简述玉米收割机散热系统的匹配设计

商春辉++李玉杰

摘 要：玉米收割机作业环境恶劣，不仅需要在高温环境下作业，而且工作环境恶劣，工作尘土较大、杂物碎屑多，极容易对散热器造成堵塞，导致柴油机高温。本文介绍了玉米收割机散热系统的组成部分，散热器总成、风扇及导风罩各部分的功用及设计要点。还介绍了散热效果不良会造成的后果，整车热平衡试验的重要性及试验考核要求。

关键词：玉米收割机；散热系统；板翅式散热器；空空中冷器；热平衡试验

中图分类号： S233.4 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-177-2

0 引言

玉米作为我国三大粮食作物之一，种植面积大，但机收率最低，较低的机收率决定了玉米收割机较高的发展空间，再加上政府政策的支持，推动了玉米收割机产品的快速发展。在中国，玉米大约在十月份开始成熟收割，空气温度最高可达到35度左右，再加上发动机工作散热，发动机工作的环境温度甚至可以达到45度。发动机常安装在玉米收割机的中心部位，由于周围其他工作部件的遮挡，形如一座座挡风墙，使发动机的工作环境相对封闭。

另外，玉米收割机工作环境恶劣，现有的收割机都带有还田机功能，还田机打碎秸秆的同时，会有部分尘土以及秸秆的碎屑进入散热器，将散热器堵塞，散热效果降低，最终导致冷却水温度过高，引发一系列后果[1]。因此，考虑到玉米收割机比较恶劣的工作环境，对玉米机进行冷却系统匹配时，在满足发动机基本散热需求的同时，还应对冷却系统增加大约20%～30%的散热余量。即使发生散热器在工作过程中发生部分堵塞，或者因长时间使用引起的散热器自身散热能力衰减等情况，也能满足发动机的基本散热需求，不会导致因发动机过热，而对发动机造成损害。

1 散热系统组成

玉米收割机散热系统主要由散热器总成、风扇、导风罩、防尘结构及管路组成。散热器主要有管片式散热器、管带式散热器和板翅式散热器。在玉米收割机上应用的散热器材质主要为铝材。铝质板翅式散热器因可靠性能好，适用性强，散热效率高，可有效减小散热器体积，较小的空间需求使其在整车布置上更加灵活。现已成为玉米机冷却系统的重要发展趋势。我公司某一玉米收割机散热系统主要组成部分如图1所示。

1.1 散热器总成

铝质板翅式散热器主要由隔板、内翅片、封条、外翅片、水（气）室组成。在相邻两隔板间放置内翅片及封条组成一夹层，称为冷却介质通道，通道与通道之间叠放外翅片和短封条形成外界空气流通通道。这样的通道根据散热需求相互叠加一定的数量就组成散热器的芯体部分，再配以必要的封头、水（气）室，经过真空钎焊后便完成板翅式散热器的制造。

芯体是散热器的核心部件，不同的翅片结构和封条规格对散热器散热性能影响较大。因此应根据散热器的散热需求和实际使用工况选择合适的翅片形式。应用在玉米收割机上的散热器要求具有良好的通透性，在进行芯体翅片选择时，一般要求外翅片带高在9.5mm以上，波距在9mm以上。以降低收割机工作时秸秆碎屑、尘土等对散热器堵塞的可能性，保证散热性能。另外，针对工况恶劣、杂物较多的工作环境，在散热器外侧增加防尘结构，也可有效降低散热器堵塞的概率。

散热器匹配设计时根据发动机在额定点以及最大扭矩点的发热量、风扇转速、发动机冷却风扇的特性曲线、水流量、环境温度等参数来进行设计计算。国家实施国三排放标准以后，很多柴油发动机冷却系统在原先单一水散热器的基础上又增加了空空中冷器。在散热器总成中增加空空中冷功能是因为发动机的进气温度对柴油机的燃烧过程及排放性能有着显著的影响，通常采用空空中冷器来保证发动机的进气温度。空空中冷器的作用是用空气作热交换介质，利用发动机的风扇带走热量，通过空空中冷器把增压以后的高温进气冷却至合适的温度，以满足排放法规的要求，同时提高发动机动力性能和经济性。

水散热器、中冷器布置方式有传统的前后串联式结构，该方式连接简单，需求空间小，但存在风阻大、通透性较差、两个散热器容易相互影响等缺陷；还有一种现在常用的左右或上下并联布置，该方式通透性好，两个相邻散热器相互影响较小，散热效果好，但总的外形尺寸一般比串联结构大。并联布置中，水散与中冷器分为上下并排布置（横流式）和左右并排布置（竖流式）。竖流式结构冷却介质流向为上下走向，冷却介质在循环过程中不易产生紊流。横流式结构冷却介质流向为左右流向，该方式外翅片的结构特点，通透性更好，芯体不易堵塞和积尘。在实际应用中可根据具体使用工况选择合适的布置方式。我公司玉米收割机冷却系统多采用左右并列排布结构，小麦收割机多采用上下并列排布的结构形式。

1.2 风扇及导风罩

柴油发动机在玉米收割机车架上呈横向布置，冷却风扇、导风罩、散热器沿发动机轴向布置。玉米收割机发动机多采用低转速、大风量、高效率的轴流式吸风风扇，且风扇叶尖线速度一般不大于4800～5000m/s。发动机工作时，风扇会在在芯体一侧旋转，通过吸风作用，使芯体另一侧的环境空气穿过散热器芯体，空气与芯体通道内的高温流体进行热交换，将热量带走，从而起到散热作用，加快冷却液及空气的冷却速度。

散热器的散热性能与芯体结构、风量、单位面积散热性能、环境温度、冷却液流速有关外，还与风扇与散热器芯体的轴向安装距离、风扇中心与散热器芯体中心的垂直距离、有无导风罩等因素有关，在布置条件允许的情况下应尽可能安装导风罩。导风罩、风扇以及散热器在布置时一般遵循以下的原则：风扇露出导风罩的距离约为风扇宽度的1/3，风扇距散热器芯体的轴向距离至少为50mm，风扇叶尖距导风罩的单边间隙应在风扇直径的1.5%～2.5%之间，风扇中心尽量布置在散热器芯体的中心位置。

2 散热效果不良的后果

发动机冷却水温过高或过低，都属于散热效果不良。冷却水温过低，机油易被燃油稀释，柴油机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加，零部件之间的磨损加剧。而冷却水温度过高，将导致发动机过热，充气效率下降，燃烧不正常，功率下降；各运动零件由于高温作用而过度膨胀，使原来的配合间隙发生变化，致使轴承的工作能力大大降低，破坏正常的工作状况；水温过高也会造成机油粘度降低，加速零部件磨损，严重时造成烧瓦、拉缸等故障，发动机动力性、经济性、可靠性和耐久性全面下降。因此，为了提高发动机各方面性能，

在整车设计时，一定要注意散热系统的匹配设计，不可造成冷却水温度过低，也不可造成冷却水温度过高。然而，散热系统的散热能力最终还需要通过整车热平衡试验来验证。

3 整车热平衡试验

整车热平衡试验是考核发动机在额定点以及最大扭矩点的机油温度、冷却液温度以及中冷后的进气温度是否满足设计要求。

本公司在做玉米收割机整车热平衡试验时，主要做两种状态下的热平衡：一种是原设计状态；另一种是模拟玉米收割机实际作业时尘土或秸秆碎屑堵塞状态，遮挡部分散热器芯体进行热平衡试验。试验考核是否通过需满足：原设计状态冷却液温度低于97℃，机油温度低于126℃；散热器总成部分遮挡时，冷却液温度不高于101℃，机油温度低于126℃；中冷后的进气温度低于70℃。

4 水温过高故障分析

玉米收割机在实际工作时易发生冷却水温过高现象，发生故障时一定要及时发现并分析原因，排除故障。排除发动机自身冷却系统的故障外，水温过高的直接原因是整车散热系统的散热效果降低。可以考虑是以下几点原因造成的：一是冷却液量减少，二是散热器堵塞，三是长期使用，风扇皮带老化、打滑造成发动机风扇转速降低，风量减少。在每天结束作业时，要定期检查并及时增加冷却液量，定期清理散热器沉积的灰尘及碎屑。

5 结束语

对玉米收割机而言，发动机是整车的心脏，而整车散热系统性能的好坏又直接影响着发动机的工作效率，甚至影响发动机的使用寿命。因此，散热系统的匹配设计极为重要，而散热器的实际使用效果还需要通过热平衡试验和现场试验来进行验证。

参 考 文 献

[1] 蒋小平.联合收割机发动机冷却水温过高的原因分析及解决此问题的改装措施[J].农业机械，2000（12）.