高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備性能影響的試驗(yàn)研究

董素榮，劉瑞林，周廣猛，石秉良，祁　濤

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系,天津 300161； 2.63969 部隊(duì)，南京 230026)

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高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備性能影響的試驗(yàn)研究

董素榮1，劉瑞林1，周廣猛1，石秉良2，祁濤2

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系,天津 300161； 2.63969 部隊(duì)，南京 230026)

通過(guò)高原實(shí)地試驗(yàn)，研究了高原環(huán)境條件對(duì)機(jī)動(dòng)裝備性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著海拔的升高，機(jī)動(dòng)裝備的機(jī)動(dòng)性能、作業(yè)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性明顯降低。與低海拔相比，在高海拔(4 800 m)地區(qū)使用時(shí)，機(jī)動(dòng)裝備的加速性能下降16.0%～53.8%，最大牽引力下降13.0%～17.9%，多工況燃油消耗量增加10.6%～18.0%；加油車單槍出油量減少3.6%，起重機(jī)起重上升時(shí)間增加1.9%，叉車舉升速度僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的34.5%。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率和最大轉(zhuǎn)矩工況下，均出現(xiàn)“超溫”現(xiàn)象，且當(dāng)海拔高度超過(guò)4 500 m、環(huán)境溫度低于-15 ℃時(shí)，裝備難以可靠啟動(dòng)。

高原環(huán)境；機(jī)動(dòng)裝備；高原試驗(yàn)

青藏高原平均海拔高度超過(guò)4 000 m，總面積達(dá)230萬(wàn)km2，具有極其重要的國(guó)防戰(zhàn)略地位。高原地區(qū)大氣壓力低、溫差大、風(fēng)沙塵大、日照及紫外線強(qiáng)等特殊環(huán)境，對(duì)機(jī)動(dòng)裝備的使用性能造成了嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致叉車、加油車、搶救車、運(yùn)輸車等機(jī)動(dòng)裝備在高原地區(qū)使用時(shí)的作業(yè)能力、機(jī)動(dòng)性、可靠性和維修性等下降明顯，嚴(yán)重時(shí)可使裝備功能失效，甚至喪失遂行機(jī)動(dòng)保障能力[1-2]。因此，開(kāi)展機(jī)動(dòng)裝備高原適應(yīng)性研究，具有重要的意義。

高原環(huán)境實(shí)地試驗(yàn)是評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)裝備高原環(huán)境適應(yīng)性的直接方法，高原實(shí)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具真實(shí)性、可信性。本文以加油車、搶救車、運(yùn)輸車和叉車為研究對(duì)象[3-5]，在不同海拔(低、中、高)地區(qū)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，揭示了高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備機(jī)動(dòng)性能和作業(yè)能力的影響規(guī)律，為機(jī)動(dòng)裝備高原適應(yīng)性研究及技術(shù)改進(jìn)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1　試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)條件

1.1試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)的加油車、搶救車、運(yùn)輸車和叉車。試驗(yàn)樣車技術(shù)條件符合相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)要求。

1.2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇低海拔、中海拔和高海拔3個(gè)地區(qū)，低海拔地區(qū)海拔高度低于50 m，中海拔地區(qū)海拔高度約2 840 m，高海拔地區(qū)海拔高度在3 690 ～ 4 800 m之間。

1.2.1氣候條件

不同海拔地面的大氣壓力是由當(dāng)?shù)貑挝幻娣e上垂直空氣柱的重力所決定的。據(jù)文獻(xiàn)[1]，大氣壓力與海拔高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

pair=p0(1-0.022 57H)5.256

(1)

式中：pair、p0分別為不同海拔大氣壓力、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，kPa；H為海拔高度，km。

低海拔、中海拔、高海拔對(duì)應(yīng)的大氣壓力見(jiàn)表1。

表1　不同海拔地區(qū)大氣壓力

1.2.2道路條件

(1)低海拔性能試驗(yàn)道路條件。低海拔性能試驗(yàn)在總裝汽車試驗(yàn)場(chǎng)和天津東麗區(qū)山嶺子路段進(jìn)行，試驗(yàn)道路平直，路面用瀝青鋪裝，符合汽車道路試驗(yàn)條件。

(2)中海拔性能試驗(yàn)道路條件。中海拔性能試驗(yàn)在格爾木市郊區(qū)的城市道路上進(jìn)行，該道路為新建城市道路，水泥混凝土鋪裝，海拔高度2 840 m，直線段長(zhǎng)度大于1 500 m，雙向4車道，縱向坡度約0.3%。

(3)高海拔性能試驗(yàn)道路條件。高海拔性能試驗(yàn)在江孜、西大灘和昆侖山等地區(qū)的省道上進(jìn)行，海拔高度4 200～4 800 m，各試驗(yàn)段長(zhǎng)度均大于1 500 m，雙向車道，縱向坡度約0.7%。叉車舉升性能試驗(yàn)在拉薩地區(qū)某綜合倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行，海拔高度3 690 m。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備機(jī)動(dòng)性能的影響

機(jī)動(dòng)性能反映了機(jī)動(dòng)裝備在各種道路快速行駛的能力，是機(jī)動(dòng)裝備完成機(jī)動(dòng)保障任務(wù)的重要性能之一。高原地區(qū)由于海拔高、氣壓低、空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，燃料燃燒不充分，致使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨著海拔高度增加而下降，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)動(dòng)裝備在高原地區(qū)的機(jī)動(dòng)性能降低。

2.1.1高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備加速能力的影響

圖1和圖2分別為不同海拔加油車和搶救車0～80 km/h起步加速時(shí)間和加速距離。由圖1和圖2可知，隨著海拔的升高，加油車和搶救車的起步加速性能下降。與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)(4 800 m)起步加速時(shí)間分別增加了16.0%、51.5%，加速距離分別增加了16.6%、55.0%。

圖3和圖4分別為不同海拔下機(jī)動(dòng)裝備直接擋加速時(shí)間和加速距離。由圖3和圖4可知，運(yùn)輸車30～70 km/h直接擋加速時(shí)間增加了53.9%、加速距離增加了44.8%；加油車和搶救車50～80 km/h直接擋加速時(shí)間分別增加了16.1%、53.8%，加速距離分別增加了14.7%、51.9%。

2.1.2高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備牽引特性的影響

根據(jù)GB/T 12537—1990《汽車牽引性能試驗(yàn)方法》，最大牽引力試驗(yàn)時(shí)，分動(dòng)器置于L擋，變速器置于最低擋。不同海拔地區(qū)牽引特性試驗(yàn)表明，隨著海拔的升高，機(jī)動(dòng)裝備的牽引力下降(見(jiàn)表2)。與低海拔地區(qū)相比，中海拔地區(qū)和高海拔地區(qū)，加油車和搶救車的最大牽引力分別下降了4.2%、15.1%和13.0%、17.9%。受高海拔低氣壓條件的影響，機(jī)動(dòng)裝備配套柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩下降，進(jìn)而導(dǎo)致裝備的牽引力下降。

圖1　不同海拔下機(jī)動(dòng)裝備起步加速時(shí)間

圖2　不同海拔下機(jī)動(dòng)裝備起步加速距離

圖3　不同海拔下機(jī)動(dòng)裝備直接擋加速時(shí)間

圖4　不同海拔下機(jī)動(dòng)裝備直接擋加速距離

車型低海拔中海拔高海拔牽引力/kN下降率/%牽引力/kN下降率/%牽引力/kN下降率/%加油車232.20222.44.2202.013.0搶救車169.20143.615.1138.917.9

由汽車?yán)碚揫6]可知，車輛的驅(qū)動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比，而在滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力Fw不變的情況下，驅(qū)動(dòng)力Ft又決定了車輛的加速能力：

(2)

(3)

式中：Ft為汽車驅(qū)動(dòng)力，N；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；ig、i0分別為變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)效率；r為驅(qū)動(dòng)輪半徑，m；Ff為滾動(dòng)阻力，N；Fw為空氣阻力，N。

機(jī)動(dòng)裝備配套柴油機(jī)(非增壓、增壓和電控增壓柴油機(jī))高海拔性能模擬試驗(yàn)結(jié)果表明[7-9]，柴油機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩隨海拔高度的增加而下降。當(dāng)海拔高度達(dá)到5 000 m時(shí)，非增壓型柴油機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩下降約38%，增壓型柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩下降約27%，電控共軌柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩下降約13%。由于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著海拔高度的升高下降，導(dǎo)致整裝的驅(qū)動(dòng)力降低，動(dòng)力性下降。因此，提高柴油機(jī)高原適應(yīng)性是提高機(jī)動(dòng)裝備高原機(jī)動(dòng)能力的重要舉措。

2.1.3高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備啟動(dòng)性能的影響

機(jī)動(dòng)裝備在低氣壓、低溫條件下順利啟動(dòng)是其正常工作的前提。與平原低溫啟動(dòng)相比，高原大氣壓力降低，進(jìn)氣質(zhì)量減少、柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣變濃、著火困難，導(dǎo)致柴油機(jī)高原啟動(dòng)較平原寒區(qū)啟動(dòng)更加困難。

在高海拔地區(qū)，環(huán)境溫度為-16℃，針對(duì)運(yùn)輸車進(jìn)行了高原冷啟動(dòng)性能試驗(yàn)。采用該車自帶的冷啟動(dòng)輔助裝置，無(wú)法使車輛順利啟動(dòng)；采用進(jìn)氣道加注乙醚后，連續(xù)啟動(dòng)3次，最后一次才啟動(dòng)成功。高原部隊(duì)調(diào)研和實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果證明，大約75%的柴油車輛在海拔高度3 000 m以上、環(huán)境溫度低于-20℃的環(huán)境條件下不能順利啟動(dòng)。當(dāng)海拔高度超過(guò)4500m、環(huán)境溫度低于-15℃時(shí)，裝備依靠自帶的冷啟動(dòng)輔助裝置(如電熱絲、進(jìn)氣預(yù)熱裝置等)均難以可靠啟動(dòng)。

高海拔、低溫環(huán)境下，機(jī)動(dòng)裝備難以啟動(dòng)的主要原因是：隨著大氣壓力和溫度的降低，柴油機(jī)壓縮終點(diǎn)溫度和壓力均下降，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣的著火溫度升高。研究結(jié)果表明：海拔每升高1 000 m、溫度下降10℃，壓縮終了壓力下降15%，壓縮終了溫度下降21%，過(guò)量空氣系數(shù)下降8%，柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣的著火溫度升高13%[10-11]。當(dāng)柴油機(jī)的缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)溫度小于缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)壓力所對(duì)應(yīng)的最低著火臨界溫度時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣不可能著火，柴油機(jī)也就無(wú)法啟動(dòng)。2.1.4高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備熱平衡性能的影響

熱平衡是制約機(jī)動(dòng)裝備高原動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及作業(yè)能力提升的重要約束條件之一。高原地區(qū)空氣密度小，冷卻風(fēng)扇質(zhì)量流量減小，造成散熱器冷卻效率降低。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于汽缸內(nèi)空氣減少，過(guò)量空氣系數(shù)下降，燃燒不完善，后燃嚴(yán)重，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加。此外，冷卻液的沸點(diǎn)隨海拔升高而降低(海拔高度5 000 m時(shí)水的沸點(diǎn)為83.6℃)，冷卻液易發(fā)生沸騰現(xiàn)象，蒸發(fā)量增大，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)水箱“開(kāi)鍋”。以上這些均導(dǎo)致機(jī)動(dòng)裝備冷卻系統(tǒng)的冷卻效果變差，使機(jī)動(dòng)裝備不能正常工作。

加油車和搶救車高海拔地區(qū)熱平衡能力道路試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率點(diǎn)和最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況下，水溫均存在“超溫”現(xiàn)象，甚至加油車發(fā)動(dòng)機(jī)在爬長(zhǎng)坡時(shí)出現(xiàn)了“開(kāi)鍋”現(xiàn)象(見(jiàn)表3、表4)。“開(kāi)鍋”的原因是：高原山路具有坡度大、彎道多、距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，由于裝備本身自重較大，坡道阻力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于中低速大負(fù)荷工況運(yùn)行，再加之冷卻系統(tǒng)散熱能力降低，進(jìn)而引起“開(kāi)鍋”現(xiàn)象。

表4　搶救車高海拔地區(qū)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果　℃

2.2高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備作業(yè)性能的影響

2.2.1高原環(huán)境對(duì)加油車加、回油能力的影響

加油車在低海拔和高海拔地區(qū)加油試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，隨著海拔的升高，在固定單槍出油量的情況下，油泵轉(zhuǎn)速隨著海拔的升高而升高，與低海拔地區(qū)相比,高海拔地區(qū)油泵轉(zhuǎn)速提高了7.6%；當(dāng)油泵轉(zhuǎn)速一定的情況下，單槍出油量隨著海拔的升高而減少，高海拔單槍出油量比低海拔時(shí)減少了3.6%。

圖5　單槍流量一定時(shí)油泵轉(zhuǎn)速隨海拔的變化

圖6　油泵轉(zhuǎn)速一定時(shí)單槍流量隨海拔的變化

由油泵泵油原理可知，油泵輸出功率與實(shí)際輸入功率成正比。由于海拔的升高，油泵動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，導(dǎo)致油泵泵油能力下降：

(4)

式中：Δp為油泵吸、壓油口之間的壓力差，N/m2；V為液壓泵的排量，m3/s；n為液壓泵的主軸轉(zhuǎn)速，r/s；T為液壓泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；Tm為液壓泵的理論轉(zhuǎn)矩，N·m。

表5為不同海拔加油車回油能力試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知，加油車回油能力受海拔高度的影響較大，隨著海拔的升高，加油軟管內(nèi)余油量增多。與低海拔相比，高海拔條件下余油量增多400%。在高海拔地區(qū)加油車回油能力顯著下降的原因主要是高海拔低氣壓環(huán)境的影響。在高海拔地區(qū)，大氣壓力降低導(dǎo)致油管出口處壓力和油罐壓力差降低，導(dǎo)致回油能力下降。

表5　不同海拔加油車回油試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2高原環(huán)境對(duì)搶救車起吊能力的影響

中海拔和高海拔地區(qū)搶救車起吊能力試驗(yàn)表明，搶救車起吊能力隨海拔的升高而下降(見(jiàn)表6)。在起重5 000 kg貨物時(shí)，起重上升時(shí)間隨著海拔的增加而增加，海拔高度4 800 m時(shí)起重上升時(shí)間比海拔高度2 800 m時(shí)增加0.9%；下降時(shí)間隨著海拔的增加而減少，海拔高度4 800 m時(shí)起重下降時(shí)間比海拔高度 2 800 m時(shí)下降19.3%。

表6　不同海拔搶救車起吊能力試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3高原環(huán)境對(duì)叉車裝卸性能的影響

某型3 t叉車高海拔地區(qū)裝卸性能試驗(yàn)表明，叉車在怠速轉(zhuǎn)速下無(wú)法舉升起3 t貨物；發(fā)動(dòng)機(jī)在1 300 r/min時(shí)，液壓油缸有動(dòng)作，但仍然無(wú)法舉升3 t貨物；發(fā)動(dòng)機(jī)在1 600 r/min以上可以舉升起3 t貨物，舉升速度明顯下降。發(fā)動(dòng)機(jī)在2 200 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，叉車舉升速度僅為標(biāo)準(zhǔn)要求的34.5%(見(jiàn)表7)。

表7　叉車高原裝卸性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3高原環(huán)境對(duì)機(jī)動(dòng)裝備燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

圖7和圖8為加油車、搶救車燃油消耗量隨海拔高度的變化。由圖可知，機(jī)動(dòng)裝備等速行駛和多工況燃油消耗量隨海拔高度的升高均減小，高海拔地區(qū)與低海拔地區(qū)相比，30～70 km/h等速行駛?cè)加拖牧吭黾?2.9%～18.9%，多工況燃油消耗量增加10.6%～18.0%。

圖7　加油車燃油消耗量隨海拔的變化

圖8　搶救車燃油消耗量隨海拔的變化

由汽車?yán)碚摽芍囕v等速行駛工況的燃油消耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)一定功率時(shí)的燃油消耗量成正比[10]：

(5)式中：Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW；b為燃油消耗率，g/kW·h；s為等速過(guò)程行程，m；ua為等速行駛車速，km/h；ρ為燃油密度，kg/L；g為重力加速度，m/s2。

在高海拔地區(qū)，由于大氣壓力和空氣密度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量降低，過(guò)量空氣系數(shù)減少，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，有效熱效率降低，燃油消耗率增加，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)動(dòng)裝備的燃油經(jīng)濟(jì)性下降。

3　結(jié)　論

通過(guò)高原實(shí)地試驗(yàn)，研究了高原環(huán)境條件對(duì)機(jī)動(dòng)裝備性能的影響規(guī)律，得到了如下結(jié)論，為機(jī)動(dòng)裝備高原適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立和高原適應(yīng)性技術(shù)改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

(1)隨著海拔高度的增加，機(jī)動(dòng)裝備的加速性能下降，牽引能力降低。在高海拔地區(qū)，機(jī)動(dòng)裝備的加速性能下降16.0%～53.8%；最大牽引力下降13.0%～17.9%。

(2)隨著海拔高度的增加，機(jī)動(dòng)裝備的作業(yè)能力降低。在高海拔地區(qū)，加油車的加油能力、搶救車的起吊能力和叉車的舉升能力均下降。

(3)隨著海拔高度的增加，機(jī)動(dòng)裝備熱負(fù)荷增大，在發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和最大轉(zhuǎn)矩工況下，易出現(xiàn)“超溫”現(xiàn)象。

(4)隨著海拔高度的增加，機(jī)動(dòng)裝備啟動(dòng)性能下降。當(dāng)海拔高度超過(guò)4 500 m、環(huán)境溫度低于-15℃時(shí)，裝備難以可靠啟動(dòng)。

(5)隨著海拔高度的增加，機(jī)動(dòng)裝備燃油經(jīng)濟(jì)性下降。在高海拔地區(qū)，30～70 km/h等速行駛?cè)加拖牧吭黾?2.9%～18.9%。

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(編輯：張峰)

Experimental Study on Effects of Plateau Environment on Mobile Equipment Performance

DONG Surong1，LIU Ruilin1，ZHOU Guangmeng1，SHI Bingliang2，QI Tao2

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.Unit 63969, Nanjing 230026, China)

The field test in plateau is conducted to study the effects that the plateau environments exert on the performance of mobile equipment. The result shows that the mobility, operating performance and fuel economy of mobile equipment decrease significantly with the increase of the altitude. At high altitude(4 800 m), the accelerate performance drops by 16.0～53.8% , the maximum traction force decreases by 13.0%～17.9%, the fuel consumption under different working conditions increases by 10.6%～18.0% . The out of fuel content in a single gun of tanker truck decreases by 3.6% ，the lifting time of the crane increases by 1.9% and the lifting speed of forklift is only up to 34.5% of the standard requirement. During the time, the engine is “over-temperatured” under maximum power and maximum torque conditions, and the equipment cannot be started when the altitude exceeds 4 500 m and the the temperature drops below -15 ℃.

plateau environment; mobile equipment; plateau test

2015-11-27；

2015-12-28.

董素榮(1967—)，女，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.08.011

TK421

A

1674-2192(2016)08- 0046- 06