大馬力拖拉機用膨脹水箱的設計與應用

尹天輝 ， 王明輝 ， 韓翠芬

（1.第一拖拉機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，中國大力推進農業機械化、自動化，拖拉機行業也進入到快速發展階段，大馬力拖拉機的需求量逐年遞增，只有不斷改善提升拖拉機的整機性能，才能在激烈的市場競爭中贏得客戶。拖拉機在使用過程中，冷卻系統高溫、散熱器損壞等是較常發生的問題，對冷卻系統的優化設計是解決問題的根本途徑。拖拉機冷卻系統的主要任務就是保證柴油機的零部件在最適宜的溫度狀態下工作，而膨脹水箱是拖拉機冷卻系統中不可或缺的部分，其對提高冷卻系統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用膨脹水箱的工作原理、結構設計、應用及注意事項等方面入手，對膨脹水箱的設計應用進行介紹說明及探討，以期為其他設計者提供參考。

1 膨脹水箱的作用及工作原理

大馬力拖拉機發動機冷卻系統應設計安裝膨脹水箱，膨脹水箱也稱為補償水箱或副水箱，是冷卻系統重要組成部分，膨脹水箱的主要作用是吸收膨脹作用和釋放補償作用[3-4]。

膨脹水箱的工作原理如下：

拖拉機冷卻系統是一個閉式系統，在加注冷卻液及工作過程中會積滯部分空氣，同時冷卻液流經發動機水套吸收發動機工作時產生的大量熱量后會產生大量蒸汽泡，空氣、蒸汽和冷卻液一起循環，如果這些氣體不能及時排出，就會在冷卻系統內產生氣阻，危害巨大：一是使冷卻系統冷卻能力下降，壓力不穩定，造成柴油機機體內部溫度升高過熱，從而影響柴油機工作效率和使用性能；二是對發動機零部件

造成腐蝕和損壞。因此，拖拉機冷卻系統必須配置膨脹水箱，使這些氣體在進入水泵循環之前通過通氣管進入膨脹水箱，起到液氣分離的作用，一部分水蒸氣會遇冷液化重新進入冷卻循環，一部分則會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；發動機工作過程中冷卻液中的水蒸氣被膨脹水箱吸收，循環中的冷卻液因此減少，為彌補冷卻液的缺失以及提升冷卻水泵吸水一側的壓力，存儲在膨脹水箱中的冷卻液就會進入散熱循環，通過冷卻水泵進行循環，補充冷卻系統中因蒸發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 膨脹水箱的結構組成

大馬力拖拉機用膨脹水箱一般采用鋼板焊接的箱體結構，其外形設計應根據整車冷卻系統的整體設計布置方案，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、低液位報警器等部分組成，如圖1所示。

圖1 某200馬力拖拉機用膨脹水箱結構示意圖

3 膨脹水箱的設計

3.1 膨脹水箱容積

膨脹水箱的容積應包含膨脹容積、儲備容積和殘留容積三部分。

膨脹水箱應設置最高液位刻度線MAX線和最低液位刻度線MIN線。MAX線上方的容積為膨脹容積，膨脹容積應為冷卻系統總容積的6%，該容積就是蒸汽膨脹、冷卻的容積，該容積內不可以加注冷卻液；MAX線與MIN線之間是儲備容積，應為冷卻系統總容積的11%，儲備容積是為了確保冷卻系統在微量不易察覺的泄漏和冷卻液蒸發后，能及時補充冷卻液，保持水套內正常的水壓，延長補液周期，有暖風機時儲備容量應達到冷卻系統總容積的20%；MIN線以下的殘留容積是為了防止冷卻系統在循環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，殘留容積應不小于35 mm乘以膨脹水箱底平面面積。需要注意的是計算冷卻系統總容積時，應將帶有的水空中冷器和取暖器的容積計算在內。膨脹水箱還應配置最低液面液位傳感器，當膨脹水箱內的冷卻液液位低于最低液位線時報警，提示駕駛員及時補充冷卻液。

3.2 膨脹水箱的箱體

大馬力拖拉機用膨脹水箱箱體一般采用鋼板焊接結構，由于膨脹水箱在工作過程中需要承受高溫高壓和振動沖擊，所以箱體的結構要合理，適當設計加強筋以增加強度，避免局部應力集中疲勞斷裂的情況發生，箱體應適當進行防腐蝕、防銹工藝處理，避免長時間使用后出現生銹和被腐蝕損壞的問題。膨脹水箱在裝車前應進行密封性試驗，某品牌200馬力輪式拖拉機用膨脹水箱要求在0.12 MPa壓力下進行密封性能試驗，時間不少于3 min，不能出現任何滲漏現象。

3.3 膨脹水箱通氣管

膨脹水箱應設計兩個通氣管，通氣管分別與散熱器最上端的排氣口及發動機排空氣口相連接，保證發動機工作過程中產生的蒸汽和冷卻系統中原本帶有的空氣能進入到膨脹水箱上方的膨脹容積內，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，兩個通氣管的內徑設計值參考如下，對于發動機排量小于10 L的系統，推薦設計值大于等于5 mm；對于發動機排量大于10 L的系統，推薦設計值大于等于8 mm。設計通氣管裝配走向時應適當增加管路固定點，應確保其連續上行，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計布置，節約成本。當發動機水泵流量小于757 L/min時，出水管內徑推薦設計值大于等于19 mm；當發動機水泵流量大于757 L/min時，出水管內徑推薦設計值大于等于25 mm。出水管一般通過橡膠管與發動機進水管相連通。

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氣閥：蒸汽閥的作用是當冷卻系統壓力高于壓力蓋的設定壓力時，壓力閥開啟，系統泄壓；進氣閥的作用是當冷卻系統工作壓力降低時，進氣閥開啟，使冷卻系統的壓力不小于大氣壓力。某品牌200馬力輪式拖拉機用膨脹水箱壓力蓋的蒸汽閥開啟壓力為60 kPa~80 kPa，壓力蓋的進氣閥在真空度為0 kPa~7 kPa時開啟。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，冷卻系統內部真空度建立不起來，膨脹水箱則起不到內部循環補償作用；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，否則也會因為壓力差無法建立而造成膨脹水箱內的冷卻液無法流回散熱器內。

3.6 膨脹水箱液位報警器

大馬力拖拉機的膨脹水箱一般都安裝在前機罩內，用戶使用過程中不能時時觀察液位高度，不容易發現水位漏水等故障，通常是通過水溫過高報警才會發現，給發動機的使用帶來很大的風險。設計時應在膨脹水箱上安裝液位報警器，當冷卻液液面下降到極限位置時，液位報警器報警，將報警信號傳送到拖拉機儀表上，對應的報警指示燈閃爍報警，提醒司機及時檢查液位降低的原因并補充冷卻液。

3.7 膨脹水箱的安裝

設計時應充分考慮膨脹水箱的安裝位置，一般應布置在冷卻水路的最高位置，要求其底平面高出發動機水道頂部或散熱器上水室頂部；冷卻系統的最低壓力點為水泵葉輪進口處，膨脹水箱出水管需高于水泵，通過膠管與水泵進水端相連，以降低或消除水泵進口處的真空度，減少水泵被氣蝕的危險。膨脹水箱的安裝固定點的選取也很關鍵，應避免振動力太大造成損壞，同時也要方便添加冷卻液。

4 膨脹水箱的應用及注意事項

1）由于通氣管內徑較細，很容易發生堵塞、折彎等情況，而且往往在短時間內沒有明顯故障現象，容易被駕駛員和修理工忽略。膨脹水箱通氣管堵塞后系統內的空氣無法及時被排出導致溫度過高，甚至發生“開鍋”現象，影響冷卻系統正常工作。對于膨脹水箱通氣管堵塞故障，主要是通過車輛維護中經常檢查來及時發現、及時處理。連接軟管應該平順、無彎折、無破損，通氣管接頭內孔應該無雜質堵塞。而適當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，應在膨脹水箱內注入2/3的冷卻液，同時應將散熱器和發動機的放水開關打開，直到有冷卻液溢出時再關閉，以便消除殘留空氣，順利加滿冷卻液，保證系統的正常工作。

3）現階段，大馬力拖拉機產品均配置有膨脹水箱，其在拖拉機發動機冷卻系統中起到平衡水量及系統壓力的關鍵作用，膨脹水箱的作用如果不能很好地發揮出來，發動機冷卻系統就會出現問題。在拖拉機日常使用維護保養時，膨脹水箱往往容易被駕駛員及修理師忽略，主機生產單位應在產品說明書中詳細說明膨脹水箱的使用方法和注意事項，同時，可以在拖拉機顯著位置增加膨脹水箱使用方法及注意事項標識，提醒拖拉機使用者注意按時進行維護保養工作，確保膨脹水箱的作用正常發揮[8-10]。

5 結束語

膨脹水箱對大馬力拖拉機冷卻系統的散熱性能起著十分關鍵的作用，因拖拉機作業環境等因素，產品工程師在設計膨脹水箱的方案時，應充分考慮其容積大小、安裝位置、固定方式、箱體外形、材質選擇、管路走向、使用注意事項、性能及試驗要求、維護保養要求等，同時也應該充分考慮實際設計要求和使用工況等情況，做到經驗數值與實際情況相結合，使其符合大馬力拖拉機的使用要求，達到最佳使用效果，發揮出膨脹水箱的價值，提高整機性能和性價比。