ZJ30/1700J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
　　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＝η1η2η3 ②
　　式中：
　　η1为啮合效率，即考虑齿轮啮合中的摩擦损失的效率
　　η1＝1-Ψ1＝1-0.01fΔn③
　　式中：
　　Δn——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0.8cosβ；对锥齿轮应按当量齿数选取值Δn
　　f——轮齿间的滑动摩擦系数，一般取0.08-0.1
　　η2为考虑轴承摩擦损失的效率
　　η2＝1-Ψ2④
　　式中：
　　Ψ2——对于滚动轴承取Ψ2＝0.005
　　η3为考虑润滑油飞溅和被搅动的油阻损失的效率
　　η3＝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
　　Q2 max=KS（θY max-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：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
　　θY max——油温的最大许用值（℃），一般取60℃-70℃
　　θ0——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-η）P＝Q2 max=KS（θY max-θ0）
　　如果Q1＜Q2 max，则传动装置散热情况良好；如果Q1＞Q2 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：
　　Q1＝1000（1-η）P＝Q2 max+K′Sgθ-＝KS（θY max-θ0）+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：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
　　θY max——油温的最大许用值（℃），一般取60℃-70℃
　　θ0——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℃
　　K′——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）
　　θ1s——蛇形管的出水温度（℃）
　　θ2s——蛇形管的进水温度（℃）
　　θ1s≈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
　　=(1.5×1500×320+2×1500×890+2×320×890)×10-6
　　=3.96m2
　　效率：
　　η＝η1η2η3
　　＝[1-0.01fΔn]×(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•℃）
　　如果不加外置冷却，达到热平衡时箱体温度为：
　　θ1＝＝＝102.5℃
　　θ1＝102.5℃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：
　　θY max=70℃
　　周围空气的温度：
　　θ0＝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；
　　通过v=33.8和vs=1.2，查表可得：
　　K′＝175J/（m2•s•℃）
　　蛇形管的出水温度：
　　θ1s=50℃
　　蛇形管的进水温度：
　　θ2s=45℃
　　将以上具体参数带入公式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-
　　计算得蛇形管的外表面积Sg=1.154m2。我们选用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℃，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