2.7　JHB-200型泥浆净化机及其使用说明[25]

2.7.1　概述

在冲击反循环钻机的钻进施工中，护壁泥浆的固相含有两种成分：一种是制造护壁泥浆的必要材料，如膨润土等；另一种是有害固相，它是在钻进过程中，由钻屑（岩粉）或地层中的黏土、砂、风化物及砂卵石等侵入泥浆中产生的。有害固相含量的增加对钻进效率、设备和机械的磨损、泥浆护壁性能都有很坏的作用，同时还增加功率损耗、增大泥浆成本和增加清除有害固相的工作。

据美国一些公司统计，有害固相含量降低1％，机械钻速可提高10％～29％。据国内石油钻井的钻探实测统计，有害固相含量降低1％，机械钻速可提高10％～26％。煤田勘探钻孔试验表明，使用旋流器除砂时泥浆比重由1.15降低为1.08，钻进效率提高24.3％。

由于有害固相的存在，使泥浆护壁性能降低，因此钻孔事故增多。据煤田勘探钻孔统计，使用泥浆净化设备后，孔内事故率从10.3％降低为0.72％。

又据煤田勘探钻孔统计，使用泥浆净化设备减少了弃浆次数，使每米进尺泥浆成本由2.22元/m降低到0.23元/m。

因此，在防渗墙槽孔施工中，利用专用设备对槽内泥浆进行净化和循环利用是十分必要的。为与CZF系列冲击反循环钻机配套，国内相关单位研制了JHB-200型泥浆净化机（图2.35），该设备也可以单独与其他泥浆回收系统结合应用。该设备的研发实现了相应设备的国产化，在保证设备性能的基础上，大幅降低了生产成本，大量应用于工程建设，经济效益、社会效益显著。

2.7.2　JHB-200型泥浆净化机

（1）国内外发展概况。泥浆净化机又称为泥浆振动旋流再生机，它是防渗墙施工中配合循环钻机净化泥浆的设备。

在国外，尤其在发达国家，由于广泛采用高效率的循环钻进工艺，并且采用膨润土泥浆护壁，对泥浆质量有高标准的要求，所以对泥浆净化设备的研制与应用极为重视，并且有较长的发展历史。许多发达国家都有专门的机构研制泥浆净化设备。如苏联的全苏石油机器制造科学研究设计院、美国的Milchem公司、日本的利根公司，还有德国的宝峨公司等都重点研究和生产了成套的系列化泥浆净化设备，供世界各地选用。例如，宝峨公司生产了BE-100、BE-150、BE-250、BE-300及BE-500系列除砂机。其处理能力从100m3/h到500m3/h。这些泥浆净化机均采用双振动电机合成直线振动；金属和橡胶组成的复合弹簧以及抗振耐磨的聚氨酯橡胶筛网等先进技术，使净化机性能优异、除渣效果良好，但价格昂贵。

在国内，石油钻井工程对泥浆净化设备的研制与生产应用时间较长，建筑业随生产的需要也普遍使用了泥浆净化设备。在水利水电系统，因长期采用非循环钻进工艺，用黏土造浆护壁，所以对泥浆净化回收的研究相对落后，随着高效新型冲击反循环钻机的研制以及液压抓斗、液压双轮铣等先进施工机械的引进，推动了泥浆净化设备的研制及应用。

（2）泥浆净化机的构造。JHB-200型泥浆净化机是由振动筛、旋流器、管路系统、泥浆泵及泥浆罐等组合而成的综合泥浆处理设备。它集筛分、离心分离和沉淀等多种性能为一体，是高性能的泥浆净化装置，如图2.36所示。

（3）泥浆净化机工作原理。两台振动电机同步运转，使振动筛产生直线振动。由钻机反循环砂石泵抽出的含渣泥浆首先被送入振动筛粗筛网，筛除粒径大于5mm的粗颗粒，而后被送入细筛，通过细筛后落入泥浆罐。泥浆罐中的泥浆由泥浆泵抽送到旋流器的射流口，射入旋流器内，在旋流器内形成高速旋转的泥浆流。旋转产生强大的离心力使比重大的泥砂从泥浆中分离出来。净化的泥浆由旋流器的溢流口流出回到槽孔。细泥砂由排渣口排出。由于旋流器排出的泥砂含有较多泥浆，所以在排渣口下设置细振动筛网，以便进一步回收泥浆，压缩泥砂中的水分。

（4）单轴振动筛的工作原理及设计选择。单轴振动筛的振动全靠一根回转轴，所以和其他筛分机比较，其结构简单、造价低、耗电量低、维修工作量少。

1）单轴振动筛的工作原理。单轴振动筛的筛箱是做圆形（或近似于圆形）运动的，筛面要有较大的倾角，一般采用15°～20°。

设计的单轴振动筛是自定中心式单轴振动筛，如图2.37所示。

在这种筛子中，主轴是一根偏心轴，其偏心部分通过轴承与筛箱连接。轴上装有一对偏心轮。当筛子工作时，主轴绕0-0轴线转动，筛箱和偏心轮各自产生离心力，这两个离心力的方向相反。如果根据筛箱的质量适当地确定激振器的偏心质量，使两个离心力得到平衡，就能使筛子工作时激振器的回转轴线固定不动，使筛箱在垂直平面上做圆形运动。这种工作方式称为自定中心。

2）物料在单轴振动筛面上的运动分析。单轴振动筛的筛面做圆形（或接近圆形）运动，所以物料在筛面上的受力情况与直线振动筛不同。这种筛子的筛面以较高的角速度运动，物料运输的轨迹是抛物线，不过物料的抛射角不是自由选定的，而是取决于筛面运动的角速度。图2.38是筛面做圆形运动时筛面上一个颗粒的受力情况。

设筛面EE'做半径（振幅）为A、角速度为ω的圆形运动。当颗粒做抛射运动时，它在筛面上受两种作用力：颗粒本身的重力G；颗粒随筛面做圆形运动所产生的离心力P，P的方向随筛面回转的相位角而变化，P=GAω2/g。

颗粒脱离筛面产生抛射运动的极限条件是P sinφ=G cosα。将P和ω=2πn/60代入整理后，可求得颗粒产生抛射运动时要求筛面达到的转数为

式中φ是筛面运动的相位角，由于颗粒在这点上脱离筛面，所以这个角度又称为脱离角。颗粒的抛射角β=90°-φ。当其他条件一定时，φ的大小随筛面运动的转数n而变，换句话说，抛射角β取决于筛面转数。

当sinφ=1，即φ=90°时，颗粒产生抛射运动所要求的转数最低，这个转数是：当α=20°时，nmin=529r/min。

显然，筛子在这个转数下工作，并不是最有利的工作条件。因为当脱离角为90°时，颗粒的抛射角为0°，颗粒离开筛面以后，是以近似为ωA的切线速度向前移动，由于抛射角很小，抛得并不高的物料不易松散，落下的速度也不大，不利于物料的透筛。

为了使颗粒抛得较高，脱离角φ应当在小于90°的范围内。当然，脱离角φ越小，抛射角β越大，使颗粒抛起来所需要的转数也越高。为了提高筛子的效率，颗粒跳动一次的时间不应超过筛面振动一次的时间，所以应当有一个脱离角，颗粒在这个脱离角抛射时，跳动一次的时间恰恰是筛面振动一次的时间，这个脱离角就是最有利的脱离角，如图2.39所示。最有利的脱离角计算过程如下。

设颗粒脱离筛面作抛射时正处于d点，此时脱离角为φd，而筛面处在d E'位置。颗粒在d点具有切线速度ωA，它在y向的分速度vy=ωAcosφd。

颗粒在d点脱离筛面时，满足Psinφd=Gcosα或α2Asinφd=gcosα。

颗粒离开d点以后，沿抛物线dc运动，并与筛面相遇于c点，当颗粒与筛面相遇时，筛面的位置已由dE'转移到bE'，筛面上的d点已转移到b点，筛面回转到b点的相位角为φb。筛面从d点转到b点时，相位角改变φb-φd，这个角称为跳跃角δ，即δ=φb-φd。

设颗粒从d点到c点的抛射时间以t表示，则t=（φb-φd）/ω=δ/ω

以x、y为坐标轴，则c点坐标为

从图2.39可见，yd=Asinφd，而将gcosα=ω2Asinφd，t=δ/ω代入上式，整理后得

当颗粒重新落到筛面上时，筛面d点也已移到b点的位置，它的纵坐标为

因为yb=yc，所以

化简后得

当颗粒抛射时间恰等于筛面回转一周的时间时，跳跃角δ应为360°，将这个数值代入上式得

根据上述原理，φd=17°40'是最有利的脱离角，如果将这个数值代入公式：

则可以求出这个时候筛子的转数应为

这是圆形运动振动筛转数的一个上限，有时称为第一临界转数。在这个转数下，颗粒的抛射高度较大，物料层易于松散，有利于提高筛分效果。但筛子一般不宜超过这个转数，否则当颗粒抛射时间大于筛面振动一次的时间时，振动就会出现无效功，从而降低筛子的效率。另外，物料与筛面相遇的速度实际上是两者运动的相对速度，相对速度越大，则透筛效果会越好。从相对速度来看，最好是当筛面往上升时，物料下落与筛面相遇，这时候相对速度最大。所以筛子的实际工作转数应在第一临界转数以内。根据经验，工作转数可取

当α=20°时，705r/min＜n＜952r/min。

圆形运动振动筛激振器的转动方向对筛子工作有一定影响，当筛子顺向回转时，抛射角向前，物料向前斜向抛射，移动速度大，生产率高。当逆向回转时抛射角向后，物料向后斜向抛射，移动速度慢，生产率低但筛分效率可能有所提高。圆形运动的单轴筛一般采用顺向回转，很少采用逆向回转。

振动筛整体为框架式焊接结构，为单层筛网，左右分别为粗细筛网，粗筛网眼规格为5mm，细筛网眼规格为0.25mm，采用聚氨酯材料制作，经久耐用；选定的单轴振动筛工作转速为960r/min，为双层筛网。筛网尺寸为1800mm×900mm（长×宽）。上层筛网使用冲孔筛板，孔宽0.8～1.5mm。下层筛网使用条缝焊接筛板，条缝宽5mm。

（5）旋流器的工作原理及选用。如图2.40所示，旋流器主要工作原理是将泥浆用砂泵或泥浆泵冲入旋流器内。从切线方向布置的矩形进浆口射入旋流室，形成强大的旋流回转运动而产生离心力，使泥浆中粗粒和重的固体粒子在离心力的作用下向筒壁分离。这些贴在筒壁上的粗粒及固体粒子在重力作用下向锥体底部下移，同时由于锥体直径的缩小，随着沉渣的下沉，在筒体中部，分离了粗粒及固体粒子比重小的泥浆被向上推移，通过溢流管从溢流室的出口排出旋流器外，从而实现了浆渣分离。

旋流器从结构上可分为整体式和嵌套式旋流器。整体式旋流器一般用铸铁建造，价格较低，但寿命较短而且为一次性产品。嵌套式旋流器内镶嵌有橡胶、陶瓷或聚氨酯等内套，使用寿命长而且可更换内套，但价格昂贵。整体式旋流器也有用聚氨酯橡胶制造的，聚氨酯橡胶材料十分耐磨，但价格昂贵。本着性价比高的原则，选用了铸铁式旋流器，旋流器直径为350mm，两个为一组并联在振动筛上。旋流器的处理能力为90m3/h×2=180m3/h，溢流粒度为25～250μm，工作压力为0.05～0.3MPa，工作寿命为3个月（按一天三班24h工作制）。

（6）JHB-200型泥浆净化机的设计特点和技术参数。发达国家因财力雄厚，不惜投入重金，使用各种新技术以及质量优良的泥浆净化设备组成泥浆净化回收系统，他们在泥浆净化设备上投入的资金有时甚至超过了在主机上投入的资金，从而获得优良的净化回收性能。我国的国情是底子薄，没有雄厚的资金购买或添置全部的先进设备。因此，设计的主导思想是：净化机要性能良好，造价低廉，适合我国国情。

经过多次试验、多次修改设计，JHB-200型泥浆净化机已逐渐完善和走向成熟。该机型有以下特点：

1）工作原理及工艺流程是国际通用和先进的，其结构布局也是合理的。国内外泥浆净化装置的工作原理大致相同，即筛分、离心分离和沉淀，并且多将这3种净化原理集中应用在泥浆净化机上，使之成为高性能、高效率的除砂设备。该机也是如此。

2）净化性能良好，处理能力大。处理泥浆能力达200m3/h，处理固体能力达20t/h以上。除渣率为60％～90％（根据不同的地层而不同）；渣料含水率小于30％；振动筛的激振力可以调节，以适应不同的地层要求。

3）造价低廉。该机使用单轴振动筛，其激振器只有一组，比直线振动筛少一组，大大降低了成本，且构造简单，便于维修。

该机选用铸铁旋流器和农用砂石泵也使产品成本降低。

该机在设计上使钻机反循环砂石泵的流量略大于旋流器砂石泵的流量，并使用溢流管自动调节泥浆罐内液面高度，省去了复杂的液位自动平衡装置，进一步降低了整机造价。

该机整机价格较低，是我国中型泥浆净化装置中造价最低的，与德国宝峨公司的BE-250型除砂机相比，造价仅是它的1/32～1/23；与国内某工程局仿宝峨公司产品制造的泥浆净化装置相比，造价也仅是它的1/3～1/2。该机适合在水利水电工程中应用。

2.7.3　JHB-200型泥浆净化机使用说明

（1）主要技术指标。JHB-200型泥浆净化机的主要技术指标如下：

最大泥浆处理量：220m3/h。

总功率：48kW。

整机质量：3800kg。

外形尺寸（长×宽×高）：2.25m×3.8m×2.5m。

除砂效率：92％。

处理泥浆最大比重：1.2。

含砂量：小于20％。

（2）主要组成部分。

1）振动筛。振动筛整体为框架式焊接结构，为单层筛网，左右分别为粗细筛网，粗筛网眼规格为5mm，细筛网眼规格为0.25mm，采用聚氨酯材料制作，经久耐用；两台振动电机同步运转，使振动筛产生直线振动。

2）泥浆动力系统。主要由泵及管路系统组成。

（3）操作程序。

1）启动。

a.接通渣浆泵的密封水路，一般用普通自来水即可，合上开关，接通主电源（在首次使用时，一定要先卸下渣浆泵电机与泵体的连接皮带，待确定电机为正转时，方可上紧皮带，方法是调整电机下部的定位螺丝）。

b.按“振动”按钮，启动振动电机。

c.待储浆槽浆面高度超过泵顶部后，按“泵启动”按钮，启动渣浆泵；逐渐打开泵出口阀门，同时观察压力表是否上升至规定值2.0～2.5kgf/cm2。如果压力值显示低，则应停机检查。

d.在钻进覆盖层或储浆槽有淤积时，应经常启动振动电机。

2）停止。

a.停止反循环砂石泵。

b.待渣浆泵运转1～2min后，停止。

c.停止振动筛的运转。

d.长时间停机前，必须注入清水运转10min，并清理筛网。

3）维护及保养。

a.班维护及保养。振动筛在初转100h内要检查振动电机地脚螺栓紧固程度，检查筛网的固定状态，检查弹簧；渣浆泵要检查密封部位和电机及轴承温度；检查储浆槽的淤积状态，看有无超径石（粒径大于5mm）存在，检查浮标液位情况。

b.周维护及保养。检查粗筛受损情况，检查渣浆泵的三角皮带松紧情况，检查各种管路及阀门。

c.月维护及保养。补充或更换润滑油，检查泵叶轮与前护板的间隙，将其控制在0.5～1mm。

4）可能发生的故障及解决方法见表2.8。