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东风4Ｃ超薄管板换热器的失效分析与改进点击：1818 日期：[ 2014-04-26 22:32:25 ] |
| 摘 要:对东风Ｃ4超薄管板换热器失效形式进行了分析,冷却管组自重变形、空气压力、冷管组自重引起的剪力和挤压应力、银磷铜钎焊的连接强度和振动是主要原因。在设计除了考虑拉脱强度、剪力、挤压力、焊接应力外,还应考虑振动的因素,管板与冷却管的连接改为锡钎焊,管组增加支撑,严格控制焊接工艺,δ取计算中的较大值。 机车、飞机、航天器等为了在有限的(额定)动力下运载更多的载体,自身的设备质量必须控制在一定的范围内,其中的换热器必须轻型紧凑,因而广泛应用超薄管板换热器。如何保证换热器运行稳定、安全可靠是一个引人注意的问题。以内燃机车为例,我国的东方红型系列机车、东风型系列机车都用超薄管板换热器做中冷器。东风4Ｃ装机后换热器事故频频发生,一时成了机车质量问题的中心之一。青岛机务段1996年-1998年装配的东风4Ｃ机车40多台。运行一小修期,换热器便损坏需更换,每月更换高达15台换热器。1998年对信阳机务段调研,发现有同样的情况。换热器设计、制造单位,机车厂都投入了很大的力量进行改进和研制。目前,湖北大冶登峰换热器有限公司厂、大连通用热动力公司、芜湖ＧＥＡ机械制冷有限公司等单位都开发出了相应的换热器,解决了换热器泄漏问题。但换热器设计的合理性、经济性和制造工艺稳定性尚需进一步探讨。 1 换热器失效方式分析 根据调查[1],换热器的泄漏均在进气面前1-3排管,部位是冷却管与管板的连接处。其结构见图图1 冷却管与管板连接结构Ｆｉｇ.1 Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｐｉｐｅａｎｄｐｉｐｅｂｏａｒｄ1。图1中管板材料为Ｔ3,厚度为1 5ｍｍ;冷却管材料为Ｔ3,管壁厚为0 5ｍｍ。管板与冷却管采用银磷铜钎焊。这种中冷器用在东方红系列机车和东风4Ｂ系列以前的机车没有出现过质量问题。随着铁运的提速机车功率提高了,进入中冷器的空气压力和温度也高了,中冷器换热量要提高,尺寸要加大。这时的中冷器只在原中冷器的基础上加长或加宽加深,散热元件没有做改动。结果就出现故障率高的情况。 1 1 冷却管组自重变形 冷却管组自重与冷却管长度是成正比的,管组的刚度和散热片与冷却管的连接形式及散热片结构又紧密相关。散热片的形式见图2。管组的自重变形是典型的简支梁问题,见图3。其最大变形量为ｙ=ＰＬ3/48ＥＪ式中:Ｐ为管组单组质量;Ｅ为弹性模量;Ｊ为截面极惯性矩。 管组越长质量Ｐ越大。ｙ与Ｌ是3次方的关系。因此,管组的加长使弯曲变形更显著。同时,冷却管与散热片的连接是否牢固对截面极惯性矩有很大影响。现行的方法是在真空炉内进行钎焊,如出现漏焊或虚焊就会极大的降低Ｊ的数值。 1 2 空气压力管板与冷却管连接处,由空气压力(0 3ＭＰａ)引起的拉脱应力大约为σＬ=96 (46×1 5)=1 4ＭＰａ。这个数值虽然没超出标准许用拉脱力的值,但已经接近许用拉脱力。 1 3 冷管组自重引起的剪力和挤压应力管板与冷却管连接处由芯组自重引起的剪切应力和挤压应力为τ=Ｑ Ｆｊ(2)式中:Ｔ为剪切应力;Ｑ是Ｃ截面的剪力,其值为ｌ/2Ｐ,Ｐ为单根冷却管及所承载的散热片的质量(Ｍ∑ Ｎ,Ｍ∑为散热片的总质量,Ｎ为冷却管的根数)。东风4Ｃ每米长度的质量约为2 3ｋｇ。冷却管长度一般在2ｍ以上。在上述图例中τ=23/(20×3-19×2)=1 045ＭＰａ。而σｊｙ=Ｐｊｙ Ｆｊｙ=Ｑ Ｆｊｙ(3)式中:σｊｙ为挤压应力,Ｆｊｙ为挤压截面,其值Ｆｊｙ=1 5×3=4 5ｍｍ2,σｊｙ=23/4 5=5 1ＭＰａ。这样的计算值在工程上可以忽略,但在实际当中这两个应力要远远大于计算值,实际上很有可能出现芯组的重量仅仅由几根冷却管来承担的情况,这样要超过计算值几十倍。 1 4 银磷铜钎焊对连接强度的影响 银磷铜钎焊对连接强度的影响很大。银磷铜钎焊温度在800℃左右,而管板的厚度仅有1 5ｍｍ,管的壁厚只有0 5ｍｍ,焊接时火焰温度在1000℃以上,极易产生过烧。银磷铜钎焊强度大于450ＭＰａ,高于Ｔ3近一倍,这更加大了连接处的内应力。如果将上述影响综合考虑,在连接处有同时承受来自自重和压力的拉力、剪力、挤压力和难以确定和测量的焊接应力。使得这个小受力体受力十分复杂,由于管板厚度是1 5ｍｍ,使得受力体接近受力平面。各种应力的迭加和影响更突出。 1 5 振 动 由于主机的振动频率和强度提高,中冷器也会产生高频率的微小颤抖。冷却管连接处处于复杂、高应力状态,加上这样的振动影响,疲劳在所难免。管板尤如一把切刀,不停的在切割冷却管。这同散热片在冷却管上没有焊牢,空气使其在管上振动而将管割断相似,是造成超薄管板换热器破损的主要原因。 2 改进的方法和措施 (1)管板的设计除了考虑拉脱强度、剪力、挤压力、焊接应力外,还要考虑振动的因素,这一点非常重要。要有足够的管与管板的连接长度。增加管板厚度是最简单的方法,目前国内制造厂均把厚度提高到20ｍｍ以上,冷却管壁厚也增加到0 7ｍｍ以上。材料也有所变化,通常改为镍白铜(ＢＦｅ10 1 1)。这样换热器的质量提高了,使得制造成本也提高了。同时,运行费用的提高也相当惊人。新的中冷器比图4 改进后的管板孔Ｆｉｇ.4 Ｉｍｐｒｏｖｅｄｐｉｐｅｂｏａｒｄｈｏｌｅ原中冷器重30-40ｋｇ。机车运行30万ｋｍ要额外消耗1 2×105ｋＷ的功率。耗油约500ｋｇ。在飞机、宇航器上,决不允许这种浪费。因此,超薄管板的应用还应予以重视。建议将原厚度1 5ｍｍ改为2 5ｍｍ。同时,将管板孔的形式改为图4。其余保持原结构不变,只将管板孔做成翻边孔,翻边高度为5ｍｍ。这种改进在海军潜艇主机滑油、淡水冷却器上得到很好的应用。(2)管板与冷却管的连接改为锡钎焊。锡钎焊温度低(200℃),钎料强度一般在50ＭＰａ,不易产生焊接变形和焊接热应力,而且锡钎焊工艺稳定,容易控制,连接强度也与焊接母材Ｔ3相匹配。实验结果表明,冷却器改用锡钎焊效果相当令人满意。(3)管组增加支撑,减少自重引起的变形,减小振动频率和振幅以防产生共振。支撑板间距应在1000ｍｍ左右。(4)散热片与冷却管的连接必须牢靠坚固,应严格焊接工艺的控制。有条件应改为胀接。胀接比焊接工艺简单,生产过程容易控制,散热片与冷却管连接实际接触面积更大,芯组整体刚性更高。随着这种机械连接固定工艺技术的发展和更臻于成熟,将会被更广泛的应用。(5)超薄管板的厚度计算是一个相当复杂的问题,目前,国内尚没有规范和标准规定,只能根据具体情况和条件进行设计和计算。一般都应进行相应的模拟试验。建议参考根据要求取其中较大值:①δ=3ｔ,ｔ为冷却管壁厚;②δ=0 85ｄ,ｄ为冷却管外径;③最小极限厚度应大于4ｍｍ。 3 结 语 超薄管板连接处的应力复杂,很难用经典材料力学的理论来描述。尤其是实际运行中的振动、热应力、压力等都在随机变化,无法用一个准确的数学模型来描述。有限元分析与计算机技术的发展为超薄管板的应力分析提供了可能。目前,中冷器的台架试验及装机试验仍必不可少。超薄管板换热器在我国有很大的开发市场和发展前景。 目前,有很多技术和工艺问题需要去研究解决,不能单靠加厚管板和冷却管壁厚的简单方法去解决问题。应采用新技术、新工艺、新材料等先进的科学方法,加强超薄管板应力的理论研究、分析,建立自己的可靠实用的设计和制造体系。相信超薄管板换热器会得到更加广泛的应用和推广。 |
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