高海拔高寒地區(qū)環(huán)境對(duì)采礦機(jī)械性能的影響及實(shí)際解決方案的研究

張新紅 華寧 鄭清啟

（新疆維吾爾自治區(qū)安全科學(xué)技術(shù)研究院 烏魯木齊 830000）

1 高寒高海拔礦山面對(duì)的氣候特征

1.1 低壓缺氧

氣壓與海拔關(guān)系密切。高原地區(qū)大氣壓降低，大氣中的含氧量和氧分壓降低，隨著海拔的增加，大氣壓力下降，空氣稀薄，空氣中含氧量也隨之減少。表1列出不同海拔高度大氣壓及含氧量的關(guān)系。

表1 不同海拔高度大氣壓及含氧量的關(guān)系

從表1看出，在5000m處的空氣含氧量?jī)H為海平面空氣含氧量的53%。

1.2 寒冷干燥

氣溫隨著海拔高度的升高而逐漸下降，一般每升高1000米，氣溫下降約6℃，有的地區(qū)甚至每升高150米可下降1℃。由于高原大氣壓低，水蒸氣壓亦低，空氣中水份隨著海拔高度的增加而遞減，故海拔愈高氣候愈干燥。

2 高寒高海拔對(duì)礦山設(shè)備性能影響分析

采礦設(shè)備按動(dòng)力分類主要有油動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)。高寒高海拔環(huán)境對(duì)油動(dòng)、氣動(dòng)影響更為明顯。

2.1 內(nèi)燃機(jī)的燃燒惡化、功率顯著下降，油耗增加，冷卻系統(tǒng)惡化

由于空氣密度隨海拔變化，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣充量減少，進(jìn)入氣缸的燃油得不到充分燃燒，使排煙變濃，排溫升高，導(dǎo)致功率下降，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，海拔每升高1000m，內(nèi)燃機(jī)出力平均下降9%-13%，油耗增加6%左右，增壓型柴油機(jī)則因空氣密度下降后渦輪增壓器的壓氣機(jī)葉輪負(fù)荷降低、轉(zhuǎn)速升高，補(bǔ)償進(jìn)氣不足，其功率下降約5%-8%，海拔每升高1000m，其使用壽命下降約1%-3%。由于高原空氣密度減少，海拔每升高1000m，重量風(fēng)量下降8%，實(shí)際上降低了風(fēng)扇的冷卻效果和冷卻水箱的散熱效果，排溫升高，零件熱負(fù)荷增加。

2.2 低氣壓對(duì)空氣壓縮機(jī)的影響

由于海拔高度的升高，大氣壓力降低使重量排氣量減少，其數(shù)值為海拔每升高1000m，平均減少11%-12%，而容積排氣量也隨海拔升高而減少，海拔每升高1000m，平均減少2%～3%。由此而造成隨著海拔高度的升高，壓縮機(jī)的排氣溫度增高。

2.3 低溫影響電機(jī)的起動(dòng)性能和橡膠制品的絕緣性能

由于采礦機(jī)械大多為柴油機(jī)，而大氣壓力低，進(jìn)氣不足，空氣經(jīng)壓縮后達(dá)不到柴油的燃點(diǎn)（196℃）；環(huán)境溫度低，進(jìn)一步降低了壓縮空氣的溫度，氣溫低使?jié)櫥矶仍龃蠡蚰虄鼋Y(jié)，引起靜態(tài)阻力矩增加，導(dǎo)致高海拔地區(qū)環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，除此之外當(dāng)潤(rùn)滑脂低溫凍結(jié)后，喪失潤(rùn)滑能力，起動(dòng)時(shí)與軸承磨擦發(fā)出尖哨聲，加速軸承磨損。

因低溫使硫酸電解液粘度增大，負(fù)極活性物質(zhì)早期鈍化，影響電解液在極板內(nèi)的擴(kuò)散速度，所以鉛蓄電池的容量及起動(dòng)放電性能隨溫度的降低而降低。氣溫每降低1度，蓄電池容量下降1%～1.5%，啟動(dòng)放電快，溫度越低，充電力越差。

橡膠密封件經(jīng)低溫試驗(yàn)表明，隨著溫度的下降，其硬度、扯斷強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率三項(xiàng)機(jī)械性能均表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)。據(jù)反映，在低溫下瀝青絕緣膠有開裂現(xiàn)象，到潮濕時(shí)影響絕緣性能，絕緣材料的機(jī)械性能有所降低，明顯變硬變脆。橡膠、丁苯基天然橡膠電纜護(hù)套在－30℃下易折、易剝裂。

3 礦山設(shè)備對(duì)高寒高海拔地區(qū)環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)及應(yīng)用

3.1 富氧進(jìn)氣技術(shù)

富氧進(jìn)氣技術(shù)是指在機(jī)車的進(jìn)氣系統(tǒng)中鏈入一套增氧調(diào)壓裝置，增加燃?xì)庵械暮趿?，提高空燃比，提高霧化質(zhì)量。該方案改變進(jìn)氣組分，可明顯提高采礦機(jī)械效率。

3.2 渦輪增壓技術(shù)

對(duì)非增壓柴油機(jī)增設(shè)增壓器以提高其充氣密度和充氣量，提高空氣過量系數(shù)，使缸內(nèi)燃油充分燃燒，達(dá)到恢復(fù)功率的目的。良好的高海拔地區(qū)環(huán)境功率恢復(fù)型增壓匹配可使柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性指標(biāo)大幅度提高。對(duì)增壓型柴油機(jī)在高海拔地區(qū)環(huán)境出現(xiàn)冒黑煙、功率下降時(shí)，可調(diào)整或降低供油量，根據(jù)充氣量匹配燃油量，以達(dá)到最佳油氣配合比。

3.3 低溫、低氣壓環(huán)境采用的啟動(dòng)技術(shù)

主要有以下措施提高柴油機(jī)械啟動(dòng)性能：（1）電預(yù)熱或柴油預(yù)熱（進(jìn)氣、潤(rùn)滑油、冷卻液預(yù)熱等）以提升缸內(nèi)溫度；（2）乙醚啟動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)置乙醚噴射裝置，用以改善啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低、溫度低的狀況；（3）采用高性能、免維護(hù)蓄電池并進(jìn)行保溫處理以增大蓄電池容量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速；（4）采用高性能柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)，增大啟動(dòng)機(jī)馬達(dá)的啟動(dòng)扭矩；（5）對(duì)液壓或液力傳動(dòng)機(jī)械增設(shè)啟動(dòng)離合器，啟動(dòng)時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)與其他部分脫開，以減少柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)的負(fù)擔(dān)。

3.4 電動(dòng)設(shè)備代替油動(dòng)設(shè)備

電動(dòng)設(shè)備在高海拔功率折減率要優(yōu)于油動(dòng)設(shè)備，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境污染小。

4 結(jié)論

綜上所述，高寒高海拔對(duì)采礦設(shè)備運(yùn)行效率有較大影響，如果不注重環(huán)境因素的影響，會(huì)增加使用成本，建議高寒高海拔礦山企業(yè)采取有針對(duì)性的技術(shù)措施，發(fā)揮設(shè)備最大功率，提高生產(chǎn)效率。