工程机械散热器的替换方案校核

周 鹤

0 引言

道路施工企业所使用的工程机械种类繁多，很多设备所处的施工环境恶劣，工作强度大，导致散热器的工作条件差，加之受到冲击和咸湿气候环境的影响，使其腐蚀和损坏情况严重，寿命较短［1］。当散热器损坏时，经常采用锡焊接［2］或黏合剂修复，受修复条件限制，这些方法通常会封堵住部分散热管或损坏部分散热片，多次修补或损坏情况严重时会严重影响散热性能，致使散热器无法继续使用。而且，有些腐蚀严重的散热器根本无法修复或没有修复的价值，只能更换，大型工程机械的散热器价格昂贵不说，动辄需要数月的订货周期，严重影响工期［3］。从第三方散热器生产厂家订货是节省成本和时间的选择。

目前，关于散热器的研究主要集中在工程机械或车辆设计时的计算选型。通常来说，工程机械制造厂家在进行散热器设计时，需要综合考虑发动机功率［4］、液压泵驱动功率、系统效率、液压回路的效率、材料、风扇大小、环境温度等［5］，并结合经验参数进行设计计算和选型，甚至需要计算机建模设计［6］。笔者所在单位是工程机械使用单位，无从获得上述诸多参数，遑论进行精确计算，因此在选择新的散热器时，只要其流通能力和散热能力达到或大于原装散热器，质量满足使用要求即可，这也是作为工程机械散热器使用者面临的问题。因此，本文主要从工程机械散热器维修和更换的角度，对影响散热器使用性能的因素予以探讨和比较校核，以达到快速恢复机械使用性能和节约成本的目的。

1 散热器概述

1.1 散热器的作用

散热器是机械设备一个重要的部件，作用是将工程机械发动机和液压泵等产生的多余热量散发到空气中去，使整机温度保持在正常范围内，保证设备正常工作。

1.2 散热器的构造

散热器通常由散热器芯(管)、散热片(带)、进水(油)室、出水(油)室组成，散热介质(水或液压油等)在散热器芯内流动，通过散热器芯和散热片(带)与空气进行热量交换。散热器芯(管)内部应具有足够的通流面积让散热介质通过;也应具备足够的空气通流面积使足量的空气通过，以带走散热介质传递到散热器表面的热量;还必须有足够的散热面积完成散热介质、散热器和空气之间的热量交换［7］。

1.3 散热器的分类

散热器主要有管片式和管带式2种结构。管带式散热器的散热管通常为扁形，这是增大散热带和散热管之间的接触面积、增加热传导的需要;管片式散热水管可以是扁形或者圆形结构。管片式散热器刚度好、耐压力高，往往用于对压力要求高的系统，如液压油散热器，它的缺点是制造工艺相对复杂。管带式散热器结构强度和耐压能力通常不如管片式散热器，空气阻力也更大，但散热性能和效果好，制造工艺简单，故应用更为普遍［8］。图1为2种结构的示例。

图1 管片式和管带式散热器

2 散热器核算

2.1 订购散热器情况

笔者公司的斯里兰卡科伦坡港口城项目有一台90 t级挖掘机由于原装液压油散热器老化，出现漏油的情况，需要购买新的散热器。经向原厂代理商询价，该原装散热器价格昂贵，且订货周期较长，而第三方散热器加工厂报价不到原装散热器价格的一半，而且订货周期大幅缩短，因此决定选择第三方散热器。原装液压油散热器为管片式结构，为了保证正常安装，液压油散热器安装螺栓孔、进出油口法兰位置及散热器芯部总厚度须与原装散热器相同，其他由散热器生产厂家设计。图2、3为散热器生产厂家给出的2种设计方案。

图2 方案一

图3 方案二

将原装散热器和第三方散热器加工厂给出的2种方案进行对比，结果如表1所示。

表1 原装散热器和第三方散热器厂家方案的比较

2.2 流通能力核算

为了保证散热器能满足该90 t级挖掘机液压油的流通，需要对散热器的流通能力进行核算。加工散热器和原装散热器的进出油口法兰尺寸相同，进出油室尺寸也基本相同，某些参数无法获得，故采用比较拟加工散热器方案一、方案二和原装散热器的方法进行核算。

流量与面积、流速有关，在不考虑流速、流通阻力和流量损失的情况下，只要散热器散热管的总面积大于进出口面积(即通流面积)，即可满足流通要求。

通过计算可得:原装散热器进出油口面积Ain=1 962.5 mm2，原装散热器散热管口总面积A0=11 195.5 mm2，方案一散热器散热管口总面积A1=12 522.95 mm2，方案二散热器散热管口总面积A2=16 116.5 mm2。

A2跃A1跃A0跃Ain，故方案一和方案二均能满足液压油流通要求。

由上面的计算结果可以看出，散热管口的总面积均远远大于液压油进出口面积。修补损坏的散热器时，堵住的散热管不流通，造成散热面积减小，散热能力下降。根据上面的计算方法，部分散热管封堵后，液压油通流面积减小，在其他因素不变的情况下液压油在散热管内的流速将加快，有效散热时间将减少，液压油和散热器的传热、换热性能还有散热器的散热能力都会下降。

2.3 散热器的导热性

导热性是对固体或液体传热能力的衡量，导热性能好的物体往往吸热快，散热也快［9］。常用的散热器材料有铜、铝、铸铁等，铜的传热系数最大，铝次之，铸铁最小;铜相对稀缺且价格昂贵，而铝散热器可以通过改善制造工艺的方法得到比铜散热器更好的散热能力［10］，目前以铝散热器应用最为普遍。

2.4 散热面积核算

散热面积是散热器散热能力的一个主要技术指标，它对散热效果有着至关重要的影响。在散热器的设计中对散热面积有明确的要求。

管片式散热器的散热面积

式中:S为管片式散热器散热面积(m2);Sp为全部散热片的单面面积(m2);Sg为全部散热管与空气接触面积(m2);W为散热器散热片的长度;T为散热器芯的厚度(即散热片的宽度);n为散热片的片数;m为散热管的根数;F为散热片上散热管的单孔截面积(mm2);L为散热管截面的周长(mm);H为散热管的长度［11］。

需要注意的是，此处对散热面积的计算忽略了进出油室冷却面积以及散热片遮挡散热管造成面积减小的影响。这是由于方案一和方案二的进出油室参照原散热器进行设计，尺寸和面积基本相同，对散热器比选影响不大，而散热片厚度仅为0.5 mm，对面积计算的影响也比较小。

根据式(1)～(3)和图2、3中的尺寸，可计算得原装液压油散热器的散热面积S0=76.87 m2，散热器加工厂方案一的散热面积S1=74.33 m2，方案二的散热面积 S2=73.18 m2。

从上述计算结果来看，S0跃S1跃S2。方案二和方案一的散热片数量相同，散热管多了99根，经过计算发现实际散热面积反而少了1.15 m2。在直观感觉上，散热管多散热面积就大，这是不科学的，因为在其他参数尺寸不变的情况下，散热管多了，散热片的有效散热面积反而更小，总的散热面积也就变小了。

3 散热器的选型

3.1 散热器的选型原则

散热器对发动机或液压系统的冷却(散热)要适度:若冷却强度不足，将出现过热现象，导致热效率低、油耗大、油液黏度降低，易发生氧化和变质［12］，以及原件磨损和密封件老化加剧，使密封性能下降;若冷却强度过强，将出现过冷现象，使转变成有用功的热量减少，增加了燃油消耗，磨损加剧［13］。

在安装空间允许的情况下，应选取具有最大实际迎风面积和最小散热器芯子厚度的散热器，因为散热器芯子厚会使通风阻力大，并且容易被灰尘和污物堵塞。迎风面积的形状应尽量接近正方形，这样可以保证散热器芯没有被风扇扫过的面积最小，使风扇和散热器能发挥最有效的性能。

散热器选型时还应考虑散热片的间距［14］。在给定的风扇速度下，散热片密度大会使散热面积增大、散热量增加，但是散热器的阻力也会增大，从而增加了风扇的功率消耗，使运转的经济性下降。另一方面，散热片密度大也容易被灰尘和污物堵塞。目前较多采用的散热片间距为2.3～3.3 mm［15］。

3.2 散热器的比较与选定

对3个散热器进行综合比较，结果见表2。

表2的比较结果证明，无论是通风能力还是散热面积，方案二均是三者中最差的，故不予选择;方案一的散热面积虽然比原装散热器小，但是通风能力与之相近，材料导热性能更是优于原装散热器，订货周期比原装散热器短，价格在三者中最便宜，经过综合比选，选择方案一。

表2 3个散热器的综合比较

4 液压油散热器的要求

在散热器出厂前必须对其进行耐压试验，以检验散热器的焊接质量和耐压密封性能。通常液压油散热器的设计工作压力不小于1 MPa;水压试验的压力为设计压力的1.5倍，有特殊要求时可以达到2倍，保压时间不小于10 min;气压试验的压力为设计压力的1.25倍;气密性试验的压力为设计压力的1.1倍;爆破试验的压力要求不小于设计压力的5倍。同时，为了减少液压油散热器的安装对液压系统回油压力的影响，应尽可能地增加液压油散热器的通油面积，降低压力损失，但要以满足散热要求和外形尺寸为前提［16-17］。

5 结语

本文通过对散热器材料导热性、散热器选型原则和液压油散热器的要求等的分析，以及对原散热器和替换散热器流通能力、散热面积的校核，在综合考虑散热器本身散热性能、经济性和供货周期等因素的情况下，列表综合比选，最终确定方案一为斯里兰卡科伦坡港口城项目90 t级挖掘机液压油散热器的最优替代方案，所选择的替换散热器的使用性能在后续实际使用过程也得到了印证。这种以科学分析和计算指导散热器维修和替换的方法，也推广应用到了后续400 kW发电机和50 t级挖掘机等多台机械发动机散热器的加工采购中，同样实现了节约时间与成本的效果，使用状况良好，并且给后续设备维修提供了一个新的思路。

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