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拖拉机水冷却系统的设计

摘要：通过对拖拉机冷却系统的散热器、护风罩、风扇、压力盖、膨胀水箱、冷却液循环系统和热平衡试验等设计参数和注意事项的介绍,为拖拉机冷却系统各总成的设计提供准确、清晰、完善的设计思路和设计方法.

关键词：拖拉机；设计计算；散热面积；热平衡

0 引言

拖拉机工作时,发动机内燃烧的高温燃气可达2 000～2 500℃与高温气全接触的部件（如缸盖、缸套、活塞、气门等）将受热而温升很高.温度过高会导致拖拉机机械强度降低,运动机件热膨胀发生粘连,润滑油失效,燃烧室充气效率下降等现象,进而影响拖拉机的动力性和经济性.发动机的冷却过度也会引起下列不良后果：冷却介质带走热量过多,发动机热效率下降,机油在低温下粘度增加,运动件之间摩擦阻力增高,导致输出功率下降,同时加速了零部件磨损.因此,拖拉机的冷却系统应保证发动机在最适宜的温度状态下工作.一个好的冷却系统,散热能力能满足拖拉机在各个工况下的使用要求；当拖拉机工况和使用的环境条件变化时,仍能保证拖拉机可靠的工作和维持最佳的冷却水温度.下面主要针对影响拖拉机冷却性能的零部件的设计和注意事项进行介绍.

1 散热器的选择与设计

选择散热器的总体原则,散热器应尺寸小、重量轻、制造工艺简单、结构可靠耐久、散热性能好、风阻小等.选择散热器时主要考虑的是散热器芯部的正面积和散热器的总散热面积如果采用高性能的散热器,则正面积及总散热面积相应可以缩减.典型散热器结构：

1）散热器芯部的正面积,在空间条件允许的情况下,要保证散热器具有足够大的正面迎风面积（A×B）,根据经验推荐为0.31～0.37m2/100kW,也可根据发动机制造商的安装要求确定；同时尽可能使其成为正方形结构,并使风扇中心与散热器中心重合,以保证风扇未扫过的四角死区最小,气流能够均匀通过芯部.

2）散热器的总散热面积,散热器的总散热面积是指散热器所有冷却管和散热带（片）暴露在空气中的表面积之和.一般情况下,可根据发动机厂家的安装要求确定,也可根据经验公式0.16～0.20m2/kW确定.

2 护风罩的设计

护风罩的功能就是合理引导气流均匀流过散热器芯部,避免气流的回流或涡流损失,特别是在总体布置不太理想的条件下,护风罩所起作用更重要.

护风罩结构形式的选择,常见的护风罩有如下几种形式：箱式、箱护圈式、冲压流线式.目前多采用冲压流线式.

确定风扇叶端与护风罩之间的径向间隙A,该间隙对风扇性能影响相当显著,间隙过大会造成空气回流,减少了通过散热器的风量,从而降低了冷却系的散热效率；因此在设计中必须高度重视,此间隙不应大于风扇直径的2.5%,多为6～12mm.

确定风扇伸入护风罩的位置B,根据试验,对于一般的吸风式风扇,风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内约2/3为宜,此种情况下可以获得最大的风量.

确定风扇前端面与散热器之间的距离D.

在冷却系设计时,要求风扇与散热器之间保持一定距离,从而保证气流均匀地通过散热器的整个面积,使散热器发挥最大的散热效能,此距离不得小于50mm,目前设计中常用的为80～120mm.

具体结构见附图1所示.

图1 护风罩结构图

图2 典型副水箱结构图

3 风扇的选择与设计

风扇首先要满足冷却系的风量和风压的需要,同时要求消耗功率小,风扇效率高,且有较宽的效率区,风扇噪声小,重量轻,成本低等.目前普遍采用的有金属风扇和塑料风扇两类.在选择风扇时具体要注意以下几点：

风扇外径与转速,风量的要素是风扇转速和风扇直径.风扇外径应略小于散热器芯部的宽度和高度,在保证所需风量的前提下,原则上应采用大直径,低转速的工况,同时还要注意风扇叶尖外的圆周线速度,一般情况下,此速度不应大于90～95m/s,如果速度过高,噪声以及振动会显著增加.为了降低风扇消耗功率和风扇噪声,可采用风扇离合器与风扇配套使用,目前多采用硅油离合器,匹配中的注意事项：风扇离合器的作用温度点应与节温器开闭温度相配合,例如：某发动机节温器是88℃初开,95℃时接近全开,则在冷却液温度低于88℃时,冷却液不流经散热器,风扇离合器应脱开,风扇停止工作；冷却液温度接近95℃时,风扇离合器必须啮合,风扇工作.在实际应用的过程中需要通过试验的方法测试出风扇离合器温度感应元件处气流温度与冷却液温度的关系,据此确定合理的风扇离合器作用温度点.

4 压力盖的选择与设计

压力盖的功能是保证密闭式冷却系内的冷却液保持一定的压力,随着压力盖上压力阀压力的增加,从而提高冷却液的沸腾温度,使用压力盖有以下影响：

1）可使冷却液在高温条件下不产生沸腾和溢水,保证工作安全,同时,使冷却液温度与环境大气温度之间“液-气温差”加大,从而提高散热器的散热能力,这样,相应可以缩小散热器及风扇的尺寸和容量.

2）可以减轻或消除冷却液循环中的气泡和气阻现象,尤其是可以消除水泵进口处的气阻现象,保证了冷却液实际循环流量的稳定,使足够的冷却液把热量从发动机内带出.

3）车辆在高原上运行时,由于海拔高,水的沸点降低,更需要采用压力盖,否则冷却液早期就发生沸腾,使冷却系统不能正常工作.

5 副水箱的设计

副水箱具有储备冷却液、提供膨胀空间、除气、提高水泵进口处的静压、便于加注冷却液等等功能.

典型副水箱结构如附图2：

副水箱容量的确定,副水箱的容量包括三个部分：膨胀容积A,此部分大约为整个冷却系统容积的6%；储备容积B,此部分大约为整个冷却系统容积的10%,如有暖风机的情况下则要占到20%；必留容积C,为了防止冷却液在循环中卷入空气,冷却液的最低警戒面应不低于副水箱底面35～50mm,故此部分容积为35～50×A（A为副水箱底面面积）；因此,副水箱的总容积应为6%×系统总容积+10%×系统总容积+35～50×A.副水箱的外侧应装有可检查液面高度的透明管副水箱的安装位置,为了能够保证冷却液循环时能讲所产生的气体全部排出,因此副水箱的安装位置要尽可能的高,不得低于发动机水套顶部以及散热器上水室,同时保证发动机水泵进水口处的正压力,这样可以减轻冷却液对水泵叶轮的穴蚀.

6 冷却液循环系统与除气系统的设计

6.1 冷却系的主循环回路

冷却系的主循环回路是指冷却液被水泵强制压入发动机缸体及缸盖水套内,流速较强的冷却液沿结构设计的路线冲刷发动机内部高温受热壁面,把热带走,然后流经节温器进入散热器,经散热后液温下降,重新由水泵输入发动机水套内这一循环回路.对于冷却液主循环回路的设计要注意以下几点：

1）水泵进水口处应保持正压.

2）发动机进水口与出水口（即以散热器为主的这段外部系统）之间的最大压差在额定转速下不得超过35Kpa.

3）如果主循环系统中具有较长的管路,则管路应沿水流方向适当上翘,避免采用水平布置和呈凸型的管路,管路的弯角处或直径变化处必须圆滑过渡,管路尽量短而直,这样有利于空气的排出.

6.2 冷却系的除气循环回路

该回路以副水箱为中心,有三根管路与副水箱相连接,其中两根是分别从发动机缸盖水套顶部和散热器上水室顶部引出并输入副水箱,一般将其称为引气管或除气管；冷却液在循环中所产生的蒸汽以及混入的空气经这两根管引入副水箱,在副水箱内冷凝、分离,分离后的冷却液从副水箱底部回水管重新进入水泵.对与该回路的设计要注意以下几点：

1）合理选择除气管的内径,一般情况下,除气管的内径5～8mm为宜.

2）合理选择副水箱回水管的内径,一般多采用20～30mm内径.

7 冷却系统的安装设计

冷却系的安装设计需要注意以下几点

1）散热器的减振性能是很重要的,良好的减振性能可以有效的延长各零部件的使用寿命,同时还可以降低车辆的振动及噪声.现在我们多采用橡胶阻尼垫进行减振.

2）在设计冷却系的同时,要与机罩设计人员进行协调,以保证机罩的进风效率,能为冷却系统提供足够的进气量,同时要保证散热器两侧的密闭性,以防止机罩内的热空气回流.

3）在设计具有空空中冷器、底盘散热器和空调冷凝器的冷却系时,要注意这些散热器对冷却系效能的影响,在设计时必须提高冷却能力.

8 冷却系统的热平衡试验

拖拉机冷却系统设计完成之后,如何对散热系统性能进行评价,还需要对样机做拖拉机冷却系统热平衡试验.根据试验要求,试验结果要满足下列条件：

1）一般情况下,A.T.B值应满足下列条件：对于50kW以下的拖拉机,A.T.B值大于或等于55℃；对于超过50KW的拖拉机,A.T.B值应不低于60℃,适用于热带地区的拖拉机,在述A.T.B值的基础之上增加5℃.

2）一般情况下,A.C.O值应满足下列条件：适用于温带地区作业的拖拉机,A.C.O值应不低于50℃；适用于热带地区的拖拉机,A.C.O值不低于60℃.

3）当发动机温度达到稳定状态时（按环境温度40℃时）,机罩内最高温度不高于90℃；机罩最大进风风速不高于5m/s；散热器进出口水温差值：3～10℃.