修機(jī)｜挖掘機(jī)在高海拔地區(qū)作業(yè)出現(xiàn)故障的原因及改進(jìn)方法

1. 故障現(xiàn)象

4 臺某型 80t 級液壓挖掘機(jī)在西藏自治區(qū)墨竹工卡縣某黃金礦區(qū)作業(yè) 4000h 后，其柴油機(jī)出現(xiàn)啟動困難、散熱系統(tǒng)高溫報(bào)警故障。因未及時(shí)停機(jī)，造成其柴油機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。

2. 原因分析

（1）直接原因

分析認(rèn)為，由于這 4 臺挖掘機(jī)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，造成高速運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)產(chǎn)生高溫、部分零件迅速磨損。柴油機(jī)零件磨損產(chǎn)生的金屬碎屑吸入機(jī)油泵，造成機(jī)油泵主調(diào)壓閥快速磨損、閥芯卡滯、機(jī)油壓力不足。由于柴油機(jī)出現(xiàn)機(jī)油壓力嚴(yán)重級別報(bào)警后未及時(shí)停機(jī)，造成主軸軸瓦異常磨損，導(dǎo)致柴油機(jī)氣門凸輪軸、噴油器凸輪軸等零部件嚴(yán)重?fù)p壞，如附圖所示。

（2）高海拔的影響

這 4 臺挖掘機(jī)在海拔高度為 5360m 的地區(qū)作業(yè)，而其配置的增壓柴油機(jī)是針對非高原環(huán)境設(shè)計(jì)的，需要對高原環(huán)境進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算該地區(qū)大氣壓力僅為 51.173kPa（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為 101.325kPa）。該海拔高度的空氣密度僅為海拔高度 0m 時(shí)的 0.53。該地區(qū)夏季環(huán)境溫度為30℃，冬季最低為 -40℃。根據(jù) GBT 20969·2-2007 的附錄 A 得知該地區(qū)水的沸點(diǎn)為 86.7℃。海拔高度每升高 1000m 增壓柴油機(jī)性能參數(shù)變化

情況如表 1 所示。海拔高度變化對柴油機(jī)功率的影響如表 2 所示。

（3）低溫的影響

這 4 臺挖掘機(jī)在海拔高度為 5360m 的地區(qū)作業(yè)，柴油機(jī)進(jìn)氣溫度比常溫低 20 ～ 60℃，因此柴油機(jī)汽缸壓縮終了時(shí)的空氣溫度也很低，達(dá)不到柴油機(jī)啟動時(shí)的必需溫度。

高海拔地區(qū)的低溫，造成柴油黏度增大、柴油凝結(jié)、析出蠟質(zhì)，導(dǎo)致進(jìn)油阻力增大、燃油管路堵塞；造成機(jī)油及變矩器油黏度增大、各摩擦副之間的摩擦阻力增大、摩擦功增加，導(dǎo)致柴油機(jī)啟動轉(zhuǎn)速下降、功率損耗增大；造成蓄電池輸出電流下降（在 -30℃氣溫時(shí)，蓄電池的輸出電流只能達(dá)到額定輸出電流的 34％左右），導(dǎo)致啟動機(jī)功率下降、柴油機(jī)啟動轉(zhuǎn)速低于所需轉(zhuǎn)速。

由 于 以 上 原 因， 這 4 臺 挖 掘 機(jī) 柴 油 機(jī) 在5360m 的高海拔地區(qū)作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生以下 5 項(xiàng)問題：一是柴油機(jī)功率下降、動力性下降、油耗升高、熱負(fù)荷升高；二是增壓器低速喘振風(fēng)險(xiǎn)增加，轉(zhuǎn)速和排溫升高；三是柴油機(jī)因環(huán)境溫度低，其啟動性能變差；四是柴油機(jī)進(jìn)氣量減少、進(jìn)氣阻力加大；五是柴油機(jī)增壓器存在高轉(zhuǎn)速功率損失小，低轉(zhuǎn)速功率損失大的特點(diǎn)。

3. 改進(jìn)方法

為了使該型挖掘機(jī)適應(yīng)海拔 5000m 的高原環(huán)境，我們對其柴油機(jī)進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，具體從 4 個(gè)方面改進(jìn)了設(shè)計(jì)，如下所述。

（1）改進(jìn)供油系統(tǒng)

使用高壓共軌柴油機(jī)高原補(bǔ)償電控程序（MAP），調(diào)整柴油機(jī)供油提前角、軌壓，以解決因高原環(huán)境氣壓降低造成柴油機(jī)點(diǎn)火時(shí)間延長問題；提高怠速轉(zhuǎn)速，避免柴油機(jī)熄火，降低柴油機(jī)低速動力要求；增加電子輸油泵，以保證持續(xù)供油，將回油壓力保持在供油泵許可的壓力范圍之內(nèi)；增加燃油冷卻器，保證進(jìn)油溫度在柴油機(jī)許可的溫度范圍之內(nèi)。

（2）改進(jìn)進(jìn)排氣系統(tǒng)

采用裝有放氣閥的小渦殼增壓器，保證柴油機(jī)低速扭矩及加速性能；選用大規(guī)格增壓器，提高其轉(zhuǎn)速和溫度的儲備量；采用加大型空濾器。降低柴油機(jī)進(jìn)氣壓力損失。

（3）改進(jìn)冷卻系統(tǒng)

增加風(fēng)扇直徑和轉(zhuǎn)速，保證冷卻風(fēng)量；將水散熱器蓋開啟壓力調(diào)整到≥ 70kPa，以適應(yīng)低氣壓需要；加注符合要求的冷卻液；加大散熱器散熱面積，選用不容易堵塞的翅片式散熱器，以適應(yīng)高原地區(qū)風(fēng)沙較大的環(huán)境。

（4）改進(jìn)低溫啟動性能

選用低溫啟動性能良好的啟動機(jī)；選配進(jìn)氣預(yù)熱裝置；添加具備循環(huán)功能的電加熱裝置對冷卻液循環(huán)預(yù)熱；在油水分離器與輸油泵之間增設(shè)帶電加熱的燃油粗濾器，預(yù)熱燃油；選用大于195A 的寒區(qū)專用蓄電池，同時(shí)配置蓄電池加熱裝置；更換適應(yīng) -40℃氣溫的機(jī)油和燃油；通過低溫啟動試驗(yàn)，對柴油機(jī)冷啟動指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化；配備機(jī)油預(yù)熱裝置。

4. 改進(jìn)效果

該型 80t 級液壓挖掘機(jī)柴油機(jī)經(jīng)上述改進(jìn)后，在 5000m 海拔高度進(jìn)行測試，其結(jié)果如下：柴油機(jī)功率比標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下降≤ 14%，最大牽引力、提升力、挖掘力、回轉(zhuǎn)力比標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下降≤ 5%；各擋最高車速、工作裝置動作時(shí)間、回轉(zhuǎn)速度、振動頻率比標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下降≤ 8%；燃油消耗率上升≤ 10%；渦輪增壓器前端排溫許用值≤ 750℃；渦輪增壓器未超過許用最高轉(zhuǎn)速；冷卻液溫度保持在 70~100℃；機(jī)油溫度保持在80~120℃；液力油溫度保持在 60~120℃；液壓油溫度保持在 60~100℃（以上各項(xiàng)溫度值均指正常工作 2 h 或高速運(yùn)行 30min 以后的平衡溫度值）。

改進(jìn)后的該型挖掘機(jī)批量進(jìn)入了西藏海拔5360m 的金礦，經(jīng)過 1 年多的使用，再未出現(xiàn)上述故障，驗(yàn)證了改進(jìn)后柴油機(jī)和整機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)符合 5000m 高海拔地區(qū)施工要求，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的。

作者：石巖

來源：《工程機(jī)械與維修》2018年第二期