大型风冷式柴油打桩锤活塞环断裂的原因分析及对1

大型风冷式柴油打桩锤活塞环断裂的原因分析及对策

发布时间:2008-11-17     来源:

筒式柴油打桩锤是利用燃油爆炸的能量向上推动上活塞往复运动产生冲击，进行锤击打桩，其具有结构简单、使用方便、不需要外部提供能源等优点，因而在地基加固施工中发挥了重要作用。
　　用于筒式柴油打桩锤上下活塞的活塞环与普通内燃机用的活塞环一样，起着密封、导热、导向和调节润滑油的作用，所不同的是：筒式柴油打桩锤上的活塞环润滑条件较差，且承受着较大的冲击负荷，工作条件尤为恶劣。
　　在为用户检修筒式柴油打桩锤的过程中，发现大型筒式柴油打桩锤的活塞环断裂的概率比较高。下面以D100柴油锤为例，分析活塞环断裂的原因，并有针对性地提出相应的对策。
　　1、筒式柴油打桩锤的工作原理
　　D100筒式柴油打桩锤的爆炸和锤击部分如图1所示。当柴油锤需要进行施工作业时，在起落架的作用下将上活塞1向上提升，当起落架上的启动杠杆碰到上汽缸的上碰块时，上活塞便从起落架上的起动钩中脱落而自由下落。上活塞在下落过程中撞击燃油泵的压油杠杆，使燃油泵将一定量的柴油喷到下活塞11的冲击面9上。当上活塞继续下落经过下汽缸3上的吸排气口2时，开始压缩下汽缸内的空气。当上活塞的头部5撞击下活塞的冲击面时，使冲击面上柴油雾化飞溅到燃烧室内，同时将桩打下。在燃烧室内的油雾和高压空气混合后被点燃爆炸，爆炸力继续将桩往下打，同时使上活塞向上弹起。当上活塞上升离开吸排气口时，高温高压废气通过吸排气口向汽缸外排放。当上活塞继续向上升起，使汽缸内产生负压，新鲜空气通过吸排气口被入汽缸内，并彻底将废气扫清。燃油泵上的压油杠杆被释放恢复原位，燃油泵内的柱塞副中重新吸入一定量的柴油。如此循环往复，实现打桩施工作业。

　　2、活塞环断裂的主要原因
　　2.1 活塞环受下汽缸内壁的环状凹槽的阻挡而断裂
　　（1）气蚀导致下气缸内壁产生环状凹槽。
　　如图1所示，下汽缸3的下部镶有汽缸套10，汽缸套的上端面与下活塞11的冲击面9处于同一平面；下活塞上端面的外侧有一环形凹槽7，上活塞头部5的外侧有环形曲口台阶，环形凹槽7、环形曲口台阶与下汽缸3的内壁之间组合成柴油锤的燃烧室。当上活塞的头部5下落撞击下活塞的冲击面时，冲击面上的柴油雾化飞溅到燃烧室内，燃烧室内的油雾与高温高压空气混合后发生爆炸。在爆炸过程中，高温高压的气体迅速作用到下汽缸的内壁上，导致汽缸内壁气蚀而产生一些蜂窝状的孔穴，造成腐蚀性损坏。由于上活塞和下汽缸的材料都为球墨铸铁，而球墨铸铁腐蚀的能力相对较弱。因此，气蚀对上活塞头部的外表面以及下汽缸位于燃烧室处的汽缸内壁的影响最为明显。在长期使用中，下汽缸位于燃烧室处的汽缸内壁不断受到气蚀的影响而形成了环状凹槽6。环状凹槽的宽度与上活塞头部5的长度大致相等，环状凹槽6的深度与柴油锤的使用时间和使用条件有关，在检修的柴油锤中一般为0.5-10mm。
　　（2）散热不当加剧了环状凹槽的形成。
　　风冷式柴油打桩锤其冷却原理是在下汽缸3的下部外侧有多片散热片8。燃烧室中因爆炸产生的热量一部分通过吸排气口2在换气的同时实现散热，另一部分热量由汽缸内壁向外传导，并通过下汽缸的外部表面尤其是散热片8与空气进行对流换热。当外界的散热条件不理想，比如空气中的温度较高、风速较小，容易使下汽缸下部的温度升高；或者由于柴油锤连续作业时间过长，导致散热片不能及时散热，也会使下汽缸的下部温度升高，因而加剧了气蚀对汽缸内壁的影响，使汽缸内壁上的环状凹槽不断加深。
　　（3）环状凹槽形成阶梯使活塞环断裂。
　　当柴油锤进行打桩作业时，需要整体提升柴油锤，将桩安放在柴油锤下部的桩帽内。在柴油锤整体向上提升过程中，上活塞随下活塞向下滑移，在滑移过程中，上活塞的活塞环4在向外张力的作用下镶嵌在环状凹槽6中，阻挡了上活塞的正常滑移，活塞环4在上活塞重力的作用下而断裂。
　　2.2 活塞环受吸排气口的阻挡而断裂
　　（1）下汽缸磨损后吸排气口处产生锐角。
　　柴油锤下汽缸发生磨损有两种情况，一种是柴油锤在垂直施工作业时，由于活塞环4与下汽缸的内壁发生摩擦而磨损，这种磨损相对较小；另一种是用于打斜桩的大型筒式柴油锤，由于柴油锤在倾斜一定角度的情况下进行打桩施工作业，上活塞重力产生的径向分力加剧了下汽缸内壁的单边磨损。如图2所示，下汽缸内壁一侧由原来的虚线位置移到了图中的实线位置。当这种单边磨损到一定程度时，位于柴油锤燃油系统一侧的2个吸排气口上原有的过渡圆角变成了锐角，如图3所示，虚线处的过渡圆角已经改变了实线处的锐角。

　　（2）润滑不当加剧了吸排气口处锐角的形成。
　　柴油锤用活塞环的材质为球墨铸铁，通过调质处理提高了活塞环的硬度和弹性张力，同时在活塞环4的外圆周面上还镀有硬铬，以提高其表面的耐磨性。因此，活塞环的表面硬度远高于下汽缸内壁的硬度。当柴油锤用于打斜桩时，如果润滑油供应不充分，则活塞环与下汽缸内壁的摩擦阻力较大，加快了下汽缸内壁的磨损，从而加快了吸排气口处锐角的形成

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