單 帥， 翟 翔 超， 程 先 才， 張 宗 濤

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

知不拉銅多金屬礦采剝工程項(xiàng)目位于西藏拉薩墨竹工卡縣，采區(qū)為岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結(jié)合部位，其地勢險(xiǎn)峻，切割強(qiáng)烈，平均海拔在5 000 m以上，部分為冰川地貌。該項(xiàng)目運(yùn)輸?shù)V卡TR100(90 t級)配置康明斯KTA38-C型發(fā)動機(jī)，在一般環(huán)境條件下該發(fā)動機(jī)經(jīng)相關(guān)機(jī)構(gòu)檢測大修周期約為8 000 h。由于工程所處位置海拔高達(dá)5 000～5 600 m，大氣壓力相當(dāng)于沿海地帶的50%～55%,過低的大氣壓力導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降；同時(shí)，由于進(jìn)氣不足，燃燒不徹底，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高溫而發(fā)生早期損壞等問題，嚴(yán)重影響了設(shè)備的生產(chǎn)效率。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因高寒氣候引起KTA38-C型發(fā)動機(jī)拉缸和融頂?shù)淖疃讨芷跒?8.9 h，最長周期為3 393.1 h，平均周期為1 785.6 h(圖1)，在高寒氣候條件下，發(fā)動機(jī)壽命大大縮短，致使其維護(hù)運(yùn)營成本增加、設(shè)備利用率降低和生產(chǎn)成本增加。

2 高原氣候的特點(diǎn)與相關(guān)數(shù)據(jù)

知不拉礦區(qū)沿河谷或剝蝕強(qiáng)烈區(qū)第四系發(fā)育，植被以高山草甸為主，有少量高山耐寒苔蘚，植被簡單，水系發(fā)育，以大氣降水和冰雪融水供給。礦區(qū)屬高原溫帶半干旱季風(fēng)型氣候，低溫干燥、空氣稀薄、日照充足、晝夜溫差大，海拔為0 m 時(shí)，大氣壓力為101 kPa；海拔為5 000 m時(shí)，大氣壓力為54 kPa；海拔為5 500 m時(shí)，大氣壓力為50 kPa。年平均氣溫為0 ℃左右，極端最高氣溫為 28.3 ℃，極端最低氣溫為-35 ℃。10月底開始冰凍，翌年4～5月解凍，積雪厚度為10～60 cm，最大凍結(jié)深度可達(dá)40 m，其間干冷多風(fēng)，為東南向季風(fēng)，時(shí)有降雪，旱、雨季分明，年降水量為400 mm左右，多集中在6～9月且氣候濕潤，常有暴雨、雪、冰雹而造成山洪和泥石流突發(fā)，年蒸發(fā)量約2 000 mm。

3 高原低溫氣候?qū)TA38-C型發(fā)動機(jī)的影響

3.1 KTA38-C型發(fā)動機(jī)拉缸與融頂

在高寒地區(qū),海拔高度每升高1 000 m、大氣壓力下降9%，空氣中的密度下降梯度為6%～9%，含氧量下降10%，發(fā)動機(jī)由于進(jìn)氣不充分而在現(xiàn)場采用直噴發(fā)動機(jī)，噴進(jìn)氣缸內(nèi)的燃油在壓縮比一定的情況下發(fā)動機(jī)不能夠充分燃燒，導(dǎo)致燃燒室產(chǎn)生積炭，發(fā)動機(jī)易產(chǎn)生爆燃而造成發(fā)動機(jī)燃燒室高溫，熱量不能及時(shí)隨廢氣排出，活塞、活塞環(huán)及缸壁整體受高溫而膨脹，缸壁的膨脹由于缸體的約束只能向內(nèi)膨脹，活塞向外膨脹而擠壓活塞環(huán)及油環(huán)，改變了配合間隙，活塞上的油環(huán)由于受膨脹擠壓，缸壁上的機(jī)油不能形成正常的油膜，導(dǎo)致機(jī)油的冷卻及潤滑效能降低，活塞氣環(huán)產(chǎn)生干摩擦后拉傷缸壁(稱之為活塞拉缸)[1]。氣壓低、氧含量少造成單位時(shí)間內(nèi)燃油消耗量增大，經(jīng)濟(jì)性能下降。

圖1 活塞拉缸和融頂

3.2 渦輪部件和水箱故障

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中由于燃燒不充分，不僅會損壞并造成發(fā)動機(jī)產(chǎn)生拉缸、活塞融頂?shù)确钦，F(xiàn)象，同時(shí)亦會造成發(fā)動機(jī)功率下降，動力性能不達(dá)標(biāo)。渦輪增壓器由于空氣密度較低、渦輪增壓器進(jìn)氣側(cè)切割阻力下降而導(dǎo)致渦輪葉片長期處于失速狀態(tài)。目前國內(nèi)外采用的渦輪增壓器大部分為機(jī)油冷卻，部分采用水冷，導(dǎo)致進(jìn)氣不充分，渦輪增壓器排氣側(cè)出現(xiàn)高溫，而高溫氣體將排氣渦輪葉片燒蝕、出現(xiàn)麻點(diǎn)等現(xiàn)象，導(dǎo)致排放渦輪吸熱，加劇了渦輪軸與軸套的磨損[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果：渦輪增壓器在500 ℃左右出現(xiàn)暗紅色，680 ℃左右渦輪增壓器將會因高溫?fù)p壞。在西藏高寒地區(qū)(海拔5 000 m)，由于空氣密度低，水沸點(diǎn)為78 ℃～83 ℃而造成水箱頻繁出現(xiàn)開鍋(熱水沸騰)導(dǎo)致水箱蓋損壞、水箱散熱板開裂；發(fā)動機(jī)機(jī)體高溫造成機(jī)體膨脹，內(nèi)部壓力加大，導(dǎo)致水堵頭頻繁被沖出等高原易出現(xiàn)的故障。

3.3 發(fā)動機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的磨損

海拔5 000～5 500 m、冬季氣溫為-25 ℃左右、極端最低氣溫為-35 ℃左右時(shí)對發(fā)動機(jī)啟動性能的影響極大。低溫導(dǎo)致柴油發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度比夏季氣候低28.3 ℃～63 ℃。因此，發(fā)動機(jī)的壓縮終了氣體溫度為100 ℃～200 ℃左右，達(dá)不到啟動條件(海拔5 500 m的位置柴油燃點(diǎn)為220 ℃，而壓縮氣體的溫度應(yīng)為150 ℃～250 ℃，發(fā)動機(jī)壓縮氣體的溫度在220 ℃以上時(shí)才能夠達(dá)到啟動條件)，氣缸內(nèi)因長期處于高溫狀態(tài)，各密封組件的磨損加劇產(chǎn)生漏氣，氣缸內(nèi)的密封性能逐步下降，壓縮氣體在下降到220 ℃以下時(shí)發(fā)動機(jī)將無法啟動[3]。發(fā)動機(jī)長期處于高溫、燃燒不充分狀態(tài)會造成發(fā)動機(jī)各部件的變形損壞、氣缸內(nèi)積碳嚴(yán)重、機(jī)油散熱器損壞、傳感器失效等高原性故障。同時(shí)，發(fā)動機(jī)啟動性能降低，駕駛員頻繁啟動設(shè)備造成啟動馬達(dá)損壞率比內(nèi)地高90%左右。發(fā)動機(jī)啟動后，在怠速運(yùn)行預(yù)熱時(shí)，其內(nèi)部的機(jī)油黏度較大，曲軸在旋轉(zhuǎn)過程中帶動活塞上下運(yùn)動，由于機(jī)油黏度較大而造成的活塞連桿機(jī)構(gòu)磨損如下：①活塞、活塞環(huán)與氣缸壁之間的磨損；②活塞連桿小頭與曲軸軸瓦的磨損；③凸輪軸、進(jìn)排氣門過橋組件的磨損。氣溫低、晝夜溫差大將會造成發(fā)動機(jī)和起動馬達(dá)的使用壽命縮短。

3.4 橡膠部件的老化

高原春、夏季節(jié)的一般日照時(shí)間為早上6∶40～21∶00，比內(nèi)地每年平均日照多12.5%。高原一年四季晝夜溫差較大，一般為10 ℃～40 ℃左右，將會嚴(yán)重縮短發(fā)動機(jī)皮帶、發(fā)電機(jī)皮帶、水管等橡膠制品的使用壽命。

3.5 對蓄電池、啟動馬達(dá)的影響

高原氣候溫差較大會對螺栓及鋼材的內(nèi)部金相組織產(chǎn)生影響，導(dǎo)致滲碳體增加，鋼材變脆，經(jīng)常出現(xiàn)水箱支座螺栓斷裂現(xiàn)象；溫差較大亦會嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命。蓄電池的使用環(huán)境在10 ℃～25 ℃左右最為適宜。隨著環(huán)境溫度的降低，蓄電池電解液的密度將會增大，隔板的滲透能力下降，內(nèi)阻增加，蓄電池的放電性能亦會下降[4]。同時(shí),啟動時(shí)電流較大，內(nèi)阻增加而引起電壓降增大，從而使端電壓明顯下降。導(dǎo)致蓄電池工作能力大大降低[5]。蓄電池在發(fā)動機(jī)啟動過程中影響啟動馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩而造成啟動馬達(dá)磨損嚴(yán)重，馬達(dá)內(nèi)部的軸承、驅(qū)動齒損壞現(xiàn)象長期出現(xiàn)。

3.6 對空氣濾芯的影響

該地區(qū)冬季氣候較為干燥，灰塵量較大，對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)有嚴(yán)重影響，空氣濾清器在礦山根據(jù)現(xiàn)場外界環(huán)境條件,外濾每3 d吹1次、吹6次報(bào)廢。意味著18 d左右就需要更換一套空氣濾清器。在高原，空氣含塵密度在無風(fēng)的情況下可超過15 g/m,比內(nèi)地高出6～15倍左右,將會增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣阻力,使發(fā)動機(jī)的功率進(jìn)一步降低,增加空氣濾清器保養(yǎng)的頻率,縮短其使用壽命,增大成本,降低濾清器的效率,造成發(fā)動機(jī)早期磨損并縮短其使用壽命。

4 高寒氣候下針對KTA38-C型柴油發(fā)動機(jī)采取的預(yù)防措施

4.1 改裝機(jī)械增壓器

機(jī)械式渦輪增壓器價(jià)格較為便宜，體積小、安裝方便，機(jī)械增壓器配上適當(dāng)?shù)钠л啺惭b在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)側(cè)，與發(fā)動機(jī)同步旋轉(zhuǎn),在其運(yùn)行過程中,進(jìn)氣壓力將提升至低海拔地區(qū)大氣壓力標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣充足，燃燒充分，不會產(chǎn)生積碳，排氣正常，發(fā)動機(jī)不會產(chǎn)生高溫，故通過加裝機(jī)械增壓器，不僅改變了發(fā)動機(jī)的燃燒條件，而且還會增加發(fā)動機(jī)的動力性能，從而避免了發(fā)動機(jī)因進(jìn)氣不足、燃燒不充分而導(dǎo)致的排氣出現(xiàn)高溫，造成發(fā)動機(jī)高溫活塞融頂、拉缸的現(xiàn)象，保護(hù)了渦輪增壓器，增加了發(fā)動機(jī)的使用壽命和使用性能。

4.2 在發(fā)動機(jī)上加裝預(yù)熱裝置

發(fā)動機(jī)長期處于低溫啟動將會導(dǎo)致機(jī)油黏度增加而造成發(fā)動機(jī)機(jī)油潤滑最遠(yuǎn)位置的凸輪軸磨損嚴(yán)重。通過實(shí)施進(jìn)氣加熱、發(fā)動機(jī)保溫、空氣濾清器清潔及更換周期縮減等措施解決低溫冷啟動的磨損問題， 亦可在發(fā)動機(jī)機(jī)架上加裝一個(gè)齒輪泵和預(yù)熱器對發(fā)動機(jī)的機(jī)油進(jìn)行加熱，加熱后的機(jī)油通過油管輸送到油底殼內(nèi)而加快機(jī)油的循環(huán)和溫度提升，從而保護(hù)發(fā)動機(jī)低溫冷啟動磨損，減少了凸輪軸、曲軸軸瓦與活塞連桿軸套、活塞、活塞環(huán)對氣缸壁的磨損。

4.3 定期維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備

結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境，嚴(yán)格按照廠家規(guī)定對設(shè)備進(jìn)行定期A級保養(yǎng)(10 h)、B級保養(yǎng)(250 h)、C級保養(yǎng)(2 000 h)、D級保養(yǎng)(4 000 h)。通過定期更換各種油料和濾芯對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性保養(yǎng)，防止設(shè)備由于保養(yǎng)不到位而造成設(shè)備損害。采用灑水車每日降塵，定期吹空濾的方式保持空濾的清潔度，可以增加進(jìn)氣量，使發(fā)動機(jī)燃燒充分、排氣不會出現(xiàn)高溫。

5 結(jié) 語

由于該項(xiàng)目在工程前期康明斯KTA38-C型發(fā)動機(jī)因高寒氣候的影響拉缸、融頂?shù)裙收铣霈F(xiàn)較為頻繁，項(xiàng)目部聯(lián)合廠家專業(yè)技術(shù)人員在對其維修過程中進(jìn)行了改裝并增加了預(yù)熱裝置等措施后1臺發(fā)動機(jī)運(yùn)行約1 500 h出現(xiàn)了融頂、拉缸的故障，其他礦卡發(fā)動機(jī)經(jīng)改裝后運(yùn)行時(shí)間超過2 500 h，狀態(tài)良好，其中3臺發(fā)動機(jī)經(jīng)大修后改裝，目前運(yùn)行時(shí)間已超過5 000 h。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得知，在舊發(fā)動機(jī)上直接改裝，由于發(fā)動機(jī)受損，改裝后的運(yùn)行效果不太明顯；而大修后進(jìn)行改裝和增設(shè)預(yù)熱裝置，使發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行小時(shí)數(shù)大為增加；如果新設(shè)備在原廠進(jìn)行改裝和增設(shè)預(yù)熱裝置以適應(yīng)高寒氣候外界運(yùn)行環(huán)境，發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行周期必定會再加長。項(xiàng)目部相關(guān)部門正與廠家積極合作，設(shè)立了科研課題，目前合作進(jìn)展比較順利。KTA38-C型發(fā)動機(jī)在高寒氣候條件下出現(xiàn)的融頂、拉缸問題將得到徹底解決，必將大幅度提高設(shè)備的完好率和利用率，降低設(shè)備的運(yùn)營成本，保證項(xiàng)目生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

西藏地區(qū)礦藏資源豐富，地理環(huán)境獨(dú)特，平均海拔在4 000 m以上。隨著國家的大力開發(fā)，西藏地區(qū)的礦業(yè)開發(fā)將逐步深入，必將大量使用工

程機(jī)械，因此，研究高原氣候?qū)Πl(fā)動機(jī)的影響、促使發(fā)動機(jī)改型升級，對提升發(fā)動機(jī)在高原上的使用性能具有深遠(yuǎn)的意義。