全回转液压钻机动力头气封结构改造研究

全回转液压钻机动力头气封结构改造研究

王天斌

中铁大桥局集团机械化施工分公司湖北武汉430100

摘要：全回转液压钻机是桩基施工的主要设备，动力头部分是其核心。目前所使用的动力头在气封部分存在一定的缺陷，在使用过程中不但保养维修困难，而且容易造成泥浆进入齿轮箱，损坏轴承。通过局部改造、分离式设计等措施，可以很大程度上解决此问题，降低设备故障率。

关键词：动力头；气封；单向阀；独立设置；风室

全回转液压钻机作为桩基施工的主要设备，近几年来得到了高速发展。在桥梁施工中，桩径越来越大，为满足市场要求，液压钻机也从过去的3000型不断改进完善到现在的5000型钻机，可钻孔直径不断提高。目前在桥梁桩基础中已经完成的最大桩直径为φ4.5m，5000型钻机钻孔直径可达到φ5.0m，若改变工艺流程，则可钻更大孔径桩。虽然全回转液压钻机已经经过系带产品的更新，但就其动力头部分而言，基本上大同小异，无太大变化。而动力头部分又是全回转液压钻机的核心，其运转的平稳性及故障率很大程度上影响着整台设备的施工效率。目前所使用的动力头气封结构存在一定的缺陷，下面以目前使用较广泛，产品较成熟的KTY4000型钻机为例说明。

1、动力头气封结构现状

1.1现使用动力头及气封结构图

图1动力头及气封结构图

1.2气封结构存在的问题及分析

现使用动力头气封结构存在的问题主要有使用寿命不长，更换较困难；可能产生的泥浆倒流会进入齿轮箱，损坏轴承。

在现场施工过程中，我们会经常遇到气封损坏，导致无法继续施工的问题，并且随着设备的老化，修理的频次越来越高。根据现场统计，更换一次气封大约需停机8小时以上，且需起吊设备配合。而现场往往工期要求较紧，起吊设备有限，频繁的更换气封势必会影响施工进度，这就要求我们尽可能解决气封损坏的问题。引起气封损坏的原因主要有以下几点：

①气封部分润滑不足，高温老化。

气封部分虽在设计时留有润滑油道，但在实际使用中，由于动力头拼装后位置较高，上部作业面狭窄，操作人员上下不便等原因，导致润滑油加注不及时，润滑不足。此外，空压机送风温度较高，长期在高温环境下运转，加剧了气封磨损。

②水封失效，泥浆进入气封，磨损耐磨套。

由于水封密封不好或磨损，泥浆由中心管进入上气封部位，在动力头旋转过程中，泥浆中的细砂不断磨损耐磨套，导致耐磨套表面精度丧失，无法起到密封作用。

③特殊情况或操作不当引起泥浆倒流，进入气封，磨损耐磨套。

在实际施工过程中，难免会出现突然停电，风管爆裂等特殊情况，此时空压机送风压力突然下降，失去压力平衡，可能会引起泥浆经风道倒流的现象。此外，平时停机时操作不当，或施工环境恶劣，导致空压机球阀锈死，停机时无法关闭球阀，也可能会引起泥浆倒流现象。

泥浆倒流首先经风道进入气封，磨损耐磨套，使密封失效。更严重时经过下部气封进入齿轮箱，此时泥浆中的细砂会在各轴承中沉积，导致轴承严重磨损，甚至破裂，其修理时间较长，成本高，给现场施工带来较大的困难。

2、动力头气封结构改造探讨

2.1加装单向阀，解决泥浆倒流。

引起气封损坏的原因中，泥浆倒流的破坏性最严重。泥浆倒流主要因供气压力突然卸去，造成压力不平衡引起的，解决办法为在动力头短接风道处加装一个单向阀。因空压机启动后，未加载时的压力约为0.3MP，故单向阀开启压力宜设为0.2~0.3MP，保证送气时单向阀能顺利开启。停止送气后，单向阀自动关闭，防止泥浆倒流。该方案经舟山某施工项目实践应用，取得良好效果。应用前后气封修理周期对比如下：

这种改造只需要在动力头短接出增加一个单向阀，改造简便，成本低，能够直接解决泥浆倒流问题，有效防止气封及轴承损坏，适合现场临时改装，但并不能解决水封失效引起的耐磨套磨损及气封润滑油加注困难的问题。

为从根本上解决上述存在的问题，宜对动力头气封结构重新设计，采取气、水分离的方法，将气体密封结构脱了动力头，进行独立设置或集成到动力头短接部位。

2.2独立设置的风室

2.2.1风室设计示意图及说明

1-开边内环盖板；2-开边外环盖板；3-外环；4-摩擦环；5-开边底部法兰；

6-中心杆；7-补芯；8-内环；9-上下耐磨环；10-单向阀；11-柔性短管

开边内环盖板：通过吊耳连接上部法兰，承受转动部分重量。

开边外环盖板：通过吊耳连接固定到动力头上，防止外环转动，同时承受外环部分的重量。

外环：外环设置密封装置，为保证密封效果，气封采用V形密封装置。

V形密封装置由支撑环、密封环、压环组成。支撑环起着支撑V形密封圈，使密封圈稳定安放的作用，压环是给V形密封圈造成一个初始压缩量，使其与密封面充分接触，并通过上下压盖对V形密封圈的压缩量进行

调节，同时起着对V形密封圈定位的作用。V形密封圈可重叠使用，提高密封效果，且对旋转过程中产生的偏心有较强的追随能力，防泄漏效果很好。此外，由于动力头转速不高，为减轻整体重量，降低成本，采用上下铜环对内环进行定心，并在转动过程中起到滑动轴承的作用。

摩擦环：由于转速较低，用尼龙或聚四氟乙烯材料的摩擦环代替平面轴承可减轻重量节约成本。

V形密封装置

开边底部法兰：开边底部法兰为两个半圆形法兰，通过螺栓连接至内环，除起支撑外环作用外，还可与补芯一起起定心和驱动内环作用。

中心杆：中心杆上下法兰与钻杆法兰一致，可直接连接钻杆或动力头短接。

补芯：内环与中心杆之间填补两个半圆形补芯，补芯通过中心杆上的两个键驱动内环转动，同时保证整个气封机构与中心杆同心。为减轻整体重量，降低成本，补芯可采用尼龙材料制作。

内环：在内环上加工一个如图所示的风道，通过开边底部法兰直接连通钻杆风管。

上下耐磨环：为降低使用成本，设置上下镀铬耐磨环，使用过程中可根据磨损情况更换上下耐磨环，避免更换内环。上下耐磨环与内环之间采用O形圈密封。

单向阀：开启压力设为0.2~0.3MP。

柔性短管：为防止转动过程中风管受力，此处采用柔性连接。

2.2.2独立设置风室的优缺点

独立设置的风室结构，避免了泥浆倒流进入齿轮箱，提高动力头轴承使用寿命，且便于维护和保养。若同一项目有多台设备可备用一个风室，损坏后直接更换备用风室，继续施工，损坏的风室修复后继续备用，如此可节约修理时间，提高施工效率。但由于整个风室高度约500mm，如果在目前设备上直接使用，在接钻杆时可能存在起升高度不够的问题。

针对其其缺点，可将气室上部法兰直接制作成原短接样式，替换原有短接。但考虑到动力头下部油封修理的方便性，宜将原有短接高度减小，再对接风室。

3、结论

独立设置的风室结构将很大程度上降低动力头故障率，同时维护和保养较方便，可提高施工效率，为项目施工节约宝贵的时间。此外，还可以对原动力头气封部位进行适当的改造，此时该部位主要密封泥浆，保证泥浆不会进入齿轮箱，而单单密封泥浆的方法较容易实现。

参考文献

[1]秦大同，谢里阳，机械设计手册，北京：化学工业出版社，2011.

[2]付平，常德功，密封设计手册，北京：化学工业出版社，2009.

[3]宋学义，张尔正，密封件与密封手册，北京：国防工业出版社，1990.