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      平行流換熱器疲勞故障分析及解決方案

      點擊:1845 日期:[ 2014-04-26 21:57:37 ]
                           平行流換熱器疲勞故障分析及解決方案                         包振球 張志 周水洪 許玉周                           (英格索蘭氣候控制公司)     摘 要:為了降低換熱器的成本,平行流技術的使用正越來越普及。但是平行流換熱器存在機械強度低、不耐疲勞的特點。本文針對平行流最容易出現的疲勞斷裂原因進行分析,發現是由于其內部壓力和熱應力造成的疲勞破壞。針對該原因重新修改此處的設計,并使用FEA對設計修改前后的應力進行對比,驗證設計修改的正確性。     關鍵詞:制冷;冷凍運輸;平行流換熱器;疲勞;應力; FEA     隨著人民生活水平的提高,食品安全越來越受到人們的關注。食品的冷凍運輸是食品運輸安全的重要環節,在我國食品冷凍運輸還處在發展階段時,西方國家食品的冷凍運輸已相當成熟。我國運輸用制冷機組的銷量日益提高,但是總體產量還很低,主要原因是這些產品的成本還很高。降低產品成本是發展該產品的基礎。兩器的成本占該類產品成本的20%~30%,為了降低成本,各制造企業都在努力降低兩器的成本。冷凝器采用平行流是冷凍運輸行業內一直推行的,但是平行流的可靠性較低,是制約該技術推行的一大瓶頸。筆者介紹制冷運輸機組在使用平行流中所遇到的一些疲勞斷裂問題及其解決方案。     1 平行流換熱器的故障現象     平行流換熱器的結構如圖1所示。                平行流換熱器在使用過程中,經常會出現泄漏現象。筆者對某冷藏車所采用的平行流換熱器的失效問題進行了研究。在圖2中,發生泄漏部位在集流管和安裝支架之間的焊接處。該部位接近高溫制冷劑入口,是平行流換熱器上溫度最高的部位。機組運行時,溫度接近90~120℃,集流管內的壓力為2.8~3.2MPa。筆者還研究了該系列產品所發生的故障,所有故障發生在同一部位,圖2中所示的B處(粗管)。     2 原因分析     2. 1 疲勞裂紋分析     為了分析本故障,對發生斷裂泄漏的部位進行了金相顯微放大,并通過對失效部位的宏觀、微觀、化學等理化分析,認為是換熱器工作時該部位存在周期性的應力應變導致該部位產生疲勞。如圖3~圖5所示,可明顯看到疲勞所產生的疲勞裂紋。                       通過對疲勞裂紋的分析,筆者基本否定了此處的疲勞斷裂是由于加工工藝造成的。為了分析產生的原因,對該部位的應力進行了理論計算。     2. 2 應力分析     經研究發現,該部位至少存在3種應力:①由內部壓力引起的圓周壓力;②由該部位的高溫所引起的熱應力;③由運輸途中卡車振動所引起的機械應力。針對上述3種應力分別進行計算,研究其最大應力是否超出了該材料的疲勞極限。                         1)由內部工作壓力,或開停機時的壓力所引起的圓周應力(見圖6)按下式計算:                         2)由該部位的高溫所引起的熱應力     如圖7所示,由于平行流安裝在鋼框架上,其支架與鋼框架被4顆螺釘固定。在制冷機組工作時,鋼框架和平行支架上的溫度有差異,加上兩者材料不同,彈性模量和熱膨脹系數都不同。根據其變形情況,其熱應力的計算如下。假設不考慮鋼框架的變形,其平行流集氣管和支架的最大熱應力的計算公式為:                      式中:α1和α2分別為鋁和鋼的熱膨脹系數;Δt11和Δt12分別為鋁管平行流兩端的溫度差;Δt21和Δt22分別為鋼框架兩端的溫度差;A1和A2分別為鋁和鋼的橫截面面積;E1和E2分別為鋁和鋼的彈性模量。                     3)由于運輸中路面振動所引起的應力由于機組在運輸中所導致的振動,也會造成該部位的應力增加,但是還沒有該應力計算的相關研究。在振動實驗中,模擬路面振動所引起的此部位的表面應力小于2MPa,不到熱應力和圓周應力的5%。在本課題研究中,可以忽略此項。     2. 3 應力計算     由于上述應力為矢量,不可簡單地相加。但是可以認為該部位最大的應力可達到49.51MPa。                      3 實驗研究     為了驗證計算的正確性,筆者對該平行流換熱器支架上的點進行了應力測試(不考慮運輸振動,見圖9),測試數據見表2。                      實驗證明該部位的應力是最大的(見測點12),并且測試值與理論計算值接近。對比計算/測試值和S-N曲線發現(見圖10),現有應力接近其疲勞強度極限(107疲勞周期下其疲勞強度為10ksi=68.95MPa[5]),再考慮到焊接的影響,其強度還會下降15%~25%,取表面疲勞強度修正系數0.75,得到疲勞強度極限為53MPa。                     4 改進和驗證     由于所受應力接近材料強度,要想減少此故障的發生,必須對該部位重新進行計(見圖11~12)。     1)由于增加壁厚和減小集氣管直徑可以減少圓周應力,將圓周由22.2mm減小為20mm,壁厚由1.2mm增加到1.3mm;     2)支架與集氣管接觸部位的長度由30mm改成50mm,接觸部位由1/4圓改為1/2圓,有效增加了散熱,減小了熱應力(熱分布面積變大),改變了應力集中點的位置。     經FEA驗證,新的設計表面應力從52MPa降低到42MPa,表面應力減小了20%。改進后的設計表面應力已經下降到材料的無限壽命(107)疲勞強度以下,能夠滿足材料的壽命要求。新的設計經一年多的市場應用驗證,至今未出現一例故障,問題得到解決。     5 結論     1)在設計平行流換熱器的集氣管時,應盡量增加壁厚,減小集氣管管徑,這樣可以減小圓周應力;     2)支架與集氣管間接觸部位應有盡量大的接觸面積,以改善該部位的散熱能力和熱應力;     3)盡量在支架和集氣管間采用圓角過度,防止應力集中。 參考文獻 [1] 平修二.熱應力與熱疲勞.北京:國防工業出版社,1984. [2] 李維特,黃保海,畢仲波.熱應力理論分析及應用.北京:中國電力出版社,2004. [3] HenryD Scot,t DavidsonM Grace, LampmanR Steven.Fatigue data  book: light structural alloys. MaterialsPark: ASM Internationa,l1995. [4] BS7608Code of practice forFatigue design and assess-mentof steel  structures. British Standard,1993. [5] Stephens IRalph, FatemiAl,i StephensR Rober.t Met-al Fatigue in  Engineering,2nd ed. W iley-Interscience,2000.
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