1. 故障現(xiàn)象
4 臺某型 80t 級液壓挖掘機在西藏自治區(qū)墨竹工卡縣某黃金礦區(qū)作業(yè) 4000h 后，其柴油機出現(xiàn)啟動困難、散熱系統(tǒng)高溫報警故障。因未及時停機，造成其柴油機嚴重損壞。
2. 原因分析
（1）直接原因
分析認為，由于這 4 臺挖掘機柴油機冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，造成高速運轉的柴油機產生高溫、部分零件迅速磨損。柴油機零件磨損產生的金屬碎屑吸入機油泵，造成機油泵主調壓閥快速磨損、閥芯卡滯、機油壓力不足。由于柴油機出現(xiàn)機油壓力嚴重級別報警后未及時停機，造成主軸軸瓦異常磨損，導致柴油機氣門凸輪軸、噴油器凸輪軸等零部件嚴重損壞，如附圖所示。
（2）高海拔的影響
這 4 臺挖掘機在海拔高度為 5360m 的地區(qū)作業(yè)，而其配置的增壓柴油機是針對非高原環(huán)境設計的，需要對高原環(huán)境進行分析。經計算該地區(qū)大氣壓力僅為 51.173kPa（標準大氣壓力為 101.325kPa）。該海拔高度的空氣密度僅為海拔高度 0m 時的 0.53。該地區(qū)夏季環(huán)境溫度為30℃，冬季最低為 -40℃。根據 GBT 20969·2-2007 的附錄 A 得知該地區(qū)水的沸點為 86.7℃。海拔高度每升高 1000m 增壓柴油機性能參數(shù)變化
情況如表 1 所示。海拔高度變化對柴油機功率的影響如表 2 所示。
（3）低溫的影響
這 4 臺挖掘機在海拔高度為 5360m 的地區(qū)作業(yè)，柴油機進氣溫度比常溫低 20 ～ 60℃，因此柴油機汽缸壓縮終了時的空氣溫度也很低，達不到柴油機啟動時的必需溫度。
高海拔地區(qū)的低溫，造成柴油黏度增大、柴油凝結、析出蠟質，導致進油阻力增大、燃油管路堵塞；造成機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，導致柴油機啟動轉速下降、功率損耗增大；造成蓄電池輸出電流下降（在 -30℃氣溫時，蓄電池的輸出電流只能達到額定輸出電流的 34％左右），導致啟動機功率下降、柴油機啟動轉速低于所需轉速。
由 于 以 上 原 因， 這 4 臺 挖 掘 機 柴 油 機 在5360m 的高海拔地區(qū)作業(yè)時，產生以下 5 項問題：一是柴油機功率下降、動力性下降、油耗升高、熱負荷升高；二是增壓器低速喘振風險增加，轉速和排溫升高；三是柴油機因環(huán)境溫度低，其啟動性能變差；四是柴油機進氣量減少、進氣阻力加大；五是柴油機增壓器存在高轉速功率損失小，低轉速功率損失大的特點。
3. 改進方法
為了使該型挖掘機適應海拔 5000m 的高原環(huán)境，我們對其柴油機進行了適應性改進，具體從 4 個方面改進了設計，如下所述。
（1）改進供油系統(tǒng)
使用高壓共軌柴油機高原補償電控程序（MAP），調整柴油機供油提前角、軌壓，以解決因高原環(huán)境氣壓降低造成柴油機點火時間延長問題；提高怠速轉速，避免柴油機熄火，降低柴油機低速動力要求；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；增加燃油冷卻器，保證進油溫度在柴油機許可的溫度范圍之內。
（2）改進進排氣系統(tǒng)
采用裝有放氣閥的小渦殼增壓器，保證柴油機低速扭矩及加速性能；選用大規(guī)格增壓器，提高其轉速和溫度的儲備量；采用加大型空濾器。降低柴油機進氣壓力損失。
（3）改進冷卻系統(tǒng)
增加風扇直徑和轉速，保證冷卻風量；將水散熱器蓋開啟壓力調整到≥ 70kPa，以適應低氣壓需要；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，以適應高原地區(qū)風沙較大的環(huán)境。
（4）改進低溫啟動性能
選用低溫啟動性能良好的啟動機；選配進氣預熱裝置；添加具備循環(huán)功能的電加熱裝置對冷卻液循環(huán)預熱；在油水分離器與輸油泵之間增設帶電加熱的燃油粗濾器，預熱燃油；選用大于195A 的寒區(qū)專用蓄電池，同時配置蓄電池加熱裝置；更換適應 -40℃氣溫的機油和燃油；通過低溫啟動試驗，對柴油機冷啟動指標進行評價和優(yōu)化；配備機油預熱裝置。
4. 改進效果
該型 80t 級液壓挖掘機柴油機經上述改進后，在 5000m 海拔高度進行測試，其結果如下：柴油機功率比標準環(huán)境下降≤ 14%，最大牽引力、提升力、挖掘力、回轉力比標準環(huán)境下降≤ 5%；各擋最高車速、工作裝置動作時間、回轉速度、振動頻率比標準環(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速；冷卻液溫度保持在 70~100℃；機油溫度保持在80~120℃；液力油溫度保持在 60~120℃；液壓油溫度保持在 60~100℃（以上各項溫度值均指正常工作 2 h 或高速運行 30min 以后的平衡溫度值）。
改進后的該型挖掘機批量進入了西藏海拔5360m 的金礦，經過 1 年多的使用，再未出現(xiàn)上述故障，驗證了改進后柴油機和整機的各項參數(shù)符合 5000m 高海拔地區(qū)施工要求，達到了改進設計的目的。
作者：石巖
來源：《工程機械與維修》2018年第二期
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修機｜挖掘機在高海拔地區(qū)作業(yè)出現(xiàn)故障的原因及改進方法
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1. 故障現(xiàn)象
4 臺某型 80t 級液壓挖掘機在西藏自治區(qū)墨竹工卡縣某黃金礦區(qū)作業(yè) 4000h 后，其柴油機出現(xiàn)啟動困難、散熱系統(tǒng)高溫報警故障。因未及時停機，造成其柴油機嚴重損壞。
2. 原因分析
（1）直接原因
分析認為，由于這 4 臺挖掘機柴油機冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，造成高速運轉的柴油機產生高溫、部分零件迅速磨損。柴油機零件磨損產生的金屬碎屑吸入機油泵，造成機油泵主調壓閥快速磨損、閥芯卡滯、機油壓力不足。由于柴油機出現(xiàn)機油壓力嚴重級別報警后未及時停機，造成主軸軸瓦異常磨損，導致柴油機氣門凸輪軸、噴油器凸輪軸等零部件嚴重損壞，如附圖所示。
（2）高海拔的影響
這 4 臺挖掘機在海拔高度為 5360m 的地區(qū)作業(yè)，而其配置的增壓柴油機是針對非高原環(huán)境設計的，需要對高原環(huán)境進行分析。經計算該地區(qū)大氣壓力僅為 51.173kPa（標準大氣壓力為 101.325kPa）。該海拔高度的空氣密度僅為海拔高度 0m 時的 0.53。該地區(qū)夏季環(huán)境溫度為30℃，冬季最低為 -40℃。根據 GBT 20969·2-2007 的附錄 A 得知該地區(qū)水的沸點為 86.7℃。海拔高度每升高 1000m 增壓柴油機性能參數(shù)變化
情況如表 1 所示。海拔高度變化對柴油機功率的影響如表 2 所示。
（3）低溫的影響
這 4 臺挖掘機在海拔高度為 5360m 的地區(qū)作業(yè)，柴油機進氣溫度比常溫低 20 ～ 60℃，因此柴油機汽缸壓縮終了時的空氣溫度也很低，達不到柴油機啟動時的必需溫度。
高海拔地區(qū)的低溫，造成柴油黏度增大、柴油凝結、析出蠟質，導致進油阻力增大、燃油管路堵塞；造成機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，導致柴油機啟動轉速下降、功率損耗增大；造成蓄電池輸出電流下降（在 -30℃氣溫時，蓄電池的輸出電流只能達到額定輸出電流的 34％左右），導致啟動機功率下降、柴油機啟動轉速低于所需轉速。
由 于 以 上 原 因， 這 4 臺 挖 掘 機 柴 油 機 在5360m 的高海拔地區(qū)作業(yè)時，產生以下 5 項問題：一是柴油機功率下降、動力性下降、油耗升高、熱負荷升高；二是增壓器低速喘振風險增加，轉速和排溫升高；三是柴油機因環(huán)境溫度低，其啟動性能變差；四是柴油機進氣量減少、進氣阻力加大；五是柴油機增壓器存在高轉速功率損失小，低轉速功率損失大的特點。
3. 改進方法
為了使該型挖掘機適應海拔 5000m 的高原環(huán)境，我們對其柴油機進行了適應性改進，具體從 4 個方面改進了設計，如下所述。
（1）改進供油系統(tǒng)
使用高壓共軌柴油機高原補償電控程序（MAP），調整柴油機供油提前角、軌壓，以解決因高原環(huán)境氣壓降低造成柴油機點火時間延長問題；提高怠速轉速，避免柴油機熄火，降低柴油機低速動力要求；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；增加燃油冷卻器，保證進油溫度在柴油機許可的溫度范圍之內。
（2）改進進排氣系統(tǒng)
采用裝有放氣閥的小渦殼增壓器，保證柴油機低速扭矩及加速性能；選用大規(guī)格增壓器，提高其轉速和溫度的儲備量；采用加大型空濾器。降低柴油機進氣壓力損失。
（3）改進冷卻系統(tǒng)
增加風扇直徑和轉速，保證冷卻風量；將水散熱器蓋開啟壓力調整到≥ 70kPa，以適應低氣壓需要；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，以適應高原地區(qū)風沙較大的環(huán)境。
（4）改進低溫啟動性能
選用低溫啟動性能良好的啟動機；選配進氣預熱裝置；添加具備循環(huán)功能的電加熱裝置對冷卻液循環(huán)預熱；在油水分離器與輸油泵之間增設帶電加熱的燃油粗濾器，預熱燃油；選用大于195A 的寒區(qū)專用蓄電池，同時配置蓄電池加熱裝置；更換適應 -40℃氣溫的機油和燃油；通過低溫啟動試驗，對柴油機冷啟動指標進行評價和優(yōu)化；配備機油預熱裝置。
4. 改進效果
該型 80t 級液壓挖掘機柴油機經上述改進后，在 5000m 海拔高度進行測試，其結果如下：柴油機功率比標準環(huán)境下降≤ 14%，最大牽引力、提升力、挖掘力、回轉力比標準環(huán)境下降≤ 5%；各擋最高車速、工作裝置動作時間、回轉速度、振動頻率比標準環(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速；冷卻液溫度保持在 70~100℃；機油溫度保持在80~120℃；液力油溫度保持在 60~120℃；液壓油溫度保持在 60~100℃（以上各項溫度值均指正常工作 2 h 或高速運行 30min 以后的平衡溫度值）。
改進后的該型挖掘機批量進入了西藏海拔5360m 的金礦，經過 1 年多的使用，再未出現(xiàn)上述故障，驗證了改進后柴油機和整機的各項參數(shù)符合 5000m 高海拔地區(qū)施工要求，達到了改進設計的目的。
作者：石巖
來源：《工程機械與維修》2018年第二期
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