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合部位，其地勢險峻，切割強烈，平均海拔在5 000 m以上，部分為冰川地貌。該項目運輸?shù)V卡TR100(90 t級)配置康明斯KTA38-C型發(fā)動機，在一般環(huán)境條件下該發(fā)動機經(jīng)相關機構檢測大修周期約為8 000 h。由于工程所處位置海拔高達5 000～5 600 m，大氣壓力相當于沿海地帶的50%～55%,過低的大氣壓力導致發(fā)動機功率下降；同時，由于進氣不足，燃燒不徹底，導致發(fā)動機高溫而發(fā)生早期損壞等問題，嚴重影響了設備的生產(chǎn)效率。根據(jù)實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，因高寒氣候引起KTA38-C型發(fā)動機拉缸和融頂?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)動機壽命大大縮短，致使其維護運營成本增加、設備利用率降低和生產(chǎn)成本增加。

2 高原氣候的特點與相關數(shù)據(jù)

知不拉礦區(qū)沿河谷或剝蝕強烈區(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，大氣壓力為101 kPa；海拔為5 000 m時，大氣壓力為54 kPa；海拔為5 500 m時，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，最大凍結深度可達40 m，其間干冷多風，為東南向季風，時有降雪，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 高原低溫氣候對KTA38-C型發(fā)動機的影響

3.1 KTA38-C型發(fā)動機拉缸與融頂

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)動機由于進氣不充分而在現(xiàn)場采用直噴發(fā)動機，噴進氣缸內(nèi)的燃油在壓縮比一定的情況下發(fā)動機不能夠充分燃燒，導致燃燒室產(chǎn)生積炭，發(fā)動機易產(chǎn)生爆燃而造成發(fā)動機燃燒室高溫，熱量不能及時隨廢氣排出，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，缸壁上的機油不能形成正常的油膜，導致機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間內(nèi)燃油消耗量增大，經(jīng)濟性能下降。

圖1 活塞拉缸和融頂

3.2 渦輪部件和水箱故障

發(fā)動機運行過程中由于燃燒不充分，不僅會損壞并造成發(fā)動機產(chǎn)生拉缸、活塞融頂?shù)确钦，F(xiàn)象，同時亦會造成發(fā)動機功率下降，動力性能不達標。渦輪增壓器由于空氣密度較低、渦輪增壓器進氣側切割阻力下降而導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油冷卻，部分采用水冷，導致進氣不充分，渦輪增壓器排氣側出現(xiàn)高溫，而高溫氣體將排氣渦輪葉片燒蝕、出現(xiàn)麻點等現(xiàn)象，導致排放渦輪吸熱，加劇了渦輪軸與軸套的磨損[2]。據(jù)統(tǒng)計分析結果：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損壞。在西藏高寒地區(qū)(海拔5 000 m)，由于空氣密度低，水沸點為78 ℃～83 ℃而造成水箱頻繁出現(xiàn)開鍋(熱水沸騰)導致水箱蓋損壞、水箱散熱板開裂；發(fā)動機機體高溫造成機體膨脹，內(nèi)部壓力加大，導致水堵頭頻繁被沖出等高原易出現(xiàn)的故障。

3.3 發(fā)動機內(nèi)部構件的磨損

海拔5 000～5 500 m、冬季氣溫為-25 ℃左右、極端最低氣溫為-35 ℃左右時對發(fā)動機啟動性能的影響極大。低溫導致柴油發(fā)動機的進氣溫度比夏季氣候低28.3 ℃～63 ℃。因此，發(fā)動機的壓縮終了氣體溫度為100 ℃～200 ℃左右，達不到啟動條件(海拔5 500 m的位置柴油燃點為220 ℃，而壓縮氣體的溫度應為150 ℃～250 ℃，發(fā)動機壓縮氣體的溫度在220 ℃以上時才能夠達到啟動條件)，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 ℃以下時發(fā)動機將無法啟動[3]。發(fā)動機長期處于高溫、燃燒不充分狀態(tài)會造成發(fā)動機各部件的變形損壞、氣缸內(nèi)積碳嚴重、機油散熱器損壞、傳感器失效等高原性故障。同時，發(fā)動機啟動性能降低，駕駛員頻繁啟動設備造成啟動馬達損壞率比內(nèi)地高90%左右。發(fā)動機啟動后，在怠速運行預熱時，其內(nèi)部的機油黏度較大，曲軸在旋轉過程中帶動活塞上下運動，由于機油黏度較大而造成的活塞連桿機構磨損如下：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)動機和起動馬達的使用壽命縮短。

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，將會嚴重縮短發(fā)動機皮帶、發(fā)電機皮帶、水管等橡膠制品的使用壽命。

3.5 對蓄電池、啟動馬達的影響

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,啟動時電流較大，內(nèi)阻增加而引起電壓降增大，從而使端電壓明顯下降。導致蓄電池工作能力大大降低[5]。蓄電池在發(fā)動機啟動過程中影響啟動馬達的轉矩而造成啟動馬達磨損嚴重，馬達內(nèi)部的軸承、驅動齒損壞現(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)動機的進氣系統(tǒng)有嚴重影響，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)動機的進氣阻力,使發(fā)動機的功率進一步降低,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)動機采取的預防措施

4.1 改裝機械增壓器

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

4.2 在發(fā)動機上加裝預熱裝置

發(fā)動機長期處于低溫啟動將會導致機油黏度增加而造成發(fā)動機機油潤滑最遠位置的凸輪軸磨損嚴重。通過實施進氣加熱、發(fā)動機保溫、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)動機機架上加裝一個齒輪泵和預熱器對發(fā)動機的機油進行加熱，加熱后的機油通過油管輸送到油底殼內(nèi)而加快機油的循環(huán)和溫度提升，從而保護發(fā)動機低溫冷啟動磨損，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 定期維護保養(yǎng)設備

結合現(xiàn)場施工環(huán)境，嚴格按照廠家規(guī)定對設備進行定期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備進行預防性保養(yǎng)，防止設備由于保養(yǎng)不到位而造成設備損害。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，可以增加進氣量，使發(fā)動機燃燒充分、排氣不會出現(xiàn)高溫。

5 結 語

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

西藏地區(qū)礦藏資源豐富，地理環(huán)境獨特，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

程機械，因此，研究高原氣候對發(fā)動機的影響、促使發(fā)動機改型升級，對提升發(fā)動機在高原上的使用性能具有深遠的意義。