海上風(fēng)電嵌巖鉆機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

任俊杰，楊廣健

（1. 中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500；2. 上海真砂隆福機(jī)械有限公司，上海 200040）

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)綠色清潔能源開(kāi)發(fā)的重視，海上風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目日趨增多，相應(yīng)的風(fēng)電樁孔嵌巖鉆機(jī)設(shè)備需求大增，原有的風(fēng)電樁孔鉆機(jī)設(shè)備無(wú)論從鉆孔直徑上還是從施工效率上都已經(jīng)不能滿足目前現(xiàn)狀。為此本項(xiàng)目通過(guò)聯(lián)合創(chuàng)新，研制了新型海上風(fēng)電嵌巖強(qiáng)力鉆機(jī)。該鉆機(jī)汲取現(xiàn)有鉆機(jī)設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在多方面細(xì)節(jié)技術(shù)進(jìn)行了突破創(chuàng)新。

該設(shè)備上下動(dòng)作采用門架內(nèi)雙側(cè)雙油缸同步伸縮頂升，回轉(zhuǎn)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭形式。設(shè)備提升力最大為900t，最大扭矩4000kNm，轉(zhuǎn)速0～9r/min。該設(shè)備采用氣舉反循環(huán)法原理，相較于業(yè)內(nèi)常規(guī)嵌巖鉆機(jī)具體體現(xiàn)在以下創(chuàng)新設(shè)計(jì)及應(yīng)用：大扭矩電驅(qū)、強(qiáng)力嵌巖鉆進(jìn)、高效吸排渣、智能化鉆進(jìn)控制。我司共研制了2臺(tái)設(shè)備，分別應(yīng)用于福建平潭I型（坐樁）和莆田III型海上風(fēng)電單樁嵌巖施工（穩(wěn)樁平臺(tái)）。

1 設(shè)備總體介紹及原理

豎向復(fù)合式掘進(jìn)機(jī)利用驅(qū)動(dòng)部輸出的扭矩、油缸輸出的推力，通過(guò)鉆桿傳遞到刀盤上達(dá)到破巖的效果。利用氣舉反循環(huán)系統(tǒng)將切削下的渣土排出，并通過(guò)泥漿過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)濾，達(dá)到泥漿循環(huán)和排渣的目的。針對(duì)破巖和排渣兩方面，利用現(xiàn)有盾構(gòu)、豎井鉆機(jī)等技術(shù)條件達(dá)到破巖效率高、排渣速度快的施工要求。

反循環(huán)指的是泥漿在樁孔和導(dǎo)管中循環(huán)的一種方式，與之對(duì)應(yīng)的是泥漿正循環(huán)。如圖1所示，泥漿由孔口補(bǔ)給，由導(dǎo)管排出的方式屬于反循環(huán)，反之為正循環(huán)。

圖1 正、反循環(huán)示意圖

兩者的區(qū)別在于：（1）當(dāng)泥漿循環(huán)流量相同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)管（樁孔）返上漿液的速度不同，攜帶鉆渣的能力差別很大。（2）反循環(huán)對(duì)漿液的抽吸作用產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)孔壁穩(wěn)定性有不良影響。而正循環(huán)對(duì)孔壁產(chǎn)生正壓。

由于反循環(huán)在導(dǎo)管中排漿速度大、攜渣能力強(qiáng)，常被用作孔底清渣或者塌孔清渣。目前常見(jiàn)的是氣舉反循環(huán)清渣，該工藝在采礦、采油等行業(yè)應(yīng)用廣泛，對(duì)氣舉反循環(huán)壓力、流量、風(fēng)管布置等內(nèi)容都有深入的研究。

高壓氣體噴出風(fēng)管后與泥漿混合，分散在導(dǎo)管內(nèi)形成許多（密度?。馀荨＿@些氣泡受到泥漿向上的浮力并帶動(dòng)泥漿（粘滯力）向上運(yùn)動(dòng)，并且在上升過(guò)程中壓力降低，體積增大。因此在氣液混合段下方形成負(fù)壓，由該段下部的泥漿不斷補(bǔ)充?？椎壮猎谀酀{運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下進(jìn)入導(dǎo)管，隨泥漿排出孔外，形成一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

2.1 超大扭矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該設(shè)備驅(qū)動(dòng)部采用了6臺(tái)280kW大功率電機(jī)連接減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)形式，不同于常規(guī)鉆機(jī)通過(guò)電機(jī)連接液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)形式，這種電驅(qū)形式進(jìn)一步提高了驅(qū)動(dòng)效率。該驅(qū)動(dòng)部的設(shè)計(jì)具有輸出扭矩大、效率高、調(diào)速平穩(wěn)、變速范圍廣、承受載荷大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)。

驅(qū)動(dòng)部的調(diào)速范圍為0～9rpm，可無(wú)極調(diào)速，額定輸出扭矩為3000kNm，脫困扭矩可達(dá)4000kNm，輸出扭矩遠(yuǎn)高于業(yè)內(nèi)同類風(fēng)電嵌巖施工設(shè)備。驅(qū)動(dòng)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 驅(qū)動(dòng)部結(jié)構(gòu)圖

壓縮空氣沿著b通道向下輸送，然后切削巖石產(chǎn)生的巖石碎屑沿著泥漿上返通道a向上輸送。

殼體采用箱式結(jié)構(gòu)，殼體材料采用低合金高強(qiáng)度鋼，多筋板布置，內(nèi)部圓形結(jié)構(gòu)件均采用鍛鋼材料，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的加工工藝，從而保證足夠的剛度和精度。

2.2 高效吸排渣系統(tǒng)

嵌巖鉆進(jìn)的效率很大程度上依賴于及時(shí)快速地吸排渣，因此高效的吸排渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于嵌巖鉆機(jī)顯得尤為重要。整個(gè)系統(tǒng)采用氣舉反循環(huán)原理進(jìn)行排渣，空壓機(jī)通過(guò)進(jìn)氣通道將高壓空氣送至連接筒下部的排漿管內(nèi)，空氣與管內(nèi)的液體混合導(dǎo)致液體密度變小。此時(shí)管內(nèi)壓力小于外部壓力并形成壓差，液體在排漿通道內(nèi)發(fā)生流動(dòng)，同時(shí)控制液面高度和揚(yáng)程從而達(dá)到排漿目的。

鉆具系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）采用3個(gè)獨(dú)立進(jìn)氣通道和收渣口設(shè)計(jì)，將鉆頭、導(dǎo)向器、鉆桿等部件通過(guò)過(guò)渡接頭和配風(fēng)裝置結(jié)合起來(lái)。配風(fēng)裝置處設(shè)置2處進(jìn)氣通道，驅(qū)動(dòng)部設(shè)置1處進(jìn)氣通道。各進(jìn)氣通道互相獨(dú)立，空壓機(jī)分別供氣。鉆頭面板設(shè)置3處收渣口，鉆頭、連接筒、導(dǎo)向器對(duì)應(yīng)設(shè)置3處排漿通道，并在過(guò)渡接頭處匯集，泥漿通過(guò)鉆桿和驅(qū)動(dòng)部中心設(shè)置的排渣通道排出。

圖3 鉆具系統(tǒng)

鉆頭面板設(shè)置的3處長(zhǎng)腰形排渣口基本覆蓋整個(gè)開(kāi)挖面，保證刀具切削出的渣土盡快被收集。3處獨(dú)立排渣通道和進(jìn)氣通道的設(shè)置，避免各排渣口因某1個(gè)口堵塞造成壓力不均衡和排渣失效。相較于常規(guī)鉆機(jī)，這種獨(dú)有的排渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)極大提高了系統(tǒng)的排渣效率。下面簡(jiǎn)要介紹相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)組成。

刀盤采用平底式設(shè)計(jì)，可承受較大鉆壓，提高破巖效率。球齒合金滾刀在刀盤面板上呈螺旋線布置。刀盤結(jié)構(gòu)采用3個(gè)獨(dú)立排渣口設(shè)計(jì)，各排渣通道互不干涉。排渣口采用矩形長(zhǎng)腰形口，回轉(zhuǎn)過(guò)程中3個(gè)排漿口能基本覆蓋整個(gè)刀盤面，及時(shí)清掃掌子面切削下的巖屑，達(dá)到很好的排渣效果。

為了防止泥漿循環(huán)過(guò)程中發(fā)生“短路”情況，首先整個(gè)刀盤面板呈封閉狀設(shè)計(jì)，僅在刀盤邊緣預(yù)留4處進(jìn)漿通道。其次，進(jìn)漿口與排渣口距離盡量遠(yuǎn)些，泥漿在掌子面流動(dòng)時(shí)可盡量多地帶走掌子面的巖屑。

過(guò)渡接頭是連接導(dǎo)向器和鉆桿的過(guò)渡裝置，與二者連接均采用法蘭型式，上下法蘭采用鑄件加工。過(guò)渡接頭的中間部分是排漿通道和進(jìn)氣通道，同時(shí)也是排漿通道的合流段。過(guò)渡段焊件、機(jī)加工完成后須做氣密試驗(yàn)，保證排漿管和進(jìn)氣管不會(huì)發(fā)生漏漿、漏氣現(xiàn)象。

2.3 強(qiáng)力提升及鉆進(jìn)系統(tǒng)

該設(shè)備鉆頭的提升及鉆進(jìn)通過(guò)雙側(cè)門架內(nèi)雙油缸同步伸縮動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。電比例大流量柱塞泵作為主泵，小排量恒壓泵作為輔助泵為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力源。控制部分主要采用品牌電磁換向閥、電液換向閥、調(diào)壓閥、流量調(diào)節(jié)閥及插裝閥，結(jié)合電氣控制實(shí)現(xiàn)油缸的速度控制和壓力控制。

主油缸額定提升力為900t，下壓力為550t，可實(shí)現(xiàn)0～400t的減壓鉆進(jìn)模式，提升力及下壓力在業(yè)內(nèi)嵌巖施工設(shè)備中能力最強(qiáng)。

鉆桿是動(dòng)力輸出軸，傳遞扭矩和鉆壓，必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和壓桿穩(wěn)定性。本系統(tǒng)鉆桿外徑1.1m，為國(guó)內(nèi)最大直徑風(fēng)電嵌巖用鉆桿，采用法蘭式結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)，中心管為排漿通道，管壁之間預(yù)埋3根通風(fēng)管（見(jiàn)圖4）。鉆桿法蘭之間采用高強(qiáng)度螺栓和銷軸聯(lián)結(jié)。

圖4 鉆桿結(jié)構(gòu)

2.4 智能化鉆進(jìn)控制系統(tǒng)

該設(shè)備在人機(jī)操作和電控方面進(jìn)行了針對(duì)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，相較于常規(guī)鉆機(jī)操作更加簡(jiǎn)單方便。在各個(gè)子系統(tǒng)全面配置了多種傳感器，使設(shè)備更加智能化、集成化。簡(jiǎn)化了操作臺(tái)手柄及按鈕，集成到觸摸屏操作界面，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)運(yùn)行。新增了施工數(shù)據(jù)曲線實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及報(bào)表系統(tǒng)，可以對(duì)關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并形成趨勢(shì)曲線，并可按時(shí)間查詢歷史施工數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)了鉆進(jìn)超限自動(dòng)回提系統(tǒng)，操作人員在設(shè)定好鉆壓、扭矩和進(jìn)尺速度后，可一鍵啟動(dòng)鉆進(jìn)施工，遇到扭矩和鉆壓超限時(shí)自動(dòng)停機(jī)，避免因操作人員的誤操作損壞設(shè)備。自動(dòng)減壓鉆進(jìn)控制界面見(jiàn)圖5。

圖5 自動(dòng)減壓鉆進(jìn)控制界面

3 與常規(guī)嵌巖鉆機(jī)性能參數(shù)比較

通過(guò)與其他幾家風(fēng)電嵌巖鉆機(jī)設(shè)備的性能參數(shù)對(duì)比可以看出，我司研制設(shè)備HT-4000在鉆孔直徑、嵌巖鉆進(jìn)效率、額定扭矩、提升能力方面均有較大的提升（見(jiàn)表1）。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)2臺(tái)海上風(fēng)電嵌巖鉆機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用，解決了大直徑嵌巖鉆孔施工中因破巖能力弱、排渣不及時(shí)導(dǎo)致的綜合效率低的問(wèn)題。超大扭矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為快速掘進(jìn)提供動(dòng)力支持，強(qiáng)力提升及鉆進(jìn)系統(tǒng)為掘進(jìn)中的高效破巖提供足夠鉆壓，獨(dú)立3通道高效吸排渣系統(tǒng)為高效率的排渣提供了技術(shù)保障，破巖、排渣效率較一般鉆機(jī)有顯著提升，在同類型設(shè)備中具有先進(jìn)性。智能化鉆進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)備操作便捷性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、施工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等特點(diǎn)對(duì)同行業(yè)具有重要的借鑒意義。下一步將對(duì)鉆桿材料和結(jié)構(gòu)形式、刀具材料和類型進(jìn)行深層次研究，以期實(shí)現(xiàn)鉆壓和輸出扭矩的進(jìn)一步提高，達(dá)到更高的掘進(jìn)效率。

表1 與其他嵌巖鉆機(jī)性能參數(shù)比較表