工程機械散熱器的替換方案校核

周 鶴

0 引言

道路施工企業(yè)所使用的工程機械種類繁多，很多設(shè)備所處的施工環(huán)境惡劣，工作強度大，導(dǎo)致散熱器的工作條件差，加之受到?jīng)_擊和咸濕氣候環(huán)境的影響，使其腐蝕和損壞情況嚴(yán)重，壽命較短［1］。當(dāng)散熱器損壞時，經(jīng)常采用錫焊接［2］或黏合劑修復(fù)，受修復(fù)條件限制，這些方法通常會封堵住部分散熱管或損壞部分散熱片，多次修補或損壞情況嚴(yán)重時會嚴(yán)重影響散熱性能，致使散熱器無法繼續(xù)使用。而且，有些腐蝕嚴(yán)重的散熱器根本無法修復(fù)或沒有修復(fù)的價值，只能更換，大型工程機械的散熱器價格昂貴不說，動輒需要數(shù)月的訂貨周期，嚴(yán)重影響工期［3］。從第三方散熱器生產(chǎn)廠家訂貨是節(jié)省成本和時間的選擇。

目前，關(guān)于散熱器的研究主要集中在工程機械或車輛設(shè)計時的計算選型。通常來說，工程機械制造廠家在進行散熱器設(shè)計時，需要綜合考慮發(fā)動機功率［4］、液壓泵驅(qū)動功率、系統(tǒng)效率、液壓回路的效率、材料、風(fēng)扇大小、環(huán)境溫度等［5］，并結(jié)合經(jīng)驗參數(shù)進行設(shè)計計算和選型，甚至需要計算機建模設(shè)計［6］。筆者所在單位是工程機械使用單位，無從獲得上述諸多參數(shù)，遑論進行精確計算，因此在選擇新的散熱器時，只要其流通能力和散熱能力達到或大于原裝散熱器，質(zhì)量滿足使用要求即可，這也是作為工程機械散熱器使用者面臨的問題。因此，本文主要從工程機械散熱器維修和更換的角度，對影響散熱器使用性能的因素予以探討和比較校核，以達到快速恢復(fù)機械使用性能和節(jié)約成本的目的。

1 散熱器概述

1.1 散熱器的作用

散熱器是機械設(shè)備一個重要的部件，作用是將工程機械發(fā)動機和液壓泵等產(chǎn)生的多余熱量散發(fā)到空氣中去，使整機溫度保持在正常范圍內(nèi)，保證設(shè)備正常工作。

1.2 散熱器的構(gòu)造

散熱器通常由散熱器芯(管)、散熱片(帶)、進水(油)室、出水(油)室組成，散熱介質(zhì)(水或液壓油等)在散熱器芯內(nèi)流動，通過散熱器芯和散熱片(帶)與空氣進行熱量交換。散熱器芯(管)內(nèi)部應(yīng)具有足夠的通流面積讓散熱介質(zhì)通過;也應(yīng)具備足夠的空氣通流面積使足量的空氣通過，以帶走散熱介質(zhì)傳遞到散熱器表面的熱量;還必須有足夠的散熱面積完成散熱介質(zhì)、散熱器和空氣之間的熱量交換［7］。

1.3 散熱器的分類

散熱器主要有管片式和管帶式2種結(jié)構(gòu)。管帶式散熱器的散熱管通常為扁形，這是增大散熱帶和散熱管之間的接觸面積、增加熱傳導(dǎo)的需要;管片式散熱水管可以是扁形或者圓形結(jié)構(gòu)。管片式散熱器剛度好、耐壓力高，往往用于對壓力要求高的系統(tǒng)，如液壓油散熱器，它的缺點是制造工藝相對復(fù)雜。管帶式散熱器結(jié)構(gòu)強度和耐壓能力通常不如管片式散熱器，空氣阻力也更大，但散熱性能和效果好，制造工藝簡單，故應(yīng)用更為普遍［8］。圖1為2種結(jié)構(gòu)的示例。

圖1 管片式和管帶式散熱器

2 散熱器核算

2.1 訂購散熱器情況

筆者公司的斯里蘭卡科倫坡港口城項目有一臺90 t級挖掘機由于原裝液壓油散熱器老化，出現(xiàn)漏油的情況，需要購買新的散熱器。經(jīng)向原廠代理商詢價，該原裝散熱器價格昂貴，且訂貨周期較長，而第三方散熱器加工廠報價不到原裝散熱器價格的一半，而且訂貨周期大幅縮短，因此決定選擇第三方散熱器。原裝液壓油散熱器為管片式結(jié)構(gòu)，為了保證正常安裝，液壓油散熱器安裝螺栓孔、進出油口法蘭位置及散熱器芯部總厚度須與原裝散熱器相同，其他由散熱器生產(chǎn)廠家設(shè)計。圖2、3為散熱器生產(chǎn)廠家給出的2種設(shè)計方案。

圖2 方案一

圖3 方案二

將原裝散熱器和第三方散熱器加工廠給出的2種方案進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 原裝散熱器和第三方散熱器廠家方案的比較

2.2 流通能力核算

為了保證散熱器能滿足該90 t級挖掘機液壓油的流通，需要對散熱器的流通能力進行核算。加工散熱器和原裝散熱器的進出油口法蘭尺寸相同，進出油室尺寸也基本相同，某些參數(shù)無法獲得，故采用比較擬加工散熱器方案一、方案二和原裝散熱器的方法進行核算。

流量與面積、流速有關(guān)，在不考慮流速、流通阻力和流量損失的情況下，只要散熱器散熱管的總面積大于進出口面積(即通流面積)，即可滿足流通要求。

通過計算可得:原裝散熱器進出油口面積Ain=1 962.5 mm2，原裝散熱器散熱管口總面積A0=11 195.5 mm2，方案一散熱器散熱管口總面積A1=12 522.95 mm2，方案二散熱器散熱管口總面積A2=16 116.5 mm2。

A2躍A1躍A0躍Ain，故方案一和方案二均能滿足液壓油流通要求。

由上面的計算結(jié)果可以看出，散熱管口的總面積均遠遠大于液壓油進出口面積。修補損壞的散熱器時，堵住的散熱管不流通，造成散熱面積減小，散熱能力下降。根據(jù)上面的計算方法，部分散熱管封堵后，液壓油通流面積減小，在其他因素不變的情況下液壓油在散熱管內(nèi)的流速將加快，有效散熱時間將減少，液壓油和散熱器的傳熱、換熱性能還有散熱器的散熱能力都會下降。

2.3 散熱器的導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性是對固體或液體傳熱能力的衡量，導(dǎo)熱性能好的物體往往吸熱快，散熱也快［9］。常用的散熱器材料有銅、鋁、鑄鐵等，銅的傳熱系數(shù)最大，鋁次之，鑄鐵最小;銅相對稀缺且價格昂貴，而鋁散熱器可以通過改善制造工藝的方法得到比銅散熱器更好的散熱能力［10］，目前以鋁散熱器應(yīng)用最為普遍。

2.4 散熱面積核算

散熱面積是散熱器散熱能力的一個主要技術(shù)指標(biāo)，它對散熱效果有著至關(guān)重要的影響。在散熱器的設(shè)計中對散熱面積有明確的要求。

管片式散熱器的散熱面積

式中:S為管片式散熱器散熱面積(m2);Sp為全部散熱片的單面面積(m2);Sg為全部散熱管與空氣接觸面積(m2);W為散熱器散熱片的長度;T為散熱器芯的厚度(即散熱片的寬度);n為散熱片的片數(shù);m為散熱管的根數(shù);F為散熱片上散熱管的單孔截面積(mm2);L為散熱管截面的周長(mm);H為散熱管的長度［11］。

需要注意的是，此處對散熱面積的計算忽略了進出油室冷卻面積以及散熱片遮擋散熱管造成面積減小的影響。這是由于方案一和方案二的進出油室參照原散熱器進行設(shè)計，尺寸和面積基本相同，對散熱器比選影響不大，而散熱片厚度僅為0.5 mm，對面積計算的影響也比較小。

根據(jù)式(1)～(3)和圖2、3中的尺寸，可計算得原裝液壓油散熱器的散熱面積S0=76.87 m2，散熱器加工廠方案一的散熱面積S1=74.33 m2，方案二的散熱面積 S2=73.18 m2。

從上述計算結(jié)果來看，S0躍S1躍S2。方案二和方案一的散熱片數(shù)量相同，散熱管多了99根，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)實際散熱面積反而少了1.15 m2。在直觀感覺上，散熱管多散熱面積就大，這是不科學(xué)的，因為在其他參數(shù)尺寸不變的情況下，散熱管多了，散熱片的有效散熱面積反而更小，總的散熱面積也就變小了。

3 散熱器的選型

3.1 散熱器的選型原則

散熱器對發(fā)動機或液壓系統(tǒng)的冷卻(散熱)要適度:若冷卻強度不足，將出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，導(dǎo)致熱效率低、油耗大、油液黏度降低，易發(fā)生氧化和變質(zhì)［12］，以及原件磨損和密封件老化加劇，使密封性能下降;若冷卻強度過強，將出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，使轉(zhuǎn)變成有用功的熱量減少，增加了燃油消耗，磨損加?。?3］。

在安裝空間允許的情況下，應(yīng)選取具有最大實際迎風(fēng)面積和最小散熱器芯子厚度的散熱器，因為散熱器芯子厚會使通風(fēng)阻力大，并且容易被灰塵和污物堵塞。迎風(fēng)面積的形狀應(yīng)盡量接近正方形，這樣可以保證散熱器芯沒有被風(fēng)扇掃過的面積最小，使風(fēng)扇和散熱器能發(fā)揮最有效的性能。

散熱器選型時還應(yīng)考慮散熱片的間距［14］。在給定的風(fēng)扇速度下，散熱片密度大會使散熱面積增大、散熱量增加，但是散熱器的阻力也會增大，從而增加了風(fēng)扇的功率消耗，使運轉(zhuǎn)的經(jīng)濟性下降。另一方面，散熱片密度大也容易被灰塵和污物堵塞。目前較多采用的散熱片間距為2.3～3.3 mm［15］。

3.2 散熱器的比較與選定

對3個散熱器進行綜合比較，結(jié)果見表2。

表2的比較結(jié)果證明，無論是通風(fēng)能力還是散熱面積，方案二均是三者中最差的，故不予選擇;方案一的散熱面積雖然比原裝散熱器小，但是通風(fēng)能力與之相近，材料導(dǎo)熱性能更是優(yōu)于原裝散熱器，訂貨周期比原裝散熱器短，價格在三者中最便宜，經(jīng)過綜合比選，選擇方案一。

表2 3個散熱器的綜合比較

4 液壓油散熱器的要求

在散熱器出廠前必須對其進行耐壓試驗，以檢驗散熱器的焊接質(zhì)量和耐壓密封性能。通常液壓油散熱器的設(shè)計工作壓力不小于1 MPa;水壓試驗的壓力為設(shè)計壓力的1.5倍，有特殊要求時可以達到2倍，保壓時間不小于10 min;氣壓試驗的壓力為設(shè)計壓力的1.25倍;氣密性試驗的壓力為設(shè)計壓力的1.1倍;爆破試驗的壓力要求不小于設(shè)計壓力的5倍。同時，為了減少液壓油散熱器的安裝對液壓系統(tǒng)回油壓力的影響，應(yīng)盡可能地增加液壓油散熱器的通油面積，降低壓力損失，但要以滿足散熱要求和外形尺寸為前提［16-17］。

5 結(jié)語

本文通過對散熱器材料導(dǎo)熱性、散熱器選型原則和液壓油散熱器的要求等的分析，以及對原散熱器和替換散熱器流通能力、散熱面積的校核，在綜合考慮散熱器本身散熱性能、經(jīng)濟性和供貨周期等因素的情況下，列表綜合比選，最終確定方案一為斯里蘭卡科倫坡港口城項目90 t級挖掘機液壓油散熱器的最優(yōu)替代方案，所選擇的替換散熱器的使用性能在后續(xù)實際使用過程也得到了印證。這種以科學(xué)分析和計算指導(dǎo)散熱器維修和替換的方法，也推廣應(yīng)用到了后續(xù)400 kW發(fā)電機和50 t級挖掘機等多臺機械發(fā)動機散熱器的加工采購中，同樣實現(xiàn)了節(jié)約時間與成本的效果，使用狀況良好，并且給后續(xù)設(shè)備維修提供了一個新的思路。

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