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水平定向钻机动力舱散热特性分析

摘要

水平定向钻机作为一种不开挖地表的情况下进行地下管道铺设的基础施工设备，

在城市地下空间的给排水、电力和通信等基础管道设施的建设以及油气管道穿越江河

中发挥着重要作用。由于水平定向钻机需要长时间、高负荷地工作，经常导致动力舱

内出现高温过热现象，影响着整机运行的可靠性及安全性。因此，研究和优化水平定

向钻机的动力舱散热性能对于提升设备整体性能和延长其使用寿命具有极其重要的意

义。本文以某型号水平定向钻机为研究对象，基于一维仿真计算和三维流场仿真计算

对动力舱进行散热特性相关研究，确定动力舱内高温过热的部位，探究其影响因素，

并提出相应的改进措施，主要进行了以下研究工作：

（1）本文建立了基于Flowmaster软件的水平定向钻机冷却系统一维仿真模型，

并在整机热平衡试验数据的基础上，对仿真模型进行验证标定，经对比模型的误差在

5%以内。随后，对水平定向钻机的最大扭矩工况和最大功率工况下的热平衡能力进

行评估，计算结果表明本文整机冷却系统热平衡能力满足设计要求，散热器匹配合理。

（2）以该水平定向钻机动力舱为研究对象，建立了基于STARCCM+软件的三维

仿真模型，研究了多个独立冷却系统且入口边界条件不同的动力舱在最大扭矩和最大

功率工况的空气流动特性，结果表明：动力舱内存在多处热回流以及涡流现象，发动

机冷却模块热回流受影响未能满足散热要求；发动机进气口区域受舱内高温部件影响

导致温度较高，两冷却系统之间流场互相干扰，液压油冷却系统进风温度偏高，散热

功率未达到设计要求。

（3）对影响动力舱内散热特性的影响因素进行一系列的仿真分析，探究了发动

机冷却系统和液压油冷却系统的散热风扇布置方式对整机散热的综合影响，以散热器

的散热量为评价指标，给出了两冷却系统的最佳布置方案；为避免两冷却系统之间的

相互影响问题，在机舱内进行了加装隔断装置，对比了隔断对机舱散热性能的影响。

针对隔断后进行机舱风道设计，采用正交试验的方法重新设计了机舱两侧的散热格栅，

结合流场分布确定了最佳的散热格栅和风扇位置。

（4）综合以上影响因素，提出了在机舱尾部发动机散热器上方添加阻流板、机

舱中部增加隔断装置和重新设计的机舱两侧散热格栅的综合改进方案。分析了各个冷

却系统的散热性能以及动力舱内的空气流动特性，结果表明，相比原设计方案，改进

方案动力舱内的热气回流现象得到明显改善，空气流动更加顺畅高效；散热器散热功

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

率满足设计要求，发动机进气口温度降低12.83℃，两散热器散热量满足设计要求；

对改进后的样机进行了实机热平衡试验，结果表明，使用三维仿真方法对水平定向钻

机进行散热特性分析具有较高的可行性。

关键词：水平定向钻机；动力舱；热管理；仿真分析

水平定向钻机动力舱散热特性分析

Abstract

Asabasicconstructionequipmentforlayingundergroundpipelineswithoutdiggingthe

surface,horizontaldirectionaldrillingrigsplayanimportantroleintheconstructionofbasic

pipelinefacilitiessuchaswatersupplyanddrainage,powerandcommunicationsinurban

undergroundspaces,andintheconstructionofoilandgaspipelinescrossingrivers.Because

horizontaldirectionaldrillingrigsneedtoworkforalongtimeandwithhighload,high

temperatureandoverheatingoftenoccurinthepowercabin,which