一種地源熱泵快速鉆灌機(jī)的研究

曹國巍，石小虎，張偉寧，王 謙

（廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

地源熱泵技術(shù)作為可再生能源應(yīng)用的一種，是利用淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行供暖與制冷，具有良好的節(jié)能與環(huán)保效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年6月底，全國利用淺層地溫能的建筑物面積已達(dá)2.4億m2，是2010年以前累計(jì)面積的2倍。

地埋管孔施工是地源熱泵工程施工中的重要環(huán)節(jié)。地埋管孔施工工藝較為復(fù)雜，目前業(yè)內(nèi)需采用3種以上設(shè)備配套作業(yè)，由于井孔較多，需要頻繁移動(dòng)這些設(shè)備，因而大大增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了施工效率。因此，很有必要針對地埋管孔施工的特點(diǎn)，研發(fā)一種集移位時(shí)間短、鉆進(jìn)效率高、泥漿回收再利用等優(yōu)勢為一體多功能鉆機(jī)。

1 多功能鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理

近年，我院在現(xiàn)有鉆機(jī)及注漿泵的基礎(chǔ)上，針對地埋管孔工程的施工需求，研制成功了集快速移位、高效鉆進(jìn)、泥漿回收再利用為一體的KZG6型多功能鉆機(jī)（圖1）。該鉆機(jī)主要由液壓履帶、鉆機(jī)底盤、鉆架、動(dòng)力頭、柴油機(jī)液壓動(dòng)力系統(tǒng)、操作臺(tái)、泥漿回收與循環(huán)利用系統(tǒng)、輔助工具等部分組成。

1.1 行走機(jī)構(gòu)

圖1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)外形示意圖

行走機(jī)構(gòu)主要由鋼履帶、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托輪、底盤和2臺(tái)行走減速機(jī)組成。鉆機(jī)整體布置在底盤上，通過控制手柄調(diào)節(jié)履帶底盤行走速度，可使整機(jī)實(shí)現(xiàn)方便的移動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、爬坡、行走等。液壓履帶整體結(jié)構(gòu)合理， 行走平穩(wěn)， 承載能力大， 通過能力強(qiáng)，施工現(xiàn)場轉(zhuǎn)場方便。

1.2 鉆機(jī)底盤

鉆機(jī)底盤安裝在履帶上，承載整個(gè)鉆機(jī)質(zhì)量。鉆機(jī)底盤采用槽鋼和方管等型鋼焊接而成。它是連接履帶、支撐鉆機(jī)、注漿泵及其他部分的主體。鉆機(jī)底盤安裝4個(gè)液壓支腿， 鉆機(jī)工作時(shí)使用4個(gè)液壓支腿調(diào)整鉆機(jī)底盤的水平狀態(tài)。

1.3 鉆 架

鉆架是工作機(jī)構(gòu)的支撐架， 由固定支架和升降機(jī)構(gòu)組成，可承載鉆具質(zhì)量和動(dòng)力頭的反扭矩。

固定支架由型鋼焊接而成，支架上固定有升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行的滑架。升降機(jī)構(gòu)由推進(jìn)油缸、鏈條、滑板等組成。推進(jìn)油缸活塞桿伸出及縮回時(shí)，通過鏈條使滑板在滑架上上下滑動(dòng)，從而完成鉆具的前進(jìn)和后退?；迳喜捎描倝K結(jié)構(gòu)，有效減少滑道的磨損。鉆架底部安裝有旋開式定心器，可分為兩半，外側(cè)的一半采用鉸接，可手動(dòng)旋開。

1.4 動(dòng)力頭

動(dòng)力頭是鉆機(jī)的核心部件， 是鉆機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源。動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鉆桿，鉆桿帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。它由2個(gè)低速大扭矩液壓馬達(dá)和一級(jí)齒輪減速箱組成。2個(gè)液壓馬達(dá)可并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出齒輪軸，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速和雙扭矩輸出。齒輪減速箱通過銷軸與滑板鉸接，在滑板帶動(dòng)下在鉆架軌道上做升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的加、減壓給進(jìn)和升降鉆具作業(yè)。輸出齒輪軸為中空花鍵軸，與外花鍵主動(dòng)鉆桿配合傳遞扭矩，驅(qū)動(dòng)鉆具實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)作業(yè)。

1.5 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

液壓動(dòng)力系統(tǒng)是鉆機(jī)的動(dòng)力源。為了適應(yīng)多重施工工況及響應(yīng)節(jié)能減排的號(hào)召，液壓動(dòng)力系統(tǒng)既可以由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

液壓動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)（或電動(dòng)機(jī)）、液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓油箱、液壓油散熱器、各種液壓控制閥及液壓附件組成。液壓泵有主泵和副泵之分，主泵與動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、升降液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、履帶液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、主換向閥等組成主液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。副泵與比例閥、溢流閥、減壓閥、油缸等組成給進(jìn)調(diào)壓、液控調(diào)速、液壓支腿、鉆塔起落等輔助系統(tǒng)。

1.6 操作臺(tái)

操作臺(tái)是鉆機(jī)的控制單元，由柴油機(jī)控制儀表箱、手動(dòng)換向閥、減壓閥、壓力閥、壓力表、電氣控制按鈕等組成。鉆機(jī)所有控制都集中在該操作臺(tái)上，通過各種儀表可以隨時(shí)觀察了解柴油機(jī)及鉆機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

1.7 泥漿回收與循環(huán)利用系統(tǒng)

泥漿回收與循環(huán)利用系統(tǒng)由吸漿泵、回漿泵、高壓注漿泵、泥漿過濾篩、泥漿攪拌機(jī)等組成?？梢詫F(xiàn)場鉆孔排出來的泥漿進(jìn)行收集，經(jīng)過過濾、攪拌，再進(jìn)行循環(huán)利用，具有需要施工場地小，環(huán)境污染小等特點(diǎn)。

1.8 輔助工具

除以上主要設(shè)備外，多功能鉆機(jī)還配備鉆桿箱及一些輔助機(jī)具，方便現(xiàn)場施工作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 動(dòng)力頭的研究

動(dòng)力頭是鉆機(jī)的核心部件，是鉆機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源。在設(shè)計(jì)中需要考慮以下因素。

1）鉆機(jī)的掘進(jìn)動(dòng)作由動(dòng)力頭、鉆桿及掘進(jìn)鉆頭來實(shí)現(xiàn)。動(dòng)力頭在工作時(shí)，不僅要承擔(dān)來自掘進(jìn)鉆頭的反扭矩，還需要承擔(dān)其下懸掛鉆具的所有重力。

2）在鉆進(jìn)不同地層深度時(shí)，土壤軟硬不一，即使在同一地層，土壤的硬度也有所不同，故動(dòng)力頭在工作時(shí)要承受很大的變載荷。

3）動(dòng)力頭還是泥漿的下輸通道，故動(dòng)力頭內(nèi)部需要可靠的密封。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場鉆進(jìn)工藝的需要，動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)應(yīng)符合：①輸出軸的布置方式能承受鉆掘時(shí)的反扭矩，其軸向也可以承受一定的懸吊重量；②齒輪傳動(dòng)能夠耐沖擊，能夠承受變載荷；③水密封設(shè)計(jì)要可靠；④源動(dòng)力的輸出和所鉆地層的難易程度相匹配。

根據(jù)動(dòng)力頭的工況特點(diǎn)和鉆進(jìn)本身的特殊性，動(dòng)力頭需要有2種輸出方式：①難鉆地層時(shí)的低轉(zhuǎn)速、恒扭矩輸出；②易鉆地層的高轉(zhuǎn)速、恒功率輸出。這就要求源動(dòng)機(jī)的速度和功率必須可調(diào)。由于液壓傳動(dòng)具有過載保護(hù)可靠性高、抗沖擊、吸收載荷震動(dòng)能力強(qiáng)和調(diào)速特性穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別適合于鉆機(jī)工況。本鉆機(jī)采用液壓傳動(dòng)，其源動(dòng)機(jī)采用變量泵和變量馬達(dá)，使動(dòng)力頭的輸出根據(jù)所鉆地層的不同而方便地轉(zhuǎn)換成恒扭矩或恒功率的輸出形式，又由于變量馬達(dá)輸出扭矩的局限性，動(dòng)力頭一般采用多個(gè)變量馬達(dá)輸出扭矩，本鉆機(jī)采用2臺(tái)變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一級(jí)齒輪減速箱來實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出。

2.2 漿料回填技術(shù)的研究

漿料回填是地源熱泵地埋管孔后期施工的重要組成部分，有以下主要工程指標(biāo)要求。

1）回填材料 回填材料一般以地質(zhì)勘查和巖土熱物性參數(shù)的測試結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇不同的回填材料，且在回填時(shí)要注意回填料的成分配比優(yōu)化，使其能夠達(dá)到最佳效果。

在理論上，鉆孔過程中所排出的原漿進(jìn)行回填，可以最經(jīng)濟(jì)地獲得與地層較為一致的熱物性。但是由于施工過程的影響，這些排出的巖土體受到了擾動(dòng)，已不具有與原地層參數(shù)相關(guān)的物性，因此，單純的原漿回填難以保證較好的回填效果，故常采用原漿和膨潤土、石英砂、水泥和水按一定配比混合來進(jìn)行回填。

2）回填時(shí)間 鉆孔完畢應(yīng)立即灌漿回填封孔，隔離含水層。灌漿即使用高壓注漿泵通過灌漿管將混合漿灌入鉆孔中的過程。高壓注漿泵的泵壓足以使孔底的泥漿上返至地表。本鉆機(jī)注漿泵采用球閥活塞泵，具有工作壓力高、排量適宜，能夠輸送含砂量較高的砂漿，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。非常適合在地埋管孔回填施工中應(yīng)用。

在實(shí)際使用中，先由吸漿泵將原始泥漿回吸抽送至泥漿過濾篩，將過濾出來的稀泥漿由回漿泵輸送至鉆桿，供鉆塔使用。過濾剩余的漿料進(jìn)入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，如有必要，可添加膨潤土、砂、水泥和水。攪拌好的漿料為回填漿料，回填漿料通過高壓注漿泵輸送至回填孔內(nèi)。灌漿時(shí)，應(yīng)保證灌漿的連續(xù)性，采用背壓式回填灌漿工藝（圖2），根據(jù)灌漿速度將灌漿管逐漸抽出，使灌漿液自下而上灌注封孔，確保鉆孔灌漿密實(shí)，無空腔，否則會(huì)降低傳熱效果，影響工程質(zhì)量。

圖2 背壓式回填灌漿過程

3 主要技術(shù)參數(shù)

最大鉆孔深度（m） 160

最大鉆孔直徑(mm) ?100～?195

動(dòng)力頭最大輸出扭矩(Nm) 6100

灌漿排量(m3/h) 6

回填料允許含砂率(%) ≥50

工作方式 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

行走方式 液壓履帶型

動(dòng)力配置(kW) 50

4 用途及主要特點(diǎn)

PZG6型多功能鉆機(jī)主要應(yīng)用于要求高效作業(yè)密集式的地源熱泵地埋管孔工程，同時(shí)也適用于水電站、鐵路、公路等巖土工程中的預(yù)應(yīng)力錨固孔、排水孔施工工程，還適用于高層建筑深基坑錨固及抗浮錨固、建筑基礎(chǔ)加固、路基壩基加固、預(yù)防滑坡錨固及沙地打井等工程。

PZG6型多功能鉆機(jī)有以下技術(shù)特點(diǎn)。

1）鉆機(jī)設(shè)集成程度高，實(shí)現(xiàn)了機(jī)、電、液一體化，施工效率高，可以在不移機(jī)的情況下，完成鉆孔、下管、注漿封孔等全部施工作業(yè)。

2）鉆機(jī)動(dòng)力頭使用低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，改變主泵排量可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速可在40～80r/min之間無級(jí)調(diào)整，能適應(yīng)多種鉆探工藝、不同鉆孔直徑對鉆速和扭矩的需求。

3）鉆機(jī)采用柴油機(jī)動(dòng)力，配有液壓履帶，具有自行功能，機(jī)動(dòng)性和通過能力強(qiáng)。

4）鉆機(jī)將鉆出來的泥漿回收再利用，避免了環(huán)境污染，節(jié)約了水和回填材料。

5 結(jié) 語

PZG6型多功能鉆機(jī)集快速移位、高效鉆進(jìn)、泥漿回收再利用等功能為一體，完全能滿足地源熱泵地埋管孔現(xiàn)場施工的要求?？梢韵嘈?，隨著地源熱泵技術(shù)在全國廣泛應(yīng)用，將為PZG6型多功能鉆機(jī)帶來廣闊的市場前景。同樣，PZG6型多功能鉆機(jī)的大量應(yīng)用，大大提高施工效率，減少施工成本，促進(jìn)地源熱泵地埋管技術(shù)的更好、更快的發(fā)展，為我國的節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。