关于钻机油冷却器性能的分析和优化
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摘要：通过对某大型履带式钻探机配套的冷却器总成中油冷却器性能不足，难以满足主机设计要求的问题分析，为提高其散热性能，对冷却器总成结构进行分析改进并加以优化。
关键词：油冷却器，性能，改进
序 言
该冷却器总成包含空压机油冷却器、液压油冷却器、水冷却器及中冷器，因设计经验不足，未能详细了解主机结构及油冷却器工作情况，致使出现了油冷却器在主机装机测试及工地使用过程中油温过高的情况。为提高油冷却器性能，故在其结构基础上对副水箱、油冷却器芯体、钢结构件及风扇位置等进行了结构改进。
1 前期结构设计
1.1 冷却器总成的排布结构设计
该冷却器总成的排布结构为四个冷却器并联，总芯体尺寸较大，水平及竖直方向尺寸分别约为2.5m及1.5m，类似长方形，见图1。
1.2 风扇及其位置结构设计
1.2.1 风扇结构设计
根据性能计算结果及用户要求，选用的风扇直径为1370mm。风扇风向为吸风式，即风先经过冷却器，再经过风扇。
1.2.2 风扇位置设计
风扇为马达驱动，风扇安装位置位于冷却器总成水平及竖直方向的中心，风扇叶尖与冷却器迎风面的距离约为186mm，见图2。
2 装机测试及主机工作中出现的问题
油冷却器散热性能不足
冷却器总成在初期送样后，因客户的主机交付周期紧，没有进行装机测试，直接发给终端用户进行工地使用。在工作环境温度较低时没有出现问题，但在工作环境温度较高时，主机出现油温过高报警的情况，因此客户在其厂内进行了出厂前的装机性能测试，测试结果见表2：
从上表中可以看出油冷却器的LAT值与客户要求的LAT值相差4.6℃，散热性能不满足要求；而液压油冷却器的LAT值却超过客户要求的LAT值9.7℃，性能富余量很大；两种油冷却器的油阻都在主机允许范围内。
3 原因分析及改进措施
3.1 油冷却器散热性能不足
3.1.1 原因分析
第一、因该冷却器总成的芯体为长方形结构，站在马达一侧向冷却器看，压缩机油冷却器位于最右端，仅占风扇直径范围的一小部分，风扇的实际风量分配不充分，油冷却器获得的风量不足，与理论计算值差距较大，见图5；
第二、因最初设计时对风扇叶尖与冷却器迎风面的距离的考虑不足，经三维模型模拟装配及实体装配后测量，该距离值为190mm左右；风扇的直径面积为3.14*（1.37/2）2≈1.473m2，冷却器总成芯体总面积为2.477*1.5≈3.716m2，风扇的直径面积约占冷却器总成芯体总面积的40%，风扇的覆盖面积较小且风扇叶尖距离冷却器较近，使得风扇大部分位于风扇罩之内，导致风扇旋转时，风扇罩内的风无法顺利排出，在风扇罩内形成涡流，从而降低了风扇效率，影响散热性能；另外站在马达一侧看风扇，风扇为左旋吸风，但从图5可以看出如果风扇罩内的风排出不畅，风扇从左侧吸入的风就会从右侧排出，而油冷却器正好位于右侧，即被液压油冷却器及水冷却器加热后的热风去冷却油冷却器，势必影响其散热性能。
3.1.2 改进措施
第一、为满足客户的使用要求，对已送样及装机工作的产品，增加风扇转速，由1000RPM增加为1300RPM，以此来增加风扇风量，提高散热效率；在环境温度较高时，主机需工作一段时间后关机休息，待油温冷却后再开机工作，但以上仅为不更换冷却器及风扇的临时解决措施，为彻底解决问题，仍需对冷却器及风扇结构，风扇位置进行改进；
第二、因主机空间局限，冷却器总成的芯体结构总大小无法改变。从客户测试结果来看，液压油冷却器的富余量较大，可以在保证总外形尺寸的前提下，通过增加油冷却器及减小液压油冷却器的方法来提高油冷却器的散热性能，但因该改进效果有限，且需保证冷却器接口位置不变，上述改进对于整个冷却器总成改动量很大，大部分零组件均需更改，不便客户进行后期维护更换，未能实施；
第三、更改风扇结构，通过对客户测试结果的重新核算及分析，根据计算结果重新选择了一款风扇，
将风扇直径改为1385mm，略微减小风扇叶尖与冷却器导风圈的距离，并更改了叶片数量、角度及叶片类型。对比风扇曲线，改进后的风扇比原风扇的风量等性能有很大提升，见图6，图7；
第四、与风扇厂家沟通后，对方根据其相关设计经验，建议增加风扇叶尖与冷却器迎风面间的距离，
提出该距离需尽量大于风扇直径的1/5，并加高风扇罩导风圈，使风扇轴向宽度大约2/3位于导风圈内，1/3伸出导风圈外，此要求与康明斯发动机冷却器风扇安装要求相同，以便风扇罩内的风能顺利排出，避免形成扰流，提高风扇效率，增加冷却器总成两侧油冷却器的散热性能；后根据客户主机空间情况，将叶尖与冷却器迎风面距离调整为约296mm，大于1385*（1/5）=277mm，见图8；
第五、根据主机测试结果，油冷却器热边油阻富余较大，更改油冷却器热边翅片的规格，减小波距及节距，通过增加热边油阻来提高油冷散热性能。
根据上述第三、四、五条改进措施，公司试制样件并在客户厂内进行了装机测试，最终通过了主机测试。客户测试时使用了风速仪来测试冷却器迎风面的风速，在测试改进型产品之前，客户测试了老状态产品，其中老状态冷却器迎风面平均风速约为12m/s，而改进后冷却器迎风面的平均风速约为20m/s，提高了约67%，由此可以推算，冷却器所获得的风量也有很大的提高，故提高冷却效果非常明显，测试结果完全满足用户要求，获得了客户认可，现产品已批量生产，见表3。
4 结 论
随着公司的不断发展，生产产品的复杂程度也随之增加，系统化、集成化的冷却器总成也是公司今后的主要发展趋势。这要求我们在产品设计、考虑产品散热性能问题时，需要尽量全面的考虑产品的结构。
风扇与冷却器迎风面的距离对于冷却器的散热性能影响很大，且在风扇直径面积与冷却器迎风面积之比小于50%时，该距离的影响因素会更大。如果冷却器空间大小无法改变，除了选择性能更好的风扇外，对风扇位置的考虑也是提高散热性能的方法，是解决散热性能问题的重要措施；
参考文献：
[1] 康明斯发动机冷却系统计算
[2] 紧凑换热器（周昆颖）