单 帅， 翟 翔 超， 程 先 才， 张 宗 涛

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

知不拉铜多金属矿采剥工程项目位于西藏拉萨墨竹工卡县，采区为冈底斯山脉与念青唐古拉山脉结合部位，其地势险峻，切割强烈，平均海拔在5 000 m以上，部分为冰川地貌。该项目运输矿卡TR100(90 t级)配置康明斯KTA38-C型发动机，在一般环境条件下该发动机经相关机构检测大修周期约为8 000 h。由于工程所处位置海拔高达5 000～5 600 m，大气压力相当于沿海地带的50%～55%,过低的大气压力导致发动机功率下降；同时，由于进气不足，燃烧不彻底，导致发动机高温而发生早期损坏等问题，严重影响了设备的生产效率。根据实际数据统计结果，因高寒气候引起KTA38-C型发动机拉缸和融顶的最短周期为88.9 h，最长周期为3 393.1 h，平均周期为1 785.6 h(图1)，在高寒气候条件下，发动机寿命大大缩短，致使其维护运营成本增加、设备利用率降低和生产成本增加。

2 高原气候的特点与相关数据

知不拉矿区沿河谷或剥蚀强烈区第四系发育，植被以高山草甸为主，有少量高山耐寒苔藓，植被简单，水系发育，以大气降水和冰雪融水供给。矿区属高原温带半干旱季风型气候，低温干燥、空气稀薄、日照充足、昼夜温差大，海拔为0 m 时，大气压力为101 kPa；海拔为5 000 m时，大气压力为54 kPa；海拔为5 500 m时，大气压力为50 kPa。年平均气温为0 ℃左右，极端最高气温为 28.3 ℃，极端最低气温为-35 ℃。10月底开始冰冻，翌年4～5月解冻，积雪厚度为10～60 cm，最大冻结深度可达40 m，其间干冷多风，为东南向季风，时有降雪，旱、雨季分明，年降水量为400 mm左右，多集中在6～9月且气候湿润，常有暴雨、雪、冰雹而造成山洪和泥石流突发，年蒸发量约2 000 mm。

3 高原低温气候对KTA38-C型发动机的影响

3.1 KTA38-C型发动机拉缸与融顶

在高寒地区,海拔高度每升高1 000 m、大气压力下降9%，空气中的密度下降梯度为6%～9%，含氧量下降10%，发动机由于进气不充分而在现场采用直喷发动机，喷进气缸内的燃油在压缩比一定的情况下发动机不能够充分燃烧，导致燃烧室产生积炭，发动机易产生爆燃而造成发动机燃烧室高温，热量不能及时随废气排出，活塞、活塞环及缸壁整体受高温而膨胀，缸壁的膨胀由于缸体的约束只能向内膨胀，活塞向外膨胀而挤压活塞环及油环，改变了配合间隙，活塞上的油环由于受膨胀挤压，缸壁上的机油不能形成正常的油膜，导致机油的冷却及润滑效能降低，活塞气环产生干摩擦后拉伤缸壁(称之为活塞拉缸)[1]。气压低、氧含量少造成单位时间内燃油消耗量增大，经济性能下降。

图1 活塞拉缸和融顶

3.2 涡轮部件和水箱故障

发动机运行过程中由于燃烧不充分，不仅会损坏并造成发动机产生拉缸、活塞融顶等非正常现象，同时亦会造成发动机功率下降，动力性能不达标。涡轮增压器由于空气密度较低、涡轮增压器进气侧切割阻力下降而导致涡轮叶片长期处于失速状态。目前国内外采用的涡轮增压器大部分为机油冷却，部分采用水冷，导致进气不充分，涡轮增压器排气侧出现高温，而高温气体将排气涡轮叶片烧蚀、出现麻点等现象，导致排放涡轮吸热，加剧了涡轮轴与轴套的磨损[2]。据统计分析结果：涡轮增压器在500 ℃左右出现暗红色，680 ℃左右涡轮增压器将会因高温损坏。在西藏高寒地区(海拔5 000 m)，由于空气密度低，水沸点为78 ℃～83 ℃而造成水箱频繁出现开锅(热水沸腾)导致水箱盖损坏、水箱散热板开裂；发动机机体高温造成机体膨胀，内部压力加大，导致水堵头频繁被冲出等高原易出现的故障。

3.3 发动机内部构件的磨损

海拔5 000～5 500 m、冬季气温为-25 ℃左右、极端最低气温为-35 ℃左右时对发动机启动性能的影响极大。低温导致柴油发动机的进气温度比夏季气候低28.3 ℃～63 ℃。因此，发动机的压缩终了气体温度为100 ℃～200 ℃左右，达不到启动条件(海拔5 500 m的位置柴油燃点为220 ℃，而压缩气体的温度应为150 ℃～250 ℃，发动机压缩气体的温度在220 ℃以上时才能够达到启动条件)，气缸内因长期处于高温状态，各密封组件的磨损加剧产生漏气，气缸内的密封性能逐步下降，压缩气体在下降到220 ℃以下时发动机将无法启动[3]。发动机长期处于高温、燃烧不充分状态会造成发动机各部件的变形损坏、气缸内积碳严重、机油散热器损坏、传感器失效等高原性故障。同时，发动机启动性能降低，驾驶员频繁启动设备造成启动马达损坏率比内地高90%左右。发动机启动后，在怠速运行预热时，其内部的机油黏度较大，曲轴在旋转过程中带动活塞上下运动，由于机油黏度较大而造成的活塞连杆机构磨损如下：①活塞、活塞环与气缸壁之间的磨损；②活塞连杆小头与曲轴轴瓦的磨损；③凸轮轴、进排气门过桥组件的磨损。气温低、昼夜温差大将会造成发动机和起动马达的使用寿命缩短。

3.4 橡胶部件的老化

高原春、夏季节的一般日照时间为早上6∶40～21∶00，比内地每年平均日照多12.5%。高原一年四季昼夜温差较大，一般为10 ℃～40 ℃左右，将会严重缩短发动机皮带、发电机皮带、水管等橡胶制品的使用寿命。

3.5 对蓄电池、启动马达的影响

高原气候温差较大会对螺栓及钢材的内部金相组织产生影响，导致渗碳体增加，钢材变脆，经常出现水箱支座螺栓断裂现象；温差较大亦会严重影响蓄电池的使用寿命。蓄电池的使用环境在10 ℃～25 ℃左右最为适宜。随着环境温度的降低，蓄电池电解液的密度将会增大，隔板的渗透能力下降，内阻增加，蓄电池的放电性能亦会下降[4]。同时,启动时电流较大，内阻增加而引起电压降增大，从而使端电压明显下降。导致蓄电池工作能力大大降低[5]。蓄电池在发动机启动过程中影响启动马达的转矩而造成启动马达磨损严重，马达内部的轴承、驱动齿损坏现象长期出现。

3.6 对空气滤芯的影响

该地区冬季气候较为干燥，灰尘量较大，对发动机的进气系统有严重影响，空气滤清器在矿山根据现场外界环境条件,外滤每3 d吹1次、吹6次报废。意味着18 d左右就需要更换一套空气滤清器。在高原，空气含尘密度在无风的情况下可超过15 g/m,比内地高出6～15倍左右,将会增加发动机的进气阻力,使发动机的功率进一步降低,增加空气滤清器保养的频率,缩短其使用寿命,增大成本,降低滤清器的效率,造成发动机早期磨损并缩短其使用寿命。

4 高寒气候下针对KTA38-C型柴油发动机采取的预防措施

4.1 改装机械增压器

机械式涡轮增压器价格较为便宜，体积小、安装方便，机械增压器配上适当的皮带轮安装在发动机进气系统侧，与发动机同步旋转,在其运行过程中,进气压力将提升至低海拔地区大气压力标准，发动机进气充足，燃烧充分，不会产生积碳，排气正常，发动机不会产生高温，故通过加装机械增压器，不仅改变了发动机的燃烧条件，而且还会增加发动机的动力性能，从而避免了发动机因进气不足、燃烧不充分而导致的排气出现高温，造成发动机高温活塞融顶、拉缸的现象，保护了涡轮增压器，增加了发动机的使用寿命和使用性能。

4.2 在发动机上加装预热装置

发动机长期处于低温启动将会导致机油黏度增加而造成发动机机油润滑最远位置的凸轮轴磨损严重。通过实施进气加热、发动机保温、空气滤清器清洁及更换周期缩减等措施解决低温冷启动的磨损问题， 亦可在发动机机架上加装一个齿轮泵和预热器对发动机的机油进行加热，加热后的机油通过油管输送到油底壳内而加快机油的循环和温度提升，从而保护发动机低温冷启动磨损，减少了凸轮轴、曲轴轴瓦与活塞连杆轴套、活塞、活塞环对气缸壁的磨损。

4.3 定期维护保养设备

结合现场施工环境，严格按照厂家规定对设备进行定期A级保养(10 h)、B级保养(250 h)、C级保养(2 000 h)、D级保养(4 000 h)。通过定期更换各种油料和滤芯对设备进行预防性保养，防止设备由于保养不到位而造成设备损害。采用洒水车每日降尘，定期吹空滤的方式保持空滤的清洁度，可以增加进气量，使发动机燃烧充分、排气不会出现高温。

5 结 语

由于该项目在工程前期康明斯KTA38-C型发动机因高寒气候的影响拉缸、融顶等故障出现较为频繁，项目部联合厂家专业技术人员在对其维修过程中进行了改装并增加了预热装置等措施后1台发动机运行约1 500 h出现了融顶、拉缸的故障，其他矿卡发动机经改装后运行时间超过2 500 h，状态良好，其中3台发动机经大修后改装，目前运行时间已超过5 000 h。对上述数据进行分析后得知，在旧发动机上直接改装，由于发动机受损，改装后的运行效果不太明显；而大修后进行改装和增设预热装置，使发动机正常运行小时数大为增加；如果新设备在原厂进行改装和增设预热装置以适应高寒气候外界运行环境，发动机的正常运行周期必定会再加长。项目部相关部门正与厂家积极合作，设立了科研课题，目前合作进展比较顺利。KTA38-C型发动机在高寒气候条件下出现的融顶、拉缸问题将得到彻底解决，必将大幅度提高设备的完好率和利用率，降低设备的运营成本，保证项目生产的正常进行。

西藏地区矿藏资源丰富，地理环境独特，平均海拔在4 000 m以上。随着国家的大力开发，西藏地区的矿业开发将逐步深入，必将大量使用工

程机械，因此，研究高原气候对发动机的影响、促使发动机改型升级，对提升发动机在高原上的使用性能具有深远的意义。