高海拔地區(qū)環(huán)境對工程機械性能的影響及實際應(yīng)用解決方案的研究

謝 軍， 陳 國 貴， 翟 翔 超

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 高海拔環(huán)境對工程機械性能的影響

1.1 對動力系統(tǒng)的影響

(1)由于大氣壓力低、空氣的密度下降及含氧量減少，導(dǎo)致氣缸內(nèi)充氣量減少、可燃混合氣過濃、燃燒不完全并滯后，發(fā)動機冒黑煙現(xiàn)象嚴重，轉(zhuǎn)速、扭矩下降，其動力性和經(jīng)濟性變差，熱負荷增加。海拔每升高1 000 m，非增壓型柴油機功率下降7%～12%，增壓型柴油機則因空氣密度下降后渦輪增壓器的壓氣機葉輪負荷降低、轉(zhuǎn)速升高，補償部分進氣不足，其功率下降約5%～8%。

(2)因進氣不足、燃燒緩慢、缸內(nèi)積聚了大量的熱能，加之大氣壓力低、冷卻液沸點降低、空氣密度下降，冷卻風(fēng)扇帶動的空氣流量減少，導(dǎo)致散熱能力下降、熱負荷增加，發(fā)動機機體、缸蓋、曲軸等長期處于高溫狀態(tài)而變形，各運動部件的配合間隙相應(yīng)改變，發(fā)動機使用壽命縮短。海拔每升高1 000 m，其使用壽命下降約1%～3%。

(3)低氣壓環(huán)境、空氣密度下降導(dǎo)致氣缸充氣量減少，壓縮終點壓力與溫度降低，達不到柴油的燃點(196℃)，點火延遲期增長；機油粘度增大使啟動阻力矩增大；蓄電池在低溫環(huán)境下其充電接受能力、充電效率、容量等下降，內(nèi)阻增加，啟動放電性能降低導(dǎo)致柴油機低溫啟動困難。對于海拔4 000 m以上的地區(qū)，其柴油機的啟動則需配合乙醚等輔助啟動液啟動，蓄電池的容量需相應(yīng)增加，機油的油品等級亦需提高，導(dǎo)致設(shè)備的使用成本隨之增加。

(4)高海拔地區(qū)植被較少，工作環(huán)境風(fēng)沙較大，空氣濾清器容易被污染，進氣阻力上升快、除塵能力降低、空氣濾清效率下降、使用壽命縮短，其清潔、更換的頻率根據(jù)路面維護情況與當?shù)刂脖磺闆r而變化，海拔3 000 m以上地區(qū)隨著海拔的升高、植被的減少，大約增加成本約1%～5%左右。

(5)由于進氣不足、相對混合氣過濃、燃燒室積碳嚴重及高溫，導(dǎo)致噴油器柱塞因高溫而卡滯并堵塞；活塞因高溫而融頂、膨脹，改變了活塞、活塞環(huán)、氣缸壁的配合間隙，最終導(dǎo)致拉缸的發(fā)生，柴油機的可靠性和使用壽命大大降低。在 海 拔2 000～3 000 m地區(qū)，對非增壓型柴油機使用壽命影響較大，對增壓型柴 油 機 影 響 較 小；海 拔3 000～4 000 m地區(qū)，相對于低海拔地區(qū)其使用壽命縮短約2%～5%；海拔4 000～5 000 m地區(qū)，相對于低海拔地區(qū)其使用壽命縮短約5%～8%。

(6)增壓型柴油機的增壓器與內(nèi)燃機匹配運行曲線發(fā)生變化，空氣密度降低、壓氣機效率降低、增壓器超速；發(fā)動機低速喘振現(xiàn)象增加，轉(zhuǎn)速提升緩慢，高速溫升明顯，扭矩特性變差。在海拔3 000～4 000 m地區(qū)，增壓器因超速而導(dǎo)致其使用壽命縮短約1%～3%；海拔4 000～5 000 m地區(qū)，增壓器因超速而磨損較嚴重，其使用壽命縮短約2%～5%。

(7)風(fēng)冷式柴油機采用空氣冷卻，壓縮比相對較低，在高海拔地區(qū)使用時由于其進氣量和冷卻風(fēng)量均受空氣密度下降影響將出現(xiàn)啟動困難、功率下降嚴重、散熱性變差、熱負荷增高、大負荷可持續(xù)時間嚴重縮短等情況。在海拔4 000 m以上地區(qū)，因高溫將頻繁出現(xiàn)拉缸事故。

1.2 對液壓系統(tǒng)的影響

(1)高海拔地區(qū)紫外線輻射強，對液壓系統(tǒng)的橡膠管件、密封件等影響較大，紫外線能直接引起橡膠分子鏈的斷裂和交聯(lián)，同時，橡膠管件因吸收光能而產(chǎn)生游離基，進而引發(fā)并加速氧化鏈反應(yīng)過程，導(dǎo)致橡膠管龜裂、滲漏油液，增加設(shè)備的維護成本并影響設(shè)備效率。

(2)高海拔地區(qū)環(huán)境溫差較大，而液壓系統(tǒng)是由高精密泵、閥類部件組成，受熱脹冷縮現(xiàn)象發(fā)生卡滯而早期損壞，其液壓系統(tǒng)更是因強紫外線以及溫差較大影響而導(dǎo)致故障率增加；在海拔3 000～4 000 m地區(qū)，使用成本增加約1%～5%；在海拔4 000～5 000 m地區(qū)，約增加使用成本3%～8%。

1.3 對設(shè)備整機的影響

(1)一臺設(shè)備由各系統(tǒng)總成件組成，其所有部件的連接以螺栓連接為主，受高海拔地區(qū)環(huán)境溫差較大的影響，螺栓的預(yù)緊力發(fā)生改變，螺栓斷裂、松脫現(xiàn)象頻繁發(fā)生，其結(jié)構(gòu)性隨之改變，磨損加劇，安全性降低。

(2)高海拔地區(qū)環(huán)境溫差較大，動力系統(tǒng)使用的機油、傳動系統(tǒng)使用的齒輪油與傳動油、液壓系統(tǒng)使用的液壓油、潤滑系統(tǒng)使用的潤滑油脂等需采用低溫流動性好、高溫抗磨性好的高等級油品，保養(yǎng)間隔時間相應(yīng)縮短，其保養(yǎng)維護成本將提高約3%～10%。

(3)綜合以上各方面的影響并進行分析，結(jié)合實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計后的情況見表1。

表1 高海拔地區(qū)柴油機使用情況表

備注：因各地區(qū)的燃油價格、人工成本不一致，本統(tǒng)計表數(shù)據(jù)不包含燃油消耗以及人工成本。

2 工程機械對高海拔地區(qū)環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)及應(yīng)用

2.1 增壓技術(shù)

(1)對非增壓柴油機增設(shè)增壓器以提高其充氣密度和充氣量，提高空氣過量系數(shù)，使缸內(nèi)燃油充分燃燒，達到恢復(fù)功率的目的。良好的高海拔地區(qū)環(huán)境功率恢復(fù)型增壓匹配可使柴油機動力性、經(jīng)濟性、可靠性指標完全恢復(fù)到基本型柴油機低海拔水平，且在某一海拔高度內(nèi)保持基本衡定。

(2)對增壓型柴油機在高海拔地區(qū)環(huán)境出現(xiàn)冒黑煙、功率下降時，可調(diào)整或降低供油量，根據(jù)充氣量匹配燃油量，以達到最佳油氣配給比，進而提高發(fā)動機的經(jīng)濟性及其使用壽命，但會損失一定的功率。為避免功率損失，可根據(jù)環(huán)境海拔高度、發(fā)動機參數(shù)重新匹配增壓器，使其達到低海拔地區(qū)的進氣量等使用條件，若設(shè)備需要轉(zhuǎn)場，從高海拔地區(qū)到低海拔地區(qū)運行時，需將改裝增壓器卸下、換回原裝增壓器，避免發(fā)動機因充氣過量而導(dǎo)致部件損壞。

2.2 中冷技術(shù)

增壓型發(fā)動機運行時，其進氣空氣被壓縮后，溫度隨壓力同時升高，增壓比大于2時充氣溫度達到120 ℃，導(dǎo)致柴油機熱負荷大大增加。許多高海拔地區(qū)環(huán)境增壓柴油機采用進氣中冷的方式，在增壓器和進氣歧管之間增設(shè)中冷器，利用冷卻水或散熱器使充氣溫度降低、密度增大，可大幅度提高柴油機的功率，改善其經(jīng)濟性和熱負荷。因此，中冷技術(shù)是提高柴油機功率、降低燃油消耗、改善熱負荷、延長其使用壽命的有效措施。

2.3 熱平衡技術(shù)

改善高海拔地區(qū)環(huán)境工程機械的熱平衡狀況主要采用的措施為：(1)增大散熱器面積，采用密閉加壓散熱器以提高冷卻液的沸點；(2)改進風(fēng)扇葉面的幾何參數(shù)，加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；(3)改進散熱介質(zhì)和材料，采用銅質(zhì)散熱器。

2.4 低溫、低氣壓環(huán)境采用的啟動技術(shù)

高海拔地區(qū)環(huán)境發(fā)動機啟動困難的原因：由于工程機械大多為柴油機，而大氣壓力低、進氣不足、空氣經(jīng)壓縮后達不到柴油的燃點(196 ℃)；環(huán)境溫度低，進一步降低了壓縮空氣的溫度；低溫下蓄電池的充放電性能下降，啟動時啟動電流減小；機油粘稠度增加，發(fā)動機啟動阻力矩增大。

針對影響高海拔地區(qū)環(huán)境啟動的氣壓、氣溫、蓄電池性能、啟動負荷4個因素，我們主要采取了以下措施：(1)電預(yù)熱或柴油預(yù)熱(進氣、潤滑油、冷卻液預(yù)熱等)以提升缸內(nèi)溫度；(2)乙醚啟動，在發(fā)動機進氣道設(shè)置乙醚噴射裝置，用以改善啟動時轉(zhuǎn)速低、溫度低的狀況；(3)采用高性能、免維護蓄電池并進行保溫處理以增大蓄電池容量，提升發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速；(4)采用高性能柴油機啟動馬達，增大啟動機馬達的啟動扭矩；(5)對液壓或液力傳動機械增設(shè)啟動離合器，啟動時使發(fā)動機與其它部分脫開，以減少柴油機啟動馬達的負擔(dān)。

3 高海拔地區(qū)環(huán)境下機械設(shè)備的選型

3.1 考慮設(shè)備對高海拔地區(qū)環(huán)境的適用性

要了解所選設(shè)備的適用工作條件(如海拔高度、空氣含氧量、環(huán)境溫度)、功率狀況、壓縮比、整機匹配性能和工作能力以及其經(jīng)濟性、耐用性和穩(wěn)定性，金屬材料是否采用耐低溫材料等。應(yīng)認真分析、比較各廠家的高海拔地區(qū)環(huán)境型設(shè)備，優(yōu)先選用經(jīng)過高海拔環(huán)境實地檢驗、性能狀況優(yōu)秀、獲得國家有關(guān)部門認可和推薦的產(chǎn)品。此外，所選設(shè)備應(yīng)操作輕便、保養(yǎng)簡單易行，適合于高海拔地區(qū)環(huán)境的要求。

3.2 注重設(shè)備的可靠性

高海拔地區(qū)的工程面臨環(huán)境惡劣、通訊不便等困難，人只能進行輕微的體力勞動，因此，較多的現(xiàn)場維修幾乎不可能，故所選設(shè)備必須具有高可靠性和極低的故障率，同時要求設(shè)備生產(chǎn)廠家采用集中潤滑系統(tǒng)，以減少因維修效率低而影響到設(shè)備的出勤率。

3.3 結(jié)合工程實際進行設(shè)備的選型

要結(jié)合各單位自身施工情況、使用環(huán)境、設(shè)備運用的具體情況選型，切忌東施效顰、盲目跟進。例如：所選設(shè)備要考慮高海拔環(huán)境下發(fā)動機功率下降引起的推、挖、裝等液壓設(shè)備出現(xiàn)鏟土無力、動作緩慢；汽車爬坡困難、裝載系數(shù)下降，致使設(shè)備降功率、降效率使用，避免小馬拉大車現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.4 注意研究所選機械在現(xiàn)場使用的效果

施工前期，可先小批量上場試驗，針對國內(nèi)外施工單位高海拔環(huán)境型設(shè)備出現(xiàn)的問題，采取相應(yīng)的調(diào)整措施，積累高海拔環(huán)境設(shè)備選型、使用和管理經(jīng)驗，避免造成全局設(shè)備選型上的失誤。

3.5 重視密封件及橡膠產(chǎn)品質(zhì)量

由于高海拔地區(qū)環(huán)境溫度低、晝夜溫差大、紫外線輻射強、密封件易低溫老化、橡膠管件易龜裂漏油、輪胎在白天強紫外線輻射下其表面易產(chǎn)生裂紋，夜間氣溫較低，輪胎在低溫下收縮而導(dǎo)致其表面變硬、變脆，磨損加劇，胎壓升高，胎冠突出，磨損不均勻。因此，高海拔地區(qū)環(huán)境應(yīng)用的工程機械必須采用耐低溫、耐輻射的高品質(zhì)橡膠件，以減少油、水、氣路等方面的故障以及輪胎故障導(dǎo)致的行車安全。

4 結(jié) 語

綜上所述，自然環(huán)境對于工程機械設(shè)備的運用效率有較大的影響，尤其是在高海拔地區(qū)。因此，在工程建設(shè)過程中，如果不注重高海拔地區(qū)環(huán)境因素對于機械的影響，將會使設(shè)備的使用成本嚴重上升，效率大打折扣。所以，相關(guān)的施工企業(yè)應(yīng)正確認識和分析施工所在地區(qū)的環(huán)境因素并采取具有針對性的防護措施，使機械設(shè)備發(fā)揮出最大功效，進而提升施工效率，保證工程的順利進行。