冯国弟

（江苏徐工工程机械研究院有限公司， 江苏 徐州 221004）

引言

散热器是冷却系统的重要部件之一，其性能的好坏不仅直接影响散热器散热效果，还影响了整机产品的正常工作。目前，工程机械散热器普遍采用铝合金材料，与传统铜制散热器相比，铝合金散热器轻便、经济，在工程机械产品上得到了广泛应用。但是，近年来市场反馈铝合金散热器易出现开裂等故障，主要失效形式为散热管根部开裂、进出管接头开裂、安装轴销附近母材开裂等。某公司生产的大型散热器，在使用过程中频繁出现开裂泄漏问题，给用户和生产商均造成较大损失。散热器开裂原因不明，亟待研究解决。

1 散热器概述

工程机械散热器主要为车辆的发动机、液压系统、传动系统等零部件进行冷却及散热。散热器一般包含水散和油散，水散主要为发动机降温，当发动机高温时，高温水经过“大循环”进入水散，在风扇的辅助作用下，实现水温降低，保证发动机在合适的温度下工作。如果水散散热不足会导致发动机过热，充气量减少燃烧不正常，发动功率下降润滑不良，加剧磨损[1-2]。

油散根据使用介质不同分为液压油散热器、传动油散热器、转向泵油散热器、机油散热器、燃油散热器，等等。故障频繁的液压油散热器，其作用是实现液压系统在合适的温度下工作。如果液压油散热器散热不足液压系统高温，会导致液压油黏度降低易泄漏、液压系统效率下降等后果。散热器的工作环境相对恶劣，由于散热器一般安装在发动机舱前段，机械振动较大，同时散热器内部还要承受冷却液压力交变、突变，温度过热等不利因素的威胁。

2 散热器失效情况

根据市场反馈分析发现，大吨位挖掘机产品安装的散热器质保期内的故障反馈率较小吨位产品的明显要高，一般接近20%。统计产品质保期内散热器的故障时刻发现，产品累计工作时间在2000～4500h，占比高达45%以上。另外，散热器开裂部位主要集中于耦合点和薄弱点，耦合点主要指散热器进出管软连接点和散热器安装座硬联接点，薄弱点主要指的是散热管根部等应力集中的位置。图1 为部分散热器开裂实例图。

图1 散热器开裂实例图

3 散热器开裂机理分析

散热器开裂的原因从失效机理分析，主要分为强度失效和疲劳失效两类。强度失效的本质在于应力值大于强度值，出现强度失效从材料本身考虑就是散热器材料强度差，另一种原因就是散热器应力值过大，造成散热器应力值过大的原因包括环境载荷过大、散热器结构设计不合理，散热器的环境载荷主要包括高温载荷、冷却液压力载荷等。

散热器开裂另一种失效机理是早期疲劳失效，造成早期疲劳失效的原因，内因方面是材料的抗疲劳性能差或材料抗疲劳性能退化；外因方面是散热器疲劳载荷过大，疲劳载荷包括机械振动、冷却液脉冲压力等。机械振动大内因方面是散热器固有频率和环境激振频率相同发生共振；外因方面是散热器环境工况恶劣振源振动大或散热器减振器不起作用等，导致散热器本体承受外界环境过大的机械振动[3]。

4 散热器开裂故障树分析

基于上述散热器开裂机理分析，建立散热器开裂故障树，如图2 所示。

图2 散热器开裂故障树

基于建立的散热器开裂故障树，运用下行法开展故障树定性分析，分析过程，如表1 所示：

表1 下行法求最小割集

由散热器故障树定性分析结果可知，导致散热器开裂可能的原因有10 种，即x1、x2、x3、...、x10。针对这10 种基本事件，散热器厂家和主机厂运用仿真、试验的方法进行逐一排查，确定具体产品散热器开裂的主要原因。研究发现散热器减振系统减振效果差、冷却液高压冲击是导致大部分产品散热器开裂的主要原因。另外，有的产品材料存在工艺缺陷导致材料强度和抗疲劳性能差。

5 散热器开裂故障改进措施

针对散热器开裂故障，除了采用正确的焊接工艺进行修复外，还应采取预防措施降低散热器开裂故障率，主要的预防措施如下：

1）采用优化散热器减震器结构、数量、安装方式等，增强散热器减震系统的减震效果。同时，应确保散热器的固有频率避开激振频率，以免发生共振现象。

2）液压系统优化匹配设计，降低油散冷却液压力载荷出现高脉冲、大载荷的情况。

3）对散热器结构薄弱点，即“潜在故障区”，采用加固设计，提高此部位的强度和抗疲劳性能[4]。

4）成本条件允许的情况下尽量选用材料强度和抗疲劳性能好的铝合金材料，并确保散热器制造工艺无缺陷。

6 结语

散热器开裂存在多方面的原因，材料本身质量不好（含工艺缺陷导致材料质量差）、设计先天缺陷等内因是最直接的原因，在恶劣的工作环境下，散热器减震系统减震效果不理想也是导致散热器开裂的重要诱因。另外，高温、高压的冷却液压力冲击也是潜在的高危风险因素。各类产品的散热器应根据实际情况，对最突出的故障原因进行优先排除改进，以降低散热器开裂的风险。