ZJ30/1700J地熱鉆機并車箱熱平衡的計算

　　摘要：文章介紹了ZJ30/1700J地熱鉆機并車箱的設計和熱平衡計算，根據計算結果確定了外置強制冷卻的方案和具體實施細節，結合工程實例和公式計算，設計了并車箱熱平衡計算程序。
　　關鍵詞：地熱鉆機；并車箱；熱平衡計算
　　
　　一、概述
　　地熱鉆機的施工條件一般都是有電力供應的，根據這一特點，我們設計了ZJ30/1700J地熱鉆機，鉆機動力采用交流電驅動并車結合柴油機并車機構。鉆機是連續工作的，兩電機的并車箱也是連續工作的，受到安裝位置和空間的限制，并車箱不可能做的體積足夠大，但并車箱的傳動功率大，傳動效率低，散熱面積小，在工作時會產生大量的熱，如果散熱條件不足，會造成并車箱油溫過高，甚至形成噴油、冒煙現象，箱體密封不住而到處漏油，更容易引起潤滑失效并導致軸承抱死或齒面膠合，所以對并車箱要進行熱平衡計算，并采取相應的冷卻降溫措施。這對于做好并車箱的正確設計、冷卻方案的準確選擇和并車箱的合理使用具有重要意義。
　　二、并車箱的溫度分析
　　在并車箱開始運行時，傳動副所產生的熱量一部分用來傳給潤滑油和箱體，油溫和箱體的溫度逐漸升高，另一部分通過箱體散熱散發到周圍介質中去。
　　在并車箱連續工作的過程中，傳動副所產生的熱量全部通過箱體和潤滑油散發到周圍介質，溫升曲線趨于平緩，這時發熱量和散熱量相等，并車箱的溫度達到穩定值，這是一種熱平衡的狀態（見圖1）。但是這種熱平衡狀態是可能條件所不允許的，它就不是理想狀態。
　　（一）并車箱連續工作中產生的熱量
　　Q1＝1000（1-η）P①
　　式中：
　　η——傳動效率
　　P——輸入軸的傳動功率（kW）
　　其中：
　　傳動效率 η＝η1η2η3 ②
　　式中：
　　η1為嚙合效率，即考慮齒輪嚙合中的摩擦損失的效率
　　η1＝1-Ψ1＝1-0.01fΔn③
　　式中：
　　Δn——根據相互嚙合的齒輪的齒數確定的系數，變位齒輪、斜齒輪要乘以相應的系數，對角變位直齒輪乘以；對于斜齒輪應乘以0.8cosβ；對錐齒輪應按當量齒數選取值Δn
　　f——輪齒間的滑動摩擦系數，一般取0.08-0.1
　　η2為考慮軸承摩擦損失的效率
　　η2＝1-Ψ2④
　　式中：
　　Ψ2——對于滾動軸承取Ψ2＝0.005
　　η3為考慮潤滑油飛濺和被攪動的油阻損失的效率
　　η3＝1-Ψ3＝⑤
　　式中：
　　P——傳動功率（kW）
　　v——齒輪節圓圓周速度（m/s）
　　b——浸入油中的齒輪寬度（mm）
　　vt——潤滑油在其工作溫度下的運動粘度（m2/s）
　　（二）箱體表面傳出的最大熱量
　　Q2 max=KS（θY max-θ0）⑥
　　式中：
　　K——傳熱系數，一般可取K＝8.7-17.5J/（m2?s?℃），傳動裝置箱體散熱及油池中油的循環條件良好時（如有較好的自然通風，外殼上無灰塵雜物，箱體內也無筋板阻礙油的循環、油的運動速度快以及油的運動粘度小等）可取較大值，反之則取較小值
　　在自然通風良好的地方：K＝14-17.5J/（m2?s?℃）
　　在自然通風不好的地方：K＝8.7-10.5J/（m2?s?℃）
　　S——散熱計算面積（m2），是指內表面能被油浸著或飛濺到，而所對應的外表面又能被空氣冷卻的箱體外表面面積，其中凸緣、箱底及散熱片的散熱面積僅按實有面積的一半計算
　　θY max——油溫的最大許用值（℃），一般取60℃-70℃
　　θ0——周圍空氣的溫度，由傳動裝置所放置的地點而定，普通取室溫為20℃
　　（三）熱平衡分析
　　達到熱平衡時傳動的發熱速率應和箱體的散熱速率相等，即：
　　Q1=1000（1-η）P＝Q2 max=KS（θY max-θ0）
　　如果Q1＜Q2 max，則傳動裝置散熱情況良好；如果Q1＞Q2 max，則傳動裝置只能間斷工作，如果需要連續工作時，必須增加傳動裝置的散熱能力，可以增加散熱面積或加以人工冷卻（風扇吹風、通水冷卻或增加外置冷卻器），增加散熱能力的方法有：一是在箱體外殼外面增加散熱片以增加散熱面積S；二是在傳動裝置的傳動軸上裝設風扇進行人工通風，以提高散熱系數K（見圖2）；三是在傳動裝置的油池中安裝蛇形冷卻水管（見圖3）；四是增加外置冷卻器，采用壓力噴油循環潤滑冷卻的方法（見圖4）。
　　在這四種冷卻方法中，結合并車箱的實際情況，決定選擇冷卻水管冷卻方案比較現實并且有效。具體計算公式為：
　　Q1＝1000（1-η）P＝Q2 max+K′Sgθ-＝KS（θY max-θ0）+K′Sgθ-⑦
　　式中：
　　K——傳熱系數，一般可取K＝8.7-17.5J/（m2?s?℃），傳動裝置箱體散熱及油池中油的循環條件良好時（如有較好的自然通風，外殼上無灰塵雜物，箱體內也無筋板阻礙油的循環、油的運動速度快以及油的運動粘度小等）可取較大值，反之則取較小值
　　在自然通風良好的地方：K＝14-17.5J/（m2?s?℃）
　　在自然通風不好的地方：K＝8.7-17.5J/（m2?s?℃）
　　S——散熱計算面積（m2），是指內表面能被油浸著或飛濺到，而所對應的外表面又能被空氣冷卻的箱體外表面面積，其中凸緣、箱底及散熱片的散熱面積僅按實有面積的一半計算
　　θY max——油溫的最大許用值（℃），一般取60℃-70℃
　　θ0——周圍空氣的溫度，由傳動裝置所放置的地點而定，普通取室溫為20℃
　　K′——蛇形管的傳熱系數，J/（m2?s?℃），對于紫銅管或黃銅管按表1選取
　　Sg——蛇形管的外表面積（m2）
　　θ1s——蛇形管的出水溫度（℃）
　　θ2s——蛇形管的進水溫度（℃）
　　θ1s≈θ2s+（5￣10）
　　三、ZJ30/1700J鉆機設計實例
　　ZJ30/1700J鉆機配套交流電驅動并車結合柴油機并車機構的動力系統（見圖5、圖6）。由Y315L1-4（160kW）和Y315L2-4(185kW)兩臺交流電機并車再與12V135-212kW（或WD258K22-242kW）柴油機并車聯合驅動。
　　ZJ30/1700J鉆機并車箱參數如下：
　　輸入功率：
　　P=P1+P2=185+160=345kW
　　散熱計算面積：(箱底散熱面積不好，按0.5系數考慮)
　　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
　　傳熱系數：
　　K＝17J/（m2?s?℃）
　　如果不加外置冷卻，達到熱平衡時箱體溫度為：
　　θ1＝＝＝102.5℃
　　θ1＝102.5℃是條件所不允許的，必須考慮設計外置強制冷卻。
　　油溫的最大許用值：
　　θY max=70℃
　　周圍空氣的溫度：
　　θ0＝35℃
　　蛇形管的傳熱系數：
　　K′＝175J/（m2?s?℃）
　　
　　由于齒輪圓周速度：
　　v=nπd==33.8m/s
　　并由水泵額定排量為1m3/h，可得冷卻水流速為：
　　vs=p/πr2==1.2m/s；
　　通過v=33.8和vs=1.2，查表可得：
　　K′＝175J/（m2?s?℃）
　　蛇形管的出水溫度：
　　θ1s=50℃
　　蛇形管的進水溫度：
　　θ2s=45℃
　　將以上具體參數帶入公式⑦：
　　Q1=1000(1-η)P=Q2max+K′Sgθ-=KS(θ-θ0)+K′Sgθ-
　　即為：
　　1000×(1-0.98)×345=17×3.96×(70-35)+175Sg70-
　　計算得蛇形管的外表面積Sg=1.154m2。我們選用Φ20×1.5的銅質蛇形管，由公式Sg=πDL可得：1.154=3.14×20×L，進而求得蛇形管的長度為L=18.38m。
　　也就是說在輸入功率為345kW、并車箱外型尺寸長×寬×高=1500×320×890、環境溫度為35℃，如果不加外置冷卻系統的熱平衡溫度為102.5℃；加外置冷卻系統，用額定排量為1m3/h的水泵強制冷卻，進水溫度45℃，出水溫度50℃，要保持并車箱溫度控制在70℃以下，蛇形管的展開長度需要，18.38m加工成蛇形結構，其結構如圖7所示，可以安裝固定在并車廂內。
　　根據以上的計算過程，用Excel可以設計成并車箱熱平衡計算程序，只要輸入電機功率和箱體外型尺寸等基本參數，馬上可以推算出不用外置冷卻的油溫、水冷卻方案的蛇形管設計尺寸等。
　　四、結論
　　第一，并車箱連續工作，運轉時間長，功率負荷大，散熱面積小，必須進行熱平衡計算，并針對計算結果設計必要的外置強制冷卻方案，以達到合理的平衡穩定工作溫度。
　　第二，外置強制冷卻的多種方案中，在ZJ30/1700J鉆機等鉆探設備上使用循環水冷卻是較為合理經濟有效的一種方案，銅質蛇形管的設計也是實施外置冷卻的必要方面。
　　第三，針對并車箱及冷卻系統的設計，編制簡單實用的計算程序，能對多種變化的并車箱設計提供很大的方便。
　　參考文獻：
　　1、李紀仁.蝸桿減速器的發熱過程分析[J].武漢水利電力學