|
平行流换热器疲劳故障分析及解决方案
包振球 张志 周水洪 许玉周
(英格索兰气候控制公司)
摘 要：为了降低换热器的成本,平行流技术的使用正越来越普及。但是平行流换热器存在机械强度低、不耐疲劳的特点。本文针对平行流最容易出现的疲劳断裂原因进行分析,发现是由于其内部压力和热应力造成的疲劳破坏。针对该原因重新修改此处的设计,并使用FEA对设计修改前后的应力进行对比,验证设计修改的正确性。
关键词：制冷;冷冻运输;平行流换热器;疲劳;应力; FEA
随着人民生活水平的提高,食品安全越来越受到人们的关注。食品的冷冻运输是食品运输安全的重要环节,在我国食品冷冻运输还处在发展阶段时,西方国家食品的冷冻运输已相当成熟。我国运输用制冷机组的销量日益提高,但是总体产量还很低,主要原因是这些产品的成本还很高。降低产品成本是发展该产品的基础。两器的成本占该类产品成本的20%~30%,为了降低成本,各制造企业都在努力降低两器的成本。冷凝器采用平行流是冷冻运输行业内一直推行的,但是平行流的可靠性较低,是制约该技术推行的一大瓶颈。笔者介绍制冷运输机组在使用平行流中所遇到的一些疲劳断裂问题及其解决方案。
1 平行流换热器的故障现象
平行流换热器的结构如图1所示。
平行流换热器在使用过程中,经常会出现泄漏现象。笔者对某冷藏车所采用的平行流换热器的失效问题进行了研究。在图2中,发生泄漏部位在集流管和安装支架之间的焊接处。该部位接近高温制冷剂入口,是平行流换热器上温度最高的部位。机组运行时,温度接近90~120℃,集流管内的压力为2.8~3.2MPa。笔者还研究了该系列产品所发生的故障,所有故障发生在同一部位,图2中所示的B处(粗管)。
2 原因分析
2. 1 疲劳裂纹分析
为了分析本故障,对发生断裂泄漏的部位进行了金相显微放大,并通过对失效部位的宏观、微观、化学等理化分析,认为是换热器工作时该部位存在周期性的应力应变导致该部位产生疲劳。如图3~图5所示,可明显看到疲劳所产生的疲劳裂纹。
通过对疲劳裂纹的分析,笔者基本否定了此处的疲劳断裂是由于加工工艺造成的。为了分析产生的原因,对该部位的应力进行了理论计算。
2. 2 应力分析
经研究发现,该部位至少存在3种应力:①由内部压力引起的圆周压力;②由该部位的高温所引起的热应力;③由运输途中卡车振动所引起的机械应力。针对上述3种应力分别进行计算,研究其最大应力是否超出了该材料的疲劳极限。
1)由内部工作压力,或开停机时的压力所引起的圆周应力(见图6)按下式计算:
2)由该部位的高温所引起的热应力
如图7所示,由于平行流安装在钢框架上,其支架与钢框架被4颗螺钉固定。在制冷机组工作时,钢框架和平行支架上的温度有差异,加上两者材料不同,弹性模量和热膨胀系数都不同。根据其变形情况,其热应力的计算如下。假设不考虑钢框架的变形,其平行流集气管和支架的最大热应力的计算公式为：
式中:α1和α2分别为铝和钢的热膨胀系数;Δt11和Δt12分别为铝管平行流两端的温度差;Δt21和Δt22分别为钢框架两端的温度差;A1和A2分别为铝和钢的横截面面积;E1和E2分别为铝和钢的弹性模量。
3)由于运输中路面振动所引起的应力由于机组在运输中所导致的振动,也会造成该部位的应力增加,但是还没有该应力计算的相关研究。在振动实验中,模拟路面振动所引起的此部位的表面应力小于2MPa,不到热应力和圆周应力的5%。在本课题研究中,可以忽略此项。
2. 3 应力计算
由于上述应力为矢量,不可简单地相加。但是可以认为该部位最大的应力可达到49.51MPa。
3 实验研究
为了验证计算的正确性,笔者对该平行流换热器支架上的点进行了应力测试(不考虑运输振动,见图9),测试数据见表2。
实验证明该部位的应力是最大的(见测点12),并且测试值与理论计算值接近。对比计算/测试值和S-N曲线发现(见图10),现有应力接近其疲劳强度极限(107疲劳周期下其疲劳强度为10ksi=68.95MPa[5]),再考虑到焊接的影响,其强度还会下降15%~25%,取表面疲劳强度修正系数0.75,得到疲劳强度极限为53MPa。
4 改进和验证
由于所受应力接近材料强度,要想减少此故障的发生,必须对该部位重新进行计(见图11~12)。
1)由于增加壁厚和减小集气管直径可以减少圆周应力,将圆周由22.2mm减小为20mm,壁厚由1.2mm增加到1.3mm;
2)支架与集气管接触部位的长度由30mm改成50mm,接触部位由1/4圆改为1/2圆,有效增加了散热,减小了热应力(热分布面积变大),改变了应力集中点的位置。
经FEA验证,新的设计表面应力从52MPa降低到42MPa,表面应力减小了20%。改进后的设计表面应力已经下降到材料的无限寿命(107)疲劳强度以下,能够满足材料的寿命要求。新的设计经一年多的市场应用验证,至今未出现一例故障,问题得到解决。
5 结论
1)在设计平行流换热器的集气管时,应尽量增加壁厚,减小集气管管径,这样可以减小圆周应力;
2)支架与集气管间接触部位应有尽量大的接触面积,以改善该部位的散热能力和热应力;
3)尽量在支架和集气管间采用圆角过度,防止应力集中。
参考文献
[1] 平修二.热应力与热疲劳.北京:国防工业出版社,1984.
[2] 李维特,黄保海,毕仲波.热应力理论分析及应用.北京:中国电力出版社,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.
|
