钻机在高原高寒地带难启动的原因及对策

摘 要：该文分析了全液压钻机在高原高海拔高寒地区施工时柴油机启动困难的原因，提出了相应的应对措施，以及注意事项，并通过在海拔3700 m的祁连山脉施工验证了上述措施是可行可靠的。

关键词：全液压钻机 高原高寒带 柴油机 启动困难

中图分类号：TE28 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0075-02

近几年国家对地质勘查、能源普查力度的进一步加大，使得易于施工，施工条件比较好的项目都已勘探的差不多了，进而往难施工的地带（如高原高寒地带）进军，这样的施工条件对钻机是个严重的考验，尤其是动力系统。我公司销往核工业213大队的HQY-500全液压钻机就是在甘肃祁连山脉军马场地区施工，此地区海拔有3700 m，常年低温，空气稀薄，含氧量只有内地的60%，全液压钻机所配置的动力久保田柴油机就存在了启动困难的问题。

1 高原、高寒地区对钻机使用性能的影响

1.1 高原对钻机使用性能的影响

高海拔地区由于其特殊的地理环境，空气稀薄，单位体积中氧气含量大大低于平原低海拔地区，气温低，多风沙，多雷暴，紫外线照射强度高。这些恶劣条件容易造成发动机过热、启动困难，积炭严重，低速喘震，输出功率下降，工作效率低，给钻机使用带来困难，减少钻机的使用寿命。

1.2 高寒对钻机使用性能的影响

（1）发动机：全液压钻机的发动机在低温气候下使用时，燃油的蒸发性、燃烧性和低温流动性降低，给柴油机启动造成一定的困难；同时柴油机的功率消耗较大，机器工作效率降低。

（2）液压系统：由于低温使液压油变得很稠，驱动设备的泵、马达在冷机时难以形成润滑油膜，导致磨损加剧；由于液压油变得很稠，使得泵壳体内的回油不畅，回油压力增大，导致泵体轴头油封被冲，被迫停机修理，从而影响施工。

（3）由于低温因素的影响，导致施工机具设备的机件磨损加剧，燃料消耗量增大，制动可靠性下降，安全性降低。另外，液压软管、橡胶密封件及金属构件易发生冷脆性断裂。

2 恶劣环境下柴油机难于启动的原因分析

（1）高原地区冬季极限温度在-30 ℃左右，柴油机进气温度相应地要比常温下低20～50 ℃，因此，柴油机气缸内压缩终了时的空气温度达不到启动时的必需温度[1]，且气缸内压缩空气的压力也明显低于正常启动时所要求的压力，故柴油机难以启动。

（2）蓄电池的最佳工作温度在20～40 ℃范围，随着环境温度的降低，蓄电池的输出能力也相应地下降，表一列出不同环境温度下，蓄电池20 h放电率（%）输出情况。从表一可看出，随着环境温度的降低，蓄电池输出能力在-25 ℃时，只有额定输出的40%左右[2]。由于上述原因，导致柴油机启动系统功率下降，使柴油机启动转速低于启动必需的最低转速。

（3）低温时，润滑机油粘度加大，各摩擦副之间的阻力加大，使柴油机启动转速下降。

（4）高原地带空气中氧气的含量随着海拔高度的升高而降低，海拔高度每升高1000 m，大气压力下降9%，空气密度下降梯度为6%～10%，含氧量下降10%，可见海拔高度越高，空气含氧量越少，柴油机越难启动[3]。

（5）低温条件下，柴油粘度增加，表面张力加大，导致喷油的雾化质量变差，延长着火滞后期。

3 提高柴油机启动能力的主要措施

（1）采用低温性能好，结构形式与普通启动型不同的蓄电池。

（2）对蓄电池进行加热保温，保证蓄电池低温条件下正常充电且具有足够的电流输出。

（3）降低柴油机压缩终了时的混合燃气的燃点，采用乙醚冷启动。

在环境温度很低时，启动前，在柴油机进气歧管中喷入一定比例的乙醚，可有效改善启动性能，这是因为乙醚的燃点低，在3.2 Mpa压力下乙醚的燃点仅为57 ℃左右，所以柴油机不须达到原最低启动转速的要求，就能点火启动。

（4）选用低温性能好的润滑机油。

这类润滑机油低温时，粘度小，启动时，各摩擦副之间润滑好，启动阻力小，利于启动。柴油机油牌号的选用主要取决于机械设备使用时气温的高低，一般选用标准见如表2。

（5）加热柴油机的进气温度，提高柴油机在压缩终了时气缸内的气体温度。

常用办法是采用火焰进气预热方法（如图1）。该方法是在启动前，接通预热塞（燃烧器），十几秒钟后，预热塞炽热，丝温达到 900 ℃左右（该温度足以点燃柴油），启动柴油机时，由输油泵泵出柴油，经控制电磁阀进入喷头雾化，雾状柴油与空气混合后，形成易燃混合气，易燃混合气与炽热塞接触，立即燃烧，在进气管内，形成对进气的预热[4]。

（6）加强冷却系统的密封性，缩短其清洗周期。

由于高海拔地区气压低，水的沸点在82 ℃以下时节温器不能全部打开，水箱盖则因水箱内蒸气压力升高而开启，影响冷却水的循环，从而导致发动机、液压系统和传动系统的温度升高，影响设备的正常工作。为加大冷却水在冷却系统中的压力，减少冷却水的蒸发和沸腾外溢，要加强冷却系统的密封性。

4 注意事项

（1）为达到最佳启动效果，前述几种方式往往同时使用。但是，乙醚与进气火焰预热、乙醚与进气电阻加热不能同时使用，否则，火焰将点燃启动液混合气而发生爆炸，引起严重后果。

（2）高寒地区，采用进气火焰预热方式效果很好；高原缺氧地区，采用进气火焰预热要消耗一定量的氧气，这样一来，会剥分柴油机爆燃时所需氧的含量。因此，建议海拔较高的高原地区不要采用进气火焰预热方式。

（3）用乙醚启动液，在柴油机转动时喷射，效果最佳，启动液容器应远离高温热源，安装于阴凉通风处，禁止明火靠近，以防爆炸伤人。

（4）对蓄电池保温加热时，蓄电池技术状态要完好，且蓄电池电解液面高度，应控制在规定范围，过低会造成加热失控。endprint

（5）采用进气火焰预热系统时，预热时间也不能太长，以免损坏预热塞。

（6）严冬季节为防止柴油机冷却系统中冷却水结冻而造成散热器、气缸盖和气缸体的损坏，每日使用完毕停车时，应及时放尽冷却水，将水放出后须再启动柴油机并以低速运转2～3 min，使冷却系统内的水完全排出或蒸发掉[5]。放完水后，放水开关和散热器盖应处于开放位置。

（7）冬季外界气温较低，而液压油在工作时又具有一定的温度，所以要防止储油箱和管道内空气冷凝后产生的水分混入油中而降低液压油的质量。应注意选择适合低温条件下使用的工作油液，同时也要对系统采取保温措施，以保证系统的传动效率。

5 现场应用及效果

2013年10月中旬，用户在甘肃张掖山丹军马场采用HQY-500/600（A）全液压钻机进行施工，该施工地点海拔在3700 m以上，空气稀薄，晚上最低温度零下十几度，高原反应强烈。开始施工后，用户反应柴油机启动很困难，每天要花费一两小时的时间才能把柴油机启动，并且使用了不到两天，两个蓄电池竟然没电了。

经过我公司售后技术人员在现场讲解，钻机操作工才明白，并按上述方法对设备进行了高原适应性改造后，随后按本文叙述的方法进行启动，次次都很顺利，蓄电池也再没有出现过亏耗。在不到20 d的时间里，该用户成功进行了两个斜孔的施工，累计进尺400多 m，顺利完成该地区的今年施工任务，并产生了很大的经济效益。

至此经过柴油机启动理论研究及实际使用，进一次证实了在高原高寒地区施工，必须按照高原地区特点进行勘探设备的维护，必须摒弃原有的经验，重新学习，逐步掌握新设备在新地区施工特点，特别是动力系统的启动要领，就能达到事倍功半的效果；同时再一次证实了该钻机可以在高海拔高寒地区施工，可以适应复杂环境及工况的施工。

参考文献

[1] 查放，冯秀娟.极地工况下工程机械适应性因素探讨[J].工程机械，2010（4）：63-65+100.

[2] 关文煜，郭宏恩.柴油机启动困难的原因分析与解决办法[J].拖拉机与农用运输车，2008（3）：107+109.

[3] 任世刚，张传凡，曹培林.高原工程机械适应性技术研究[J].工程机械文摘，2005（3）：8-10.

[4] 罗诗伟，张联库.HQY-500全液压钻机的研制[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2011.38（3）：46-49.

[5] 久保田发动机（上海）有限公司服务部.发动机故障诊断·分析手册[M].上海，2012.endprint