一种地源热泵快速钻灌机的研究

曹国巍，石小虎，张伟宁，王 谦

（廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

地源热泵技术作为可再生能源应用的一种，是利用浅层地热能资源进行供暖与制冷，具有良好的节能与环保效益。据统计，截至2012年6月底，全国利用浅层地温能的建筑物面积已达2.4亿m2，是2010年以前累计面积的2倍。

地埋管孔施工是地源热泵工程施工中的重要环节。地埋管孔施工工艺较为复杂，目前业内需采用3种以上设备配套作业，由于井孔较多，需要频繁移动这些设备，因而大大增加了劳动强度，降低了施工效率。因此，很有必要针对地埋管孔施工的特点，研发一种集移位时间短、钻进效率高、泥浆回收再利用等优势为一体多功能钻机。

1 多功能钻机的主要结构及工作原理

近年，我院在现有钻机及注浆泵的基础上，针对地埋管孔工程的施工需求，研制成功了集快速移位、高效钻进、泥浆回收再利用为一体的KZG6型多功能钻机（图1）。该钻机主要由液压履带、钻机底盘、钻架、动力头、柴油机液压动力系统、操作台、泥浆回收与循环利用系统、辅助工具等部分组成。

1.1 行走机构

图1 钻机结构外形示意图

行走机构主要由钢履带、驱动轮、导向轮、支重轮、托轮、底盘和2台行走减速机组成。钻机整体布置在底盘上，通过控制手柄调节履带底盘行走速度，可使整机实现方便的移动、转弯、爬坡、行走等。液压履带整体结构合理， 行走平稳， 承载能力大， 通过能力强，施工现场转场方便。

1.2 钻机底盘

钻机底盘安装在履带上，承载整个钻机质量。钻机底盘采用槽钢和方管等型钢焊接而成。它是连接履带、支撑钻机、注浆泵及其他部分的主体。钻机底盘安装4个液压支腿， 钻机工作时使用4个液压支腿调整钻机底盘的水平状态。

1.3 钻 架

钻架是工作机构的支撑架， 由固定支架和升降机构组成，可承载钻具质量和动力头的反扭矩。

固定支架由型钢焊接而成，支架上固定有升降机构运行的滑架。升降机构由推进油缸、链条、滑板等组成。推进油缸活塞杆伸出及缩回时，通过链条使滑板在滑架上上下滑动，从而完成钻具的前进和后退。滑板上采用镶块结构，有效减少滑道的磨损。钻架底部安装有旋开式定心器，可分为两半，外侧的一半采用铰接，可手动旋开。

1.4 动力头

动力头是钻机的核心部件， 是钻机回转驱动的动力源。动力头驱动钻杆，钻杆带动钻头回转钻进。它由2个低速大扭矩液压马达和一级齿轮减速箱组成。2个液压马达可并联或串联驱动输出齿轮轴，从而实现大范围的无级调速和双扭矩输出。齿轮减速箱通过销轴与滑板铰接，在滑板带动下在钻架轨道上做升降运动，从而实现动力头的加、减压给进和升降钻具作业。输出齿轮轴为中空花键轴，与外花键主动钻杆配合传递扭矩，驱动钻具实现回转作业。

1.5 液压动力系统

液压动力系统是钻机的动力源。为了适应多重施工工况及响应节能减排的号召，液压动力系统既可以由柴油机驱动，也可以用电动机驱动。

液压动力系统由柴油机（或电动机）、液压泵、液压马达、液压油箱、液压油散热器、各种液压控制阀及液压附件组成。液压泵有主泵和副泵之分，主泵与动力头驱动马达、升降液压驱动马达、履带液压驱动马达、主换向阀等组成主液压传动系统。副泵与比例阀、溢流阀、减压阀、油缸等组成给进调压、液控调速、液压支腿、钻塔起落等辅助系统。

1.6 操作台

操作台是钻机的控制单元，由柴油机控制仪表箱、手动换向阀、减压阀、压力阀、压力表、电气控制按钮等组成。钻机所有控制都集中在该操作台上，通过各种仪表可以随时观察了解柴油机及钻机的运转情况。

1.7 泥浆回收与循环利用系统

泥浆回收与循环利用系统由吸浆泵、回浆泵、高压注浆泵、泥浆过滤筛、泥浆搅拌机等组成。可以将现场钻孔排出来的泥浆进行收集，经过过滤、搅拌，再进行循环利用，具有需要施工场地小，环境污染小等特点。

1.8 辅助工具

除以上主要设备外，多功能钻机还配备钻杆箱及一些辅助机具，方便现场施工作业。

2 关键技术研究

2.1 动力头的研究

动力头是钻机的核心部件，是钻机回转驱动的动力源。在设计中需要考虑以下因素。

1）钻机的掘进动作由动力头、钻杆及掘进钻头来实现。动力头在工作时，不仅要承担来自掘进钻头的反扭矩，还需要承担其下悬挂钻具的所有重力。

2）在钻进不同地层深度时，土壤软硬不一，即使在同一地层，土壤的硬度也有所不同，故动力头在工作时要承受很大的变载荷。

3）动力头还是泥浆的下输通道，故动力头内部需要可靠的密封。

综上所述，结合现场钻进工艺的需要，动力头的设计应符合：①输出轴的布置方式能承受钻掘时的反扭矩，其轴向也可以承受一定的悬吊重量；②齿轮传动能够耐冲击，能够承受变载荷；③水密封设计要可靠；④源动力的输出和所钻地层的难易程度相匹配。

根据动力头的工况特点和钻进本身的特殊性，动力头需要有2种输出方式：①难钻地层时的低转速、恒扭矩输出；②易钻地层的高转速、恒功率输出。这就要求源动机的速度和功率必须可调。由于液压传动具有过载保护可靠性高、抗冲击、吸收载荷震动能力强和调速特性稳定等特点，特别适合于钻机工况。本钻机采用液压传动，其源动机采用变量泵和变量马达，使动力头的输出根据所钻地层的不同而方便地转换成恒扭矩或恒功率的输出形式，又由于变量马达输出扭矩的局限性，动力头一般采用多个变量马达输出扭矩，本钻机采用2台变量马达驱动一级齿轮减速箱来实现大扭矩输出。

2.2 浆料回填技术的研究

浆料回填是地源热泵地埋管孔后期施工的重要组成部分，有以下主要工程指标要求。

1）回填材料 回填材料一般以地质勘查和岩土热物性参数的测试结果为基础，根据不同地质条件选择不同的回填材料，且在回填时要注意回填料的成分配比优化，使其能够达到最佳效果。

在理论上，钻孔过程中所排出的原浆进行回填，可以最经济地获得与地层较为一致的热物性。但是由于施工过程的影响，这些排出的岩土体受到了扰动，已不具有与原地层参数相关的物性，因此，单纯的原浆回填难以保证较好的回填效果，故常采用原浆和膨润土、石英砂、水泥和水按一定配比混合来进行回填。

2）回填时间 钻孔完毕应立即灌浆回填封孔，隔离含水层。灌浆即使用高压注浆泵通过灌浆管将混合浆灌入钻孔中的过程。高压注浆泵的泵压足以使孔底的泥浆上返至地表。本钻机注浆泵采用球阀活塞泵，具有工作压力高、排量适宜，能够输送含砂量较高的砂浆，维护方便等优点。非常适合在地埋管孔回填施工中应用。

在实际使用中，先由吸浆泵将原始泥浆回吸抽送至泥浆过滤筛，将过滤出来的稀泥浆由回浆泵输送至钻杆，供钻塔使用。过滤剩余的浆料进入搅拌机进行搅拌，如有必要，可添加膨润土、砂、水泥和水。搅拌好的浆料为回填浆料，回填浆料通过高压注浆泵输送至回填孔内。灌浆时，应保证灌浆的连续性，采用背压式回填灌浆工艺（图2），根据灌浆速度将灌浆管逐渐抽出，使灌浆液自下而上灌注封孔，确保钻孔灌浆密实，无空腔，否则会降低传热效果，影响工程质量。

图2 背压式回填灌浆过程

3 主要技术参数

最大钻孔深度（m） 160

最大钻孔直径(mm) Ø100～Ø195

动力头最大输出扭矩(Nm) 6100

灌浆排量(m3/h) 6

回填料允许含砂率(%) ≥50

工作方式 回转钻进

行走方式 液压履带型

动力配置(kW) 50

4 用途及主要特点

PZG6型多功能钻机主要应用于要求高效作业密集式的地源热泵地埋管孔工程，同时也适用于水电站、铁路、公路等岩土工程中的预应力锚固孔、排水孔施工工程，还适用于高层建筑深基坑锚固及抗浮锚固、建筑基础加固、路基坝基加固、预防滑坡锚固及沙地打井等工程。

PZG6型多功能钻机有以下技术特点。

1）钻机设集成程度高，实现了机、电、液一体化，施工效率高，可以在不移机的情况下，完成钻孔、下管、注浆封孔等全部施工作业。

2）钻机动力头使用低速大扭矩液压马达驱动，改变主泵排量可实现无级调速，动力头输出转速可在40～80r/min之间无级调整，能适应多种钻探工艺、不同钻孔直径对钻速和扭矩的需求。

3）钻机采用柴油机动力，配有液压履带，具有自行功能，机动性和通过能力强。

4）钻机将钻出来的泥浆回收再利用，避免了环境污染，节约了水和回填材料。

5 结 语

PZG6型多功能钻机集快速移位、高效钻进、泥浆回收再利用等功能为一体，完全能满足地源热泵地埋管孔现场施工的要求。可以相信，随着地源热泵技术在全国广泛应用，将为PZG6型多功能钻机带来广阔的市场前景。同样，PZG6型多功能钻机的大量应用，大大提高施工效率，减少施工成本，促进地源热泵地埋管技术的更好、更快的发展，为我国的节能减排做出贡献。