大馬力拖拉機(jī)用膨脹水箱的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

尹天輝 ， 王明輝 ， 韓翠芬

（1.第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471000；2.洛陽澗光特種裝備股份有限公司，河南 洛陽 471000）

近年來，中國大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化，拖拉機(jī)行業(yè)也進(jìn)入到快速發(fā)展階段，大馬力拖拉機(jī)的需求量逐年遞增，只有不斷改善提升拖拉機(jī)的整機(jī)性能，才能在激烈的市場競爭中贏得客戶。拖拉機(jī)在使用過程中，冷卻系統(tǒng)高溫、散熱器損壞等是較常發(fā)生的問題，對(duì)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決問題的根本途徑。拖拉機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)就是保證柴油機(jī)的零部件在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，而膨脹水箱是拖拉機(jī)冷卻系統(tǒng)中不可或缺的部分，其對(duì)提高冷卻系統(tǒng)的工作性能和可靠性起到了重要作用[1-2]。本文從大馬力拖拉機(jī)用膨脹水箱的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用及注意事項(xiàng)等方面入手，對(duì)膨脹水箱的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行介紹說明及探討，以期為其他設(shè)計(jì)者提供參考。

1 膨脹水箱的作用及工作原理

大馬力拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)安裝膨脹水箱，膨脹水箱也稱為補(bǔ)償水箱或副水箱，是冷卻系統(tǒng)重要組成部分，膨脹水箱的主要作用是吸收膨脹作用和釋放補(bǔ)償作用[3-4]。

膨脹水箱的工作原理如下：

拖拉機(jī)冷卻系統(tǒng)是一個(gè)閉式系統(tǒng)，在加注冷卻液及工作過程中會(huì)積滯部分空氣，同時(shí)冷卻液流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)水套吸收發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量后會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽泡，空氣、蒸汽和冷卻液一起循環(huán)，如果這些氣體不能及時(shí)排出，就會(huì)在冷卻系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生氣阻，危害巨大：一是使冷卻系統(tǒng)冷卻能力下降，壓力不穩(wěn)定，造成柴油機(jī)機(jī)體內(nèi)部溫度升高過熱，從而影響柴油機(jī)工作效率和使用性能；二是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件

造成腐蝕和損壞。因此，拖拉機(jī)冷卻系統(tǒng)必須配置膨脹水箱，使這些氣體在進(jìn)入水泵循環(huán)之前通過通氣管進(jìn)入膨脹水箱，起到液氣分離的作用，一部分水蒸氣會(huì)遇冷液化重新進(jìn)入冷卻循環(huán)，一部分則會(huì)因膨脹水箱空間及壓力被排出到空氣中，從而能更有效地利用散熱器的冷卻功能，提高冷卻效率；發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中冷卻液中的水蒸氣被膨脹水箱吸收，循環(huán)中的冷卻液因此減少，為彌補(bǔ)冷卻液的缺失以及提升冷卻水泵吸水一側(cè)的壓力，存儲(chǔ)在膨脹水箱中的冷卻液就會(huì)進(jìn)入散熱循環(huán)，通過冷卻水泵進(jìn)行循環(huán)，補(bǔ)充冷卻系統(tǒng)中因蒸發(fā)和泄漏而損失的水量并保證冷卻水泵有足夠的吸入壓力[5-7]。

2 膨脹水箱的結(jié)構(gòu)組成

大馬力拖拉機(jī)用膨脹水箱一般采用鋼板焊接的箱體結(jié)構(gòu)，其外形設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)布置方案，充分利用有限空間，在保證水箱容積的前提下兼顧安裝和使用保養(yǎng)的便利性。其主要由膨脹水箱箱體、壓力蓋、加水管、出水管、通氣管、液位觀察窗、低液位報(bào)警器等部分組成，如圖1所示。

圖1 某200馬力拖拉機(jī)用膨脹水箱結(jié)構(gòu)示意圖

3 膨脹水箱的設(shè)計(jì)

3.1 膨脹水箱容積

膨脹水箱的容積應(yīng)包含膨脹容積、儲(chǔ)備容積和殘留容積三部分。

膨脹水箱應(yīng)設(shè)置最高液位刻度線MAX線和最低液位刻度線MIN線。MAX線上方的容積為膨脹容積，膨脹容積應(yīng)為冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的6%，該容積就是蒸汽膨脹、冷卻的容積，該容積內(nèi)不可以加注冷卻液；MAX線與MIN線之間是儲(chǔ)備容積，應(yīng)為冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的11%，儲(chǔ)備容積是為了確保冷卻系統(tǒng)在微量不易察覺的泄漏和冷卻液蒸發(fā)后，能及時(shí)補(bǔ)充冷卻液，保持水套內(nèi)正常的水壓，延長補(bǔ)液周期，有暖風(fēng)機(jī)時(shí)儲(chǔ)備容量應(yīng)達(dá)到冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的20%；MIN線以下的殘留容積是為了防止冷卻系統(tǒng)在循環(huán)過程中吸入空氣而必須配置的容積，要求冷卻液的最低液面至膨脹水箱底面距離不能小于35 mm，殘留容積應(yīng)不小于35 mm乘以膨脹水箱底平面面積。需要注意的是計(jì)算冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e時(shí)，應(yīng)將帶有的水空中冷器和取暖器的容積計(jì)算在內(nèi)。膨脹水箱還應(yīng)配置最低液面液位傳感器，當(dāng)膨脹水箱內(nèi)的冷卻液液位低于最低液位線時(shí)報(bào)警，提示駕駛員及時(shí)補(bǔ)充冷卻液。

3.2 膨脹水箱的箱體

大馬力拖拉機(jī)用膨脹水箱箱體一般采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由于膨脹水箱在工作過程中需要承受高溫高壓和振動(dòng)沖擊，所以箱體的結(jié)構(gòu)要合理，適當(dāng)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋以增加強(qiáng)度，避免局部應(yīng)力集中疲勞斷裂的情況發(fā)生，箱體應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行防腐蝕、防銹工藝處理，避免長時(shí)間使用后出現(xiàn)生銹和被腐蝕損壞的問題。膨脹水箱在裝車前應(yīng)進(jìn)行密封性試驗(yàn)，某品牌200馬力輪式拖拉機(jī)用膨脹水箱要求在0.12 MPa壓力下進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，時(shí)間不少于3 min，不能出現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象。

3.3 膨脹水箱通氣管

膨脹水箱應(yīng)設(shè)計(jì)兩個(gè)通氣管，通氣管分別與散熱器最上端的排氣口及發(fā)動(dòng)機(jī)排空氣口相連接，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生的蒸汽和冷卻系統(tǒng)中原本帶有的空氣能進(jìn)入到膨脹水箱上方的膨脹容積內(nèi)，使氣液分離，從而消除水路中的氣體，消除冷卻液的氣阻。通氣管一般采用橡膠或塑料軟管，兩個(gè)通氣管的內(nèi)徑設(shè)計(jì)值參考如下，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排量小于10 L的系統(tǒng)，推薦設(shè)計(jì)值大于等于5 mm；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排量大于10 L的系統(tǒng)，推薦設(shè)計(jì)值大于等于8 mm。設(shè)計(jì)通氣管裝配走向時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加管路固定點(diǎn)，應(yīng)確保其連續(xù)上行，不能下垂和有下彎段，不允許與其他水管T形連接，確保其保持通路，正常工作。

3.4 膨脹水箱出水管

膨脹水箱出水管應(yīng)盡量從膨脹水箱底部中心位置伸出，這有利于殘留容積的設(shè)計(jì)布置，節(jié)約成本。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵流量小于757 L/min時(shí)，出水管內(nèi)徑推薦設(shè)計(jì)值大于等于19 mm；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵流量大于757 L/min時(shí)，出水管內(nèi)徑推薦設(shè)計(jì)值大于等于25 mm。出水管一般通過橡膠管與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水管相連通。

3.5 膨脹水箱壓力蓋

膨脹水箱壓力蓋安裝在加水管上，壓力蓋包含蒸汽閥和進(jìn)氣閥：蒸汽閥的作用是當(dāng)冷卻系統(tǒng)壓力高于壓力蓋的設(shè)定壓力時(shí)，壓力閥開啟，系統(tǒng)泄壓；進(jìn)氣閥的作用是當(dāng)冷卻系統(tǒng)工作壓力降低時(shí)，進(jìn)氣閥開啟，使冷卻系統(tǒng)的壓力不小于大氣壓力。某品牌200馬力輪式拖拉機(jī)用膨脹水箱壓力蓋的蒸汽閥開啟壓力為60 kPa~80 kPa，壓力蓋的進(jìn)氣閥在真空度為0 kPa~7 kPa時(shí)開啟。需要注意的是散熱器的壓力蓋必須可靠密封，如果密封不嚴(yán)，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部真空度建立不起來，膨脹水箱則起不到內(nèi)部循環(huán)補(bǔ)償作用；此外，要注意膨脹水箱蓋和密封墊上的通氣孔不要被堵塞，必須保持暢通，否則也會(huì)因?yàn)閴毫Σ顭o法建立而造成膨脹水箱內(nèi)的冷卻液無法流回散熱器內(nèi)。

3.6 膨脹水箱液位報(bào)警器

大馬力拖拉機(jī)的膨脹水箱一般都安裝在前機(jī)罩內(nèi)，用戶使用過程中不能時(shí)時(shí)觀察液位高度，不容易發(fā)現(xiàn)水位漏水等故障，通常是通過水溫過高報(bào)警才會(huì)發(fā)現(xiàn)，給發(fā)動(dòng)機(jī)的使用帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在膨脹水箱上安裝液位報(bào)警器，當(dāng)冷卻液液面下降到極限位置時(shí)，液位報(bào)警器報(bào)警，將報(bào)警信號(hào)傳送到拖拉機(jī)儀表上，對(duì)應(yīng)的報(bào)警指示燈閃爍報(bào)警，提醒司機(jī)及時(shí)檢查液位降低的原因并補(bǔ)充冷卻液。

3.7 膨脹水箱的安裝

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮膨脹水箱的安裝位置，一般應(yīng)布置在冷卻水路的最高位置，要求其底平面高出發(fā)動(dòng)機(jī)水道頂部或散熱器上水室頂部；冷卻系統(tǒng)的最低壓力點(diǎn)為水泵葉輪進(jìn)口處，膨脹水箱出水管需高于水泵，通過膠管與水泵進(jìn)水端相連，以降低或消除水泵進(jìn)口處的真空度，減少水泵被氣蝕的危險(xiǎn)。膨脹水箱的安裝固定點(diǎn)的選取也很關(guān)鍵，應(yīng)避免振動(dòng)力太大造成損壞，同時(shí)也要方便添加冷卻液。

4 膨脹水箱的應(yīng)用及注意事項(xiàng)

1）由于通氣管內(nèi)徑較細(xì)，很容易發(fā)生堵塞、折彎等情況，而且往往在短時(shí)間內(nèi)沒有明顯故障現(xiàn)象，容易被駕駛員和修理工忽略。膨脹水箱通氣管堵塞后系統(tǒng)內(nèi)的空氣無法及時(shí)被排出導(dǎo)致溫度過高，甚至發(fā)生“開鍋”現(xiàn)象，影響冷卻系統(tǒng)正常工作。對(duì)于膨脹水箱通氣管堵塞故障，主要是通過車輛維護(hù)中經(jīng)常檢查來及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理。連接軟管應(yīng)該平順、無彎折、無破損，通氣管接頭內(nèi)孔應(yīng)該無雜質(zhì)堵塞。而適當(dāng)加粗通氣管和通氣管接頭，也是防止通氣管堵塞的有效途徑。

2）膨脹水箱第一次注入冷卻液時(shí)，應(yīng)在膨脹水箱內(nèi)注入2/3的冷卻液，同時(shí)應(yīng)將散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)的放水開關(guān)打開，直到有冷卻液溢出時(shí)再關(guān)閉，以便消除殘留空氣，順利加滿冷卻液，保證系統(tǒng)的正常工作。

3）現(xiàn)階段，大馬力拖拉機(jī)產(chǎn)品均配置有膨脹水箱，其在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中起到平衡水量及系統(tǒng)壓力的關(guān)鍵作用，膨脹水箱的作用如果不能很好地發(fā)揮出來，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)問題。在拖拉機(jī)日常使用維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，膨脹水箱往往容易被駕駛員及修理師忽略，主機(jī)生產(chǎn)單位應(yīng)在產(chǎn)品說明書中詳細(xì)說明膨脹水箱的使用方法和注意事項(xiàng)，同時(shí)，可以在拖拉機(jī)顯著位置增加膨脹水箱使用方法及注意事項(xiàng)標(biāo)識(shí)，提醒拖拉機(jī)使用者注意按時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)工作，確保膨脹水箱的作用正常發(fā)揮[8-10]。

5 結(jié)束語

膨脹水箱對(duì)大馬力拖拉機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱性能起著十分關(guān)鍵的作用，因拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境等因素，產(chǎn)品工程師在設(shè)計(jì)膨脹水箱的方案時(shí)，應(yīng)充分考慮其容積大小、安裝位置、固定方式、箱體外形、材質(zhì)選擇、管路走向、使用注意事項(xiàng)、性能及試驗(yàn)要求、維護(hù)保養(yǎng)要求等，同時(shí)也應(yīng)該充分考慮實(shí)際設(shè)計(jì)要求和使用工況等情況，做到經(jīng)驗(yàn)數(shù)值與實(shí)際情況相結(jié)合，使其符合大馬力拖拉機(jī)的使用要求，達(dá)到最佳使用效果，發(fā)揮出膨脹水箱的價(jià)值，提高整機(jī)性能和性價(jià)比。