工程機(jī)械散熱器性能研究

余園滿

（浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，浙江 天臺(tái) 317200）

目前，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)各種新技術(shù)的應(yīng)用以及排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷越來(lái)越高，加上工程機(jī)械工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，負(fù)荷變化較大，這就對(duì)工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的設(shè)計(jì)匹配提出了較高的要求。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器時(shí)，如果僅僅進(jìn)行參照類(lèi)比設(shè)計(jì)，已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要，必須對(duì)散熱器進(jìn)行合理的匹配設(shè)計(jì)，才能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1 工程機(jī)械散熱器性能研究的意義

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式中，車(chē)輛冷卻系統(tǒng)一般根據(jù)能夠滿足最大散熱需求進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)，在提高冷卻系統(tǒng)工作能力的同時(shí)，不大注意工程機(jī)械中存在的過(guò)冷現(xiàn)象，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)的溫度過(guò)低亦不利發(fā)動(dòng)機(jī)功率的穩(wěn)定輸出，因此在提高散熱能力的同時(shí)也要預(yù)防過(guò)冷現(xiàn)象的發(fā)生。就工程車(chē)輛冷卻系統(tǒng)中單個(gè)散熱單元來(lái)說(shuō)，目前工程機(jī)械行業(yè)更關(guān)注產(chǎn)品的節(jié)能高效和排放無(wú)污染，這種現(xiàn)狀就急切要求車(chē)輛散熱器廠家在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)盡力增強(qiáng)散熱器散熱能力并有效減弱阻力特性，設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)越的翅片類(lèi)型，以便制造出綜合性能優(yōu)越且耗材量少的散熱器元件。較之于國(guó)外截止于目前的研究而言，我國(guó)散熱器翅片成型工藝、加工工藝及焊接技術(shù)等方面相關(guān)研究還很粗糙，這種嚴(yán)峻的現(xiàn)狀急切要求我們加大對(duì)散熱器換熱機(jī)理和翅片性能方面的研究，從而提升我們散熱器設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以適應(yīng)車(chē)輛冷卻系統(tǒng)發(fā)展的需要。

現(xiàn)在對(duì)于工程機(jī)械中冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際基本上是由整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)挑選需要的散熱器元件和冷卻風(fēng)扇配件組裝后進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，檢測(cè)各系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測(cè)整機(jī)各項(xiàng)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，此過(guò)程需要多次循環(huán)試驗(yàn)與改進(jìn)。但這種設(shè)計(jì)方式不僅設(shè)計(jì)成本昂貴，而且需要消耗大量人力和時(shí)間。而計(jì)算流體力學(xué)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)卻省時(shí)高效，只需要對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)建模仿真，然后分析出問(wèn)題所在找到解決方法再次相互匹配仿真得到合適結(jié)果即可。這種解決方式脫離了傳統(tǒng)方式的繁瑣笨重，處理問(wèn)題更精細(xì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展更使得計(jì)算流體力學(xué)的程度越來(lái)越精細(xì)和實(shí)用。

2 工程機(jī)械散熱器的性能研究

工程機(jī)械的散熱模塊工作環(huán)境與汽車(chē)有所不同，汽車(chē)的散熱器往往前置于車(chē)頭部位，沉入動(dòng)力艙且距離進(jìn)氣格柵較近，進(jìn)氣格柵的流通面積略小于散熱器的迎風(fēng)面，生產(chǎn)商為盡量不擠占動(dòng)力艙空間，往往采用迎風(fēng)面積較大、厚度較小的散熱器，而工程機(jī)械中散熱器布置特征則相反，以裝載機(jī)為例，由于裝載機(jī)在工作時(shí)需要保持行進(jìn)方向的準(zhǔn)確性，駕駛員需要實(shí)時(shí)觀察路面情況，因此動(dòng)力艙安裝位置不應(yīng)過(guò)高，幾何尺寸不宜過(guò)大，更不允許采用類(lèi)似汽車(chē)那種大迎風(fēng)面的布置形式，動(dòng)力艙內(nèi)的散熱器通常采用與冷卻風(fēng)扇居中對(duì)齊的安裝方式，迎風(fēng)面積通常略小于動(dòng)力艙截面大小，厚度較大。兩種車(chē)輛散熱器的工作狀態(tài)也有所不同，由于汽車(chē)在行駛中具有較高的迎風(fēng)速度，冷空氣受沖壓作用進(jìn)入散熱器，風(fēng)扇直徑可以較小。裝載機(jī)在作業(yè)中往往不具有較高車(chē)速，散熱模塊主要依靠冷卻風(fēng)扇形成的壓差，將冷空氣送入散熱器，冷卻風(fēng)扇直徑通常需要與散熱器的迎風(fēng)面高度或?qū)挾认喈?dāng)。汽車(chē)上早已普及了電子風(fēng)扇，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速，能夠有效地控制功耗；裝載機(jī)等工程機(jī)械，從成本控制與可靠性角度出發(fā)，大部分仍然將冷卻風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械式連接，雖然這種連接形式相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，但當(dāng)整機(jī)散熱有了更高要求后，僅能通過(guò)增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)降溫，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較高，燃油消耗較大。

以國(guó)內(nèi)某輪胎裝載機(jī)為例，生產(chǎn)商利用選型設(shè)計(jì)法對(duì)冷卻風(fēng)扇與散熱器進(jìn)行了匹配，理論計(jì)算結(jié)果滿足要求。當(dāng)冷卻風(fēng)扇與散熱器組安裝在動(dòng)力艙內(nèi)后，夏天時(shí)，整機(jī)在60 秒左右開(kāi)啟了發(fā)動(dòng)機(jī)大循環(huán)，連續(xù)工作1 小時(shí)左右出現(xiàn)了系統(tǒng)過(guò)熱的現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻液溫度達(dá)到100℃左右，為了解決這種現(xiàn)象，生產(chǎn)商通常采用以下幾種方式進(jìn)行改善：

1）增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；

2）更換比原風(fēng)扇直徑稍大的冷卻風(fēng)扇，這種方式雖然會(huì)在一定程度上改善冷卻效果，但是風(fēng)扇直徑的增大，會(huì)使風(fēng)扇的軸功率增加；

3）更換更大迎風(fēng)面的散熱器組，這種方式僅可以在小范圍內(nèi)適用，因?yàn)楦蟮挠L(fēng)面會(huì)使散熱器整體的壓力損失升高，通過(guò)的有效風(fēng)量降低；

4）加強(qiáng)散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)罩接合處的密封性。因?yàn)榭諝馔ㄟ^(guò)散熱器后溫度上升，同時(shí)風(fēng)扇抽吸后壓力提高，因?yàn)闊峥諝庖紫蚯岸说蛪禾幓亓鳎缟崞髦車(chē)虚g隙，熱空氣會(huì)通過(guò)間隙重新回流入散熱器，這統(tǒng)稱(chēng)熱回流，它減少了冷空氣的進(jìn)入量，并促使氣溫上升，將明顯降低散熱器的冷卻效果；

5）加強(qiáng)散熱器與護(hù)照結(jié)合面上的密封性。如前所述由于風(fēng)扇前后存在壓差，同樣也會(huì)在這些縫隙中產(chǎn)生空氣回流，及空氣從風(fēng)扇后端通過(guò)間隙，回到風(fēng)扇前端，相當(dāng)于氣流發(fā)生短路循環(huán)，同樣使通過(guò)散熱器的風(fēng)量減少，降低散熱器的散熱能力；

6）更換厚度更大的散熱器組，這種方式與前一種類(lèi)似，也會(huì)增大壓力損失，降低流量；

7）更換不同翅片類(lèi)型的散熱器組，這種情況較為常見(jiàn)，通常是將管片式替換為管帶式，管帶式替換為板翅式，由于散熱器的壓力損失與換熱量屬于兩個(gè)互相矛盾而又不可分割的性能特征，因此更換了散熱量較大的散熱器，也就代表了該型散熱器具有較高的阻力特征。雖然以上的這些方法可以在一定程度上解決系統(tǒng)過(guò)熱，但是大部分過(guò)熱程度較高的問(wèn)題仍然無(wú)法解決，需要從散熱系統(tǒng)整體上去考慮。

3 工程機(jī)械散熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著冷卻系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)散熱器的要求越來(lái)越高，在保證散熱器具有足夠散熱能力和強(qiáng)度的前提下，體積更小，重量更輕，效率更高是車(chē)用散熱器發(fā)展的必然趨勢(shì)。散熱器是零部件中強(qiáng)度較薄弱的環(huán)節(jié)，散熱器在限定的空間內(nèi)應(yīng)具有足夠的散熱能力和較高的使用壽命，而整個(gè)總成必須質(zhì)量輕、有色金屬材料耗量少、生產(chǎn)成本低。其發(fā)展趨勢(shì)如下：

1）薄壁、輕量、高效

散熱器是一種產(chǎn)值較高的易損機(jī)車(chē)配件。其成本中料重工輕，因此降低材料消耗，改善生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)，才能使散熱器達(dá)到薄壁、輕量和高效。

2）結(jié)構(gòu)合理

為保證在限定的空間內(nèi)有足夠的散熱能力和可靠性，只有在散熱器結(jié)構(gòu)上尋找改進(jìn)措施、降低應(yīng)力和改善傳熱，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）裝配式鋁散熱器及散熱器的發(fā)展

裝配式鋁散熱器在歐洲應(yīng)用較為廣泛，采用裝配式鋁散熱器是為了降低污染和減小鋁材料焊接困難而采用的工藝。雖然目前部分產(chǎn)品仍采用該結(jié)構(gòu)，但風(fēng)阻過(guò)大會(huì)影響該結(jié)構(gòu)形式。硬釬焊的鋁散熱器隨著冶金日益提高將逐步增多。硬釬焊的鋁散熱器可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)總成等強(qiáng)度，從而大幅度提高散熱器的壽命。

將鋁質(zhì)管帶式散熱器應(yīng)用于工程機(jī)械，這不僅提高了工程機(jī)械的散熱效率，更減輕了散熱器的整體的重量，更為重要的是在當(dāng)前銅材價(jià)格居高不下的情況下，節(jié)約原材料就等于降低了生產(chǎn)成本，相應(yīng)也就增加了利潤(rùn)，這對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)也就增大了發(fā)展壯大的后勁，對(duì)企業(yè)也就擴(kuò)大了生存空間，增強(qiáng)了社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平正在以日新月異的速度向前發(fā)展，解決問(wèn)題的思路方法越來(lái)越多元化和精細(xì)化。散熱器行業(yè)的細(xì)致研究也越來(lái)越被人們重視和突出出來(lái)，因此，研究強(qiáng)化散熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)、制造出高效散熱器，不僅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展急需解決的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于節(jié)約能源和降低生產(chǎn)成本也具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］張奧.工程機(jī)械散熱器傳熱特性分析[D].吉林大學(xué)，2013.

［2］劉佳鑫.工程機(jī)械散熱模塊傳熱性能研究[D].吉林大學(xué)，2013.