馮國(guó)弟

（江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司， 江蘇 徐州 221004）

引言

散熱器是冷卻系統(tǒng)的重要部件之一，其性能的好壞不僅直接影響散熱器散熱效果，還影響了整機(jī)產(chǎn)品的正常工作。目前，工程機(jī)械散熱器普遍采用鋁合金材料，與傳統(tǒng)銅制散熱器相比，鋁合金散熱器輕便、經(jīng)濟(jì)，在工程機(jī)械產(chǎn)品上得到了廣泛應(yīng)用。但是，近年來(lái)市場(chǎng)反饋鋁合金散熱器易出現(xiàn)開裂等故障，主要失效形式為散熱管根部開裂、進(jìn)出管接頭開裂、安裝軸銷附近母材開裂等。某公司生產(chǎn)的大型散熱器，在使用過(guò)程中頻繁出現(xiàn)開裂泄漏問(wèn)題，給用戶和生產(chǎn)商均造成較大損失。散熱器開裂原因不明，亟待研究解決。

1 散熱器概述

工程機(jī)械散熱器主要為車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等零部件進(jìn)行冷卻及散熱。散熱器一般包含水散和油散，水散主要為發(fā)動(dòng)機(jī)降溫，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫時(shí)，高溫水經(jīng)過(guò)“大循環(huán)”進(jìn)入水散，在風(fēng)扇的輔助作用下，實(shí)現(xiàn)水溫降低，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在合適的溫度下工作。如果水散散熱不足會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，充氣量減少燃燒不正常，發(fā)動(dòng)功率下降潤(rùn)滑不良，加劇磨損[1-2]。

油散根據(jù)使用介質(zhì)不同分為液壓油散熱器、傳動(dòng)油散熱器、轉(zhuǎn)向泵油散熱器、機(jī)油散熱器、燃油散熱器，等等。故障頻繁的液壓油散熱器，其作用是實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在合適的溫度下工作。如果液壓油散熱器散熱不足液壓系統(tǒng)高溫，會(huì)導(dǎo)致液壓油黏度降低易泄漏、液壓系統(tǒng)效率下降等后果。散熱器的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，由于散熱器一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙前段，機(jī)械振動(dòng)較大，同時(shí)散熱器內(nèi)部還要承受冷卻液壓力交變、突變，溫度過(guò)熱等不利因素的威脅。

2 散熱器失效情況

根據(jù)市場(chǎng)反饋分析發(fā)現(xiàn)，大噸位挖掘機(jī)產(chǎn)品安裝的散熱器質(zhì)保期內(nèi)的故障反饋率較小噸位產(chǎn)品的明顯要高，一般接近20%。統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)保期內(nèi)散熱器的故障時(shí)刻發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品累計(jì)工作時(shí)間在2000～4500h，占比高達(dá)45%以上。另外，散熱器開裂部位主要集中于耦合點(diǎn)和薄弱點(diǎn)，耦合點(diǎn)主要指散熱器進(jìn)出管軟連接點(diǎn)和散熱器安裝座硬聯(lián)接點(diǎn)，薄弱點(diǎn)主要指的是散熱管根部等應(yīng)力集中的位置。圖1 為部分散熱器開裂實(shí)例圖。

圖1 散熱器開裂實(shí)例圖

3 散熱器開裂機(jī)理分析

散熱器開裂的原因從失效機(jī)理分析，主要分為強(qiáng)度失效和疲勞失效兩類。強(qiáng)度失效的本質(zhì)在于應(yīng)力值大于強(qiáng)度值，出現(xiàn)強(qiáng)度失效從材料本身考慮就是散熱器材料強(qiáng)度差，另一種原因就是散熱器應(yīng)力值過(guò)大，造成散熱器應(yīng)力值過(guò)大的原因包括環(huán)境載荷過(guò)大、散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，散熱器的環(huán)境載荷主要包括高溫載荷、冷卻液壓力載荷等。

散熱器開裂另一種失效機(jī)理是早期疲勞失效，造成早期疲勞失效的原因，內(nèi)因方面是材料的抗疲勞性能差或材料抗疲勞性能退化；外因方面是散熱器疲勞載荷過(guò)大，疲勞載荷包括機(jī)械振動(dòng)、冷卻液脈沖壓力等。機(jī)械振動(dòng)大內(nèi)因方面是散熱器固有頻率和環(huán)境激振頻率相同發(fā)生共振；外因方面是散熱器環(huán)境工況惡劣振源振動(dòng)大或散熱器減振器不起作用等，導(dǎo)致散熱器本體承受外界環(huán)境過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)[3]。

4 散熱器開裂故障樹分析

基于上述散熱器開裂機(jī)理分析，建立散熱器開裂故障樹，如圖2 所示。

圖2 散熱器開裂故障樹

基于建立的散熱器開裂故障樹，運(yùn)用下行法開展故障樹定性分析，分析過(guò)程，如表1 所示：

表1 下行法求最小割集

由散熱器故障樹定性分析結(jié)果可知，導(dǎo)致散熱器開裂可能的原因有10 種，即x1、x2、x3、...、x10。針對(duì)這10 種基本事件，散熱器廠家和主機(jī)廠運(yùn)用仿真、試驗(yàn)的方法進(jìn)行逐一排查，確定具體產(chǎn)品散熱器開裂的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)散熱器減振系統(tǒng)減振效果差、冷卻液高壓沖擊是導(dǎo)致大部分產(chǎn)品散熱器開裂的主要原因。另外，有的產(chǎn)品材料存在工藝缺陷導(dǎo)致材料強(qiáng)度和抗疲勞性能差。

5 散熱器開裂故障改進(jìn)措施

針對(duì)散熱器開裂故障，除了采用正確的焊接工藝進(jìn)行修復(fù)外，還應(yīng)采取預(yù)防措施降低散熱器開裂故障率，主要的預(yù)防措施如下：

1）采用優(yōu)化散熱器減震器結(jié)構(gòu)、數(shù)量、安裝方式等，增強(qiáng)散熱器減震系統(tǒng)的減震效果。同時(shí)，應(yīng)確保散熱器的固有頻率避開激振頻率，以免發(fā)生共振現(xiàn)象。

2）液壓系統(tǒng)優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，降低油散冷卻液壓力載荷出現(xiàn)高脈沖、大載荷的情況。

3）對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，即“潛在故障區(qū)”，采用加固設(shè)計(jì)，提高此部位的強(qiáng)度和抗疲勞性能[4]。

4）成本條件允許的情況下盡量選用材料強(qiáng)度和抗疲勞性能好的鋁合金材料，并確保散熱器制造工藝無(wú)缺陷。

6 結(jié)語(yǔ)

散熱器開裂存在多方面的原因，材料本身質(zhì)量不好（含工藝缺陷導(dǎo)致材料質(zhì)量差）、設(shè)計(jì)先天缺陷等內(nèi)因是最直接的原因，在惡劣的工作環(huán)境下，散熱器減震系統(tǒng)減震效果不理想也是導(dǎo)致散熱器開裂的重要誘因。另外，高溫、高壓的冷卻液壓力沖擊也是潛在的高危風(fēng)險(xiǎn)因素。各類產(chǎn)品的散熱器應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)最突出的故障原因進(jìn)行優(yōu)先排除改進(jìn)，以降低散熱器開裂的風(fēng)險(xiǎn)。