2.3 高原环境对工程机械的影响

2.3.1 受高原环境影响的工程机电设备及材料种类

（1）内燃机及以内燃机为动力的机械。①内燃机及燃气轮机；②铲土机械；③载重运输车辆；④挖掘机械；⑤压实、桩工、路面机械；⑥矿山机械；⑦工程起重机械；⑧凿岩及气动机械；⑨发电机组等。

（2）大型专用设备。隧道掘进机，大型渡槽、桥式倒虹吸施工成套设备，大型混凝土拌和机械等。

（3）电工产品。①各类电气设备；②电控开关、继电器等；③铅蓄电池；④绝缘材料；⑤高压电器；⑥通信电缆等。

（4）以空气为介质的其他机械。①风机类；②空压机；③锅炉类。

（5）金属材料及防护，非金属材料及橡胶件、密封件、高压软管抗老化性，润滑及传动油料和黏温性等。

2.3.2 高原环境对工程机电设备运行及可靠性的影响

2.3.2.1 对动力系统的影响

（1）气缸内充气量减少，过量空气系数下降，可燃混合气过浓，燃烧状况恶化，后燃现象严重。柴油机动力性能和经济性能变差，热负荷增加。

（2）冷却风扇重量流量减小，冷却水沸点降低，导致散热能力下降，热负荷进一步增加。

（3）压缩终点压力与温度下降。机油黏度增大，起动阻力矩增加，蓄电池容量降低，致使内燃机低温起动困难。

（4）空气滤清器滤清效率下降，进气阻力上升快，储尘能力降低，使用寿命缩短。

（5）废气中炭烟、未燃烃（HC）、CO、醛类等有害物排放量大大增加，NO_X含量略有下降，排气烟度增大。

（6）燃烧室积炭严重，柴油机早期磨损，可靠性和寿命降低。

（7）增压柴油机增压器与内燃机匹配运行线发生变化，压气机效率降低，增压器出现超速，低速喘振的趋势增加，扭矩特性变差。

（8）风冷发动机由于进气量和冷却风量均受空气密度下降的影响，功率下降，热负荷升高的情况更加突出。

（9）非增压柴油机工作特性变化。

1）海拔1000.00m以上，供油量不变的条件下，柴油机功率、扭矩几乎与大气压成正比例下降，在低速范围内下降趋势略高于高速范围，具体情况见表2.3-1。日本小松工程机械公司曾经作了海拔对多种工程机械发动机功率的影响试验，试验结果如表2.3-2。

2）特性最大扭矩点，最低油耗点转速随海拔高度增加向高速移动。柴油机的后备扭矩、扭矩适应性系数及速度系数均减小，柴油机稳定工作转速范围变窄，低转速区油耗率上升较快。

3）随海拔高度的增加，过量空气系数减小，燃烧过程发生变化。压缩终点压力、温度均下降，最佳喷油提前角增大，后燃期燃烧量增加，放出的热量不能有效利用。耗油率、热负荷增加，当海拔高度接近3000m时，过量空气系数α＜1，动力的发挥受冒烟极限和热负荷的限制，功率、扭矩与大气压力呈非线性关系下降，海拔愈高，下降幅度愈大，柴油机工作性能愈差，以致很难维持正常工作。

4）冷却介质（水）沸点降低（见表2.3-3），冷却水套散热量减小，冷却系沸腾空气温度下降，柴油机散热能力下降。

（10）增压柴油机工作特性的变化。

1）增压柴油机动力性、经济性下降规律为海拔在2500.00m以内时，海拔每升高1000.00m下降1%～2%，2500m以上海拔每升高1000m，下降3%～8%（见表2.3-4）。

2）随着海拔高度增加，柴油机与增压器匹配运行线向增压器高转速、高压比方向移动，并逐渐向喘振线靠拢，低速大负荷状态穿过喘振线的可能性增加，排气温度和增压器转速增加。

3）柴油机外特性最大扭矩点转速与最低比油耗点转速向高速方向移动，且变化程度较非增压柴油机明显。低速不稳定性增大，扭矩适应性变差。

4）当海拔接近3000.00m时，由于散热能力下降，排气温度和热负荷升高，使冷却系统负荷与散热能力严重不适应，涡轮进口温度超温，增压器超速的程度增加，尤其不带中冷器的柴油机更为严重。对于增压柴油机而言，热负荷增高和增压器超速是限制高原最大功率发挥的主要因素。

5）在中、低速范围内，扭矩下降速度比非增压柴油机为快，扭矩特性显著恶化，稳定工作范围变窄，低转速区油耗率迅速上升，烟度增加。

2.3.2.2 对整机性能的影响

（1）整机匹配性能和动力性能的变化。

1）以全程调速器的发动机与双涡轮液力变矩器相匹配，在高原条件下，发动机外特性随海拔升高而下降，使整机所有原设计匹配点的转速和扭矩相应下降。在标准举升载荷下，液压系统对发动机产生的负荷是一个定值，不会因海拔高度的增加而发生很大变化，但由于高原环境条件的影响，液压系统与发动机的匹配性能发生变化，动作时间随海拔高度增加而趋向迟缓，以致于在海拔3000.00m左右进入不能有效举升额定载荷的临界状态。高原条件下，整机动力输送的新的工作点扭矩，转速较原设计大大下降，扭矩的下降使机械力量不足，作业速度下降。扭矩、转速下降的共同影响恶化了匹配性能，造成整机动力性、速度性、经济性及生产效率的严重下降。

2）高原环境对工程机械性能的影响分液力传动和机械传动两种类型，对液力传动和机械传动两种类型的工程机械都有影响。

液力传动型车辆，受发动机外特性下降和匹配失准的双重影响，其牵引性能变化比较复杂、剧烈，表现为无力、发热和油量消耗增大。

机械传动型车辆，受发动机功率下降影响，机械性能下降，重载工况下，为强行满足工作负荷，将发动机工作点压向低速大扭矩方向，造成了同等运载条件下运行速度的严重下降和排放的极度恶化。

总之，以上两种传动方式的工程机械，发动机外特性受高原影响大，而调速特性受高原影响相对较小，所以，整机牵引性能严重下降。

（2）传动系统热平衡的变化。在高原地区，液力传动型机械由于匹配性能恶化，除不能充分利用和发挥发动机最大功率外，传力不足和低效传动，使相当一部分功率内损而转换为热量。高原地区散热能力差，作业油温普遍增高，运行油温经常超过规定值，所以，对高原工程机械的液力散热系统需进行重点改造，使其具有较宽的环境温度适应范围（-30～40℃）和海拔高度适应范围（海拔2000.00～5000.00m）。

（3）高原低温启动性能的变化。工程机械整机低温冷启动主要分为三个方面。

1）配套发动机的高原低温起动性能。西线工程最低温度一般在-24～-36℃，但起动是在低温而缺氧条件下完成的。由于气压的下降，导致充气量减少，使得压缩终点的压力和温度降低，发动机着火延迟期增加，起动困难程度超过低海拔同一温度。

2）起动蓄电池的低温特性。蓄电池工作能量的下降也是影响起动性能的重要因素。一般蓄电池的标称容量是以30℃放电10h的能量来确定的，当温度低于30℃时，每降低1℃，电池容量降低1%～1.5%（缓慢放电时），在-30℃条件下，电池容量仅为30℃容量的40%。当所选用的蓄电池容量较小，而起动力矩大时，蓄电池剧烈放电，加速了单位时间内活性物质同硫酸的反应，蓄电池温度增高，极板因过负荷而弯曲，活性物质大量脱落，极易造成早期损坏。

另外，低温下充电能力下降，在正常情况下放电50%的蓄电池，经过6h充电可达额定容量，而在-10℃时，同样放电程度的蓄电池只能充到60%的额定容量，且温度愈低充电能力愈差。

3）整机各系统部件的起动随动性能。对整机的起动来讲，环境温度对油液黏度的影响，使传动系统各泵和矩器泵轮的负荷大为增加。强行起动，将造成诸多弊端：发动机缸内冷态磨损加剧；蓄电池放电强度大，寿命大为降低；低温超负荷运行使起动机零部件多次承受冷态起动负荷，损坏率升高。