液压打桩锤减振环损坏机理及改造.pdf

液压打桩锤减振环损坏机理及改造 王克文 ， 程楷 ， 朱熙耕 ， 夏慈军。 1 ． 天津市精研工程机械传动有限公司； 2 ． 中国电子科技集团公司第 4 6 研究所 摘 要 阐述液压打桩锤工作原理及打桩锤减振环的作用， 针对液压打桩锤减振环存在 气体泄漏故障， 分析故障产生的原因是减振环环体材料硬度值偏低及密封瞬时承受高压， 提出 采用嵌套式改造方案 ， 成功解决了存在的问题， 并提高了使用的可靠性。 关键词 液压打桩锤 ； 减振环 ； 损坏 1 结构与工作原理 液压打桩锤是海洋石油开发 、 风电安装中的重 要施工机械 ， 由锤体 、 动力站、 液压绞车和电缆绞车 等几部分组成， 打桩锤的控制系统控制打桩锤锤芯 的起落， 完成打桩作业【” 。 某型液压打桩锤工作原理 如图 1 所示 。液压换向阀控制压力油进人液压缸有 杆腔，活塞杆带动锤芯快速沿着锤壳体向上移动； 当锤芯达到一定高度 ， 控制系统获得其位置信息后 控制液压换向阀换向 ， 压力油同时进入有杆腔和无 杆 腔中 ， 活塞杆带 动锤芯快速 向下移动 最 大速度 5 ．6 m ／ s 冲击砧铁， 冲击能通过砧铁传递到钢桩， 把 1 ． 液压缸2 ． 锤芯3 ． 锤壳体4 ． 减振环5 ． 砧铁 6 ． 钢桩 图1 液压打桩锤工作原理图 钢桩贯入地层中， 完成一次打击循环。其最大冲击 能量时的工作频率为 3 8 H z 。减振环是液压打桩锤 中重要的部件， 位于锤壳体与砧铁间， 其结构见图2 所示。环体周边均匀分布 1 8 个缓冲活塞， 活塞上方 是密闭氮气室。打桩作业 时， 钢桩 的反向作用力通 过砧铁作用在缓冲活塞上 ，压缩密 闭氮气 室的体 积。减振环吸收钢桩对打桩锤锤体各个零部件的冲 击 ， 因此减振环的好坏， 直接影响打桩锤的使用寿 命和使用成本。减振环主要的技术参数为 1 充气 压力 1 8 MP a ； 2 减振 环环体材料为 4 2 C r Mo ； 3 缓 冲活塞直径为 9 5 m m， 数量 1 8个 ； 4 缓 冲活塞最大 行程为 7 0mm。 1 ． 充气接头2 ． 密封3 ． 环体4 ． 缓冲活塞 图 2 减振环结构示意图 2 减振环失效分析 该液压打桩锤打桩作业锤击 2 O 万次后 ， 出现锤 体噪声明显变大、 锤体振动变强的现象。 通过检测发 现减振环 1 8 个密闭气室中的压力明显偏低。 在无负 荷状态下， 重新充气 4 h 后， 检测气室气体压力明显 作者简介 王克文 1 9 7 8 一 ， 男， 山东临清人， 工程师， 学士， 研究方向 液压系统研制与开发。 一 6 5 2 3 4 5 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 下降， 表明密闭气室气体泄漏。 由于密闭气室气体的 泄漏， 降低了减振环吸收冲击的能力， 因此出现锤体 噪声明显变大、 锤体振动变强的现象， 加剧锤体部分 的破坏， 最终导致打桩锤无法继续使用。 2 ． 1 AS ME S I M 软件仿真分析 液压打桩锤减振环活塞在质量为 5 4 5 0 k g ， 最 大行程为 1 3 0 m m自由落体冲击的工作状态下 ， 通 过 A S M E S I M软件仿真分析，减振环密闭气室及活 塞一次冲击循环的工作状态如图 3所示。仿真结果 表明， 减振环密闭气室内气体在 0 ．0 4 7 s 内压力和温 度达到峰值， 缓冲活塞在瞬间高压和较高温度的工 况下承受循环冲击 。 善 幽 ／ I 0 0 4 6 7 亡 ／ 、 I y 0 0 4 1 1 5 7 9 E ， 、 ／ 、 ， ＼ l ， ＼ l ， 、 I ， ● I - ● O 0 ． I 2 0． D 4 0 ． 0 6 0 ． D 8 0 ． 1 0 0 ． 时间 s 2 ／ I 0 0 4 6 7 仁 ， 、 l p 3 25 3 0 1 ， ＼ 、 I ／ 、 I ， ＼ I ／ ＼ I ’ l 、 n n 、 ， n I n n n n n 1n n 8 1 0 卜 l 0 0 4 6 7卜 _ _ ／ ＼ l T 9 3 5 5 3 3 卜 ， ， ＼ ／ 、 I ， ＼ l ， ＼l I ● 1 I ● 3 0 0 ， D 2 O． 0 4 0 ． O 6 0． 0 8 O ． 1 O 0． 2 时 I 司 ， s 图 3 减振环密闭气室及活塞一次冲击的工作状态 2 ． 2失效分析 对减振环进行解体 ，缓 冲活塞上安装 的 4道 密封唇 口有损伤 ，气室 内孔深处均有不 同程度 的 划痕 如 图 4所示 ， 经测量 ， 与密封 圈接触 的减振 一 6 6一 图 4 损伤后的环体气室内孔 环环体气室内孔壁有磨损 ， 密封运动区域尺寸公差 范围为 9 5 ． 3 0一 9 5 ． 4 5 m m， 大于其密封使用公差 范围 rP 9 5 H9 0 8 7 。密封采用宝色霞板公 司斯特封 ， 密封工作参数为 压力 8 0 M P a 、 温度 一 4 5 ～ 2 0 0℃、 运动速度 1 5 m ／ s ， 密封体硬度邵尔A 9 0 。 斯特封对密 封运动偶件要求 表面硬度不小于 4 5 H R C ， 表面粗 糙度 R a 0 ． 0 50 ． 2 0 。减振环环体材料为 4 2 C r Mo ， 经 检测 ， 内孔及环体的硬度为 1 9 5～2 2 0 HB ， 远低于技 术要求。 由于材料的硬度值偏低和密封 瞬时承受 高压 的工况 ， 经过一定使用周期后 ， 气 室内孔与密封相 对运动区域发生磨损， 密封与气室内孔壁的间隙加 大， 甚至为正常值的3 倍多， 在较大负载冲击下 ， 活 塞快速运动 ， 活塞 的中心线与气室 内孔 中心线难 以 保持在同一直线上， 造成缓冲活塞与环体气室内孔 壁金属间接触摩擦 ， 使环体气室 内孔壁划伤 ， 活塞 密封易损坏， 最终导致密闭气室中高压气体泄漏。 3 改造措施 因减振环体尺寸大， 结构复杂 ， 提高环体气室 内孔硬度非常 困难 ，因此采用嵌套式方 案进行改 造 ， 如图 5所示 。其技术方案步骤为 1 清洗干净减振环环体气室内孔壁。 2 在大型镗床上扩环体气室内孔， 由内径 9 5 mm， 长度 2 9 5 mm扩大至 cp1 0 5 mm， 深度为 2 7 0 m m。 3 制作 内径 9 5 m m， 外 径 1 0 5 m m嵌套 ， 材料选择 G C r l 5 ， 采用 氧氮化热处理技术 Q P Q技 术 ， 硬化层平均深度 0 ． 0 1 3 ～ 0 ． 0 1 5 m l n ， 热处理后表 1 ． 嵌套2 ． 环体 图5 嵌套结构示意图 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m