ZJ301700J地热钻机并车箱热平衡计算

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摘

要：文章介绍了ZJ30/1700J地热钻机并车箱的设计和热均衡计算，依照计算结果确定了外置逼迫冷却的方案和详尽推行细节，结合工程实例和公式计算，设计了并车箱热均衡计算程序。

要点词：地热钻机；并车箱；热均衡计算

一、归纳

地热钻机的施工条件一般都是有电力供应的，依照这一特点，我们设计了ZJ30/1700J地热钻机，钻灵巧力采用交流电驱动并车结合柴油机并车机构。钻机是连续工作的，两电机的并车箱也是连续工作的，碰到安装地址和空间的限制，并车箱不可以能做的体积足够大，但并车箱的传动功率大，传动效率低，散热面积小，在工作时会产生大量的热，若是散热条件不足，会造成并车箱油温过高，甚至形成喷油、冒烟现象，箱体密封不住而各处漏油，更简单引起润滑无效并以致轴承抱死或齿面胶合，所以对并车箱要进行热均衡计算，并采用相应的冷却降温措施。这对于做好并车箱的正确设计、冷却方案的正确选择和并车箱的合理使用拥有重要意义。

二、并车箱的温度解析

在并车箱开始运转时，传动副所产生的热量一部分用来传给润滑油和箱体，油平易箱体的温度逐渐高升，另一部分经过箱体散热发散到周围介质中去。

在并车箱连续工作的过程中，传动副所产生的热量全部经过箱体和润滑油发散到周围介质，温升曲线趋于和缓，这时发热量和散热量相等，并车箱的温度达到牢固值，这是一种热均衡的状态（见图1）。但是这种热均衡状态是可能条件所不一样意的，它就不是理想状态。

（一）并车箱连续工作中产生的热量

Q1＝1000（1-η）P①

式中：

η――传动效率

P――输入轴的传动功率（kW）其中：

传动效率η＝η1η2η3②式中：

1为啮合效率，即考虑齿轮啮合中的摩擦损失的效率

1＝1-Ψ1＝1-0.01fn③

式中：

n――依照相互啮合的齿轮的齿数确定的系数，变位

齿轮、斜齿轮要乘以相应的系数，对角变位直齿轮乘以；对

于斜齿轮应乘以0.8cosβ；对锥齿轮应按当量齿数采用值n

f――轮齿间的滑动摩擦系数，一般取0.08-0.1

2为考虑轴承摩擦损失的效率

2＝1-Ψ2④

式中：

Ψ2――对于转动轴承取Ψ2＝0.005

3为考虑润滑油飞溅和被搅动的油阻损失的效率

3＝1-Ψ3＝⑤

式中：

P――传动功率（kW）v――齿轮节圆圆周速度（m/s）

b――浸入油中的齿轮宽度（mm）vt――润滑油在其工作温度下的运动粘度（m2/s）（二）箱体表面传出的最大热量

Q2max=KS（θYmax-θ0）⑥

式中：K――传热系数，一般可取K＝8.7-17.5J/

m2•s•℃），传动装置箱体散热及油池中油的循环条件优异时（如有较好的自然通风，外壳上无灰尘杂物，箱体内也无筋板阻拦油的循环、油的运动速度快以及油的运

动粘度小等）可取较大值，反之则取较小值在自然通风优异的地方：K＝14-17.5J/

m2•s•℃）

在自然通风不好的地方：K＝8.7-10.5J/

m2•s•℃）

S――散热计算面积（m2），是指内表面能被油浸着或飞

溅到，而所对应的表面面又能被空气冷却的箱体表面面面积，

其中凸缘、箱底及散热片的散热面积仅按实有面积的一半计

算

Ymax――油温的最大许用值（℃），一般取60℃-70℃

0――周围空气的温度，由传动装置所放置的地址而定，一般取室温为20℃

（三）热均衡解析

达到热均衡时传动的发热速率应和箱体的散热速率相等，即：

Q1=1000（1-η）P＝Q2max=KS（θYmax-θ0）

若是Q1＜Q2max，则传动装置散热情况优异；若是Q1

＞Q2max，则传动装置只能中止工作，若是需要连续工作时，必定增加传动装置的散热能力，可以增加散热面积或加以人

工冷却（风扇吹风、通水冷却或增加外置冷却器），增加散

热能力的方法有：一是在箱体外壳外面增加散热片以增加散

热面积S；二是在传动装置的传动轴上装设风扇进行人工通

风，以提高散热系数K（见图2）；三是在传动装置的油池中

安装蛇形冷却水管（见图3）；四是增加外置冷却器，采用压

力喷油循环润滑冷却的方法（见图4）。

在这四种冷却方法中，结合并车箱的实质情况，决定选

择冷却水管冷却方案比较现实并且有效。详尽计算公式为：

Q1＝1000（1-η）P＝Q2max+K′Sgθ-＝KS（θYmax-

0）+K′Sgθ-⑦

式中：

K――传热系数，一般可取K＝8.7-17.5J/

m2•s•℃），传动装置箱体散热及油池中油的循环条件优异时（如有较好的自然通风，外壳上无灰尘杂物，箱体内也无筋板阻拦油的循环、油的运动速度快以及油的运

动粘度小等）可取较大值，反之则取较小值在自然通风优异的地方：K＝14-17.5J/

m2•s•℃）

在自然通风不好的地方：K＝8.7-17.5J/

m2•s•℃）

S――散热计算面积（m2），是指内表面能被油浸着或飞溅到，而所对应的表面面又能被空气冷却的箱体表面面面积，

其中凸缘、箱底及散热片的散热面积仅按实有面积的一半计

算

Ymax――油温的最大许用值（℃），一般取60℃-70℃

0――周围空气的温度，由传动装置所放置的地址而定，一般取室温为20℃

K′――蛇形管的传热系数，J/（m2•s•℃），

对于紫铜管或黄铜管按表1采用

Sg――蛇形管的表面面积（m2）1s――蛇形管的出水温度（℃）

2s――蛇形管的进水温度（℃）

1s≈θ2s+（5￣10）

三、ZJ30/1700J钻机设计实例

ZJ30/1700J钻机配套交流电驱动并车结合柴油机并车机

构的动力系统（见图5、图6）。由Y315L1-4（160kW）和

Y315L2-4(185kW)两台交流电机并车再与12V135-212kW（或

WD258K22-242kW）柴油机并车结合驱动。

ZJ30/1700J钻机并车箱参数以下：

输入功率：

P=P1+P2=185+160=345kW

散热计算面积：(箱底散热面积不好，按0.5系数考虑)

S=(1.5lw+2ln+2wh)×10-6=(1.5×1500×320+2×1500×890+2×320×890)×10-6

=3.96m2

效率：

η＝η1η2η3

[1-0.01fn]×(1-Ψ2)×1-

[1-0.01×0.1×14]×(1-0.005)×1-

0.986×0.995×0.9999＝0.98

传热系数：

K＝17J/（m2•s•℃）

若是不加外置冷却，达到热均衡时箱体温度为：

1＝＝＝102.5℃

1＝102.5℃是条件所不一样意的，必定考虑设计外置逼迫冷却。

油温的最大许用值：

Ymax=70℃

周围空气的温度：

0＝35℃

蛇形管的传热系数：

K′＝175J/（m2•s•℃）

由于齿轮圆周速度：

v=nπd==33.8m/s

并由水泵额定排量为1m3/h，可得冷却水流速为：vs=p/πr2==1.2m/s；

经过v=33.8和vs=1.2，查表可得：

K′＝175J/（m2•s•℃）

蛇形管的出水温度：

1s=50℃

蛇形管的进水温度：

2s=45℃

将以上详尽参数带入公式⑦：

Q1=1000(1-η)P=Q2max+K′Sgθ-=KS(θ-θ0)+K′Sgθ-

即为：

1000×(1-0.98)×345=17×3.96×(70-35)+175Sg70-

计算得蛇形管的表面面积Sg=1.154m2。我们采用Φ20

1.5的铜质蛇形管，由公式Sg=πDL可得：1.154=3.14×20

L，进而求得蛇形管的长度为L=18.38m。

也就是说在输入功率为345kW、并车箱外型尺寸长×宽×高=1500×320×890、环境温度为35℃，若是不加外置冷却系统的热均衡温度为102.5℃；加外置冷却系统，用额定排量为1m3/h的水泵逼迫冷却，进水温度45℃，出水温度50℃，要保持并车箱温度控制在70℃以下，蛇形管的张开长度需要，18.38m加工成蛇形结构，其结构如图7所示，可以

安装固定在并车厢内。

依照以上的计算过程，用Excel可以设计成并车箱热平衡计算程序，只要输入电机功率和箱体外型尺寸等基本参数，马上可以计算出不用外置冷却的油温、水冷却方案的蛇形管设计尺寸等。

四、结论

第一，并车箱连续工作，运转时间长，功率负荷大，散热面积小，必定进行热均衡计算，并针对计算结果设计必要的外置逼迫冷却方案，以达到合理的均衡牢固工作温度。

第二，外置逼迫冷却的多种方案中，在ZJ30/1700J钻机等钻探设备上使用循环水冷倒是较为合理经济有效的一种

方案，铜质蛇形管的设计也是