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      哈雷釬焊板式換熱器
      專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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      脹接工藝在換熱器制造中的應用情況

      點擊:1756 日期:[ 2014-04-26 22:21:36 ]
                                   脹接工藝在換熱器制造中的應用情況                            任國安(大連機務段,遼寧大連116001)   摘要;分析了柴油機用散熱器、中冷器和熱交換器等換熱器的制造工藝。試驗表明脹接工藝制造的換熱元件具有較高的強度,能滿足柴油機發展對換熱器提出的可靠性要求。   關鍵詞:柴油機;換熱器;脹接工藝   中圖分類號;U262.23+1,TK414.2+12   文獻標識碼:B   長期以來,換熱器冷卻管與管板、冷卻片的連接一直沿用傳統的軟、硬釬焊連接,但是,隨著柴油機熱負荷的大幅度提高,使得這種高溫釬接制造的換熱器,難以滿足柴油機不斷強化對換熱元件性能和可靠性的要求。   在20世紀70年代后,脹接式換熱器的開發開始進行。先后開發出了各種內燃機車、船舶和汽車等運輸機械用脹接式散熱器、中冷器和熱交換器等產品,多年的試驗和運用實踐證明脹接工藝制造的換熱器完全能滿足柴油機對其提出的可靠性要求。   1 不同釬焊工藝對換熱器可靠性的影響   1.1 釬焊工藝   換熱器冷卻管與管板的連接采用釬焊工藝。對于軟釬焊散熱器,冷卻管和管板之間用浸焊連接;而硬釬焊散熱器,冷卻管和管板之間用氣焊連接。   在汽車行業中,由于柴油機熱負荷較低,散熱器所受振動亦較小,其散熱器普遍采用軟釬焊工藝。這種工藝制成的散熱器基本上能夠滿足汽車使用要求。   原先,內燃機車用散熱器(或中冷器)普遍采用硬釬焊制造工藝制作,冷卻管(圓管、扁管或橢圓管等)與管板采用磷銅銻釬料釬接。由于冷卻管管壁較薄(≤1mm),在釬接過程中很容易過燒,從而引起管壁材料的金相組織發生變化,使得釬焊處冷卻管的強度下降。同時,冷卻管和管板經高溫釬接后,由熱膨脹產生的熱應力將施加在兩端固定處,再加上運用中受到振動產生的機械應力的影響,經常出現扁管裂紋,引起散熱器泄漏。   據統計,采用硬釬焊工藝制造的中冷器在東風4B型、東風4D型內燃機車的柴油機上,通常只能運用到2a左右的1個架修期。硬釬焊工藝連接的散熱器在提速內燃機車上的運用不足1a。因此,采用新的工藝制造換熱器,以提高換熱元件的可靠性和耐久性,已十分必要。   2.2 釬焊工藝制造的換熱器在高溫冷卻系統中應用狀況   試驗表明,柴油機在過冷水溫(40℃~50℃)狀態下運轉時,其零部件的磨損,比在一般通常工作水溫(80℃~90℃)下,大好幾倍。從減少氣缸的腐蝕性磨損和提高燃料經濟性的來看,柴油機的最佳工作水溫應在120℃~140℃之間,在這個溫度下運轉,不僅能降低機械損失,節約燃料,而且由于冷卻水與外界空氣溫度的溫差加大,有利于提高換熱器的散熱能力。   然而,要保證柴油機在100℃左右的高水溫下工作,必須采用加壓冷卻水系統。這種高溫加壓冷卻水系統,給換熱器帶來更大的應力,釬焊工藝制造的換熱器是顯然不能適應的。早期硬釬焊工藝制造的散熱器在采用高溫加壓式冷卻水系統中的使用壽命,僅為非高溫加壓式冷卻水系統中使用壽命的1 20。在進口的ND5型內燃機車上,其冷卻管與管板間的連接采用了新的方式,見圖1。散熱器在運用過程中所受的熱應力和熱沖擊,由管板與冷卻管間的硅橡膠來緩解,散熱器的重量由冷卻芯體中的三條加強筋通過側護板傳遞到水室上,從而使硅橡膠承受很少的散熱器自身重量。                       圖1 冷卻管與管板的硅橡膠連接   由于高溫加壓冷卻水系統的優點,目前,國內各種機車柴油機均已提高了冷卻水溫度,如DF4D型機車的16V240ZJD型柴油機的最高水溫為98℃;DF8CJ型機車的16V20ZJA型柴油機的最高水溫為95℃等。柴油機的強化,換熱器勢必要采用新的制造工藝。   2 脹接制造工藝   在換熱器的脹接工藝中,冷卻管與管板的脹接連接方式見圖3。冷卻管與管板的脹接連接工序為將冷卻管插入預先加工好的圓孔內,然后,用機械設備對冷卻管端進行擴口,通過控制一定的變形量使其與管板圓孔壁緊密貼合,牢固結合成一體。                      圖2 冷卻管與管板的脹接連接   柴油機換熱器(散熱器和中冷器)中的冷卻管有圓管和扁管兩種,熱交換器的冷卻管只有圓管。冷卻管與散熱片組裝后,需要先對冷卻管兩端進行擴圓,然后,將冷卻片送入釬焊爐內釬焊,使散熱片與冷卻管牢固結合,最后,再將芯子兩端冷卻管插入管板上的圓孔內,用機械設備對冷卻管端進行脹接。在圓管脹接式換熱器在制造中,冷卻管與冷卻片也進行脹接,如KLQ系列中冷器和GEAS119、S150型中冷器。   圓管脹接與扁管脹接從工藝上來說,前者簡單,不需要扁擴圓和釬焊(因為冷卻管與冷卻片也采用脹接)兩道工序;從結構上來說,散熱片可以用鋁材替代銅材,從而降低散熱器材料成本和散熱器重量(如ND5中冷器)。但是,從性能上來說,后者空氣阻力要小,在散熱能力相同的情況下,冷卻風扇消耗的輔助功率也小,從可靠性來說,兩者相當。   脹接工藝的主要優點是:①冷卻管與管板的連接強度高;②脹接工藝不會使冷卻片因釬焊高溫的影響而氧化;③脹接工藝不會因冷卻管受到高溫退火而降低強度;④工藝簡單,改善制造環境,提高了生產效率,降低制造成本;⑤可靠性高。   3 脹接工藝制造換熱器的試驗與應用   3.1 試驗檢測   為了驗證脹接工藝的連接強度,國內一些換熱器的研發單位進行了大量的試驗研究工作。對6個不同材料的焊接式散熱器和脹接式散熱器進行了在固有頻率下的破壞性振動疲勞試驗。在固有頻率下脹接式散熱器的抗振時間是焊接式散熱器的10多倍;對4組不同材料的單冷卻管與管孔進行過脹接連接后的拉力試驗,最大拉力達到7.4kN時,銅管被拉斷,而冷卻管與管板脹接部分沒有脫落;對脹結工藝制造的中冷器試件進行了疲勞試驗,脹接式散熱器的耐振動強度明顯高于焊接式散熱器,究其原因主要是脹接式散熱器的冷卻管本身材料性能的沒有降低,冷卻管與管板間的連接強度大。   3.2 運用考核   各種內燃機車柴油機用脹接式散熱器、中冷器和熱交換器均已進行了裝車運用考核。DF7型機車12V240ZJ型柴油機首先裝用了圓管脹接式中冷器,經過一個架修期的運用,未發生任何故障。后又繼續裝了數百臺之多。不久,這種圓管脹接式中冷器相繼在16V240ZJC型、16V280ZJ型等柴油機上進行運用考核。   扁管擴圓脹接式中冷器已先后在12V240ZJ型、16V240ZJC型、16V240ZJD型和16V280ZJA型等柴油機上通過了運用30萬km左右的性能和可靠性考核,均無泄漏,且性能比原中冷器高。之后,采用脹接工藝研制的普通型散熱器、雙流道散熱器和干式散熱器,又先后在DF4D、DF8B、DF8及DF8BCJ等型機車上裝用,取得了滿意的效果?!?編輯:高心海)
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