高海拔高寒地區環境對采礦機械性能的影響及實際解決方案的研究

張新紅 華寧 鄭清啟

（新疆維吾爾自治區安全科學技術研究院 烏魯木齊 830000）

1 高寒高海拔礦山面對的氣候特征

1.1 低壓缺氧

氣壓與海拔關系密切。高原地區大氣壓降低，大氣中的含氧量和氧分壓降低，隨著海拔的增加，大氣壓力下降，空氣稀薄，空氣中含氧量也隨之減少。表1列出不同海拔高度大氣壓及含氧量的關系。

表1 不同海拔高度大氣壓及含氧量的關系

從表1看出，在5000m處的空氣含氧量僅為海平面空氣含氧量的53%。

1.2 寒冷干燥

氣溫隨著海拔高度的升高而逐漸下降，一般每升高1000米，氣溫下降約6℃，有的地區甚至每升高150米可下降1℃。由于高原大氣壓低，水蒸氣壓亦低，空氣中水份隨著海拔高度的增加而遞減，故海拔愈高氣候愈干燥。

2 高寒高海拔對礦山設備性能影響分析

采礦設備按動力分類主要有油動、氣動、電動。高寒高海拔環境對油動、氣動影響更為明顯。

2.1 內燃機的燃燒惡化、功率顯著下降，油耗增加，冷卻系統惡化

由于空氣密度隨海拔變化，進入發動機氣缸的空氣充量減少，進入氣缸的燃油得不到充分燃燒，使排煙變濃，排溫升高，導致功率下降，經濟指標變壞。根據現場測試表明，海拔每升高1000m，內燃機出力平均下降9%-13%，油耗增加6%左右，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、轉速升高，補償進氣不足，其功率下降約5%-8%，海拔每升高1000m，其使用壽命下降約1%-3%。由于高原空氣密度減少，海拔每升高1000m，重量風量下降8%，實際上降低了風扇的冷卻效果和冷卻水箱的散熱效果，排溫升高，零件熱負荷增加。

2.2 低氣壓對空氣壓縮機的影響

由于海拔高度的升高，大氣壓力降低使重量排氣量減少，其數值為海拔每升高1000m，平均減少11%-12%，而容積排氣量也隨海拔升高而減少，海拔每升高1000m，平均減少2%～3%。由此而造成隨著海拔高度的升高，壓縮機的排氣溫度增高。

2.3 低溫影響電機的起動性能和橡膠制品的絕緣性能

由于采礦機械大多為柴油機，而大氣壓力低，進氣不足，空氣經壓縮后達不到柴油的燃點（196℃）；環境溫度低，進一步降低了壓縮空氣的溫度，氣溫低使潤滑脂稠度增大或凝固凍結，引起靜態阻力矩增加，導致高海拔地區環境發動機啟動困難，除此之外當潤滑脂低溫凍結后，喪失潤滑能力，起動時與軸承磨擦發出尖哨聲，加速軸承磨損。

因低溫使硫酸電解液粘度增大，負極活性物質早期鈍化，影響電解液在極板內的擴散速度，所以鉛蓄電池的容量及起動放電性能隨溫度的降低而降低。氣溫每降低1度，蓄電池容量下降1%～1.5%，啟動放電快，溫度越低，充電力越差。

橡膠密封件經低溫試驗表明，隨著溫度的下降，其硬度、扯斷強度及伸長率三項機械性能均表現出不同程度的下降趨勢。據反映，在低溫下瀝青絕緣膠有開裂現象，到潮濕時影響絕緣性能，絕緣材料的機械性能有所降低，明顯變硬變脆。橡膠、丁苯基天然橡膠電纜護套在－30℃下易折、易剝裂。

3 礦山設備對高寒高海拔地區環境適應性技術及應用

3.1 富氧進氣技術

富氧進氣技術是指在機車的進氣系統中鏈入一套增氧調壓裝置，增加燃氣中的含氧量，提高空燃比，提高霧化質量。該方案改變進氣組分，可明顯提高采礦機械效率。

3.2 渦輪增壓技術

對非增壓柴油機增設增壓器以提高其充氣密度和充氣量，提高空氣過量系數，使缸內燃油充分燃燒，達到恢復功率的目的。良好的高海拔地區環境功率恢復型增壓匹配可使柴油機動力性、經濟性、可靠性指標大幅度提高。對增壓型柴油機在高海拔地區環境出現冒黑煙、功率下降時，可調整或降低供油量，根據充氣量匹配燃油量，以達到最佳油氣配合比。

3.3 低溫、低氣壓環境采用的啟動技術

主要有以下措施提高柴油機械啟動性能：（1）電預熱或柴油預熱（進氣、潤滑油、冷卻液預熱等）以提升缸內溫度；（2）乙醚啟動，在發動機進氣道設置乙醚噴射裝置，用以改善啟動時轉速低、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，提升發動機啟動轉速；（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啟動離合器，啟動時使發動機與其他部分脫開，以減少柴油機啟動馬達的負擔。

3.4 電動設備代替油動設備

電動設備在高海拔功率折減率要優于油動設備，而且對生態環境污染小。

4 結論

綜上所述，高寒高海拔對采礦設備運行效率有較大影響，如果不注重環境因素的影響，會增加使用成本，建議高寒高海拔礦山企業采取有針對性的技術措施，發揮設備最大功率，提高生產效率。