ZJ301700J地热钻机并车箱热平衡的计算.pdf

ZJ301700J 地热钻机并车箱热平衡的计算摘要：文章介绍了ZJ30/1700J 地热钻机并车箱的设计和热平衡计算，根据计算结果确定了外置强制冷却的方案和具体实施细节，结合工程实例和公式计算，设计了并车箱热平衡计算程序。关键词：地热钻机；并车箱；热平衡计算一、概述地热钻机的施工条件一般都是有电力供应的，根据这一特点，我们设计了 ZJ30/1700J 地热钻机，钻机动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，受到安装位置和空间的限制，并车箱不可能做的体积足够大，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，如果散热条件不足，会造成并车箱油温过高，甚至形成喷油、冒烟现象，箱体密封不住而到处漏油，更容易引起润滑失效并导致轴承抱死或齿面胶合，所以对并车箱要进行热平衡计算，并采取相应的冷却降温措施。这对于做好并车箱的正确设计、冷却方案的准确选择和并车箱的合理使用具有重要意义。二、并车箱的温度分析在并车箱开始运行时，传动副所产生的热量一部分用来传给润滑油和箱体，油温和箱体的温度逐渐升高，另一部分通过箱体散热散发到周围介质中去。在并车箱连续工作的过程中，传动副所产生的热量全部通过箱体和润滑油散发到周围介质，温升曲线趋于平缓，这时发热量和散热量相等，并车箱的温度达到稳定值，这是一种热平衡的状态（见图 1）。但是这种热平衡状态是可能条件所不允许的，它就不是理想状态。（一）并车箱连续工作中产生的热量Q11000（1-）P式中：传动效率P输入轴的传动功率（kW）其中：传动效率 1 2 3 式中：1 为啮合效率，即考虑齿轮啮合中的摩擦损失的效率 11-11-0.01f n式中：n根据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 0.8cos；对锥齿轮应按当量齿数选取值 nf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 21-2式中：2对于滚动轴承取20.005 3 为考虑润滑油飞溅和被搅动的油阻损失的效率 31-3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Q2 max=KS（Y max-0）式中：K传热系数，一般可取 K8.7-17.5J/（m2•s•），传动装置箱体散热及油池中油的循环条件良好时（如有较好的自然通风，外壳上无灰尘杂物，箱体内也无筋板阻碍油的循环、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良好的地方：K14-17.5J/（m2•s•）在自然通风不好的地方：K8.7-10.5J/（m2•s•）S散热计算面积（m2），是指内表面能被油浸着或飞溅到，而所对应的外表面又能被空气冷却的箱体外表面面积，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 Y max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点而定，普通取室温为 20（三）热平衡分析达到热平衡时传动的发热速率应和箱体的散热速率相等，即：Q1=1000（1-）PQ2 max=KS（Y max-0）如果 Q1Q2 max，则传动装置散热情况良好；如果 Q1Q2 max，则传动装置只能间断工作，如果需要连续工作时，必须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，结合并车箱的实际情况，决定选择冷却水管冷却方案比较现实并且有效。具体计算公式为：Q11000（1-）PQ2 max+KSg-KS（Y max-0）+KSg-式中：K传热系数，一般可取 K8.7-17.5J/（m2•s•），传动装置箱体散热及油池中油的循环条件良好时（如有较好的自然通风，外壳上无灰尘杂物，箱体内也无筋板阻碍油的循环、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良好的地方：K14-17.5J/（m2•s•）在自然通风不好的地方：K8.7-17.5J/（m2•s•）S散热计算面积（m2），是指内表面能被油浸着或飞溅到，而所对应的外表面又能被空气冷却的箱体外表面面积，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 Y max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点而定，普通取室温为 20K蛇形管的传热系数，J/（m2•s•），对于紫铜管或黄铜管按表 1 选取Sg蛇形管的外表面积（m2）1s蛇形管的出水温度（）2s蛇形管的进水温度（）1s 2s+（510）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）柴油机并车联合驱动。ZJ30/1700J 钻机并车箱参数如下：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=(1.51500320+21500890+2320890)10-6=3.96m2效率：1231-0.01f n(1-2)1-1-0.010.114(1-0.005)1-0.9860.9950.99990.98传热系数：K17J/（m2•s•）如果不加外置冷却，达到热平衡时箱体温度为：1102.5 1102.5是条件所不允许的，必须考虑设计外置强制冷却。油温的最大许用值：Y max=70周围空气的温度：035蛇形管的传热系数：K175J/（m2•s•）由于齿轮圆周速度：v=n d=33.8m/s并由水泵额定排量为 1m3/h，可得冷却水流速为：vs=p/r2=1.2m/s；通过 v=33.8 和 vs=1.2，查表可得：K175J/（m2•s•）蛇形管的出水温度：1s=50蛇形管的进水温度：2s=45将以上具体参数带入公式：Q1=1000(1-)P=Q2max+KSg-=KS(-0)+KSg-即为：1000(1-0.98)345=173.96(70-35)+175Sg70-计算得蛇形管的外表面积 Sg=1.154m2。我们选用 201.5 的铜质蛇形管，由公式 Sg=DL 可得：1.154=3.1420L，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=1500320890、环境温度为 35，如果不加外置冷却系统的热平衡温度为 102.5；加外置冷却系统，用额定排量为 1m3/h 的水泵强制冷却，进水温度 45，出水温度50，要保持并车箱温度控制在 70以下，蛇形管的展开长度需要，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。根据以上的计算过程，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，马上可以推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，必须进行热平衡计算，并针对计算结果设计必要的外置强制冷却方案，以达到合理的平衡稳定工作温度。第二，外置强制冷却的多种方案中，在 ZJ30/1700J 钻机等钻探设备上使用循环水冷却是较为合理经济有效的一种方案，铜质蛇形管的设计也是实施外置冷却的必要方面。第三，针对并车箱及冷却系统的设计，编制简单实用的计算程序，能对多种变化的并车箱设计提供很大的方便。参考文献：1、李纪仁.蜗杆减速器的发热过程分析J.武汉水利电力学院学报,1990(2-3).2、成大先.机械设计手册M.化学工业出版社,2002.3、孙松尧.钻井机械M.石油工业出版社,2003.（作者单位：河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂）