加強型切口翅片設(shè)計

張 軒，沈 鵬

(貴州永紅換熱冷卻技術(shù)有限公司，貴州惠水550600)

0 引言

鋁質(zhì)板翅式換熱器是一種高效、緊湊的換熱器，在風(fēng)力發(fā)電、工程機(jī)械、空氣壓縮機(jī)以及航空換熱等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在實際設(shè)計過程中，根據(jù)不同使用工況的需要，在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域，換熱器性能既要滿足換熱效率的要求，又要滿足產(chǎn)品的重量限制要求。雖然通過優(yōu)化該換熱器的槽板型材、長短封條以及釬接復(fù)合板的用材狀況，產(chǎn)品重量有所下降，但是不能夠滿足設(shè)計要求，因此必須通過減薄換熱器的翅片厚度，來減輕產(chǎn)品重量[1-2]。

翅片減薄之后滿足了產(chǎn)品重量以及性能的需求，卻增加了生產(chǎn)制造的難度，如果翅片設(shè)計不合理，在實際釬焊過程中，將導(dǎo)致產(chǎn)品垮塌，增加生產(chǎn)制造的難度。因此，如何增加減薄翅片的強度十分關(guān)鍵，這也是鋁質(zhì)板翅式換熱器生產(chǎn)制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。

1 設(shè)計思路

圖1 常規(guī)切口翅片視圖

如圖1為常用的某切口型翅片，它是一種用量較大且成熟的翅片，大量應(yīng)用于工程機(jī)械以及空氣壓縮機(jī)等領(lǐng)域。鋁質(zhì)板翅式換熱器的應(yīng)用中，其優(yōu)點是換熱效率高[3]，其缺點是強度偏低。因此，在特殊使用狀況下，既要保證效率高，又有重量限制時，就需要使用加強型的切口翅片。

圖2 加強型切口翅片及局部放大視圖

加強型切口翅片設(shè)計的基本原則是滿足換熱性能指標(biāo)，尤其是風(fēng)阻指標(biāo)，即“對翅片換熱性能影響最小”為基本原則。如圖2所示，是一種滿足要求的加強型切口翅片，通過減少切口、在平翅片處形成三角拐點及在平翅片處錯位形成加強筋(即在翅片上加加強筋)的辦法實現(xiàn)[4]。從圖2可看出，原翅片平翅片處節(jié)距N的平直段被改為兩段節(jié)距為N/2相互錯位的平直端，從而在該處形成了一段加強筋。考慮到在板沖成型過程中形成折彎的距離和工藝的可行性，錯位量控制在1.2～2倍料厚，否則材料將在折彎處開裂，工藝不可行。

2 普通切口型翅片與加強型切口翅片力學(xué)性能與換熱性能對比

2.1 力學(xué)性能對比

為了驗證所選翅片加強方式的效果，使用模擬分析的方法，對切口型翅片進(jìn)行力學(xué)性能對比分析。

分析方法：對同等面積(24.325 mm×23.5 mm)的切口型翅片施以同樣大小的力(600 N)，以比較它們的應(yīng)力及位移，模擬效果如圖3(常規(guī)切口翅片的應(yīng)力及位移)和圖4(加強型切口翅片的應(yīng)力及位移)。

圖3 常規(guī)切口翅片的應(yīng)力及位移

圖4 加強型切口翅片的應(yīng)力及位移

通過分析得到關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表1(普通型切口翅片和加強型切口翅片力學(xué)數(shù)據(jù)表)。

表1 普通型切口翅片和加強型切口翅片力學(xué)數(shù)據(jù)表

由表1數(shù)據(jù)分析可知：在相同的外力作用下，普通型切口翅片最大應(yīng)力為1021.7 MPa，最大位移為0.205 mm，而加強型切口翅片在此外力作用下最大應(yīng)力為1234.7 MPa，最大位移為0.167 mm，表明加強型切口翅片的抗倒伏能力明顯加強，達(dá)到了提升翅片抗倒伏能力的目的。

2.2 換熱性能對比

以相同厚度的材料生產(chǎn)同樣結(jié)構(gòu)的換熱器兩臺，分別為A、B，其中產(chǎn)品A使用普通型切口翅片，產(chǎn)品B使用加強型切口翅片，其他零件相同，進(jìn)行性能測試，性能主要測試三個關(guān)鍵指標(biāo)，即換熱效率(油側(cè)標(biāo)準(zhǔn)放熱量)、氣阻和噪聲。

測試的工況油流阻為139 L/min、迎風(fēng)面風(fēng)速10 m/s、液氣溫差40℃，環(huán)境溫度24.5℃，測試的數(shù)據(jù)如表2(普通型切口翅片和加強型切口翅片產(chǎn)品換熱性能數(shù)據(jù)表)。

表2 普通型切口翅片和加強型切口翅片產(chǎn)品換熱性能數(shù)據(jù)表

由表2數(shù)據(jù)分析可知：

①相同環(huán)境溫度和測試工況下，由于加強型翅片增加了擾流效果，換熱器的油側(cè)標(biāo)準(zhǔn)放熱量由31.627 kW增加到34.336 kW，換熱功率相應(yīng)提升了8.57%；

②相同環(huán)境溫度和測試工況下，產(chǎn)品的氣阻由773.22 Pa增加到779.09 Pa，氣阻增加了0.76%，對比效率增加比例和測量誤差，該指標(biāo)滿足要求；

③噪聲由78 dB(A)增加到80 dB(A)，增加了2.56%，增加后的數(shù)據(jù)滿足客戶的噪聲指標(biāo)，可以接受。

3 模具設(shè)計要點

加強型切口翅片是在普通切口型翅片的基礎(chǔ)上局部改動優(yōu)化所得，關(guān)鍵要點在凸凹刀齒的配合上，既要形成加強筋起到加強作用，又要使錯位在鋁材的可延伸范圍內(nèi)，不至于形成新的切口，反而降低了翅片的強度[5-6]，如圖5和圖6所示關(guān)鍵控制點。

根據(jù)生產(chǎn)實踐，參考圖5和圖6，普通型和加強型切口型翅片模具的設(shè)計要點如下：

①凸凹刀齒和平刀齒之間，無間隙配合，切兩個刀齒之間的錯位尺寸超過2倍的材料厚度以上，便于形成切口；

②加強型切口翅片以平刀齒為基礎(chǔ)，按照一分為二的方式，形成1.2～2倍的料厚錯位，便于形成加強筋，起到強化效果。

圖5 普通型切口翅片凸凹刀齒和平刀齒配合視圖

圖6 加強型切口翅片凸凹刀齒和平刀齒配合視圖

4 結(jié)論

通過理論分析和試驗驗證，使用加強型切口翅片能夠替代普通切口翅片，使用在對強度和性能要求高的特殊場合。