并车箱热平衡的计算

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1、ZJ30/1700J 地热钻机地热钻机并车箱热平衡的计算并车箱热平衡的计算靳益民 张西坤河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂，河北 石家庄 050031摘要：摘要：本文介绍了 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：关键词：地热钻机；并车箱；热平衡计算 1概述概述 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。由两台电机经过气胎离合器后传入并车箱，通 过并车箱将动力

2、合并后，再通过联动与柴油机并车，形成完整的动力机组。在浅层施工时由一个电 机单独驱动，深层两个电机同时并车驱动，两个电机并车还是力量不足时，有柴油机继续并车辅助， 满足深孔钻进的需要，动力特性好，适应范围广，同时做到了充分的节能，降低施工消耗，节约成 本，也使钻机能力得到充分发挥。 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

3、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。 2并车箱的温度分析并车箱的温度分析 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。0.632tw0.98twtw0T2T3T4T 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。 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。 2.1 并车箱连

4、续工作中产生的热量并车箱连续工作中产生的热量1-1PQ)1 (10001式中：传动效率 输入轴的传动功率，kWP 其中：传动效率 1-2321为啮合效率，即考虑齿轮啮合中的摩擦损失的效率。11-3nf01. 01111式中：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，n对角变位直齿轮乘以；对于斜齿轮应乘以；对锥齿轮应按当2sin643. 0cos8 . 0量齿数选取值。n轮齿间的滑动摩擦系数，一般取 0.080.1f为考虑轴承摩擦损失的效率。21-4221式中：对于滚动轴承取2005. 02为考虑润滑油飞溅和被搅动的油阻损失的效率。31-5Pzzvvbt521 331

5、0200.75. 01式中：传动功率，kWP齿轮节圆圆周速度，vsm/浸入油中的齿轮宽度，bmm润滑油在其工作温度下的运动粘度，tsm /22.2 箱体表面传出的最大热量箱体表面传出的最大热量1-6)(0maxmax2YKSQ式中：传热系数，一般可取，传动装置箱体散热及油池K)/(5 .177 . 82CsmJK 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，。)/(5 .17142CsmJK 在自然通风不好的地方，。)/(5 .107 . 82CsmJK 散热计

6、算面积，是指内表面能被油浸着或飞溅到，而所对应的外表面又能S2m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。油温的最大许用值，一般取 6070maxY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 2002.3 热平衡分析热平衡分析 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：)()1 (10000maxmax21YKSQPQ如果，则传动装置散热情况良好。max21QQ 如果，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max21QQ 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）

7、， 增加散热能力的方法有：1、 在箱体外壳外面增加散热片以增加散热面积。S 2、 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 3、 在传动装置的油池中安装蛇形冷却水管。 4、 增加外置冷却器，采用压力喷油循环润滑冷却的方法。冷 冷冷 冷 冷冷 冷 冷风扇吹风冷却方案 冷却水管冷却方案 润滑油循环冷却 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：1-7 2)(21100021 max 0max21 max max21ss YgYss YgSKKSSKQPQ式中：传热系数，一般可取，传动装置箱体散热及油池K)/(5 .17

8、7 . 82CsmJK 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，。)/(5 .17142CsmJK 在自然通风不好的地方，。)/(5 .107 . 82CsmJK 散热计算面积，是指内表面能被油浸着或飞溅到，而所对应的外表面又能S2m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。油温的最大许用值，一般取 6070maxY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 200蛇形管的传热系数，对于紫铜管或黄铜管

9、按下表选取K)/(2CsmJ 冷却水的流速（）sm/齿轮的圆周速度（）sm/0.10.20.4 4126135142461321401506813915016081014515516812150160175蛇形管的外表面积，gS2m蛇形管的出水温度，s1蛇形管的进水温度，s2)105(21ss3 ZJ30/1700J 钻机设计实例钻机设计实例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。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。30 305

10、451500320890930475475ZJ30/1700J 地热钻机动力系统总成 ZJ30/1700J 地热钻机并车箱结构示意图 ZJ30/1700J 钻机并车箱参数如下：1、 输入功率：kWPPP345160185212、 散热计算面积：(箱底散热面积不好，按 0.5 系数考虑)26696. 310)89032028901500232015005 . 1 (10)225 . 1 (mwhlhlwS3、 效率：98.09999.0995.0986.0345105243200101208.331508.3375.0 1005.01141.001.011020075.0 1101.015652

11、1 2321 Pzzvvb nft 4、 传热系数：)/(172CsmJK 5、 如果不加外置冷却，达到热平衡时箱体温度为：CKSP5 .10296. 317345)98. 01 (1000)1 (10001是条件所不允许的，必须考虑设计外置强制冷却。C5 .10216、 油温的最大许用值：CY 70max7、 周围空气的温度：C 3508、 蛇形管的传热系数：)/(1752CsmJK 由于齿轮圆周速度 ；smdnv/8 .3310006043014. 31500并由水泵额定排量为 ，可得冷却水流速为：hm /13；smrpvs/2 . 1100036005 . 814. 3101/29 2通

12、过 和，查表可得 8 .33v2 . 1sv)/(1752CsmJK 9、 蛇形管的出水温度：Cs 50110、蛇形管的进水温度：Cs 452将以上具体参数带入公式 1-7： 2)(2)1 (100021 max 0max21 max max21ss YgYss YgSKKSSKQPQ即为： 2455070175)3570(96. 317345)98. 01 (1000gS计算得蛇形管的外表面积。我们选用 201.5 的铜质蛇形管，由公式：2154. 1mSg可得：，进而求得蛇形管的长度为DLSgL2014. 3154. 1mL38.18也就是说在输入功率为 345kW、并车箱外型尺寸长宽高=

13、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，用额定排量为的水泵强hm /13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，加工成蛇形结构，其结构如图，可以安装固定在并车厢内：m38.1820x1.51801450275A 冷 冷 冷A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。是 指导并车箱的设计方便使用工具。4结论结论 1、并车箱连续工作，运转时间长，功率

14、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。 2、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。 3、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，1990，23(0203)：120-125.2成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2002.3江耕华.机械传动设计手册M.北京：煤炭工业出版社，1983：611.4孟庆鑫，叶华武.蜗杆减速器的有效散热面积计算方法的探讨J.机械设计，1986，(06)：12-15.5孙松尧钻井机械M北京：石油工业出版社，2003作者简介：作者简介：靳益民（1968-），男（汉族），山西绛县人，河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂总工程师，高级工程师，钻探机械专业，探矿工程（岩土钻掘工程）杂志（在线）专家，现从事石油开发、水文水井、岩土工程、地质找矿、工程勘察、旋挖施工等钻探设备的研制开发和技术管理工作。获得省部级科技进步奖三项，拥有钻探机械专利两项，河北省石家庄市和平东路 381号， jk