謝 軍， 陳 國(guó) 貴， 翟 翔 超

(中國(guó)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(duì)工程機(jī)械性能的影響

1.1 對(duì)動(dòng)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(dòng)機(jī)冒黑煙現(xiàn)象嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速、扭矩下降，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變差，熱負(fù)荷增加。海拔每升高1 000 m，非增壓型柴油機(jī)功率下降7%～12%，增壓型柴油機(jī)則因空氣密度下降后渦輪增壓器的壓氣機(jī)葉輪負(fù)荷降低、轉(zhuǎn)速升高，補(bǔ)償部分進(jìn)氣不足，其功率下降約5%～8%。

(2)因進(jìn)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(diǎn)降低、空氣密度下降，冷卻風(fēng)扇帶動(dòng)的空氣流量減少，導(dǎo)致散熱能力下降、熱負(fù)荷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋、曲軸等長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)而變形，各運(yùn)動(dòng)部件的配合間隙相應(yīng)改變，發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)壓力與溫度降低，達(dá)不到柴油的燃點(diǎn)(196℃)，點(diǎn)火延遲期增長(zhǎng)；機(jī)油粘度增大使啟動(dòng)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(dòng)放電性能降低導(dǎo)致柴油機(jī)低溫啟動(dòng)困難。對(duì)于海拔4 000 m以上的地區(qū)，其柴油機(jī)的啟動(dòng)則需配合乙醚等輔助啟動(dòng)液?jiǎn)?dòng)，蓄電池的容量需相應(yīng)增加，機(jī)油的油品等級(jí)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(jìn)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(hù)情況與當(dāng)?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(jìn)氣不足、相對(duì)混合氣過濃、燃燒室積碳嚴(yán)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(jī)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(duì)非增壓型柴油機(jī)使用壽命影響較大，對(duì)增壓型柴 油 機(jī) 影 響 較 ??；海 拔3 000～4 000 m地區(qū)，相對(duì)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(duì)于低海拔地區(qū)其使用壽命縮短約5%～8%。

(6)增壓型柴油機(jī)的增壓器與內(nèi)燃機(jī)匹配運(yùn)行曲線發(fā)生變化，空氣密度降低、壓氣機(jī)效率降低、增壓器超速；發(fā)動(dòng)機(jī)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(yán)重，其使用壽命縮短約2%～5%。

(7)風(fēng)冷式柴油機(jī)采用空氣冷卻，壓縮比相對(duì)較低，在高海拔地區(qū)使用時(shí)由于其進(jìn)氣量和冷卻風(fēng)量均受空氣密度下降影響將出現(xiàn)啟動(dòng)困難、功率下降嚴(yán)重、散熱性變差、熱負(fù)荷增高、大負(fù)荷可持續(xù)時(shí)間嚴(yán)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(duì)液壓系統(tǒng)的影響

(1)高海拔地區(qū)紫外線輻射強(qiáng)，對(duì)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(shí)，橡膠管件因吸收光能而產(chǎn)生游離基，進(jìn)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(hù)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(qiáng)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(duì)設(shè)備整機(jī)的影響

(1)一臺(tái)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(dòng)力系統(tǒng)使用的機(jī)油、傳動(dòng)系統(tǒng)使用的齒輪油與傳動(dòng)油、液壓系統(tǒng)使用的液壓油、潤(rùn)滑系統(tǒng)使用的潤(rùn)滑油脂等需采用低溫流動(dòng)性好、高溫抗磨性好的高等級(jí)油品，保養(yǎng)間隔時(shí)間相應(yīng)縮短，其保養(yǎng)維護(hù)成本將提高約3%～10%。

(3)綜合以上各方面的影響并進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后的情況見表1。

表1 高海拔地區(qū)柴油機(jī)使用情況表

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

2 工程機(jī)械對(duì)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(duì)非增壓柴油機(jī)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(dá)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(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性指標(biāo)完全恢復(fù)到基本型柴油機(jī)低海拔水平，且在某一海拔高度內(nèi)保持基本衡定。

(2)對(duì)增壓型柴油機(jī)在高海拔地區(qū)環(huán)境出現(xiàn)冒黑煙、功率下降時(shí)，可調(diào)整或降低供油量，根據(jù)充氣量匹配燃油量，以達(dá)到最佳油氣配給比，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及其使用壽命，但會(huì)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(dòng)機(jī)參數(shù)重新匹配增壓器，使其達(dá)到低海拔地區(qū)的進(jìn)氣量等使用條件，若設(shè)備需要轉(zhuǎn)場(chǎng)，從高海拔地區(qū)到低海拔地區(qū)運(yùn)行時(shí)，需將改裝增壓器卸下、換回原裝增壓器，避免發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其進(jìn)氣空氣被壓縮后，溫度隨壓力同時(shí)升高，增壓比大于2時(shí)充氣溫度達(dá)到120 ℃，導(dǎo)致柴油機(jī)熱負(fù)荷大大增加。許多高海拔地區(qū)環(huán)境增壓柴油機(jī)采用進(jìn)氣中冷的方式，在增壓器和進(jìn)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(jī)的功率，改善其經(jīng)濟(jì)性和熱負(fù)荷。因此，中冷技術(shù)是提高柴油機(jī)功率、降低燃油消耗、改善熱負(fù)荷、延長(zhǎng)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(jī)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(diǎn)；(2)改進(jìn)風(fēng)扇葉面的幾何參數(shù)，加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；(3)改進(jìn)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(dòng)技術(shù)

高海拔地區(qū)環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的原因：由于工程機(jī)械大多為柴油機(jī)，而大氣壓力低、進(jìn)氣不足、空氣經(jīng)壓縮后達(dá)不到柴油的燃點(diǎn)(196 ℃)；環(huán)境溫度低，進(jìn)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(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流減?。粰C(jī)油粘稠度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力矩增大。

針對(duì)影響高海拔地區(qū)環(huán)境啟動(dòng)的氣壓、氣溫、蓄電池性能、啟動(dòng)負(fù)荷4個(gè)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(jìn)氣、潤(rùn)滑油、冷卻液預(yù)熱等)以提升缸內(nèi)溫度；(2)乙醚啟動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)置乙醚噴射裝置，用以改善啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低、溫度低的狀況；(3)采用高性能、免維護(hù)蓄電池并進(jìn)行保溫處理以增大蓄電池容量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速；(4)采用高性能柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)，增大啟動(dòng)機(jī)馬達(dá)的啟動(dòng)扭矩；(5)對(duì)液壓或液力傳動(dòng)機(jī)械增設(shè)啟動(dòng)離合器，啟動(dòng)時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)與其它部分脫開，以減少柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)的負(fù)擔(dān)。

3 高海拔地區(qū)環(huán)境下機(jī)械設(shè)備的選型

3.1 考慮設(shè)備對(duì)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(jī)匹配性能和工作能力以及其經(jīng)濟(jì)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(rèn)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(shí)地檢驗(yàn)、性能狀況優(yōu)秀、獲得國(guó)家有關(guān)部門認(rèn)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(jiǎn)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(jìn)行輕微的體力勞動(dòng)，因此，較多的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)要求設(shè)備生產(chǎn)廠家采用集中潤(rùn)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(shí)際進(jìn)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(yùn)用的具體情況選型，切忌東施效顰、盲目跟進(jìn)。例如：所選設(shè)備要考慮高海拔環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降引起的推、挖、裝等液壓設(shè)備出現(xiàn)鏟土無力、動(dòng)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(jī)械在現(xiàn)場(chǎng)使用的效果

施工前期，可先小批量上場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)國(guó)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(yàn)，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(qiáng)、密封件易低溫老化、橡膠管件易龜裂漏油、輪胎在白天強(qiáng)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(jī)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(yǔ)

綜上所述，自然環(huán)境對(duì)于工程機(jī)械設(shè)備的運(yùn)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(duì)于機(jī)械的影響，將會(huì)使設(shè)備的使用成本嚴(yán)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(rèn)識(shí)和分析施工所在地區(qū)的環(huán)境因素并采取具有針對(duì)性的防護(hù)措施，使機(jī)械設(shè)備發(fā)揮出最大功效，進(jìn)而提升施工效率，保證工程的順利進(jìn)行。