簡(jiǎn)述玉米收割機(jī)散熱系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

商春輝++李玉杰

摘 要：玉米收割機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣，不僅需要在高溫環(huán)境下作業(yè)，而且工作環(huán)境惡劣，工作塵土較大、雜物碎屑多，極容易對(duì)散熱器造成堵塞，導(dǎo)致柴油機(jī)高溫。本文介紹了玉米收割機(jī)散熱系統(tǒng)的組成部分，散熱器總成、風(fēng)扇及導(dǎo)風(fēng)罩各部分的功用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。還介紹了散熱效果不良會(huì)造成的后果，整車熱平衡試驗(yàn)的重要性及試驗(yàn)考核要求。

關(guān)鍵詞：玉米收割機(jī)；散熱系統(tǒng)；板翅式散熱器；空空中冷器；熱平衡試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： S233.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）20-177-2

0 引言

玉米作為我國(guó)三大糧食作物之一，種植面積大，但機(jī)收率最低，較低的機(jī)收率決定了玉米收割機(jī)較高的發(fā)展空間，再加上政府政策的支持，推動(dòng)了玉米收割機(jī)產(chǎn)品的快速發(fā)展。在中國(guó)，玉米大約在十月份開(kāi)始成熟收割，空氣溫度最高可達(dá)到35度左右，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)工作散熱，發(fā)動(dòng)機(jī)工作的環(huán)境溫度甚至可以達(dá)到45度。發(fā)動(dòng)機(jī)常安裝在玉米收割機(jī)的中心部位，由于周圍其他工作部件的遮擋，形如一座座擋風(fēng)墻，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境相對(duì)封閉。

另外，玉米收割機(jī)工作環(huán)境惡劣，現(xiàn)有的收割機(jī)都帶有還田機(jī)功能，還田機(jī)打碎秸稈的同時(shí)，會(huì)有部分塵土以及秸稈的碎屑進(jìn)入散熱器，將散熱器堵塞，散熱效果降低，最終導(dǎo)致冷卻水溫度過(guò)高，引發(fā)一系列后果[1]。因此，考慮到玉米收割機(jī)比較惡劣的工作環(huán)境，對(duì)玉米機(jī)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)匹配時(shí)，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)基本散熱需求的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)冷卻系統(tǒng)增加大約20%～30%的散熱余量。即使發(fā)生散熱器在工作過(guò)程中發(fā)生部分堵塞，或者因長(zhǎng)時(shí)間使用引起的散熱器自身散熱能力衰減等情況，也能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的基本散熱需求，不會(huì)導(dǎo)致因發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害。

1 散熱系統(tǒng)組成

玉米收割機(jī)散熱系統(tǒng)主要由散熱器總成、風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩、防塵結(jié)構(gòu)及管路組成。散熱器主要有管片式散熱器、管帶式散熱器和板翅式散熱器。在玉米收割機(jī)上應(yīng)用的散熱器材質(zhì)主要為鋁材。鋁質(zhì)板翅式散熱器因可靠性能好，適用性強(qiáng)，散熱效率高，可有效減小散熱器體積，較小的空間需求使其在整車布置上更加靈活?，F(xiàn)已成為玉米機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。我公司某一玉米收割機(jī)散熱系統(tǒng)主要組成部分如圖1所示。

1.1 散熱器總成

鋁質(zhì)板翅式散熱器主要由隔板、內(nèi)翅片、封條、外翅片、水（氣）室組成。在相鄰兩隔板間放置內(nèi)翅片及封條組成一夾層，稱為冷卻介質(zhì)通道，通道與通道之間疊放外翅片和短封條形成外界空氣流通通道。這樣的通道根據(jù)散熱需求相互疊加一定的數(shù)量就組成散熱器的芯體部分，再配以必要的封頭、水（氣）室，經(jīng)過(guò)真空釬焊后便完成板翅式散熱器的制造。

芯體是散熱器的核心部件，不同的翅片結(jié)構(gòu)和封條規(guī)格對(duì)散熱器散熱性能影響較大。因此應(yīng)根據(jù)散熱器的散熱需求和實(shí)際使用工況選擇合適的翅片形式。應(yīng)用在玉米收割機(jī)上的散熱器要求具有良好的通透性，在進(jìn)行芯體翅片選擇時(shí)，一般要求外翅片帶高在9.5mm以上，波距在9mm以上。以降低收割機(jī)工作時(shí)秸稈碎屑、塵土等對(duì)散熱器堵塞的可能性，保證散熱性能。另外，針對(duì)工況惡劣、雜物較多的工作環(huán)境，在散熱器外側(cè)增加防塵結(jié)構(gòu)，也可有效降低散熱器堵塞的概率。

散熱器匹配設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定點(diǎn)以及最大扭矩點(diǎn)的發(fā)熱量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的特性曲線、水流量、環(huán)境溫度等參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。國(guó)家實(shí)施國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)以后，很多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在原先單一水散熱器的基礎(chǔ)上又增加了空空中冷器。在散熱器總成中增加空空中冷功能是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程及排放性能有著顯著的影響，通常采用空空中冷器來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度?？湛罩欣淦鞯淖饔檬怯每諝庾鳠峤粨Q介質(zhì)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇帶走熱量，通過(guò)空空中冷器把增壓以后的高溫進(jìn)氣冷卻至合適的溫度，以滿足排放法規(guī)的要求，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性。

水散熱器、中冷器布置方式有傳統(tǒng)的前后串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，該方式連接簡(jiǎn)單，需求空間小，但存在風(fēng)阻大、通透性較差、兩個(gè)散熱器容易相互影響等缺陷；還有一種現(xiàn)在常用的左右或上下并聯(lián)布置，該方式通透性好，兩個(gè)相鄰散熱器相互影響較小，散熱效果好，但總的外形尺寸一般比串聯(lián)結(jié)構(gòu)大。并聯(lián)布置中，水散與中冷器分為上下并排布置（橫流式）和左右并排布置（豎流式）。豎流式結(jié)構(gòu)冷卻介質(zhì)流向?yàn)樯舷伦呦?，冷卻介質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中不易產(chǎn)生紊流。橫流式結(jié)構(gòu)冷卻介質(zhì)流向?yàn)樽笥伊飨?，該方式外翅片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通透性更好，芯體不易堵塞和積塵。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體使用工況選擇合適的布置方式。我公司玉米收割機(jī)冷卻系統(tǒng)多采用左右并列排布結(jié)構(gòu)，小麥?zhǔn)崭顧C(jī)多采用上下并列排布的結(jié)構(gòu)形式。

1.2 風(fēng)扇及導(dǎo)風(fēng)罩

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在玉米收割機(jī)車架上呈橫向布置，冷卻風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩、散熱器沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向布置。玉米收割機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)多采用低轉(zhuǎn)速、大風(fēng)量、高效率的軸流式吸風(fēng)風(fēng)扇，且風(fēng)扇葉尖線速度一般不大于4800～5000m/s。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，風(fēng)扇會(huì)在在芯體一側(cè)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)吸風(fēng)作用，使芯體另一側(cè)的環(huán)境空氣穿過(guò)散熱器芯體，空氣與芯體通道內(nèi)的高溫流體進(jìn)行熱交換，將熱量帶走，從而起到散熱作用，加快冷卻液及空氣的冷卻速度。

散熱器的散熱性能與芯體結(jié)構(gòu)、風(fēng)量、單位面積散熱性能、環(huán)境溫度、冷卻液流速有關(guān)外，還與風(fēng)扇與散熱器芯體的軸向安裝距離、風(fēng)扇中心與散熱器芯體中心的垂直距離、有無(wú)導(dǎo)風(fēng)罩等因素有關(guān)，在布置條件允許的情況下應(yīng)盡可能安裝導(dǎo)風(fēng)罩。導(dǎo)風(fēng)罩、風(fēng)扇以及散熱器在布置時(shí)一般遵循以下的原則：風(fēng)扇露出導(dǎo)風(fēng)罩的距離約為風(fēng)扇寬度的1/3，風(fēng)扇距散熱器芯體的軸向距離至少為50mm，風(fēng)扇葉尖距導(dǎo)風(fēng)罩的單邊間隙應(yīng)在風(fēng)扇直徑的1.5%～2.5%之間，風(fēng)扇中心盡量布置在散熱器芯體的中心位置。

2 散熱效果不良的后果

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫過(guò)高或過(guò)低，都屬于散熱效果不良。冷卻水溫過(guò)低，機(jī)油易被燃油稀釋，柴油機(jī)工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加，零部件之間的磨損加劇。而冷卻水溫度過(guò)高，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，充氣效率下降，燃燒不正常，功率下降；各運(yùn)動(dòng)零件由于高溫作用而過(guò)度膨脹，使原來(lái)的配合間隙發(fā)生變化，致使軸承的工作能力大大降低，破壞正常的工作狀況；水溫過(guò)高也會(huì)造成機(jī)油粘度降低，加速零部件磨損，嚴(yán)重時(shí)造成燒瓦、拉缸等故障，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面下降。因此，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能，

在整車設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意散熱系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，不可造成冷卻水溫度過(guò)低，也不可造成冷卻水溫度過(guò)高。然而，散熱系統(tǒng)的散熱能力最終還需要通過(guò)整車熱平衡試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

3 整車熱平衡試驗(yàn)

整車熱平衡試驗(yàn)是考核發(fā)動(dòng)機(jī)在額定點(diǎn)以及最大扭矩點(diǎn)的機(jī)油溫度、冷卻液溫度以及中冷后的進(jìn)氣溫度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

本公司在做玉米收割機(jī)整車熱平衡試驗(yàn)時(shí)，主要做兩種狀態(tài)下的熱平衡：一種是原設(shè)計(jì)狀態(tài)；另一種是模擬玉米收割機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)塵土或秸稈碎屑堵塞狀態(tài)，遮擋部分散熱器芯體進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)考核是否通過(guò)需滿足：原設(shè)計(jì)狀態(tài)冷卻液溫度低于97℃，機(jī)油溫度低于126℃；散熱器總成部分遮擋時(shí)，冷卻液溫度不高于101℃，機(jī)油溫度低于126℃；中冷后的進(jìn)氣溫度低于70℃。

4 水溫過(guò)高故障分析

玉米收割機(jī)在實(shí)際工作時(shí)易發(fā)生冷卻水溫過(guò)高現(xiàn)象，發(fā)生故障時(shí)一定要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并分析原因，排除故障。排除發(fā)動(dòng)機(jī)自身冷卻系統(tǒng)的故障外，水溫過(guò)高的直接原因是整車散熱系統(tǒng)的散熱效果降低?？梢钥紤]是以下幾點(diǎn)原因造成的：一是冷卻液量減少，二是散熱器堵塞，三是長(zhǎng)期使用，風(fēng)扇皮帶老化、打滑造成發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)量減少。在每天結(jié)束作業(yè)時(shí)，要定期檢查并及時(shí)增加冷卻液量，定期清理散熱器沉積的灰塵及碎屑。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)玉米收割機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)是整車的心臟，而整車散熱系統(tǒng)性能的好壞又直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，甚至影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。因此，散熱系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)極為重要，而散熱器的實(shí)際使用效果還需要通過(guò)熱平衡試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 蔣小平.聯(lián)合收割機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫過(guò)高的原因分析及解決此問(wèn)題的改裝措施[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2000（12）.