工程機械散熱器開裂故障分析及改進

馮國弟

（江蘇徐工工程機械研究院有限公司， 江蘇 徐州 221004）

引言

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

1 散熱器概述

工程機械散熱器主要為車輛的發動機、液壓系統、傳動系統等零部件進行冷卻及散熱。散熱器一般包含水散和油散，水散主要為發動機降溫，當發動機高溫時，高溫水經過“大循環”進入水散，在風扇的輔助作用下，實現水溫降低，保證發動機在合適的溫度下工作。如果水散散熱不足會導致發動機過熱，充氣量減少燃燒不正常，發動功率下降潤滑不良，加劇磨損[1-2]。

油散根據使用介質不同分為液壓油散熱器、傳動油散熱器、轉向泵油散熱器、機油散熱器、燃油散熱器，等等。故障頻繁的液壓油散熱器，其作用是實現液壓系統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高溫，會導致液壓油黏度降低易泄漏、液壓系統效率下降等后果。散熱器的工作環境相對惡劣，由于散熱器一般安裝在發動機艙前段，機械振動較大，同時散熱器內部還要承受冷卻液壓力交變、突變，溫度過熱等不利因素的威脅。

2 散熱器失效情況

根據市場反饋分析發現，大噸位挖掘機產品安裝的散熱器質保期內的故障反饋率較小噸位產品的明顯要高，一般接近20%。統計產品質保期內散熱器的故障時刻發現，產品累計工作時間在2000～4500h，占比高達45%以上。另外，散熱器開裂部位主要集中于耦合點和薄弱點，耦合點主要指散熱器進出管軟連接點和散熱器安裝座硬聯接點，薄弱點主要指的是散熱管根部等應力集中的位置。圖1 為部分散熱器開裂實例圖。

圖1 散熱器開裂實例圖

3 散熱器開裂機理分析

散熱器開裂的原因從失效機理分析，主要分為強度失效和疲勞失效兩類。強度失效的本質在于應力值大于強度值，出現強度失效從材料本身考慮就是散熱器材料強度差，另一種原因就是散熱器應力值過大，造成散熱器應力值過大的原因包括環境載荷過大、散熱器結構設計不合理，散熱器的環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理是早期疲勞失效，造成早期疲勞失效的原因，內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大，疲勞載荷包括機械振動、冷卻液脈沖壓力等。機械振動大內因方面是散熱器固有頻率和環境激振頻率相同發生共振；外因方面是散熱器環境工況惡劣振源振動大或散熱器減振器不起作用等，導致散熱器本體承受外界環境過大的機械振動[3]。

4 散熱器開裂故障樹分析

基于上述散熱器開裂機理分析，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，運用下行法開展故障樹定性分析，分析過程，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果可知，導致散熱器開裂可能的原因有10 種，即x1、x2、x3、...、x10。針對這10 種基本事件，散熱器廠家和主機廠運用仿真、試驗的方法進行逐一排查，確定具體產品散熱器開裂的主要原因。研究發現散熱器減振系統減振效果差、冷卻液高壓沖擊是導致大部分產品散熱器開裂的主要原因。另外，有的產品材料存在工藝缺陷導致材料強度和抗疲勞性能差。

5 散熱器開裂故障改進措施

針對散熱器開裂故障，除了采用正確的焊接工藝進行修復外，還應采取預防措施降低散熱器開裂故障率，主要的預防措施如下：

1）采用優化散熱器減震器結構、數量、安裝方式等，增強散熱器減震系統的減震效果。同時，應確保散熱器的固有頻率避開激振頻率，以免發生共振現象。

2）液壓系統優化匹配設計，降低油散冷卻液壓力載荷出現高脈沖、大載荷的情況。

3）對散熱器結構薄弱點，即“潛在故障區”，采用加固設計，提高此部位的強度和抗疲勞性能[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缺陷。

6 結語

散熱器開裂存在多方面的原因，材料本身質量不好（含工藝缺陷導致材料質量差）、設計先天缺陷等內因是最直接的原因，在惡劣的工作環境下，散熱器減震系統減震效果不理想也是導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險因素。各類產品的散熱器應根據實際情況，對最突出的故障原因進行優先排除改進，以降低散熱器開裂的風險。