2.3 高原環境對工程機械的影響

2.3.1 受高原環境影響的工程機電設備及材料種類

（1）內燃機及以內燃機為動力的機械。①內燃機及燃氣輪機；②鏟土機械；③載重運輸車輛；④挖掘機械；⑤壓實、樁工、路面機械；⑥礦山機械；⑦工程起重機械；⑧鑿巖及氣動機械；⑨發電機組等。

（2）大型專用設備。隧道掘進機，大型渡槽、橋式倒虹吸施工成套設備，大型混凝土拌和機械等。

（3）電工產品。①各類電氣設備；②電控開關、繼電器等；③鉛蓄電池；④絕緣材料；⑤高壓電器；⑥通信電纜等。

（4）以空氣為介質的其他機械。①風機類；②空壓機；③鍋爐類。

（5）金屬材料及防護，非金屬材料及橡膠件、密封件、高壓軟管抗老化性，潤滑及傳動油料和黏溫性等。

2.3.2 高原環境對工程機電設備運行及可靠性的影響

2.3.2.1 對動力系統的影響

（1）氣缸內充氣量減少，過量空氣系數下降，可燃混合氣過濃，燃燒狀況惡化，后燃現象嚴重。柴油機動力性能和經濟性能變差，熱負荷增加。

（2）冷卻風扇重量流量減小，冷卻水沸點降低，導致散熱能力下降，熱負荷進一步增加。

（3）壓縮終點壓力與溫度下降。機油黏度增大，起動阻力矩增加，蓄電池容量降低，致使內燃機低溫起動困難。

（4）空氣濾清器濾清效率下降，進氣阻力上升快，儲塵能力降低，使用壽命縮短。

（5）廢氣中炭煙、未燃烴（HC）、CO、醛類等有害物排放量大大增加，NO_X含量略有下降，排氣煙度增大。

（6）燃燒室積炭嚴重，柴油機早期磨損，可靠性和壽命降低。

（7）增壓柴油機增壓器與內燃機匹配運行線發生變化，壓氣機效率降低，增壓器出現超速，低速喘振的趨勢增加，扭矩特性變差。

（8）風冷發動機由于進氣量和冷卻風量均受空氣密度下降的影響，功率下降，熱負荷升高的情況更加突出。

（9）非增壓柴油機工作特性變化。

1）海拔1000.00m以上，供油量不變的條件下，柴油機功率、扭矩幾乎與大氣壓成正比例下降，在低速范圍內下降趨勢略高于高速范圍，具體情況見表2.3-1。日本小松工程機械公司曾經作了海拔對多種工程機械發動機功率的影響試驗，試驗結果如表2.3-2。

2）特性最大扭矩點，最低油耗點轉速隨海拔高度增加向高速移動。柴油機的后備扭矩、扭矩適應性系數及速度系數均減小，柴油機穩定工作轉速范圍變窄，低轉速區油耗率上升較快。

3）隨海拔高度的增加，過量空氣系數減小，燃燒過程發生變化。壓縮終點壓力、溫度均下降，最佳噴油提前角增大，后燃期燃燒量增加，放出的熱量不能有效利用。耗油率、熱負荷增加，當海拔高度接近3000m時，過量空氣系數α＜1，動力的發揮受冒煙極限和熱負荷的限制，功率、扭矩與大氣壓力呈非線性關系下降，海拔愈高，下降幅度愈大，柴油機工作性能愈差，以致很難維持正常工作。

4）冷卻介質（水）沸點降低（見表2.3-3），冷卻水套散熱量減小，冷卻系沸騰空氣溫度下降，柴油機散熱能力下降。

（10）增壓柴油機工作特性的變化。

1）增壓柴油機動力性、經濟性下降規律為海拔在2500.00m以內時，海拔每升高1000.00m下降1%～2%，2500m以上海拔每升高1000m，下降3%～8%（見表2.3-4）。

2）隨著海拔高度增加，柴油機與增壓器匹配運行線向增壓器高轉速、高壓比方向移動，并逐漸向喘振線靠攏，低速大負荷狀態穿過喘振線的可能性增加，排氣溫度和增壓器轉速增加。

3）柴油機外特性最大扭矩點轉速與最低比油耗點轉速向高速方向移動，且變化程度較非增壓柴油機明顯。低速不穩定性增大，扭矩適應性變差。

4）當海拔接近3000.00m時，由于散熱能力下降，排氣溫度和熱負荷升高，使冷卻系統負荷與散熱能力嚴重不適應，渦輪進口溫度超溫，增壓器超速的程度增加，尤其不帶中冷器的柴油機更為嚴重。對于增壓柴油機而言，熱負荷增高和增壓器超速是限制高原最大功率發揮的主要因素。

5）在中、低速范圍內，扭矩下降速度比非增壓柴油機為快，扭矩特性顯著惡化，穩定工作范圍變窄，低轉速區油耗率迅速上升，煙度增加。

2.3.2.2 對整機性能的影響

（1）整機匹配性能和動力性能的變化。

1）以全程調速器的發動機與雙渦輪液力變矩器相匹配，在高原條件下，發動機外特性隨海拔升高而下降，使整機所有原設計匹配點的轉速和扭矩相應下降。在標準舉升載荷下，液壓系統對發動機產生的負荷是一個定值，不會因海拔高度的增加而發生很大變化，但由于高原環境條件的影響，液壓系統與發動機的匹配性能發生變化，動作時間隨海拔高度增加而趨向遲緩，以致于在海拔3000.00m左右進入不能有效舉升額定載荷的臨界狀態。高原條件下，整機動力輸送的新的工作點扭矩，轉速較原設計大大下降，扭矩的下降使機械力量不足，作業速度下降。扭矩、轉速下降的共同影響惡化了匹配性能，造成整機動力性、速度性、經濟性及生產效率的嚴重下降。

2）高原環境對工程機械性能的影響分液力傳動和機械傳動兩種類型，對液力傳動和機械傳動兩種類型的工程機械都有影響。

液力傳動型車輛，受發動機外特性下降和匹配失準的雙重影響，其牽引性能變化比較復雜、劇烈，表現為無力、發熱和油量消耗增大。

機械傳動型車輛，受發動機功率下降影響，機械性能下降，重載工況下，為強行滿足工作負荷，將發動機工作點壓向低速大扭矩方向，造成了同等運載條件下運行速度的嚴重下降和排放的極度惡化。

總之，以上兩種傳動方式的工程機械，發動機外特性受高原影響大，而調速特性受高原影響相對較小，所以，整機牽引性能嚴重下降。

（2）傳動系統熱平衡的變化。在高原地區，液力傳動型機械由于匹配性能惡化，除不能充分利用和發揮發動機最大功率外，傳力不足和低效傳動，使相當一部分功率內損而轉換為熱量。高原地區散熱能力差，作業油溫普遍增高，運行油溫經常超過規定值，所以，對高原工程機械的液力散熱系統需進行重點改造，使其具有較寬的環境溫度適應范圍（-30～40℃）和海拔高度適應范圍（海拔2000.00～5000.00m）。

（3）高原低溫啟動性能的變化。工程機械整機低溫冷啟動主要分為三個方面。

1）配套發動機的高原低溫起動性能。西線工程最低溫度一般在-24～-36℃，但起動是在低溫而缺氧條件下完成的。由于氣壓的下降，導致充氣量減少，使得壓縮終點的壓力和溫度降低，發動機著火延遲期增加，起動困難程度超過低海拔同一溫度。

2）起動蓄電池的低溫特性。蓄電池工作能量的下降也是影響起動性能的重要因素。一般蓄電池的標稱容量是以30℃放電10h的能量來確定的，當溫度低于30℃時，每降低1℃，電池容量降低1%～1.5%（緩慢放電時），在-30℃條件下，電池容量僅為30℃容量的40%。當所選用的蓄電池容量較小，而起動力矩大時，蓄電池劇烈放電，加速了單位時間內活性物質同硫酸的反應，蓄電池溫度增高，極板因過負荷而彎曲，活性物質大量脫落，極易造成早期損壞。

另外，低溫下充電能力下降，在正常情況下放電50%的蓄電池，經過6h充電可達額定容量，而在-10℃時，同樣放電程度的蓄電池只能充到60%的額定容量，且溫度愈低充電能力愈差。

3）整機各系統部件的起動隨動性能。對整機的起動來講，環境溫度對油液黏度的影響，使傳動系統各泵和矩器泵輪的負荷大為增加。強行起動，將造成諸多弊端：發動機缸內冷態磨損加劇；蓄電池放電強度大，壽命大為降低；低溫超負荷運行使起動機零部件多次承受冷態起動負荷，損壞率升高。