钻杆旋转较慢

施工过程中，在钻杆未接触岩石时，钻杆旋转较慢;当钻杆接触岩石时，钻杆无旋转动作。发生此种故障有以下几种原因：（1）液压马达故障;（2）驱动套损坏;（3）齿轮箱轴承及传动齿失效。经拆解发现，驱动套磨损超出规定值，每齿最小不小于2 mm，经修复后恢复正常。

5 结语

随着我国各行业的快速发展，液压凿岩机在工程领域中的优势已逐步体现出来，大幅提高了施工效率。

液压凿岩机在该工程的维修报验过程中，工作人员通过对各种故障的分析统计，积累了相关经验，由此建立了一套完整的液压凿岩机维修技术与工艺流程，为未来类似工程施工提供了必要的技术参数和新的解决思路。

[参考文献]

[1] 何雄彬.HD135A和COP1238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理[J].广东水利水电，2001（z2）：57-58.

[2] 王凯明.液压凿岩机工作原理及常见故障处理[J].科技与企业，2014（9）：192.

收稿日期：2021-01-04

作者简介：胡江涛（1988—），男，湖北监利人，工程师，研究方向：液压凿岩机技术。