装载机适应高原环境的技术对策

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我国拥有世界上最辽阔的高原地域，面积约为270万km2,平均海拔2 000～4 500m。青藏高原是其中最具代表性的，平均海拔4 500m，其独特的气候特点：空气稀薄、气压低、含氧量少、昼夜温差大、低温动土、紫外线辐射强、风沙尘大、降雨少、气候干燥等。建设青藏铁路不紧要解决高原冻土区的铁路勘察、设计、工程建设问题，也需要解决施工装备在该地区的“高原病”。这些问题在世界上毫无先例，需要我们基于当今的科学技术水平，解放思想，不断创新，去攻克施工建设中的一道道技术难题。  
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    常林股份有限公司针对青藏高原特殊的环境，在2000年就将高原型工程机械列为技术攻关项目（被国家经贸委列为2000年度国家级技术创新项目）。经过广泛的调查研究、技术分析与设计开发、高原实验与改进验证，对装载机的高原适应性技术进行了一系列研究。  

    1动力系统  

    1.1高原环境的影响  

    1)随着海拔升高、大气压降低、空气密度减少，空气中的氧分量也减少，这对以内燃机为的动力的工程机械影响十分突出。实验表明，对自然吸气型内燃机，海拔每上升1 000m，其功率、扭矩下降8％～13％、油耗上升6％～9％、热强度增加2％～5％；当海拔达到4 000m时其功率降低45％左右。这是由于缸内充气量减小，散热性能下降，热负荷增加，燃烧不充分等原因所致，因此高原环境对发动机动力性能影响十分严重。  
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    2)高原地区气压低、含氧量少、昼夜温差大、寒冷季节长，使内燃机的压缩压力和温度随海拔升高而降低。实验结果表明，海拔每升高1 000m，内燃机压缩压力降低17％、温度下降23％，原机最低极限启动温度提高22℃左右，同时，辅助装置在高原使用时凡涉及点火、燃烧、耗氧性能均表现出不同程度的不适应性，尤其在低压缺氧条件下启动困难程度超过低海拔许多。  
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    3)高原地区多沙尘，空气中的含尘量是低海拔地区的5～15倍，它增加了进气阻力，使滤清效果下降，又由于空气中含氧量少，使发动机的燃烧性能迅速下降，不仅使功率下降，而且更加速了柴油机零部件的磨损，缩短了空滤器等部件的使用寿命。  

    1.2对策  
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    1)为充分保证装载机在高原环境下使用的可靠性和适应性，我们选择了上柴引进Cat3306B技术生产的C6121高原补偿增压发动机，配用进口增压器，在高海拔地区柴油机的功率降小于3％、烟度低于3.0，从而克服了高原环境下功率下降造成动力不足的问题。  
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    2)采用容量大、免维修的进口沃铁马固体电平，可在－40～65℃内正常工作；在发动机系统中增加一套乙醚助燃装置或作为选购件的水套预热装置，使装载机在高原地区－25℃正常启动。  
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    3)采用低吸气阻力的三级旋流大容量型空滤器，并在排气消音器上安装排气引射管实现自动排尘，解决了高原地区风沙尘大、易使空滤器堵塞而影响发动机动力性能的问题。  

8 z5 Y1 n, _- S% [) u    2散热系统  

    2.1高原环境的影响  
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+ s) x: o% z5 f8 o2 _! B/ u    1)对发动机而言，由于汽缸内空气减少，过量空气系数下降，燃烧状况不良，后燃现象严重，使发动机热负荷增加；由于空气重度降低，使冷却风扇质量流量减少；由于海拔升高，冷却水的沸点降低（青藏线水的沸点是78～85℃），这些均导致热散能力下降，热负荷进一步增强。  
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    2)对于传动系统而言，由于匹配性能趋于恶化，除不能充分利用和发挥发动机的最大功率外，还存在传力不足和低效传动，使部分功率因内损而转化为热能，造成整机作业温度超过规定值，影响正常工作。  
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    2.2  对策  

3 K1 u" _6 f* S9 C: a    1)采用加大型风扇并使风扇的线速度在合理范围内；采用加大散热面积的增加型水箱，保证低气压下有足够的散热面积。  

8 w# ?% i: e* Q( `/ \8 k) E    2)优化传动系统的匹配和液压管路系统布置，采用特殊的散热系统，使装载机具有适合的作业温度。  

" V2 u9 ^2 M3 k' w3 ?1 h3 S    3橡胶件与密封件  

6 P9 v& Q6 {1 `' }; E0 A4 O    3.1高原环境的影响  

2 P) ]% ^( ?$ M' I) u1 b    高原地区日照时间长、紫外线强烈、昼夜温差变化大，青藏线地区年平均气温为－27～－45℃，日平均气温在0℃以下达235～330d，这些环境使液压胶管加速龟裂，使橡胶件和封闭件加速老化。  

    3.2对策  

    转向系统、工作液压系统、制动系统等胶管采用德国汉莎——福莱克斯公司生产的产品，可耐低温－40℃，抗紫外线能力是一般胶管的8倍以上。油缸等关键部件的密封件采用进口件，保证低温环境使用的可靠性和耐用性。  
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    4驾驶室与人机工程  
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7 ^% H0 }+ T# G0 {1 q    高原地区缺养环境使驾驶员所能承受的最大劳动强度仅为平原地区的40%~60%，工作的持续性和耐久性更差，因为工作条件和健康安全措施显得更加重要，这主要体现在驾驶室的设计上。我们采用了密封性能良好、带冷暖空调具有防紫外线辐射功能的彩色玻璃，可滤去70%左右的紫外线，同时配置了吸氧装置，可保证在2L/min流量下持续吸氧4h，有效的保障了驾驶员的体力和安全。  
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    5其它  
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0 a, G- _! e- r: A, A, f. k    1)高原环境气温变化大，为防止低温水汽结冻而影响制动系统的可靠性，在保证整机具有良好性能价格比的前提下采取液顶液钳盘制动的行车制动系统，关键部件采用进口件，保证低温下的制动性能。  

0 f0 k  @- V+ `" t( i1 B; T' k    2)普通低压电气元件不能有效地适应高原低温环境，因此采用能满足－40℃低温工作要求的开关、接插件、电线保护套等元件，并对电机和电气元件适当加大容量。  
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) [7 `1 o" w: z% }2 `9 ^- d% @    3)合理选用适应于高原环境下的油料，它们具有闪点高、凝点低、粘温性能变化小，抗氧、抗腐、防锈、抗泡的特点，保证了在低温条件下具有良好的润滑性能和高温条件下具有较高的油膜强度；高原增压柴油机的润滑机油应兼有良好的低温分散性能。  
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1 I: v0 z& y! P, o4 j/ L    常林股份有限公司的ZLM50E——3G高原型装载机经国家高原工程机械权威检测机构——机械工业高原工程机械产品质量监督检测中心在青海公路海拔4 200m的西大滩和大坂山试验点进行了型式试验，检验结论：动力性、经济性、热平衡性能、排放性能、启动性能等各项性能指标达到了设计标准，满足海拔4 000~5 000m高原地区的使用要求。作为首创填补了国内外高原装载机产品的空白，将为青藏铁和西部大开发的建设作出贡献。