高海拔地区环境对工程机械性能的影响及实际应用解决方案的研究

谢 军， 陈 国 贵， 翟 翔 超

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 高海拔环境对工程机械性能的影响

1.1 对动力系统的影响

(1)由于大气压力低、空气的密度下降及含氧量减少，导致气缸内充气量减少、可燃混合气过浓、燃烧不完全并滞后，发动机冒黑烟现象严重，转速、扭矩下降，其动力性和经济性变差，热负荷增加。海拔每升高1 000 m，非增压型柴油机功率下降7%～12%，增压型柴油机则因空气密度下降后涡轮增压器的压气机叶轮负荷降低、转速升高，补偿部分进气不足，其功率下降约5%～8%。

(2)因进气不足、燃烧缓慢、缸内积聚了大量的热能，加之大气压力低、冷却液沸点降低、空气密度下降，冷却风扇带动的空气流量减少，导致散热能力下降、热负荷增加，发动机机体、缸盖、曲轴等长期处于高温状态而变形，各运动部件的配合间隙相应改变，发动机使用寿命缩短。海拔每升高1 000 m，其使用寿命下降约1%～3%。

(3)低气压环境、空气密度下降导致气缸充气量减少，压缩终点压力与温度降低，达不到柴油的燃点(196℃)，点火延迟期增长；机油粘度增大使启动阻力矩增大；蓄电池在低温环境下其充电接受能力、充电效率、容量等下降，内阻增加，启动放电性能降低导致柴油机低温启动困难。对于海拔4 000 m以上的地区，其柴油机的启动则需配合乙醚等辅助启动液启动，蓄电池的容量需相应增加，机油的油品等级亦需提高，导致设备的使用成本随之增加。

(4)高海拔地区植被较少，工作环境风沙较大，空气滤清器容易被污染，进气阻力上升快、除尘能力降低、空气滤清效率下降、使用寿命缩短，其清洁、更换的频率根据路面维护情况与当地植被情况而变化，海拔3 000 m以上地区随着海拔的升高、植被的减少，大约增加成本约1%～5%左右。

(5)由于进气不足、相对混合气过浓、燃烧室积碳严重及高温，导致喷油器柱塞因高温而卡滞并堵塞；活塞因高温而融顶、膨胀，改变了活塞、活塞环、气缸壁的配合间隙，最终导致拉缸的发生，柴油机的可靠性和使用寿命大大降低。在 海 拔2 000～3 000 m地区，对非增压型柴油机使用寿命影响较大，对增压型柴 油 机 影 响 较 小；海 拔3 000～4 000 m地区，相对于低海拔地区其使用寿命缩短约2%～5%；海拔4 000～5 000 m地区，相对于低海拔地区其使用寿命缩短约5%～8%。

(6)增压型柴油机的增压器与内燃机匹配运行曲线发生变化，空气密度降低、压气机效率降低、增压器超速；发动机低速喘振现象增加，转速提升缓慢，高速温升明显，扭矩特性变差。在海拔3 000～4 000 m地区，增压器因超速而导致其使用寿命缩短约1%～3%；海拔4 000～5 000 m地区，增压器因超速而磨损较严重，其使用寿命缩短约2%～5%。

(7)风冷式柴油机采用空气冷却，压缩比相对较低，在高海拔地区使用时由于其进气量和冷却风量均受空气密度下降影响将出现启动困难、功率下降严重、散热性变差、热负荷增高、大负荷可持续时间严重缩短等情况。在海拔4 000 m以上地区，因高温将频繁出现拉缸事故。

1.2 对液压系统的影响

(1)高海拔地区紫外线辐射强，对液压系统的橡胶管件、密封件等影响较大，紫外线能直接引起橡胶分子链的断裂和交联，同时，橡胶管件因吸收光能而产生游离基，进而引发并加速氧化链反应过程，导致橡胶管龟裂、渗漏油液，增加设备的维护成本并影响设备效率。

(2)高海拔地区环境温差较大，而液压系统是由高精密泵、阀类部件组成，受热胀冷缩现象发生卡滞而早期损坏，其液压系统更是因强紫外线以及温差较大影响而导致故障率增加；在海拔3 000～4 000 m地区，使用成本增加约1%～5%；在海拔4 000～5 000 m地区，约增加使用成本3%～8%。

1.3 对设备整机的影响

(1)一台设备由各系统总成件组成，其所有部件的连接以螺栓连接为主，受高海拔地区环境温差较大的影响，螺栓的预紧力发生改变，螺栓断裂、松脱现象频繁发生，其结构性随之改变，磨损加剧，安全性降低。

(2)高海拔地区环境温差较大，动力系统使用的机油、传动系统使用的齿轮油与传动油、液压系统使用的液压油、润滑系统使用的润滑油脂等需采用低温流动性好、高温抗磨性好的高等级油品，保养间隔时间相应缩短，其保养维护成本将提高约3%～10%。

(3)综合以上各方面的影响并进行分析，结合实测数据统计后的情况见表1。

表1 高海拔地区柴油机使用情况表

备注：因各地区的燃油价格、人工成本不一致，本统计表数据不包含燃油消耗以及人工成本。

2 工程机械对高海拔地区环境适应性技术及应用

2.1 增压技术

(1)对非增压柴油机增设增压器以提高其充气密度和充气量，提高空气过量系数，使缸内燃油充分燃烧，达到恢复功率的目的。良好的高海拔地区环境功率恢复型增压匹配可使柴油机动力性、经济性、可靠性指标完全恢复到基本型柴油机低海拔水平，且在某一海拔高度内保持基本衡定。

(2)对增压型柴油机在高海拔地区环境出现冒黑烟、功率下降时，可调整或降低供油量，根据充气量匹配燃油量，以达到最佳油气配给比，进而提高发动机的经济性及其使用寿命，但会损失一定的功率。为避免功率损失，可根据环境海拔高度、发动机参数重新匹配增压器，使其达到低海拔地区的进气量等使用条件，若设备需要转场，从高海拔地区到低海拔地区运行时，需将改装增压器卸下、换回原装增压器，避免发动机因充气过量而导致部件损坏。

2.2 中冷技术

增压型发动机运行时，其进气空气被压缩后，温度随压力同时升高，增压比大于2时充气温度达到120 ℃，导致柴油机热负荷大大增加。许多高海拔地区环境增压柴油机采用进气中冷的方式，在增压器和进气歧管之间增设中冷器，利用冷却水或散热器使充气温度降低、密度增大，可大幅度提高柴油机的功率，改善其经济性和热负荷。因此，中冷技术是提高柴油机功率、降低燃油消耗、改善热负荷、延长其使用寿命的有效措施。

2.3 热平衡技术

改善高海拔地区环境工程机械的热平衡状况主要采用的措施为：(1)增大散热器面积，采用密闭加压散热器以提高冷却液的沸点；(2)改进风扇叶面的几何参数，加大风扇转速；(3)改进散热介质和材料，采用铜质散热器。

2.4 低温、低气压环境采用的启动技术

高海拔地区环境发动机启动困难的原因：由于工程机械大多为柴油机，而大气压力低、进气不足、空气经压缩后达不到柴油的燃点(196 ℃)；环境温度低，进一步降低了压缩空气的温度；低温下蓄电池的充放电性能下降，启动时启动电流减小；机油粘稠度增加，发动机启动阻力矩增大。

针对影响高海拔地区环境启动的气压、气温、蓄电池性能、启动负荷4个因素，我们主要采取了以下措施：(1)电预热或柴油预热(进气、润滑油、冷却液预热等)以提升缸内温度；(2)乙醚启动，在发动机进气道设置乙醚喷射装置，用以改善启动时转速低、温度低的状况；(3)采用高性能、免维护蓄电池并进行保温处理以增大蓄电池容量，提升发动机启动转速；(4)采用高性能柴油机启动马达，增大启动机马达的启动扭矩；(5)对液压或液力传动机械增设启动离合器，启动时使发动机与其它部分脱开，以减少柴油机启动马达的负担。

3 高海拔地区环境下机械设备的选型

3.1 考虑设备对高海拔地区环境的适用性

要了解所选设备的适用工作条件(如海拔高度、空气含氧量、环境温度)、功率状况、压缩比、整机匹配性能和工作能力以及其经济性、耐用性和稳定性，金属材料是否采用耐低温材料等。应认真分析、比较各厂家的高海拔地区环境型设备，优先选用经过高海拔环境实地检验、性能状况优秀、获得国家有关部门认可和推荐的产品。此外，所选设备应操作轻便、保养简单易行，适合于高海拔地区环境的要求。

3.2 注重设备的可靠性

高海拔地区的工程面临环境恶劣、通讯不便等困难，人只能进行轻微的体力劳动，因此，较多的现场维修几乎不可能，故所选设备必须具有高可靠性和极低的故障率，同时要求设备生产厂家采用集中润滑系统，以减少因维修效率低而影响到设备的出勤率。

3.3 结合工程实际进行设备的选型

要结合各单位自身施工情况、使用环境、设备运用的具体情况选型，切忌东施效颦、盲目跟进。例如：所选设备要考虑高海拔环境下发动机功率下降引起的推、挖、装等液压设备出现铲土无力、动作缓慢；汽车爬坡困难、装载系数下降，致使设备降功率、降效率使用，避免小马拉大车现象的出现。

3.4 注意研究所选机械在现场使用的效果

施工前期，可先小批量上场试验，针对国内外施工单位高海拔环境型设备出现的问题，采取相应的调整措施，积累高海拔环境设备选型、使用和管理经验，避免造成全局设备选型上的失误。

3.5 重视密封件及橡胶产品质量

由于高海拔地区环境温度低、昼夜温差大、紫外线辐射强、密封件易低温老化、橡胶管件易龟裂漏油、轮胎在白天强紫外线辐射下其表面易产生裂纹，夜间气温较低，轮胎在低温下收缩而导致其表面变硬、变脆，磨损加剧，胎压升高，胎冠突出，磨损不均匀。因此，高海拔地区环境应用的工程机械必须采用耐低温、耐辐射的高品质橡胶件，以减少油、水、气路等方面的故障以及轮胎故障导致的行车安全。

4 结 语

综上所述，自然环境对于工程机械设备的运用效率有较大的影响，尤其是在高海拔地区。因此，在工程建设过程中，如果不注重高海拔地区环境因素对于机械的影响，将会使设备的使用成本严重上升，效率大打折扣。所以，相关的施工企业应正确认识和分析施工所在地区的环境因素并采取具有针对性的防护措施，使机械设备发挥出最大功效，进而提升施工效率，保证工程的顺利进行。