加强型切口翅片设计

张 轩，沈 鹏

(贵州永红换热冷却技术有限公司，贵州惠水550600)

0 引言

铝质板翅式换热器是一种高效、紧凑的换热器，在风力发电、工程机械、空气压缩机以及航空换热等领域有广泛的应用。在实际设计过程中，根据不同使用工况的需要，在部分特殊应用领域，换热器性能既要满足换热效率的要求，又要满足产品的重量限制要求。虽然通过优化该换热器的槽板型材、长短封条以及钎接复合板的用材状况，产品重量有所下降，但是不能够满足设计要求，因此必须通过减薄换热器的翅片厚度，来减轻产品重量[1-2]。

翅片减薄之后满足了产品重量以及性能的需求，却增加了生产制造的难度，如果翅片设计不合理，在实际钎焊过程中，将导致产品垮塌，增加生产制造的难度。因此，如何增加减薄翅片的强度十分关键，这也是铝质板翅式换热器生产制造的关键工艺技术之一。

1 设计思路

图1 常规切口翅片视图

如图1为常用的某切口型翅片，它是一种用量较大且成熟的翅片，大量应用于工程机械以及空气压缩机等领域。铝质板翅式换热器的应用中，其优点是换热效率高[3]，其缺点是强度偏低。因此，在特殊使用状况下，既要保证效率高，又有重量限制时，就需要使用加强型的切口翅片。

图2 加强型切口翅片及局部放大视图

加强型切口翅片设计的基本原则是满足换热性能指标，尤其是风阻指标，即“对翅片换热性能影响最小”为基本原则。如图2所示，是一种满足要求的加强型切口翅片，通过减少切口、在平翅片处形成三角拐点及在平翅片处错位形成加强筋(即在翅片上加加强筋)的办法实现[4]。从图2可看出，原翅片平翅片处节距N的平直段被改为两段节距为N/2相互错位的平直端，从而在该处形成了一段加强筋。考虑到在板冲成型过程中形成折弯的距离和工艺的可行性，错位量控制在1.2～2倍料厚，否则材料将在折弯处开裂，工艺不可行。

2 普通切口型翅片与加强型切口翅片力学性能与换热性能对比

2.1 力学性能对比

为了验证所选翅片加强方式的效果，使用模拟分析的方法，对切口型翅片进行力学性能对比分析。

分析方法：对同等面积(24.325 mm×23.5 mm)的切口型翅片施以同样大小的力(600 N)，以比较它们的应力及位移，模拟效果如图3(常规切口翅片的应力及位移)和图4(加强型切口翅片的应力及位移)。

图3 常规切口翅片的应力及位移

图4 加强型切口翅片的应力及位移

通过分析得到关键数据如表1(普通型切口翅片和加强型切口翅片力学数据表)。

表1 普通型切口翅片和加强型切口翅片力学数据表

由表1数据分析可知：在相同的外力作用下，普通型切口翅片最大应力为1021.7 MPa，最大位移为0.205 mm，而加强型切口翅片在此外力作用下最大应力为1234.7 MPa，最大位移为0.167 mm，表明加强型切口翅片的抗倒伏能力明显加强，达到了提升翅片抗倒伏能力的目的。

2.2 换热性能对比

以相同厚度的材料生产同样结构的换热器两台，分别为A、B，其中产品A使用普通型切口翅片，产品B使用加强型切口翅片，其他零件相同，进行性能测试，性能主要测试三个关键指标，即换热效率(油侧标准放热量)、气阻和噪声。

测试的工况油流阻为139 L/min、迎风面风速10 m/s、液气温差40℃，环境温度24.5℃，测试的数据如表2(普通型切口翅片和加强型切口翅片产品换热性能数据表)。

表2 普通型切口翅片和加强型切口翅片产品换热性能数据表

由表2数据分析可知：

①相同环境温度和测试工况下，由于加强型翅片增加了扰流效果，换热器的油侧标准放热量由31.627 kW增加到34.336 kW，换热功率相应提升了8.57%；

②相同环境温度和测试工况下，产品的气阻由773.22 Pa增加到779.09 Pa，气阻增加了0.76%，对比效率增加比例和测量误差，该指标满足要求；

③噪声由78 dB(A)增加到80 dB(A)，增加了2.56%，增加后的数据满足客户的噪声指标，可以接受。

3 模具设计要点

加强型切口翅片是在普通切口型翅片的基础上局部改动优化所得，关键要点在凸凹刀齿的配合上，既要形成加强筋起到加强作用，又要使错位在铝材的可延伸范围内，不至于形成新的切口，反而降低了翅片的强度[5-6]，如图5和图6所示关键控制点。

根据生产实践，参考图5和图6，普通型和加强型切口型翅片模具的设计要点如下：

①凸凹刀齿和平刀齿之间，无间隙配合，切两个刀齿之间的错位尺寸超过2倍的材料厚度以上，便于形成切口；

②加强型切口翅片以平刀齿为基础，按照一分为二的方式，形成1.2～2倍的料厚错位，便于形成加强筋，起到强化效果。

图5 普通型切口翅片凸凹刀齿和平刀齿配合视图

图6 加强型切口翅片凸凹刀齿和平刀齿配合视图

4 结论

通过理论分析和试验验证，使用加强型切口翅片能够替代普通切口翅片，使用在对强度和性能要求高的特殊场合。