工程機械散熱器性能研究

余園滿

（浙江銀輪機械股份有限公司，浙江 天臺 317200）

目前，隨著發(fā)動機各種新技術(shù)的應(yīng)用以及排放標準的不斷提高，發(fā)動機熱負荷越來越高，加上工程機械工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，負荷變化較大，這就對工程機械發(fā)動機散熱器的設(shè)計匹配提出了較高的要求。在設(shè)計開發(fā)工程機械發(fā)動機散熱器時，如果僅僅進行參照類比設(shè)計，已經(jīng)不能滿足實際需要，必須對散熱器進行合理的匹配設(shè)計，才能有效提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。

1 工程機械散熱器性能研究的意義

在傳統(tǒng)的設(shè)計方式中，車輛冷卻系統(tǒng)一般根據(jù)能夠滿足最大散熱需求進行實際設(shè)計，在提高冷卻系統(tǒng)工作能力的同時，不大注意工程機械中存在的過冷現(xiàn)象，但由于發(fā)動機水套內(nèi)的溫度過低亦不利發(fā)動機功率的穩(wěn)定輸出，因此在提高散熱能力的同時也要預(yù)防過冷現(xiàn)象的發(fā)生。就工程車輛冷卻系統(tǒng)中單個散熱單元來說，目前工程機械行業(yè)更關(guān)注產(chǎn)品的節(jié)能高效和排放無污染，這種現(xiàn)狀就急切要求車輛散熱器廠家在設(shè)計散熱器時盡力增強散熱器散熱能力并有效減弱阻力特性，設(shè)計出性能更優(yōu)越的翅片類型，以便制造出綜合性能優(yōu)越且耗材量少的散熱器元件。較之于國外截止于目前的研究而言，我國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，這種嚴峻的現(xiàn)狀急切要求我們加大對散熱器換熱機理和翅片性能方面的研究，從而提升我們散熱器設(shè)計制造技術(shù)，以適應(yīng)車輛冷卻系統(tǒng)發(fā)展的需要。

現(xiàn)在對于工程機械中冷卻系統(tǒng)的設(shè)計實際基本上是由整機生產(chǎn)企業(yè)挑選需要的散熱器元件和冷卻風(fēng)扇配件組裝后進行整機試驗，檢測各系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測整機各項性能是否滿足設(shè)計要求，此過程需要多次循環(huán)試驗與改進。但這種設(shè)計方式不僅設(shè)計成本昂貴，而且需要消耗大量人力和時間。而計算流體力學(xué)對冷卻系統(tǒng)進行設(shè)計時卻省時高效，只需要對整個冷卻系統(tǒng)建模仿真，然后分析出問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，處理問題更精細，計算機技術(shù)的不斷發(fā)展更使得計算流體力學(xué)的程度越來越精細和實用。

2 工程機械散熱器的性能研究

工程機械的散熱模塊工作環(huán)境與汽車有所不同，汽車的散熱器往往前置于車頭部位，沉入動力艙且距離進氣格柵較近，進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，而工程機械中散熱器布置特征則相反，以裝載機為例，由于裝載機在工作時需要保持行進方向的準確性，駕駛員需要實時觀察路面情況，因此動力艙安裝位置不應(yīng)過高，幾何尺寸不宜過大，更不允許采用類似汽車那種大迎風(fēng)面的布置形式，動力艙內(nèi)的散熱器通常采用與冷卻風(fēng)扇居中對齊的安裝方式，迎風(fēng)面積通常略小于動力艙截面大小，厚度較大。兩種車輛散熱器的工作狀態(tài)也有所不同，由于汽車在行駛中具有較高的迎風(fēng)速度，冷空氣受沖壓作用進入散熱器，風(fēng)扇直徑可以較小。裝載機在作業(yè)中往往不具有較高車速，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)。汽車上早已普及了電子風(fēng)扇，可以實現(xiàn)自動調(diào)速，能夠有效地控制功耗；裝載機等工程機械，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)動機進行機械式連接，雖然這種連接形式相對簡單可靠，但當(dāng)整機散熱有了更高要求后，僅能通過增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實現(xiàn)系統(tǒng)降溫，這就使得發(fā)動機負載較高，燃油消耗較大。

以國內(nèi)某輪胎裝載機為例，生產(chǎn)商利用選型設(shè)計法對冷卻風(fēng)扇與散熱器進行了匹配，理論計算結(jié)果滿足要求。當(dāng)冷卻風(fēng)扇與散熱器組安裝在動力艙內(nèi)后，夏天時，整機在60 秒左右開啟了發(fā)動機大循環(huán)，連續(xù)工作1 小時左右出現(xiàn)了系統(tǒng)過熱的現(xiàn)象，發(fā)動機中冷卻液溫度達到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，這種方式雖然會在一定程度上改善冷卻效果，但是風(fēng)扇直徑的增大，會使風(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，因為更大的迎風(fēng)面會使散熱器整體的壓力損失升高，通過的有效風(fēng)量降低；

4）加強散熱器與發(fā)動機罩接合處的密封性。因為空氣通過散熱器后溫度上升，同時風(fēng)扇抽吸后壓力提高，因為熱空氣易向前端低壓處回流，如散熱器周圍有間隙，熱空氣會通過間隙重新回流入散熱器，這統(tǒng)稱熱回流，它減少了冷空氣的進入量，并促使氣溫上升，將明顯降低散熱器的冷卻效果；

5）加強散熱器與護照結(jié)合面上的密封性。如前所述由于風(fēng)扇前后存在壓差，同樣也會在這些縫隙中產(chǎn)生空氣回流，及空氣從風(fēng)扇后端通過間隙，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似，也會增大壓力損失，降低流量；

7）更換不同翅片類型的散熱器組，這種情況較為常見，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)過熱，但是大部分過熱程度較高的問題仍然無法解決，需要從散熱系統(tǒng)整體上去考慮。

3 工程機械散熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著冷卻系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對散熱器的要求越來越高，在保證散熱器具有足夠散熱能力和強度的前提下，體積更小，重量更輕，效率更高是車用散熱器發(fā)展的必然趨勢。散熱器是零部件中強度較薄弱的環(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)展趨勢如下：

1）薄壁、輕量、高效

散熱器是一種產(chǎn)值較高的易損機車配件。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)上尋找改進措施、降低應(yīng)力和改善傳熱，才能達到設(shè)計要求。

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)阻過大會影響該結(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現(xiàn)整個總成等強度，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)用于工程機械，這不僅提高了工程機械的散熱效率，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，這對企業(yè)來說也就增大了發(fā)展壯大的后勁，對企業(yè)也就擴大了生存空間，增強了社會競爭力。

4 結(jié)語

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，解決問題的思路方法越來越多元化和精細化。散熱器行業(yè)的細致研究也越來越被人們重視和突出出來，因此，研究強化散熱問題，設(shè)計、制造出高效散熱器，不僅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展急需解決的問題，同時對于節(jié)約能源和降低生產(chǎn)成本也具有深遠的現(xiàn)實意義。

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

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