CYS-300型全液壓地熱水井鉆機的研制

劉 志， 彭儒金， 朱 慧， 陳 敏， 邱 華

(長沙探礦機械廠，湖南 長沙 410100)

1 研究背景

淺層地熱能供暖(制冷)技術(shù)具有環(huán)保、可循環(huán)利用、節(jié)能等突出優(yōu)點[1]。國家《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中提出：2004 年后淺層地熱能應(yīng)用年增長率超過 30%，應(yīng)用范圍擴展至全國，2015年底全國淺層地熱能供暖(制冷)面積達到3.92億m2，預(yù)計在“十三五”時期，新增淺層地熱能供暖(制冷)面積將達7億m2。地源熱泵空調(diào)作為淺層地熱能應(yīng)用的主要方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、住宅小區(qū)、寫字樓、私家別墅等場所。作為地源熱泵空調(diào)地表原始能源采集的熱交換孔的施工量與日俱增，當前國內(nèi)地源熱泵熱交換孔深度絕大部分150 m左右，終孔直徑≯150 mm，主要采用空氣潛孔錘鉆進工藝，效率高，對土壤和地下水污染小[2-4]。傳統(tǒng)巖心鉆機和散裝式水井鉆機不適用空氣潛孔錘鉆進工藝，國內(nèi)市場主流錨桿鉆機同樣不能很好地適應(yīng)地源熱泵孔的施工流程，輔助時間長，效率低。通過調(diào)研，我廠研制了一種專門針對地源熱泵熱交換孔、水文水井孔等具有相同施工工藝孔類的CYS-300型全液壓地熱水井鉆機。

2 技術(shù)思路

通過調(diào)研國內(nèi)外同類型鉆機的施工使用情況，對一線施工客戶的交流訪問，我廠要研制的CYS-300型全液壓地熱水井鉆機必須具有鉆進效率高，維護簡便，操作簡單，履帶行走平穩(wěn)，氣水兩用龍頭密封性能好，孔內(nèi)事故處理能力強，能同時滿足泥漿回轉(zhuǎn)鉆進、空氣回轉(zhuǎn)鉆進和空氣潛孔錘鉆進工藝要求等優(yōu)點[5-7]。為了滿足農(nóng)村院舍水井、城市別墅地源熱泵孔等運輸和作業(yè)空間受限制的場地施工，節(jié)省鉆機轉(zhuǎn)場運輸費用，在產(chǎn)品設(shè)計階段便嚴格控制鉆機運輸、工作狀態(tài)外形尺寸。液壓系統(tǒng)選用性價比高的液壓元件，在滿足產(chǎn)品性能和使用壽命的前提下，降低生產(chǎn)制造成本，增強產(chǎn)品的市場競爭力[8]。

3 CYS-300型全液壓地熱水井鉆機主要結(jié)構(gòu)及其特點

3.1 鉆機外形結(jié)構(gòu)

鉆機主要由履帶底盤、底架、動力總成、支腿總成、動力頭總成、鉆塔總成、定心裝置、卸扣裝置、液壓系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等部件組成。液壓系統(tǒng)控制鉆機的所有動作，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理。底架上配置大容積鉆桿箱，基本滿足鉆井施工所需鉆桿和鉆具隨鉆機一起移機轉(zhuǎn)場的需求，省去鉆桿鉆具單獨搬運步驟，省時省力。操縱臺靠近鉆塔總成和井口位置，操作者視野開闊，有利于及時精準操控，及時預(yù)防孔內(nèi)事故的發(fā)生。高支腿設(shè)計使鉆機具有自行裝卸免吊裝的優(yōu)點。鉆機外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 鉆機的主要技術(shù)參數(shù)(見表1)

3.3 鉆機動力頭總成

動力頭總成如圖2所示。主要由雙液壓馬達、輸出軸、大齒輪、齒輪軸和氣水兩用龍頭組成。在鉆機動力功率一定的前提下，為了獲得大扭矩和高轉(zhuǎn)速，動力頭采用雙馬達三軸四擋液壓變速結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)無機械變速擋位，避免了機械擋位易跑擋的缺陷，同時液壓擋位便于遠程集中操控，減少換擋輔助時間，提高換擋的時效性，有利于提高鉆進效率和降低孔內(nèi)事故發(fā)生的概率[9-10]。動力頭通過雙馬達的串并聯(lián)得到兩擋液壓變速[11]，結(jié)合液壓系統(tǒng)單雙泵供油方式的切換，實現(xiàn)4擋不同的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。

3.3.1 動力頭的輸出扭矩

1-注油器；2-后支腿；3-液壓油冷卻器；4-履帶底盤；5-底架；6-定心器；7-液壓油箱；8-前支腿；9-鉆塔總成；10-動力頭總成；11-操作臺；12-鉆桿箱；13-柴油箱；14-動力總成

圖1 鉆機外形結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drill rig outline structure

液壓馬達在系統(tǒng)工作壓力p=17.5 MPa下，輸出最大扭矩為：

式中：T——馬達輸出扭矩，N·m；q——馬達排量，

圖2 動力頭總成Fig.2 Top head assembly

mL/r；ηm——馬達的容積效率[12]。

變速箱的齒輪傳動比為80/19，故動力頭的最大輸出扭矩為：

Tmax并=2iT=2×(80/19)×778=6551 N·m

Tmax串=iT=(80/19)×778=3275 N·m

3.3.2 液壓泵的輸出流量

鉆機選用兩個排量40 mL/r的齒輪泵為動力頭馬達供油，單泵輸出流量為：

Q=n柴qηv泵=2200×40×0.92=80960 mL/min

式中：Q——泵的輸出流量，mL/min；n柴——柴油機轉(zhuǎn)速，取2200 r/min；q——齒輪泵排量，取40 mL/min；ηv泵——齒輪泵容積效率，取0.92[13]。

3.3.3 單泵供油動力頭輸出轉(zhuǎn)速

雙液壓馬達并聯(lián)時輸出轉(zhuǎn)速為：

雙液壓馬達的串聯(lián)時輸出轉(zhuǎn)速為：

動力頭的變速箱傳動比為80/19，故動力頭的輸出轉(zhuǎn)速為：

3.3.4 雙泵合流動力頭輸出轉(zhuǎn)速

雙馬達并聯(lián)時輸出轉(zhuǎn)速為(ηm=0.9)：

雙馬達串聯(lián)時輸出轉(zhuǎn)速為：

動力頭的變速箱傳動比為80/19，故動力頭的輸出轉(zhuǎn)速為：

3.4 鉆塔總成

鉆塔總成由桅桿、拖板總成、提升滑輪、給進油缸、游動滾輪、天車、液壓卷揚、鏈條等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。桅桿(10)采用半封閉式箱式結(jié)構(gòu)焊接成形，具有工藝簡單、質(zhì)量輕、剛度好、裝配維修給進機構(gòu)方便的優(yōu)點[14]。給進機構(gòu)采用油缸鏈條倍速機構(gòu)，缸筒鉸接固定，活塞桿推拉游動滾輪(7)沿桅桿(10)內(nèi)導(dǎo)軌運動，帶動拖板總成(9)提升給進。給進機構(gòu)中游動滾輪(7)類似于動滑輪，給進油缸(6)行程1800 mm，拖板行程3600 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)。提升給進鏈條配置防沖擊碟形彈簧(11)，有效保護動力頭、鏈條、鉆具，提高鉆機使用壽命。給進和升滑輪通過連桿(1)和滑輪軸(2)懸掛于桅桿兩端，調(diào)節(jié)承重螺母(12)和鎖緊螺母可以移動滑輪軸的位置，帶動滑輪上下移動，實現(xiàn)鏈條的漲緊。拖板總成(9)采用浮動式連接，拆卸絲扣動力頭自動上下滑動讓出絲扣行程，保護鉆桿絲扣，延長鉆具使用壽命。天車和液壓卷揚配合使用，具有吊裝鉆具的功能，可減輕勞動強度。

1-連桿；2-滑輪軸；3-天車；4-提升滑輪；5-鏈條；6-給進油缸；7-游動滾輪；8-液壓卷揚；9-拖板總成；10-桅桿；11-碟形彈簧；12-承重螺母

圖3鉆塔總成結(jié)構(gòu)圖
Fig.3Drill tower assembly structure

4 鉆機的液壓系統(tǒng)

4.1 主系統(tǒng)油路

主油路系統(tǒng)原理如圖4所示。主要有履帶行走馬達、動力頭馬達、給進油缸等執(zhí)行元件。選用中美合資齒輪泵作為動力元件，齒輪泵額定工作壓力21 MPa，主油路系統(tǒng)中履帶行走馬達和給進油缸最高工作壓力設(shè)定為21 MPa，動力頭馬達根據(jù)馬達參數(shù)設(shè)定為17.5 MPa。齒輪泵通過履帶行走閥分別驅(qū)動履帶的左右行走馬達，油路互不干擾，履帶行走平穩(wěn)，操控性能好。動力頭低速旋轉(zhuǎn)時，動力頭左馬達和動力頭右馬達由B泵單獨供油，通過液控二速閥(3)實現(xiàn)馬達串并聯(lián)，動力頭得到兩擋低轉(zhuǎn)速和輸出扭矩[15]。動力頭高速旋轉(zhuǎn)時，動力頭左右馬達由A泵供油經(jīng)過合流閥(7)與B泵供油匯合，經(jīng)過動力頭控制閥(6)、液控二速閥(3)后，動力頭得到兩擋高轉(zhuǎn)速和扭矩。同時通過調(diào)速閥(9)，在保證工作油壓力波動小的前提下調(diào)節(jié)動力頭馬達的供油量，實現(xiàn)動力頭正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)，最大限度提高各類地層的鉆進效率。 B泵單獨供油，經(jīng)過合流閥(7)、快速提升給進閥(8)，可實現(xiàn)快速給進和提升。A泵供油經(jīng)過合流閥(7)和快速提升給進閥(8)，同時B泵供油經(jīng)過動力頭控制閥(6)，可實現(xiàn)動力頭快速旋轉(zhuǎn)和快速給進的同步運行，鉆機實現(xiàn)掃孔和處理孔內(nèi)事故的功能。液壓油冷卻器(11)的風(fēng)扇葉片由24 V直流電機驅(qū)動，由柴油機發(fā)電機和蓄電池提供電源。

4.2 副油路系統(tǒng)

1-行走馬達；2-動力頭馬達；3-液控二速閥；4-給進油缸；5-行走控制閥；6-動力頭控制閥；7-合流閥；8-快速提升給進閥；9-動力頭調(diào)速閥；10-齒輪泵；11-液壓油冷卻器

圖4主油路系統(tǒng)
Fig.4Main hydraulic circuit

副油路系統(tǒng)如圖5所示。由雙聯(lián)齒輪泵、液壓卷揚、給進油缸、起塔油缸、卸扣油缸、支腿油缸及各類液壓閥等液壓元件組成。副油路系統(tǒng)控制鉆機實現(xiàn)鉆塔的升降、鉆機的調(diào)平、鉆桿的拆卸、鉆具的吊裝、動力頭慢速鉆進等功能。C泵供油經(jīng)過多路換向閥(16)，實現(xiàn)慢速給進與提升，通過給進壓力調(diào)節(jié)閥(15)和減壓鉆進閥(14)實現(xiàn)給進壓力和反推壓力的調(diào)節(jié)，為鉆機淺深孔鉆進施工提供合理的鉆進壓力，提高施工效率。齒輪泵D供油通過輔助控制閥(21)，對液控二速閥(3)進行換擋控制，實現(xiàn)動力頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的遠程控制[16]。

5 全液壓地熱水井鉆機施工應(yīng)用

5.1 監(jiān)測井施工

12-液壓卷揚機；13-起塔油缸；14-減壓鉆進閥；15-給進壓力調(diào)節(jié)閥；16-多路換向閥；17-多路換向閥；18-拔管器控制閥；19-雙聯(lián)齒輪泵；20-溢流閥；21-輔助控制閥

圖5副油路系統(tǒng)
Fig.5Auxiliary hydraulic circuit

湖南益陽赫山區(qū)華昌銻業(yè)股份公司礦渣治理工地(見圖6)，鉆探監(jiān)測井用于抽取地下水進行尾礦坑地下水污染情況調(diào)查與檢測。采用空氣潛孔錘鉆進工藝，使用?89 mm鉆桿、?185 mm潛孔錘配置?254 mm鉆頭，開山KSZJ-31/25-34/17型空氣壓縮機，排氣量31 m3/min，氣壓2.5 MPa。鉆探5口監(jiān)測井，孔深分別為33、31、43、41、25 m。地層都是泥土層，個別井底部遇到基巖，平均進尺效率約35 m/h。

圖6 益陽市郊礦渣治理監(jiān)測井施工Fig.6 Monitoring well drilling for treatment of tailingsin the suburbs of Yiyang City

5.2 地源熱泵空調(diào)孔施工

湖南省長沙縣江背鎮(zhèn)別墅地源熱泵空調(diào)孔施工(見圖7)。紅五環(huán)16/15型空氣壓縮機，排氣量16 m3/min，壓力1.5 MPa。鉆孔8口，孔深100 m，終孔直徑130 mm。地表泥土層采用?178 mm三翼鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進，進尺約10 m后為砂卵石層，下?168 mm套管護壁，偏心跟管鉆進穿過砂卵石層到達巖石層之后，采用潛孔錘沖擊鉆進到底。由于跟管鉆進和下套管輔助時間較長，鉆孔平均進尺效率約20 m/h。

5.3 應(yīng)用效果及鉆機的改進

鉆機施工過程中液壓系統(tǒng)最高油溫55 ℃，最高工作壓力達到21 MPa，液壓元器件工作可靠，各執(zhí)行元件動作靈敏。機械零部件運轉(zhuǎn)正常，無發(fā)熱、異響和異常形變，鉆機各項參數(shù)達到了設(shè)計要求，鉆進效率高。

針對動力頭輸出軸絲扣磨損和表面拉毛較嚴重的問題，采用將輸出軸材質(zhì)由45號鋼改為42CrMo合金鋼，進行調(diào)質(zhì)熱處理，同時提高絲扣表面粗糙度要求的改進方案；針對鉆機在偏心跟管鉆進施工中，鉆具的接卸位置較高，不方便操作的問題，采用在鉆塔側(cè)面設(shè)計爬梯的改進方案。

圖7 長沙縣地源熱泵孔施工Fig.7 Drilling of ground source heat pump well in Changsha County

6 結(jié)語

CYS-300型全液壓地熱水井鉆機在液壓系統(tǒng)的設(shè)計上合理利用液壓泵的合流分流及動力頭馬達的串并聯(lián)實現(xiàn)多種扭矩、轉(zhuǎn)速、提升能力輸出；給進提升機構(gòu)中緩沖碟形彈簧有效吸收動力頭振動沖擊，延長動力頭和鉆具的使用壽命；獲得專利的氣水龍頭密封可靠、維護簡單。通過現(xiàn)場施工實踐證明：CYS-300型全液壓地熱水井鉆機各參數(shù)設(shè)計合理，整機性能優(yōu)異。具備滿足多種施工工藝的要求，地層適應(yīng)能力強，鉆進效率高，操作界面友好，操作安全舒適，液壓系統(tǒng)設(shè)計簡單可靠，發(fā)熱小，能耗低等。

國外先進的水井鉆機具備遠程遙控操作的功能，舒適性、安全性都有很大提高，同時自帶機械手，實現(xiàn)鉆桿的自動接卸，減輕了勞動強度，縮短了鉆進輔助時間。這種自動化程度相對較高的水井鉆機將是我們下一步的研發(fā)方向。

同時針對下地埋管勞動強度大，效率低，故障率高的普遍問題，我們將研發(fā)自動下放地埋軟管的裝置，改進下管施工工藝，提高施工效率。