周 鶴

0 引言

道路施工企業(yè)所使用的工程機(jī)械種類(lèi)繁多，很多設(shè)備所處的施工環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)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(shí)，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(huì)封堵住部分散熱管或損壞部分散熱片，多次修補(bǔ)或損壞情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響散熱性能，致使散熱器無(wú)法繼續(xù)使用。而且，有些腐蝕嚴(yán)重的散熱器根本無(wú)法修復(fù)或沒(méi)有修復(fù)的價(jià)值，只能更換，大型工程機(jī)械的散熱器價(jià)格昂貴不說(shuō)，動(dòng)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(shí)間的選擇。

目前，關(guān)于散熱器的研究主要集中在工程機(jī)械或車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算選型。通常來(lái)說(shuō)，工程機(jī)械制造廠家在進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)功率［4］、液壓泵驅(qū)動(dòng)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(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和選型，甚至需要計(jì)算機(jī)建模設(shè)計(jì)［6］。筆者所在單位是工程機(jī)械使用單位，無(wú)從獲得上述諸多參數(shù)，遑論進(jìn)行精確計(jì)算，因此在選擇新的散熱器時(shí)，只要其流通能力和散熱能力達(dá)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(jī)械散熱器使用者面臨的問(wèn)題。因此，本文主要從工程機(jī)械散熱器維修和更換的角度，對(duì)影響散熱器使用性能的因素予以探討和比較校核，以達(dá)到快速恢復(fù)機(jī)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(jī)械設(shè)備一個(gè)重要的部件，作用是將工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵等產(chǎn)生的多余熱量散發(fā)到空氣中去，使整機(jī)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(jìn)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(dòng)，通過(guò)散熱器芯和散熱片(帶)與空氣進(jìn)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(guò);也應(yīng)具備足夠的空氣通流面積使足量的空氣通過(guò)，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(lèi)

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(duì)壓力要求高的系統(tǒng)，如液壓油散熱器，它的缺點(diǎn)是制造工藝相對(duì)復(fù)雜。管帶式散熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jiǎn)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(gòu)散熱器情況

筆者公司的斯里蘭卡科倫坡港口城項(xiàng)目有一臺(tái)90 t級(jí)挖掘機(jī)由于原裝液壓油散熱器老化，出現(xiàn)漏油的情況，需要購(gòu)買(mǎi)新的散熱器。經(jīng)向原廠代理商詢價(jià)，該原裝散熱器價(jià)格昂貴，且訂貨周期較長(zhǎng)，而第三方散熱器加工廠報(bào)價(jià)不到原裝散熱器價(jià)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(jìn)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(jì)。圖2、3為散熱器生產(chǎn)廠家給出的2種設(shè)計(jì)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(jìn)行對(duì)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(jí)挖掘機(jī)液壓油的流通，需要對(duì)散熱器的流通能力進(jìn)行核算。加工散熱器和原裝散熱器的進(jìn)出油口法蘭尺寸相同，進(jìn)出油室尺寸也基本相同，某些參數(shù)無(wú)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(jìn)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(jìn)出口面積(即通流面積)，即可滿足流通要求。

通過(guò)計(jì)算可得:原裝散熱器進(jìn)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(jì)算結(jié)果可以看出，散熱管口的總面積均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液壓油進(jìn)出口面積。修補(bǔ)損壞的散熱器時(shí)，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(jì)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(shí)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(huì)下降。

2.3 散熱器的導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性是對(duì)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(duì)稀缺且價(jià)格昂貴，而鋁散熱器可以通過(guò)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(gè)主要技術(shù)指標(biāo)，它對(duì)散熱效果有著至關(guān)重要的影響。在散熱器的設(shè)計(jì)中對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)(mm);H為散熱管的長(zhǎng)度［11］。

需要注意的是，此處對(duì)散熱面積的計(jì)算忽略了進(jìn)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(jìn)出油室參照原散熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，尺寸和面積基本相同，對(duì)散熱器比選影響不大，而散熱片厚度僅為0.5 mm，對(duì)面積計(jì)算的影響也比較小。

根據(jù)式(1)～(3)和圖2、3中的尺寸，可計(jì)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(jì)算結(jié)果來(lái)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(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)實(shí)際散熱面積反而少了1.15 m2。在直觀感覺(jué)上，散熱管多散熱面積就大，這是不科學(xué)的，因?yàn)樵谄渌麉?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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或液壓系統(tǒng)的冷卻(散熱)要適度:若冷卻強(qiáng)度不足，將出現(xiàn)過(guò)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(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，將出現(xiàn)過(guò)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(shí)際迎風(fēng)面積和最小散熱器芯子厚度的散熱器，因?yàn)樯崞餍咀雍駮?huì)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(méi)有被風(fēng)扇掃過(guò)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(shí)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(huì)使散熱面積增大、散熱量增加，但是散熱器的阻力也會(huì)增大，從而增加了風(fēng)扇的功率消耗，使運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)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(duì)3個(gè)散熱器進(jìn)行綜合比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2的比較結(jié)果證明，無(wú)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(jià)格在三者中最便宜，經(jīng)過(guò)綜合比選，選擇方案一。

表2 3個(gè)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(duì)其進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，以檢驗(yàn)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(jì)工作壓力不小于1 MPa;水壓試驗(yàn)的壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，有特殊要求時(shí)可以達(dá)到2倍，保壓時(shí)間不小于10 min;氣壓試驗(yàn)的壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.25倍;氣密性試驗(yàn)的壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.1倍;爆破試驗(yàn)的壓力要求不小于設(shè)計(jì)壓力的5倍。同時(shí)，為了減少液壓油散熱器的安裝對(duì)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(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)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(duì)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(jì)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(xiàng)目90 t級(jí)挖掘機(jī)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(shí)際使用過(guò)程也得到了印證。這種以科學(xué)分析和計(jì)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(jī)和50 t級(jí)挖掘機(jī)等多臺(tái)機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的加工采購(gòu)中，同樣實(shí)現(xiàn)了節(jié)約時(shí)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(gè)新的思路。

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