高海拔環(huán)境對(duì)施工機(jī)械降效影響探討

連子怡，譚一帆，陳 嘉

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

高海拔地區(qū)具有高寒、低壓、缺氧、紫外線(xiàn)強(qiáng)的氣候特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械施工效率存在較大影響。目前，在考慮高海拔環(huán)境對(duì)于施工機(jī)械效率的影響時(shí)，一般采用定額高程調(diào)整系數(shù)的方式體現(xiàn)。王朋基等[1]分析研究了高海拔地區(qū)對(duì)于人工效率及工程機(jī)械壽命、效率的影響。李明強(qiáng)等[2]通過(guò)研究分析不同海拔高度對(duì)于施工機(jī)械效率及機(jī)上人工的影響，確定了海拔高程分檔步距及相應(yīng)調(diào)整系數(shù)。調(diào)整系數(shù)概括性、操作性強(qiáng)，一定程度上解決了高海拔地區(qū)水利工程造價(jià)文件的編制問(wèn)題。

在實(shí)際工程中，由于油動(dòng)機(jī)械本質(zhì)是由汽柴油充分燃燒提供能量，電動(dòng)機(jī)械本質(zhì)是由電力驅(qū)動(dòng)，因此所有施工機(jī)械均采用同一個(gè)調(diào)整系數(shù)方案存在一定不合理性。為了合理確定工程投資，有必要針對(duì)高海拔環(huán)境對(duì)油動(dòng)和電動(dòng)兩種施工機(jī)械影響進(jìn)行比較研究，以利于高海拔地區(qū)工程施工機(jī)械的合理配備和機(jī)械升效。

1 高海拔地區(qū)特性

現(xiàn)行水利工程概算定額將海拔高程高于2 000 m的地區(qū)劃分為6個(gè)等級(jí)，每500 m作為一個(gè)定額分檔步距。高海拔地區(qū)主要具有低壓缺氧、寒冷干燥、太陽(yáng)輻射強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。

1.1 低壓缺氧

氣壓與海拔高度關(guān)系密切。高海拔地區(qū)低壓缺氧的主要原因是隨著海拔升高，空氣受地球引力作用減小，大氣壓力下降，空氣密度變小，空氣中含氧量也隨之減少。不同海拔高度環(huán)境大氣壓及含氧量分布情況如表1所示。

表1 不同海拔高度大氣壓及含氧量分布Tab.1 Distribution of atmospheric pressure and oxygen concentration at different altitudes

由表1可知，在海拔1 000～5 000 m范圍內(nèi)，海拔高程每升高1 000 m，年平均氣壓約減少10 kPa，含氧量約減少12%。西藏拉洛水利樞紐工程擋水建筑物壩頂高程4 305.00 m，大氣壓相當(dāng)于海平面氣壓的56%～60%，含氧量水平相當(dāng)于海平面的57%～61%。

1.2 寒冷干燥

氣溫隨著海拔高度升高而逐漸下降，一般每升高100 m，平均氣溫降低0.5～0.7 ℃。具體可參考式(1)進(jìn)行計(jì)算[4]：

(1)

式中：TZ為海拔高度為Z時(shí)的氣溫，K；T0為基準(zhǔn)氣溫，K；gt為氣溫梯度，0.5～0.7 ℃/100 m；▽Z為海拔高度Z處與相鄰氣象站或海拔高度之差，m。

高海拔地區(qū)濕度低、風(fēng)沙大，絕對(duì)濕度(每單位容積的氣體所含水分重量)隨海拔高度升高而降低。

1.3 太陽(yáng)輻射強(qiáng)

海拔高度的增加減少了大氣對(duì)于太陽(yáng)光的阻攔作用，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度會(huì)隨之增大。資料顯示，海拔5 000 m 時(shí)，太陽(yáng)最大輻射約為低海拔地區(qū)的1.25倍。與太陽(yáng)輻射照度相比，紫外線(xiàn)輻射照度受海拔影響更大，海拔3 000 m時(shí)就已經(jīng)達(dá)低海拔地區(qū)的2倍。

2 高海拔對(duì)油動(dòng)機(jī)械效率影響

2.1 對(duì)機(jī)械功率影響

通常來(lái)說(shuō)，高海拔環(huán)境的低氣壓和低含氧量對(duì)以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的施工機(jī)械影響顯著。內(nèi)燃機(jī)氣缸容積是固定的，大氣壓力與含氧量隨著海拔高度升高而減小，進(jìn)而每循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣量和含氧量減少，會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能顯著降低[5-8]。

隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，消防水源、道路數(shù)據(jù)增大，更新速度加快，依靠傳統(tǒng)的手繪地圖、臺(tái)賬資料難以實(shí)現(xiàn)消防救援隊(duì)高效、快速、準(zhǔn)確的滅火救援需求，利用定位技術(shù)可以通過(guò)在火情發(fā)生時(shí)快速定位著火位置、消火栓及道路,提升應(yīng)急救援能力,對(duì)于保障城市消防安全具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)針對(duì)高海拔地區(qū)內(nèi)燃機(jī)功率的修正和校核研究較為成熟。參考GB/T 6072.1-2008《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 性能 第1部分：功率、燃油消耗和機(jī)油消耗的標(biāo)定及試驗(yàn)方法 通用發(fā)動(dòng)機(jī)的附加要求》中第10條功率調(diào)整和燃料消耗率換算方法，可計(jì)算出不同海拔條件及氣溫條件下施工機(jī)械的有效功率和燃油消耗率。通過(guò)比較分析高海拔地區(qū)及平原地區(qū)相應(yīng)參數(shù)的區(qū)別，即可得出海拔高程對(duì)于油動(dòng)機(jī)械功率的影響。

2.2 對(duì)機(jī)上人工影響

高海拔環(huán)境造成的低壓缺氧及其他惡劣環(huán)境加重了機(jī)械操作工人的身體負(fù)擔(dān)，降低了機(jī)械工人的操作精度與準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響了機(jī)械的使用效率。

就一般群體在存(個(gè)體差異)而言，資料顯示：① 海拔在5 000 m以上時(shí)，人體動(dòng)脈血氧飽和度下降到正常情況的75%以下，人工效率降低90%；② 海拔在4 000～5 000 m之間時(shí)，人體動(dòng)脈血氧飽和度為正常情況的80%，人工效率降低75%；③ 海拔在3 000～4 000 m之間時(shí)，人體動(dòng)脈血氧飽和度為正常情況的88%，人工效率降低50%；④ 海拔在2 000～3 000 m之間時(shí)，人體動(dòng)脈血氧飽和度為正常情況的91%，人工效率降低25%[1]。

2.3 對(duì)機(jī)械油料影響

不論是作為動(dòng)力來(lái)源的液體燃料，還是保持機(jī)械性能的潤(rùn)滑、傳動(dòng)油料，在高海拔導(dǎo)致的低溫環(huán)境下，比在平原地區(qū)需要更低的凝點(diǎn)和冷濾點(diǎn)。柴油標(biāo)號(hào)標(biāo)注的是柴油凝點(diǎn)，冷濾點(diǎn)一般高于零點(diǎn)5 ℃。當(dāng)氣溫下降至冷濾點(diǎn)時(shí)，柴油中就會(huì)凝結(jié)出晶體，無(wú)法通過(guò)柴油濾清器，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

同時(shí)，高海拔地區(qū)晝夜溫差大的特性要求機(jī)械傳動(dòng)和潤(rùn)滑油料具有更高的粘度指數(shù)，即油料粘度隨溫度變化影響較小。

3 高海拔對(duì)電動(dòng)機(jī)械效率影響

對(duì)于以電力驅(qū)動(dòng)的施工機(jī)械，其機(jī)上人工及以傳動(dòng)油和潤(rùn)滑油為主的機(jī)械油料受到高海拔環(huán)境的影響與油動(dòng)機(jī)械類(lèi)似。但是，由于電氣設(shè)備自身特性，電動(dòng)機(jī)械與油動(dòng)機(jī)械間仍有部分差異。

3.1 對(duì)電機(jī)影響

(1) 低氣壓影響。低氣壓造成空氣密度減小，對(duì)熱換流能力和設(shè)備的整體熱容量也不斷減少。因此，對(duì)于依賴(lài)于自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)備而言，在高海拔環(huán)境下，需要更大的空氣流量以保持同樣的效果。一般來(lái)說(shuō)，海拔每升高100 m，設(shè)備溫升增加約0.4 K。GB/T 755-2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》中第6條規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件。即以海拔不超過(guò)1 000 m、環(huán)境溫度不超過(guò)40 ℃時(shí)的輸出額定功率為基準(zhǔn)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件不滿(mǎn)足該條件時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)修正。同時(shí)在高海拔低氣壓環(huán)境下，電機(jī)局部放電起始電壓和電暈起始電壓降低，加重了電暈腐蝕現(xiàn)象，增大了直流電機(jī)電刷的磨損。

(2) 低溫影響。雖然低溫對(duì)電機(jī)散熱有利，但對(duì)電機(jī)啟動(dòng)存在不利影響。氣溫過(guò)低會(huì)降低潤(rùn)滑脂稠度，進(jìn)而降低潤(rùn)滑能力，增大靜態(tài)阻力矩，加速軸承磨損。

3.2 對(duì)電氣設(shè)備影響

GB/T 20626.1-2017《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品》、GB/T 20645-2021《特殊環(huán)境條件高原用低壓電氣技術(shù)要求》中對(duì)于高海拔環(huán)境下電氣設(shè)備的影響進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并規(guī)定了相應(yīng)的修正系數(shù)。主要可概括為以下幾個(gè)方面。

(1) 電暈。電暈起始電壓降低會(huì)增加電能損耗，加速絕緣老化和金屬腐蝕現(xiàn)象。

(2) 滅弧性能。以自由空氣為滅弧介質(zhì)的開(kāi)關(guān)電器設(shè)備滅弧性能降低，降低通斷能力，縮短電壽命。

(3) 絕緣強(qiáng)度?？諝饨殡姀?qiáng)度、空氣冷卻效應(yīng)以及弧隙空氣介質(zhì)恢復(fù)能力降低，因而降低了設(shè)備空氣絕緣耐壓。

(4) 溫升。一方面，低壓增大設(shè)備散熱難度，溫升增加；另一方面，低溫可部分或全部補(bǔ)償?shù)蛪阂鸬脑O(shè)備溫升增加值，補(bǔ)償值視設(shè)備散熱特點(diǎn)和實(shí)際溫度而定。

(5) 外形和密封。低氣壓會(huì)增大器件腔體內(nèi)外壓力差，引起外觀變形、爆裂、氣體或液體泄露。

(6) 溫度抵抗能力。高海拔環(huán)境會(huì)加速設(shè)備絕緣老化、變形、保護(hù)層脫落。因此，如有防護(hù)設(shè)備，應(yīng)保證其防護(hù)要求；反之應(yīng)提高設(shè)備本身的防護(hù)能力。

(7) 輻射。海拔5 000 m的最大太陽(yáng)熱輻射是平原地區(qū)相應(yīng)值的1.25倍。熱輻射增加會(huì)加大戶(hù)外設(shè)備的溫升，降低材料絕緣性能。海拔3 000 m時(shí)，紫外線(xiàn)輻射已達(dá)到平原地區(qū)相應(yīng)值的2倍。紫外線(xiàn)會(huì)加速有機(jī)絕緣材質(zhì)老花，使空氣易于電離而導(dǎo)致外絕緣強(qiáng)度以及電暈起始電壓降低。

4 定額高程系數(shù)調(diào)整

現(xiàn)行水總〔2002〕116號(hào)文頒布的《水利建筑工程概算定額》已綜合考慮高海拔環(huán)境對(duì)油動(dòng)機(jī)械的功率、機(jī)上人工等各方面的影響，根據(jù)不同海拔高度制定了不同的調(diào)整系數(shù)?；诙~高程調(diào)整系數(shù)的確定原理，油動(dòng)機(jī)械可直接參照定額中的調(diào)整系數(shù)，詳見(jiàn)表2。

表2 高原地區(qū)定額調(diào)整系數(shù)Tab.2 Quota adjustment coefficient of plateau area

高海拔環(huán)境對(duì)于電動(dòng)機(jī)械的降效影響是多方面的，且隨機(jī)械冷卻方式和防護(hù)形式的不同存在差異，甚至影響設(shè)備的耐久性能。相比油動(dòng)機(jī)械，電動(dòng)機(jī)械受高原環(huán)境影響相對(duì)較小，因而在同等條件下，電動(dòng)機(jī)械的高程調(diào)整系數(shù)低于油動(dòng)機(jī)械。

在編制拉洛水利樞紐工程概算文件時(shí)，按定額相關(guān)規(guī)定，機(jī)械的高程調(diào)整系數(shù)應(yīng)為1.65；結(jié)合定額并針對(duì)高海拔環(huán)境對(duì)施工機(jī)械影響進(jìn)行研究，油動(dòng)機(jī)械高程調(diào)整系數(shù)仍為1.65，電動(dòng)機(jī)械高程調(diào)整系數(shù)調(diào)整為1.20。系數(shù)調(diào)整后工程總投資由511 663 萬(wàn)元調(diào)整為 495 320萬(wàn)元，投資減少16 343萬(wàn)元。

截至目前，該項(xiàng)目已大體完工，等待驗(yàn)收。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況，投資基本可控，高程調(diào)整系數(shù)的選定是基本合適的。

5 結(jié) 語(yǔ)

在研究?jī)煞N動(dòng)力機(jī)械海拔高程調(diào)整系數(shù)的過(guò)程中，受客觀條件限制，未能實(shí)地開(kāi)展高海拔地區(qū)施工機(jī)械的降效水平數(shù)據(jù)調(diào)查。如何結(jié)合高海拔地區(qū)水利工程實(shí)際施工降效情況，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論研究結(jié)合，使調(diào)整系數(shù)更加貼合工程實(shí)際，需要進(jìn)一步探究。