大马力拖拉机用膨胀水箱的设计与应用

尹天辉 ， 王明辉 ， 韩翠芬

（1.第一拖拉机股份有限公司大拖公司，河南 洛阳 471000；2.洛阳涧光特种装备股份有限公司，河南 洛阳 471000）

近年来，中国大力推进农业机械化、自动化，拖拉机行业也进入到快速发展阶段，大马力拖拉机的需求量逐年递增，只有不断改善提升拖拉机的整机性能，才能在激烈的市场竞争中赢得客户。拖拉机在使用过程中，冷却系统高温、散热器损坏等是较常发生的问题，对冷却系统的优化设计是解决问题的根本途径。拖拉机冷却系统的主要任务就是保证柴油机的零部件在最适宜的温度状态下工作，而膨胀水箱是拖拉机冷却系统中不可或缺的部分，其对提高冷却系统的工作性能和可靠性起到了重要作用[1-2]。本文从大马力拖拉机用膨胀水箱的工作原理、结构设计、应用及注意事项等方面入手，对膨胀水箱的设计应用进行介绍说明及探讨，以期为其他设计者提供参考。

1 膨胀水箱的作用及工作原理

大马力拖拉机发动机冷却系统应设计安装膨胀水箱，膨胀水箱也称为补偿水箱或副水箱，是冷却系统重要组成部分，膨胀水箱的主要作用是吸收膨胀作用和释放补偿作用[3-4]。

膨胀水箱的工作原理如下：

拖拉机冷却系统是一个闭式系统，在加注冷却液及工作过程中会积滞部分空气，同时冷却液流经发动机水套吸收发动机工作时产生的大量热量后会产生大量蒸汽泡，空气、蒸汽和冷却液一起循环，如果这些气体不能及时排出，就会在冷却系统内产生气阻，危害巨大：一是使冷却系统冷却能力下降，压力不稳定，造成柴油机机体内部温度升高过热，从而影响柴油机工作效率和使用性能；二是对发动机零部件

造成腐蚀和损坏。因此，拖拉机冷却系统必须配置膨胀水箱，使这些气体在进入水泵循环之前通过通气管进入膨胀水箱，起到液气分离的作用，一部分水蒸气会遇冷液化重新进入冷却循环，一部分则会因膨胀水箱空间及压力被排出到空气中，从而能更有效地利用散热器的冷却功能，提高冷却效率；发动机工作过程中冷却液中的水蒸气被膨胀水箱吸收，循环中的冷却液因此减少，为弥补冷却液的缺失以及提升冷却水泵吸水一侧的压力，存储在膨胀水箱中的冷却液就会进入散热循环，通过冷却水泵进行循环，补充冷却系统中因蒸发和泄漏而损失的水量并保证冷却水泵有足够的吸入压力[5-7]。

2 膨胀水箱的结构组成

大马力拖拉机用膨胀水箱一般采用钢板焊接的箱体结构，其外形设计应根据整车冷却系统的整体设计布置方案，充分利用有限空间，在保证水箱容积的前提下兼顾安装和使用保养的便利性。其主要由膨胀水箱箱体、压力盖、加水管、出水管、通气管、液位观察窗、低液位报警器等部分组成，如图1所示。

图1 某200马力拖拉机用膨胀水箱结构示意图

3 膨胀水箱的设计

3.1 膨胀水箱容积

膨胀水箱的容积应包含膨胀容积、储备容积和残留容积三部分。

膨胀水箱应设置最高液位刻度线MAX线和最低液位刻度线MIN线。MAX线上方的容积为膨胀容积，膨胀容积应为冷却系统总容积的6%，该容积就是蒸汽膨胀、冷却的容积，该容积内不可以加注冷却液；MAX线与MIN线之间是储备容积，应为冷却系统总容积的11%，储备容积是为了确保冷却系统在微量不易察觉的泄漏和冷却液蒸发后，能及时补充冷却液，保持水套内正常的水压，延长补液周期，有暖风机时储备容量应达到冷却系统总容积的20%；MIN线以下的残留容积是为了防止冷却系统在循环过程中吸入空气而必须配置的容积，要求冷却液的最低液面至膨胀水箱底面距离不能小于35 mm，残留容积应不小于35 mm乘以膨胀水箱底平面面积。需要注意的是计算冷却系统总容积时，应将带有的水空中冷器和取暖器的容积计算在内。膨胀水箱还应配置最低液面液位传感器，当膨胀水箱内的冷却液液位低于最低液位线时报警，提示驾驶员及时补充冷却液。

3.2 膨胀水箱的箱体

大马力拖拉机用膨胀水箱箱体一般采用钢板焊接结构，由于膨胀水箱在工作过程中需要承受高温高压和振动冲击，所以箱体的结构要合理，适当设计加强筋以增加强度，避免局部应力集中疲劳断裂的情况发生，箱体应适当进行防腐蚀、防锈工艺处理，避免长时间使用后出现生锈和被腐蚀损坏的问题。膨胀水箱在装车前应进行密封性试验，某品牌200马力轮式拖拉机用膨胀水箱要求在0.12 MPa压力下进行密封性能试验，时间不少于3 min，不能出现任何渗漏现象。

3.3 膨胀水箱通气管

膨胀水箱应设计两个通气管，通气管分别与散热器最上端的排气口及发动机排空气口相连接，保证发动机工作过程中产生的蒸汽和冷却系统中原本带有的空气能进入到膨胀水箱上方的膨胀容积内，使气液分离，从而消除水路中的气体，消除冷却液的气阻。通气管一般采用橡胶或塑料软管，两个通气管的内径设计值参考如下，对于发动机排量小于10 L的系统，推荐设计值大于等于5 mm；对于发动机排量大于10 L的系统，推荐设计值大于等于8 mm。设计通气管装配走向时应适当增加管路固定点，应确保其连续上行，不能下垂和有下弯段，不允许与其他水管T形连接，确保其保持通路，正常工作。

3.4 膨胀水箱出水管

膨胀水箱出水管应尽量从膨胀水箱底部中心位置伸出，这有利于残留容积的设计布置，节约成本。当发动机水泵流量小于757 L/min时，出水管内径推荐设计值大于等于19 mm；当发动机水泵流量大于757 L/min时，出水管内径推荐设计值大于等于25 mm。出水管一般通过橡胶管与发动机进水管相连通。

3.5 膨胀水箱压力盖

膨胀水箱压力盖安装在加水管上，压力盖包含蒸汽阀和进气阀：蒸汽阀的作用是当冷却系统压力高于压力盖的设定压力时，压力阀开启，系统泄压；进气阀的作用是当冷却系统工作压力降低时，进气阀开启，使冷却系统的压力不小于大气压力。某品牌200马力轮式拖拉机用膨胀水箱压力盖的蒸汽阀开启压力为60 kPa~80 kPa，压力盖的进气阀在真空度为0 kPa~7 kPa时开启。需要注意的是散热器的压力盖必须可靠密封，如果密封不严，冷却系统内部真空度建立不起来，膨胀水箱则起不到内部循环补偿作用；此外，要注意膨胀水箱盖和密封垫上的通气孔不要被堵塞，必须保持畅通，否则也会因为压力差无法建立而造成膨胀水箱内的冷却液无法流回散热器内。

3.6 膨胀水箱液位报警器

大马力拖拉机的膨胀水箱一般都安装在前机罩内，用户使用过程中不能时时观察液位高度，不容易发现水位漏水等故障，通常是通过水温过高报警才会发现，给发动机的使用带来很大的风险。设计时应在膨胀水箱上安装液位报警器，当冷却液液面下降到极限位置时，液位报警器报警，将报警信号传送到拖拉机仪表上，对应的报警指示灯闪烁报警，提醒司机及时检查液位降低的原因并补充冷却液。

3.7 膨胀水箱的安装

设计时应充分考虑膨胀水箱的安装位置，一般应布置在冷却水路的最高位置，要求其底平面高出发动机水道顶部或散热器上水室顶部；冷却系统的最低压力点为水泵叶轮进口处，膨胀水箱出水管需高于水泵，通过胶管与水泵进水端相连，以降低或消除水泵进口处的真空度，减少水泵被气蚀的危险。膨胀水箱的安装固定点的选取也很关键，应避免振动力太大造成损坏，同时也要方便添加冷却液。

4 膨胀水箱的应用及注意事项

1）由于通气管内径较细，很容易发生堵塞、折弯等情况，而且往往在短时间内没有明显故障现象，容易被驾驶员和修理工忽略。膨胀水箱通气管堵塞后系统内的空气无法及时被排出导致温度过高，甚至发生“开锅”现象，影响冷却系统正常工作。对于膨胀水箱通气管堵塞故障，主要是通过车辆维护中经常检查来及时发现、及时处理。连接软管应该平顺、无弯折、无破损，通气管接头内孔应该无杂质堵塞。而适当加粗通气管和通气管接头，也是防止通气管堵塞的有效途径。

2）膨胀水箱第一次注入冷却液时，应在膨胀水箱内注入2/3的冷却液，同时应将散热器和发动机的放水开关打开，直到有冷却液溢出时再关闭，以便消除残留空气，顺利加满冷却液，保证系统的正常工作。

3）现阶段，大马力拖拉机产品均配置有膨胀水箱，其在拖拉机发动机冷却系统中起到平衡水量及系统压力的关键作用，膨胀水箱的作用如果不能很好地发挥出来，发动机冷却系统就会出现问题。在拖拉机日常使用维护保养时，膨胀水箱往往容易被驾驶员及修理师忽略，主机生产单位应在产品说明书中详细说明膨胀水箱的使用方法和注意事项，同时，可以在拖拉机显著位置增加膨胀水箱使用方法及注意事项标识，提醒拖拉机使用者注意按时进行维护保养工作，确保膨胀水箱的作用正常发挥[8-10]。

5 结束语

膨胀水箱对大马力拖拉机冷却系统的散热性能起着十分关键的作用，因拖拉机作业环境等因素，产品工程师在设计膨胀水箱的方案时，应充分考虑其容积大小、安装位置、固定方式、箱体外形、材质选择、管路走向、使用注意事项、性能及试验要求、维护保养要求等，同时也应该充分考虑实际设计要求和使用工况等情况，做到经验数值与实际情况相结合，使其符合大马力拖拉机的使用要求，达到最佳使用效果，发挥出膨胀水箱的价值，提高整机性能和性价比。