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筒式柴油打樁錘自然停車的原因分析及對策

文檔作者：陶雷文檔來源：上海工程機械廠有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月06日
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陶雷
(上海工程機械廠有限公司)
摘要:分析筒式柴油打樁錘的工作原理和結(jié)構(gòu)特點,針對某大噸位筒式柴油打樁錘工作中存在的錘
擊時間較長后打樁錘的起跳次數(shù)增加,打擊能量下降,特別是隨著打擊時間的延長,自然停車頻次增加,影
響了打樁效率的問題進行分析,提出解決對策和措施。通過改進,增加了大噸位筒式柴油打樁錘的空氣量,
改善了燃燒情況,燃油在一個循環(huán)內(nèi)燃燒更充分;在熱錘狀態(tài)空氣量的泄漏明顯減少同時確保打樁錘在工
作較長時間后,最大的打擊能量不會降低。
關鍵詞:筒式柴油打樁錘;自然停車;原因分析;對策

遇到地層堅硬、復雜的情況，這樣就對包括筒式柴
油打樁錘在內(nèi)的樁基施工設備的能級和操作性能
提出了新的要求。
中交第三航務工程局使用我公司生產(chǎn)的某一
超大噸位筒式柴油打樁錘，在東海大橋100 MW海
上風電示范工程施工以及在象山施工中，發(fā)現(xiàn)錘擊
時間較長后打樁錘的起跳次數(shù)增加，打擊能量下
降，特別是隨著打擊時間的延長，自然停車頻次增
加，影響了打樁效率。我公司進行了數(shù)次現(xiàn)場服務
和整改，但效果并不理想，為此，將故障打樁錘運回
公司進行解體分析。
l 筒式柴油打樁錘的工作原理
筒式柴油打樁錘的工作原理與單缸兩沖程柴
油機相同，是依靠上活塞的往復運動產(chǎn)生沖擊來進
行沉樁作業(yè)的。圖1為筒式柴油打樁錘的結(jié)構(gòu)簡
圖；圖2為筒式柴油打樁錘工作的4個階段。
j
l
_ 噩二= - H
1
I
．
f 1
下活塞2．外緩沖墊3．半
擋環(huán)4．連接法蘭5．內(nèi)緩
墊6．活塞環(huán)7．缸套8．
燒室9．下氣缸10．燃油
11．排氣孔12．上活塞
． 起落架14．上氣缸
圖1 筒式柴油打樁錘的結(jié)構(gòu)圖
第1階段 第2階段 第3階段 第4階段
圖2 筒式柴油打樁錘的工作原理
(1)第1階段：燃料的供給和壓縮開始。上活塞
下落撞擊燃油泵杠桿，使燃油泵將一定量柴油噴至
下活塞沖擊面。當上活塞繼續(xù)下落經(jīng)過吸排氣口
時，將排氣口封閉，開始壓縮氣缸內(nèi)的空氣，逐漸增
加的空氣壓力將下活塞和樁帽緊密地壓在樁頭上。
(2)第2階段：沖擊和燃燒。上活塞繼續(xù)下降，
克服壓縮空氣的阻力，與下活塞碰撞，即發(fā)生沖擊，
同時將下活塞沖擊面上的柴油霧化飛濺至燃燒室
內(nèi)，將樁打下。燃燒室內(nèi)的油霧和高壓空氣相混和，
即開始燃燒，燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)力繼續(xù)將樁往下?lián)?
打，同時將上活塞向上彈起構(gòu)成了一個工作循環(huán)。
(3)第3階段：排氣。上活塞被膨脹的氣體繼續(xù)
向上推，當最后一道活塞環(huán)離開排氣口時，氣缸內(nèi)
燃燒的高溫高壓廢氣立即從排氣口排出。
(4)第4階段：掃氣。上活塞繼續(xù)向上運動，氣
缸內(nèi)產(chǎn)生部分真空，外部的新鮮空氣通過吸排氣口
進入氣缸，并徹底將廢氣掃出，燃油泵的壓油杠桿
被釋放恢復原位，燃油泵重新吸入柴油。上活塞到
達最高點之后，由于自重作用向下降落，迫使氣缸
內(nèi)氣體進行攪動，使混合氣體部分排出氣缸外。
筒式柴油打樁錘的打樁過程，是燃燒爆發(fā)力與
沖擊力的聯(lián)合作用。首先上活塞對下活塞產(chǎn)生一個
沖擊，然后氣體燃燒產(chǎn)生一個爆發(fā)力，完成一個二
次打樁的過程。
一71—
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2 故障原因分析
根據(jù)施工中存在的現(xiàn)象，以及對故障打樁錘解
體后的檢查，對該打樁錘自然停車頻次增加的原因
作如下分析。
2．1 下氣缸缸套過長
下氣缸的缸套過長，熱阻增加，散熱性較差。該
錘采用加長的缸套，雖然可以防止下氣缸燃燒室區(qū)
域磨損過快，但采用加長缸套后，散熱阻力明顯增
加，在連續(xù)錘擊后，燃燒室區(qū)域的溫度急劇上升。
2．2 缸套發(fā)生不規(guī)則變形和磨損
將打樁錘解體后，對其下氣缸內(nèi)徑進行測量，
如圖3所示，圖3中 為打樁錘作業(yè)時前后方向，y
為打樁錘作業(yè)時左右方向，z為下氣缸軸線方向。測
量結(jié)果如表1所示，表1中z后面的數(shù)值表示測量
位置與下氣缸底部的距離，如Z3200表示測量位置
距離下氣缸底部3 200 mm。
．冒．
冀 (
8
O
9
D
一
圖3 下氣缸內(nèi)徑測量示意圖
根據(jù)表1的測量數(shù)值可以看出，距離下氣缸底
部600～750 mm處的磨損最大，而該處正是燃燒室
位置，說明下氣缸缸套內(nèi)壁的燃燒室位置發(fā)生了明
顯的局部徑向收縮。
根據(jù)現(xiàn)場工作時測得的溫度，估計缸內(nèi)燃燒室
的溫度達600 oC，氣缸外壁溫度為300 oC，由于氣缸
線膨脹量低于缸套線膨脹量，故導致了缸套在高溫
一72一
表1 常溫下測量下氣缸內(nèi)徑D的偏差
m m
測量位置 方向 y方向
Z3200 +0．28 +0_32
Z2750 +0．3O +0．40
Zl300 +0．23 +0．27
Z1100 -0．O3 -0．27
Z9O0 -0．50 -2I32
75O -3．45 -3．20
600 -4．85 -3．95
450 —0．65 -0．60
00 +0．06 —0．15
Z150 +O．15 0
下向內(nèi)發(fā)生了徑向收縮，由于長時間的高溫，缸套
部分發(fā)生了塑性變形，不能恢復到常溫狀態(tài)。
正是徑向收縮導致了上下活塞與氣缸內(nèi)壁的
接觸摩擦阻力增大，摩擦的結(jié)果是產(chǎn)生大量的熱。
由于筒式柴油打樁錘散熱慢，摩擦表面的溫度升
高，油膜遭到破壞，摩擦副處于半于摩擦和邊界摩
擦狀態(tài)，并使氣缸、缸套、活塞以及活塞環(huán)的強度降
低，塑性增大，造成運動副局部熔化而形成大面積
的熔合和拉傷。
筒式柴油打樁錘工作環(huán)境十分惡劣，在打樁過
程中，上活塞部分在一個工作過程中會暴露在氣缸
外，新鮮空氣沒有經(jīng)過過濾，因此粉塵、磨屑會進入
氣缸內(nèi)，更加劇了磨損。
2．3 空氣量的泄漏
筒式柴油打樁錘的密封主要依靠上下活塞上
的活塞環(huán)，打樁錘連續(xù)工作后溫度過高，將直接導
致活塞環(huán)失效。拆解筒式柴油打樁錘后發(fā)現(xiàn)，靠近
燃燒室的第一、二道活塞環(huán)或卡死在活塞環(huán)槽內(nèi)，
或因連續(xù)高溫導致了塑性變形，自由開口寬度不能
滿足設計時的要求。
缸套受熱后向內(nèi)徑方向不規(guī)則收縮，導致下活
塞頭部與缸套間的間隙過小，下活塞頭部受熱膨脹
并受到缸套擠壓后致活塞環(huán)槽變形，活塞環(huán)發(fā)生卡
阻。上下活塞上的活塞環(huán)受熱后產(chǎn)生線性膨脹，開
口間隙變小，甚至過盈，開口端頂死。內(nèi)緩沖墊在高
溫下氣化成粉末，吸入氣缸內(nèi)致活塞環(huán)卡死。
活塞環(huán)失效，導致上活塞下落過程中，密閉腔
內(nèi)的空氣通過上下活塞與缸體問的間隙而發(fā)生泄
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漏，使密閉腔內(nèi)的空氣量減少，壓力降低。而缸套的
不規(guī)則變形，使得上活塞在下落過程中阻力增大，
下落速度降低，壓縮時間延長，又增加了空氣的泄
漏量；磨損和活塞環(huán)的失效影響了氣缸的密封性，
使打樁錘的作業(yè)性能大大降低，施工效率下降。
2．4 燃油量供給過多
燃油量供給越多，轉(zhuǎn)化為熱能的部分也越多。
筒式柴油打樁錘的燃油燃燒除了打樁做功，使上活
塞回跳到一定的高度外，多余的燃油燃燒將轉(zhuǎn)換為
熱能。
在簡式柴油打樁錘現(xiàn)場使用時，常發(fā)現(xiàn)燃油泵
的壓油臂被抬高了，這樣加大了單次供油的油量，
在實際打樁時Ⅳ擋和Ⅲ擋的跳起高度沒有明顯變
化，但煙霧更濃。這實際是多余的油量不能完全燃
燒所致，而這恰恰是溫度急劇上升的原因之一。
3 對策和措施
根據(jù)以上分析以及與其它筒式柴油打樁錘進
行對比，提出對該錘的改進措施。
(1)將長缸套改為標準長度的缸套。降低燃燒
室處氣缸壁的熱阻，使得燃燒后的熱量能更快地傳
導出去，增強筒式柴油打樁錘的散熱性能。該筒式
柴油打樁錘在設計之初，為解決下氣缸內(nèi)壁的氣蝕
及早期磨損問題，將缸套設計為長缸套，但事實證
明在特大型筒式柴油打樁錘上，散熱不暢的矛盾更
為突出，不適宜使用長缸套。
(2)優(yōu)化下活塞的頭部結(jié)構(gòu)，避免活塞環(huán)卡阻。
加大下活塞頭部的錐度，以補償熱膨脹的影響；調(diào)
整活塞環(huán)與環(huán)槽之間的配合間隙，避免活塞環(huán)槽和
活塞環(huán)在受熱后發(fā)生變形而發(fā)生卡阻；調(diào)整靠近燃
燒室的部分活塞環(huán)的開口間隙，避免活塞環(huán)因受熱
而導致開口端頂死。
(3)加大連接法蘭的厚度，加寬半圓擋環(huán)，改善
下活塞的導向性和增加空氣量。加寬半圓擋環(huán)，增
加下活塞的導向性，改善打斜樁時下活塞頭部與缸
套之間的劇烈摩擦。加大連接法蘭的厚度，適度加
大壓縮比，彌補燃燒室內(nèi)的空氣量的泄漏。
(4)改進內(nèi)緩沖墊成分。通過改進內(nèi)緩沖墊的
成分，提高內(nèi)緩沖墊的熱穩(wěn)定性，使內(nèi)緩沖墊在經(jīng)
過多次緩沖作用以及溫度的作用下不會成粉末狀。
(5)嚴格控制燃油泵壓縮臂的壓油高度。筒式
柴油打樁錘的燃油不是越多越好，可燃混合氣過濃
時，燃燒速度要降低，同時燃燒不完全的程度將顯著
增加，熱功轉(zhuǎn)換的效率大大降低。
除以上改進外，還對施工方式提出更為嚴格的
規(guī)范：由于該系列筒式柴油打樁錘的冷卻方式采用
風冷形式，越是大型的筒式柴油打樁錘，其燃燒柴油
產(chǎn)生的熱能就越多，而散熱面積并不能成倍增加，這
必然會影響超大錘的散熱性能，這就是錘擊數(shù)越多，
錘擊的性能稍有下降的原因。所以從保護錘的角度
出發(fā)，應當避免長時間連續(xù)錘擊作業(yè)。我們建議連
續(xù)錘擊三千錘后應當停錘休息1 h左右。在停錘休
息的時候可以提起上活塞，向氣缸內(nèi)通入空氣，使得
氣缸內(nèi)的熱量能快速散去。在筒式柴油打樁錘的使
用時應當確保其正常的潤滑，潤滑可減少磨損，提高
氣密性，有利于散熱。
4 改進后的效果
該故障打樁錘與我公司其它系列筒式柴油打樁
錘在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要有兩點：一是該錘采用雙燃
油泵，而其它筒式柴油打樁錘采用單油泵，這與散熱
性能無關；二是該錘的下氣缸缸套采用長缸套，而其
它筒式柴油打樁錘采用標準長度的缸套，這與散熱
性能有很大關系。該打樁錘經(jīng)過改進，同樣采用了
標準長度的缸套，消除了影響散熱的最主要因素。
通過改進，增加了空氣量，改善了燃燒情況，使
得燃油能在一個循環(huán)內(nèi)比改進前更能充分燃燒；通
過調(diào)整活塞環(huán)間隙等一系列措施，使得打樁錘在熱
錘狀態(tài)下空氣量的泄漏比改進前明顯減少，確保了
工作較長時間后，最大的打擊能量不會降低。
參考文獻
【1】沈耀沖．大型風冷式柴油打樁錘活塞環(huán)斷裂的原因分
析及對策【J1．建筑機械，2008(2)：108—1 10．
[2]鄧明權(quán)，陶格蘭．現(xiàn)代樁工機械[M】．北京：人民交通出
版社，2004．
通信地址：上海市汶水路400號
(200072)
上海工程機械廠有限公司
(收稿日期：2010—05—24)
一73—

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