高海拔高寒地区环境对采矿机械性能的影响及实际解决方案的研究

2019-04-30张新红华宁郑清启

新疆有色金属 2019年1期

关键词：含氧量海拔高度海拔

张新红华宁郑清启

（新疆维吾尔自治区安全科学技术研究院乌鲁木齐 830000）

1 高寒高海拔矿山面对的气候特征

1.1 低压缺氧

气压与海拔关系密切。高原地区大气压降低，大气中的含氧量和氧分压降低，随着海拔的增加，大气压力下降，空气稀薄，空气中含氧量也随之减少。表1列出不同海拔高度大气压及含氧量的关系。

表1 不同海拔高度大气压及含氧量的关系

从表1看出，在5000m处的空气含氧量仅为海平面空气含氧量的53%。

1.2 寒冷干燥

气温随着海拔高度的升高而逐渐下降，一般每升高1000米，气温下降约6℃，有的地区甚至每升高150米可下降1℃。由于高原大气压低，水蒸气压亦低，空气中水份随着海拔高度的增加而递减，故海拔愈高气候愈干燥。

2 高寒高海拔对矿山设备性能影响分析

采矿设备按动力分类主要有油动、气动、电动。高寒高海拔环境对油动、气动影响更为明显。

2.1 内燃机的燃烧恶化、功率显著下降，油耗增加，冷却系统恶化

由于空气密度随海拔变化，进入发动机气缸的空气充量减少，进入气缸的燃油得不到充分燃烧，使排烟变浓，排温升高，导致功率下降，经济指标变坏。根据现场测试表明，海拔每升高1000m，内燃机出力平均下降9%-13%，油耗增加6%左右，增压型柴油机则因空气密度下降后涡轮增压器的压气机叶轮负荷降低、转速升高，补偿进气不足，其功率下降约5%-8%，海拔每升高1000m，其使用寿命下降约1%-3%。由于高原空气密度减少，海拔每升高1000m，重量风量下降8%，实际上降低了风扇的冷却效果和冷却水箱的散热效果，排温升高，零件热负荷增加。

2.2 低气压对空气压缩机的影响

由于海拔高度的升高，大气压力降低使重量排气量减少，其数值为海拔每升高1000m，平均减少11%-12%，而容积排气量也随海拔升高而减少，海拔每升高1000m，平均减少2%～3%。由此而造成随着海拔高度的升高，压缩机的排气温度增高。

2.3 低温影响电机的起动性能和橡胶制品的绝缘性能

由于采矿机械大多为柴油机，而大气压力低，进气不足，空气经压缩后达不到柴油的燃点（196℃）；环境温度低，进一步降低了压缩空气的温度，气温低使润滑脂稠度增大或凝固冻结，引起静态阻力矩增加，导致高海拔地区环境发动机启动困难，除此之外当润滑脂低温冻结后，丧失润滑能力，起动时与轴承磨擦发出尖哨声，加速轴承磨损。

因低温使硫酸电解液粘度增大，负极活性物质早期钝化，影响电解液在极板内的扩散速度，所以铅蓄电池的容量及起动放电性能随温度的降低而降低。气温每降低1度，蓄电池容量下降1%～1.5%，启动放电快，温度越低，充电力越差。

橡胶密封件经低温试验表明，随着温度的下降，其硬度、扯断强度及伸长率三项机械性能均表现出不同程度的下降趋势。据反映，在低温下沥青绝缘胶有开裂现象，到潮湿时影响绝缘性能，绝缘材料的机械性能有所降低，明显变硬变脆。橡胶、丁苯基天然橡胶电缆护套在－30℃下易折、易剥裂。

3 矿山设备对高寒高海拔地区环境适应性技术及应用

3.1 富氧进气技术

富氧进气技术是指在机车的进气系统中链入一套增氧调压装置，增加燃气中的含氧量，提高空燃比，提高雾化质量。该方案改变进气组分，可明显提高采矿机械效率。

3.2 涡轮增压技术

对非增压柴油机增设增压器以提高其充气密度和充气量，提高空气过量系数，使缸内燃油充分燃烧，达到恢复功率的目的。良好的高海拔地区环境功率恢复型增压匹配可使柴油机动力性、经济性、可靠性指标大幅度提高。对增压型柴油机在高海拔地区环境出现冒黑烟、功率下降时，可调整或降低供油量，根据充气量匹配燃油量，以达到最佳油气配合比。

3.3 低温、低气压环境采用的启动技术

主要有以下措施提高柴油机械启动性能：（1）电预热或柴油预热（进气、润滑油、冷却液预热等）以提升缸内温度；（2）乙醚启动，在发动机进气道设置乙醚喷射装置，用以改善启动时转速低、温度低的状况；（3）采用高性能、免维护蓄电池并进行保温处理以增大蓄电池容量，提升发动机启动转速；（4）采用高性能柴油机启动马达，增大启动机马达的启动扭矩；（5）对液压或液力传动机械增设启动离合器，启动时使发动机与其他部分脱开，以减少柴油机启动马达的负担。