Анализ причин поломок основных деталей гидравлического отбойного молотка

Гидравлический отбойный молоток — это оборудование для бурения скважин в горных породах, обладающее такими функциями, как удар, вращение, продвижение и промывка, и используемое для устройства буровых скважин или скважин под анкеры. Конструкция гидравлического отбойного молотка довольно сложна, поэтому причины поломки его деталей также достаточно разнообразны. В данной статье анализируются основные причины повреждений ключевых компонентов гидравлического отбойного молотка.

1. Трещина в торце накопителя энергии

Трещины, возникшие на торцевой крышке накопителя энергии, показаны на рис. 1; причины их появления можно разделить на следующие три аспекта:

Во-первых, метод проверки давления аккумулятора был неправильным. Проверку давления в аккумуляторе нельзя проводить слишком часто, так как это легко приводит к утечке азота из воздушного баллона аккумулятора. Эксплуатация аккумулятора при низком давлении заполнения приведёт к чрезмерному ударному воздействию гидравлической жидкости. Это воздействие может вызвать появление трещин на торцевой крышке аккумулятора.

Во-вторых, запорный азотный клапан не был заменён. При капитальном ремонте накопителя следует заменить запорный азотный клапан, так как в результате длительной и частой эксплуатации старый запорный азотный клапан приводит к износу его уплотнительных поверхностей. После износа уплотнительных поверхностей запорного азотного клапана может произойти утечка азота из газового баллона накопителя, что, в свою очередь, вызовет появление трещин на торцевой крышке накопителя.

В-третьих, слишком большой момент затяжки торцевой крышки накопителя энергии. Если не соблюдать указанный момент затяжки при закручивании торцевой крышки накопителя, это может привести к возникновению дополнительных внутренних напряжений, вызывая ранние трещины.

2. Промывная головка сломана

Промывочная головка изготовлена из высокопрочной коррозионностойкой стали; её задача — удерживать водяное уплотнение в правильном положении и поддерживать стопорное кольцо. Место разрушения промывочной головки показано на рисунке 2, причины разрушения можно разделить на следующие три аспекта:

Во-первых, ошибки при управлении. После анализа нескольких случаев разрушения промывочных головок был сделан вывод, что основной причиной их поломки является управление ударными движениями гидравлической буровой машины без усилия продвижения, особенно при высоких ударах или обратном продвижении (реверсивном ударе), что легко приводит к разрушению промывочной головки.

Во-вторых, головка ополаскивателя подвергается коррозии. Поскольку материал, из которого изготовлена головка ополаскивателя, не способен одновременно обладать высокой прочностью и хорошей устойчивостью к коррозии, при использовании ополаскивающей воды с кислотно-щелочной коррозионной активностью головка начинает разъедаться. Эта коррозия может привести к образованию трещин на головке.

В-третьих, происходит коррозия передней части. Внутри передней части буровой машины установлено промывочное сопло; если передняя часть подвергается коррозии, промывочное сопло смещается вперёд. После смещения промывочного сопла вперёд обратный удар, возникающий при бурении, через стопорное кольцо передаётся к соединительной пластине, вызывая концентрацию напряжений в отверстиях на передней соединительной пластине.

Вокруг рта. Поскольку соединительная пластина является деталью, соединяющей смывную насадку, концентрация напряжений легко приводит к образованию трещин на самой насадке.

3. Передняя трещина

Гидравлический отбойный молоток снабжён во внутренней части переднего конца направляющей втулкой и промывочной головкой, которые воспринимают все нагрузки, передаваемые от хвостовика. Место трещины на переднем конце показано на рисунке 3; причины её разрушения можно разделить на следующие три аспекта:

Во-первых, это ошибка оператора. При работе отбойного молотка на низком, отсутствующем или обратном давлении (при обратном ударе) оператор продолжительное время выполняет ударные действия. В этот момент сила удара поршня передается через стопорное кольцо и промывочную насадку на передний конец инструмента, что может привести к образованию трещин на его конце.

Во-вторых, внутренняя коррозия передней части. Если внутри передней части возникает коррозия, то при работе гидравлического бурильного молотка в местах коррозии образуется концентрация напряжений, что приводит к появлению трещин в передней части. Со временем эти трещины будут расширяться, пока не произойдет полный разрыв.

В-третьих, коррозия промывочной воды. Если в гидравлической отбойном молотке используется агрессивная промывочная вода, это приведёт к коррозии передней части; в местах коррозии будет происходить концентрация напряжений, что вызовет образование трещин на передней части.

4. Повреждение зоны направляющих опор ударного поршня

Наиболее распространённой проблемой ударного поршня является повреждение зоны направляющих вкладышей, что приводит к заклиниванию поршня в направляющей втулке. Повреждение зоны направляющих вкладышей ударного поршня показано на рисунке 4; причины этого повреждения можно разделить на следующие три аспекта:

Во-первых, присутствуют загрязняющие вещества. Повреждения в зоне направляющих опор ударного поршня из-за загрязнений включают: загрязнение гидравлического масла, что приводит к ухудшению контакта между ударным поршнем и направляющей втулкой; попадание загрязнений в полость уплотнения либо между задней крышкой и направляющей втулкой ударного поршня, вызывая нарушение центрирования последнего. Указанные повреждения приводят к резкому повышению локальной температуры поверхности поршня, что вызывает образование мелких термических трещин на его поверхности. Эти трещины продолжают расширяться внутрь ударного поршня, в конечном итоге приводя к его разрушению.

Во-вторых, неравномерное усилие затяжки болтов. Если болты по обеим сторонам бурильной машины повреждены или их затяжка неравномерна, а также если усилие затяжки задних крышек болтов неравномерно (при этом в установленные сроки технического обслуживания болты не подтягивались повторно), это может привести к ухудшению соосности соединений между компонентами бурильной машины и, как следствие, к снижению эффективности ударного поршня.

Сила передаётся не по прямой линии, что в итоге может привести к заклиниванию или повреждению области опоры поршня и направляющей втулки.

В-третьих, коррозия контактных поверхностей. Коррозия на поверхности соприкосновения направляющей втулки и поршня приводит к усилению трения при ударной работе поршня, что вызывает преждевременное повреждение зоны опоры удара поршня и самой направляющей втулки.

5. Кавитация ударного поршня

Ударный поршень гидравлической буровой установки подвергается импульсным нагрузкам, из-за чего на поверхностях передней и задней приводных зон ударного поршня, а также в области уплотнения поршня часто возникает кавитация. Ситуация образования кавитации на ударном поршне показана на рисунке 5; причины кавитации можно разделить на следующие две группы:

Во-первых, слишком низкое давление подачи. Длительная работа гидравлической буровой машины при низком давлении подачи может привести к кавитации ударного поршня. При слишком низком давлении подачи буферный поршень вынужден двигаться вперёд, из-за чего место удара ударного поршня смещается вперёд, увеличивая его ход и снижая частоту ударов. Поскольку время переключения реверсивного клапана остаётся неизменным, это приводит к несовпадению времени переключения ударного поршня и реверсивного клапана, вызывая мгновенный высокий напор, способный спровоцировать кавитацию ударного поршня.

Во-вторых, частое реверсивное продвижение (удар назад) гидравлического бурильного молотка, слишком низкое или слишком высокое давление азота в газовом баллоне аккумулятора, а также повреждение самого аккумулятора — все это ускоряет кавитационный износ ударного поршня. Например, при слишком низком давлении азота в аккумуляторе снижается способность буферного поршня поглощать удары, вследствие чего импульсы на ударном поршне не успевают быть сглаженными, что приводит к резкому повышению давления гидравлического масла и может вызвать кавитацию ударного поршня.

6. Повреждение уплотнительной поверхности ударного поршня

Повреждения уплотнительной поверхности ударного поршня показаны на рисунке 6. Обычно причиной таких повреждений становится заклинивание между зоной уплотнения поршня и цилиндрическим корпусом. Так как заклинивание стальных деталей в этой части может привести к застреванию ударного поршня, удар прекращается ещё до его полного разрушения. Заклинивание ударного поршня может быть вызвано двумя основными причинами: во-первых, наличием примесей в гидравлическом масле или попаданием внешних загрязнений между уплотнительной поверхностью ударного поршня и цилиндрическим корпусом; во-вторых, неправильным моментом затяжки боковых болтов, что приводит к нарушению центровки, либо износу направляющей втулки ударного поршня.

7. Повреждение ударной торцевой поверхности поршня

Повреждения ударной поверхности ударного поршня представлены на рис. 7. Повреждения ударной поверхности ударного поршня обычно вызываются следующими причинами:

(1) Коррозия соли

Если гидравлический отбойный молоток находится в солёной среде некоторое время, даже если он не работает, металл подвергается солевой коррозии, из-за чего предел усталости снижается на две трети по сравнению с нормальными условиями, и поршень выходит из строя уже через несколько часов нормальной работы. Ударный поршень не способен противостоять воздействию солёной воды, поэтому единственный способ продлить срок службы поршня — это не допускать попадания солёной воды внутрь отбойного молотка.

(2) Коррозионные повреждения

Если во время работы бурильной машины на поверхность поршня и хвостовик сверла попадают агрессивные жидкости, на ударной поверхности поршня образуются коррозионные канавки. Эти канавки могут привести к усталостным трещинам, что в конечном итоге вызовет разрушение поршня. Если повреждения поршня не слишком серьезные, его можно отшлифовать.

8. Роторный подшипник сильно изношен

Износ поворотного подшипника бурильной машины показан на рисунке 8.

Предварительное натяжение вращающихся подшипников должно быть оптимальным; если оно слишком мало, шарики подшипника будут смещаться от дорожек качения и приведут к повреждению подшипника. Перфораторы с простым буферным поршнем (например, модели COP 1032/1238/1440) особенно чувствительны к недостаточному предварительному натяжению вращающихся подшипников. Вибрация, возникающая при ударе буферного поршня этих перфораторов о вращающуюся втулку, вызывает смещение шариков подшипника с их дорожек, что приводит к деформации защитного кожуха подшипника и, в конечном итоге, к разрушению вращающегося подшипника.

Чрезмерное предварительное натяжение приводит к чрезмерному трению на подшипнике, что вызывает его преждевременный износ. При сборке поворотных подшипников необходимо проводить тест на предварительное натяжение подшипника.

9. Повреждение поворотной втулки

Вращающаяся втулка передаёт реактивную силу удара от хвостовика бура на амортизирующий поршень; её повреждения показаны на рисунке 9. Обычно причиной повреждения вращающейся втулки являются две фактора:

(1) Недостаточная смазка

Полная смазка является необходимым условием для поддержания хорошей производительности вращающейся втулки. При высокой силе привода и больших диаметрах бурения необходимо усиливать смазку. Потемнение вокруг торцевых поверхностей вращающейся втулки свидетельствует о недостаточной смазке; при серьезном недостатке смазки это может привести к разрушению втулки, а также нанести ущерб другим деталям отбойного молотка.

(2) Усталостное разрушение

Поворотная втулка является изнашиваемой деталью, которая обычно должна заменяться через 400 часов работы в условиях ударных нагрузок, чтобы предотвратить повреждение других деталей вследствие усталостного разрушения поворотной втулки.

10. Повреждение бокового болта

Боковые болты используются для сборки различных частей отбойного молотка; их повреждения показаны на рисунке 10. Боковые болты подвергаются ударным нагрузкам, возникающим в процессе бурения из-за сильной вибрации. Чтобы избежать усталостного разрушения, боковые болты необходимо затягивать в соответствии с технологическими требованиями. Существуют две причины, приводящие к повреждению боковых болтов: во-первых, не проверяется момент затяжки болтов в установленные сроки; во-вторых, между гайкой и болтом попадают посторонние частицы, либо происходит коррозия резьбы, что приводит к заклиниванию.

В случае коррозии резьбы даже при затяжке боковых болтов с соблюдением момента затяжки не будет создаваться достаточная силовая фиксация. Вмятины и очаги коррозии на резьбе могут привести к образованию трещин, которые, в свою очередь, могут вызвать усталостный разрушение боковых болтов.

Боковые болты, сильно подвергшиеся ржавчине или имеющие трещины, следует заменить. При каждом капитальном ремонте необходимо заменять боковые болты, гайки и шайбы, чтобы предотвратить вторичные повреждения. Нельзя использовать вместе новые и старые болты.

11. Повреждение стопорного кольца

Наиболее частыми причинами поломок отбойного молотка являются резкий обратный удар, низкое усилие подачи или его отсутствие. Когда поршень приводит хвостовик бура в переднее положение, в нем остается некоторый остаточный импульс, который воздействует на упорное кольцо. Обратный удар, низкое усилие подачи или их отсутствие приводят к ускоренному износу упорного кольца. Поломки упорного кольца иллюстрированы на рисунке 11.

При замене наконечника необходимо проверять стопорное кольцо; его следует заменить, если оно повреждено или изношено более чем на 1 мм. Стопорное кольцо является быстроизнашиваемой деталью, и чтобы избежать повреждения связанных компонентов (например, амортизирующего поршня, наконечника) из-за усталостного разрушения стопорного кольца, рекомендуется заменять его новым каждые 400 часов работы удара.

12. Износ приводной втулки

Наиболее распространённым признаком неисправности приводной втулки (трёхгранной втулки) является преждевременный износ, который представлен на рисунке 12. Обычно износ приводной втулки вызван одним из четырёх следующих причин: во-первых, отсутствием смазки или её недостаточным количеством; во-вторых, неправильной маркой смазочного масла; в-третьих, большим диаметром сверления по сравнению с размерами, предусмотренными конструкцией отбойного молотка; и в-четвёртых, перегревом приводной втулки.

Перегрев приводной втулки может привести к разрушению шлицевого участка хвостовика. Кроме того, повреждение внутренней зубчатой рейки приводной втулки, а также сильный износ передней направляющей втулки также вызывают трещины в приводной втулке; чрезмерный зазор между приводной втулкой и вращающейся втулкой также способствует образованию трещин в приводной втулке.

13. Кавитация буферного поршня

Иногда буферный поршень подвергается серьёзному кавитационному разрушению уже после непродолжительной работы, как показано на рисунке 13.

Пульсации потока, возникающие в результате кавитации буферного поршня, обычно обусловлены разрушением мембраны гидроаккумулятора или неправильным давлением подачи азота.