1. 故障现象
4 台某型 80t 级液压挖掘机在西藏自治区墨竹工卡县某黄金矿区作业 4000h 后，其柴油机出现启动困难、散热系统高温报警故障。因未及时停机，造成其柴油机严重损坏。
2. 原因分析
（1）直接原因
分析认为，由于这 4 台挖掘机柴油机冷却系统出现问题，造成高速运转的柴油机产生高温、部分零件迅速磨损。柴油机零件磨损产生的金属碎屑吸入机油泵，造成机油泵主调压阀快速磨损、阀芯卡滞、机油压力不足。由于柴油机出现机油压力严重级别报警后未及时停机，造成主轴轴瓦异常磨损，导致柴油机气门凸轮轴、喷油器凸轮轴等零部件严重损坏，如附图所示。
（2）高海拔的影响
这 4 台挖掘机在海拔高度为 5360m 的地区作业，而其配置的增压柴油机是针对非高原环境设计的，需要对高原环境进行分析。经计算该地区大气压力仅为 51.173kPa（标准大气压力为 101.325kPa）。该海拔高度的空气密度仅为海拔高度 0m 时的 0.53。该地区夏季环境温度为30℃，冬季最低为 -40℃。根据 GBT 20969·2-2007 的附录 A 得知该地区水的沸点为 86.7℃。海拔高度每升高 1000m 增压柴油机性能参数变化
情况如表 1 所示。海拔高度变化对柴油机功率的影响如表 2 所示。
（3）低温的影响
这 4 台挖掘机在海拔高度为 5360m 的地区作业，柴油机进气温度比常温低 20 ～ 60℃，因此柴油机汽缸压缩终了时的空气温度也很低，达不到柴油机启动时的必需温度。
高海拔地区的低温，造成柴油黏度增大、柴油凝结、析出蜡质，导致进油阻力增大、燃油管路堵塞；造成机油及变矩器油黏度增大、各摩擦副之间的摩擦阻力增大、摩擦功增加，导致柴油机启动转速下降、功率损耗增大；造成蓄电池输出电流下降（在 -30℃气温时，蓄电池的输出电流只能达到额定输出电流的 34％左右），导致启动机功率下降、柴油机启动转速低于所需转速。
由 于 以 上 原 因， 这 4 台 挖 掘 机 柴 油 机 在5360m 的高海拔地区作业时，产生以下 5 项问题：一是柴油机功率下降、动力性下降、油耗升高、热负荷升高；二是增压器低速喘振风险增加，转速和排温升高；三是柴油机因环境温度低，其启动性能变差；四是柴油机进气量减少、进气阻力加大；五是柴油机增压器存在高转速功率损失小，低转速功率损失大的特点。
3. 改进方法
为了使该型挖掘机适应海拔 5000m 的高原环境，我们对其柴油机进行了适应性改进，具体从 4 个方面改进了设计，如下所述。
（1）改进供油系统
使用高压共轨柴油机高原补偿电控程序（MAP），调整柴油机供油提前角、轨压，以解决因高原环境气压降低造成柴油机点火时间延长问题；提高怠速转速，避免柴油机熄火，降低柴油机低速动力要求；增加电子输油泵，以保证持续供油，将回油压力保持在供油泵许可的压力范围之内；增加燃油冷却器，保证进油温度在柴油机许可的温度范围之内。
（2）改进进排气系统
采用装有放气阀的小涡壳增压器，保证柴油机低速扭矩及加速性能；选用大规格增压器，提高其转速和温度的储备量；采用加大型空滤器。降低柴油机进气压力损失。
（3）改进冷却系统
增加风扇直径和转速，保证冷却风量；将水散热器盖开启压力调整到≥ 70kPa，以适应低气压需要；加注符合要求的冷却液；加大散热器散热面积，选用不容易堵塞的翅片式散热器，以适应高原地区风沙较大的环境。
（4）改进低温启动性能
选用低温启动性能良好的启动机；选配进气预热装置；添加具备循环功能的电加热装置对冷却液循环预热；在油水分离器与输油泵之间增设带电加热的燃油粗滤器，预热燃油；选用大于195A 的寒区专用蓄电池，同时配置蓄电池加热装置；更换适应 -40℃气温的机油和燃油；通过低温启动试验，对柴油机冷启动指标进行评价和优化；配备机油预热装置。
4. 改进效果
该型 80t 级液压挖掘机柴油机经上述改进后，在 5000m 海拔高度进行测试，其结果如下：柴油机功率比标准环境下降≤ 14%，最大牵引力、提升力、挖掘力、回转力比标准环境下降≤ 5%；各挡最高车速、工作装置动作时间、回转速度、振动频率比标准环境下降≤ 8%；燃油消耗率上升≤ 10%；涡轮增压器前端排温许用值≤ 750℃；涡轮增压器未超过许用最高转速；冷却液温度保持在 70~100℃；机油温度保持在80~120℃；液力油温度保持在 60~120℃；液压油温度保持在 60~100℃（以上各项温度值均指正常工作 2 h 或高速运行 30min 以后的平衡温度值）。
改进后的该型挖掘机批量进入了西藏海拔5360m 的金矿，经过 1 年多的使用，再未出现上述故障，验证了改进后柴油机和整机的各项参数符合 5000m 高海拔地区施工要求，达到了改进设计的目的。
作者：石岩
来源：《工程机械与维修》2018年第二期
工程机械与维修
今日工程机械
修机｜挖掘机在高海拔地区作业出现故障的原因及改进方法
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来源：匠客工程机械
1. 故障现象
4 台某型 80t 级液压挖掘机在西藏自治区墨竹工卡县某黄金矿区作业 4000h 后，其柴油机出现启动困难、散热系统高温报警故障。因未及时停机，造成其柴油机严重损坏。
2. 原因分析
（1）直接原因
分析认为，由于这 4 台挖掘机柴油机冷却系统出现问题，造成高速运转的柴油机产生高温、部分零件迅速磨损。柴油机零件磨损产生的金属碎屑吸入机油泵，造成机油泵主调压阀快速磨损、阀芯卡滞、机油压力不足。由于柴油机出现机油压力严重级别报警后未及时停机，造成主轴轴瓦异常磨损，导致柴油机气门凸轮轴、喷油器凸轮轴等零部件严重损坏，如附图所示。
（2）高海拔的影响
这 4 台挖掘机在海拔高度为 5360m 的地区作业，而其配置的增压柴油机是针对非高原环境设计的，需要对高原环境进行分析。经计算该地区大气压力仅为 51.173kPa（标准大气压力为 101.325kPa）。该海拔高度的空气密度仅为海拔高度 0m 时的 0.53。该地区夏季环境温度为30℃，冬季最低为 -40℃。根据 GBT 20969·2-2007 的附录 A 得知该地区水的沸点为 86.7℃。海拔高度每升高 1000m 增压柴油机性能参数变化
情况如表 1 所示。海拔高度变化对柴油机功率的影响如表 2 所示。
（3）低温的影响
这 4 台挖掘机在海拔高度为 5360m 的地区作业，柴油机进气温度比常温低 20 ～ 60℃，因此柴油机汽缸压缩终了时的空气温度也很低，达不到柴油机启动时的必需温度。
高海拔地区的低温，造成柴油黏度增大、柴油凝结、析出蜡质，导致进油阻力增大、燃油管路堵塞；造成机油及变矩器油黏度增大、各摩擦副之间的摩擦阻力增大、摩擦功增加，导致柴油机启动转速下降、功率损耗增大；造成蓄电池输出电流下降（在 -30℃气温时，蓄电池的输出电流只能达到额定输出电流的 34％左右），导致启动机功率下降、柴油机启动转速低于所需转速。
由 于 以 上 原 因， 这 4 台 挖 掘 机 柴 油 机 在5360m 的高海拔地区作业时，产生以下 5 项问题：一是柴油机功率下降、动力性下降、油耗升高、热负荷升高；二是增压器低速喘振风险增加，转速和排温升高；三是柴油机因环境温度低，其启动性能变差；四是柴油机进气量减少、进气阻力加大；五是柴油机增压器存在高转速功率损失小，低转速功率损失大的特点。
3. 改进方法
为了使该型挖掘机适应海拔 5000m 的高原环境，我们对其柴油机进行了适应性改进，具体从 4 个方面改进了设计，如下所述。
（1）改进供油系统
使用高压共轨柴油机高原补偿电控程序（MAP），调整柴油机供油提前角、轨压，以解决因高原环境气压降低造成柴油机点火时间延长问题；提高怠速转速，避免柴油机熄火，降低柴油机低速动力要求；增加电子输油泵，以保证持续供油，将回油压力保持在供油泵许可的压力范围之内；增加燃油冷却器，保证进油温度在柴油机许可的温度范围之内。
（2）改进进排气系统
采用装有放气阀的小涡壳增压器，保证柴油机低速扭矩及加速性能；选用大规格增压器，提高其转速和温度的储备量；采用加大型空滤器。降低柴油机进气压力损失。
（3）改进冷却系统
增加风扇直径和转速，保证冷却风量；将水散热器盖开启压力调整到≥ 70kPa，以适应低气压需要；加注符合要求的冷却液；加大散热器散热面积，选用不容易堵塞的翅片式散热器，以适应高原地区风沙较大的环境。
（4）改进低温启动性能
选用低温启动性能良好的启动机；选配进气预热装置；添加具备循环功能的电加热装置对冷却液循环预热；在油水分离器与输油泵之间增设带电加热的燃油粗滤器，预热燃油；选用大于195A 的寒区专用蓄电池，同时配置蓄电池加热装置；更换适应 -40℃气温的机油和燃油；通过低温启动试验，对柴油机冷启动指标进行评价和优化；配备机油预热装置。
4. 改进效果
该型 80t 级液压挖掘机柴油机经上述改进后，在 5000m 海拔高度进行测试，其结果如下：柴油机功率比标准环境下降≤ 14%，最大牵引力、提升力、挖掘力、回转力比标准环境下降≤ 5%；各挡最高车速、工作装置动作时间、回转速度、振动频率比标准环境下降≤ 8%；燃油消耗率上升≤ 10%；涡轮增压器前端排温许用值≤ 750℃；涡轮增压器未超过许用最高转速；冷却液温度保持在 70~100℃；机油温度保持在80~120℃；液力油温度保持在 60~120℃；液压油温度保持在 60~100℃（以上各项温度值均指正常工作 2 h 或高速运行 30min 以后的平衡温度值）。
改进后的该型挖掘机批量进入了西藏海拔5360m 的金矿，经过 1 年多的使用，再未出现上述故障，验证了改进后柴油机和整机的各项参数符合 5000m 高海拔地区施工要求，达到了改进设计的目的。
作者：石岩
来源：《工程机械与维修》2018年第二期
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