高原环境对机动装备性能影响的试验研究

董素荣，刘瑞林，周广猛，石秉良，祁　涛

(1.军事交通学院 军用车辆系,天津 300161； 2.63969 部队，南京 230026)



高原环境对机动装备性能影响的试验研究

董素荣1，刘瑞林1，周广猛1，石秉良2，祁涛2

(1.军事交通学院 军用车辆系,天津 300161； 2.63969 部队，南京 230026)

通过高原实地试验，研究了高原环境条件对机动装备性能的影响规律。结果表明，随着海拔的升高，机动装备的机动性能、作业性能和燃油经济性明显降低。与低海拔相比，在高海拔(4 800 m)地区使用时，机动装备的加速性能下降16.0%～53.8%，最大牵引力下降13.0%～17.9%，多工况燃油消耗量增加10.6%～18.0%；加油车单枪出油量减少3.6%，起重机起重上升时间增加1.9%，叉车举升速度仅达到标准要求的34.5%。同时，发动机在最大功率和最大转矩工况下，均出现“超温”现象，且当海拔高度超过4 500 m、环境温度低于-15 ℃时，装备难以可靠启动。

高原环境；机动装备；高原试验

青藏高原平均海拔高度超过4 000 m，总面积达230万km2，具有极其重要的国防战略地位。高原地区大气压力低、温差大、风沙尘大、日照及紫外线强等特殊环境，对机动装备的使用性能造成了严重的影响，导致叉车、加油车、抢救车、运输车等机动装备在高原地区使用时的作业能力、机动性、可靠性和维修性等下降明显，严重时可使装备功能失效，甚至丧失遂行机动保障能力[1-2]。因此，开展机动装备高原适应性研究，具有重要的意义。

高原环境实地试验是评价机动装备高原环境适应性的直接方法，高原实地试验数据更具真实性、可信性。本文以加油车、抢救车、运输车和叉车为研究对象[3-5]，在不同海拔(低、中、高)地区进行实地试验，揭示了高原环境对机动装备机动性能和作业能力的影响规律，为机动装备高原适应性研究及技术改进提供了试验依据。

1　试验对象及试验条件

1.1试验对象

试验对象为某型号的加油车、抢救车、运输车和叉车。试验样车技术条件符合相关试验技术要求。

1.2试验条件

试验地点选择低海拔、中海拔和高海拔3个地区，低海拔地区海拔高度低于50 m，中海拔地区海拔高度约2 840 m，高海拔地区海拔高度在3 690 ～ 4 800 m之间。

1.2.1气候条件

不同海拔地面的大气压力是由当地单位面积上垂直空气柱的重力所决定的。据文献[1]，大气压力与海拔高度的对应关系为

pair=p0(1-0.022 57H)5.256

(1)

式中：pair、p0分别为不同海拔大气压力、标准大气压力，kPa；H为海拔高度，km。

低海拔、中海拔、高海拔对应的大气压力见表1。

表1　不同海拔地区大气压力

1.2.2道路条件

(1)低海拔性能试验道路条件。低海拔性能试验在总装汽车试验场和天津东丽区山岭子路段进行，试验道路平直，路面用沥青铺装，符合汽车道路试验条件。

(2)中海拔性能试验道路条件。中海拔性能试验在格尔木市郊区的城市道路上进行，该道路为新建城市道路，水泥混凝土铺装，海拔高度2 840 m，直线段长度大于1 500 m，双向4车道，纵向坡度约0.3%。

(3)高海拔性能试验道路条件。高海拔性能试验在江孜、西大滩和昆仑山等地区的省道上进行，海拔高度4 200～4 800 m，各试验段长度均大于1 500 m，双向车道，纵向坡度约0.7%。叉车举升性能试验在拉萨地区某综合仓库进行，海拔高度3 690 m。

2　试验结果与分析

2.1高原环境对机动装备机动性能的影响

机动性能反映了机动装备在各种道路快速行驶的能力，是机动装备完成机动保障任务的重要性能之一。高原地区由于海拔高、气压低、空气稀薄，发动机进气量减少，燃料燃烧不充分，致使发动机输出功率随着海拔高度增加而下降，进而导致机动装备在高原地区的机动性能降低。

2.1.1高原环境对机动装备加速能力的影响

图1和图2分别为不同海拔加油车和抢救车0～80 km/h起步加速时间和加速距离。由图1和图2可知，随着海拔的升高，加油车和抢救车的起步加速性能下降。与低海拔地区相比，高海拔地区(4 800 m)起步加速时间分别增加了16.0%、51.5%，加速距离分别增加了16.6%、55.0%。

图3和图4分别为不同海拔下机动装备直接挡加速时间和加速距离。由图3和图4可知，运输车30～70 km/h直接挡加速时间增加了53.9%、加速距离增加了44.8%；加油车和抢救车50～80 km/h直接挡加速时间分别增加了16.1%、53.8%，加速距离分别增加了14.7%、51.9%。

2.1.2高原环境对机动装备牵引特性的影响

根据GB/T 12537—1990《汽车牵引性能试验方法》，最大牵引力试验时，分动器置于L挡，变速器置于最低挡。不同海拔地区牵引特性试验表明，随着海拔的升高，机动装备的牵引力下降(见表2)。与低海拔地区相比，中海拔地区和高海拔地区，加油车和抢救车的最大牵引力分别下降了4.2%、15.1%和13.0%、17.9%。受高海拔低气压条件的影响，机动装备配套柴油机的功率和转矩下降，进而导致装备的牵引力下降。

图1　不同海拔下机动装备起步加速时间

图2　不同海拔下机动装备起步加速距离

图3　不同海拔下机动装备直接挡加速时间

图4　不同海拔下机动装备直接挡加速距离

车型低海拔中海拔高海拔牵引力/kN下降率/%牵引力/kN下降率/%牵引力/kN下降率/%加油车232.20222.44.2202.013.0抢救车169.20143.615.1138.917.9

由汽车理论[6]可知，车辆的驱动力与发动机转矩成正比，而在滚动阻力Ff和空气阻力Fw不变的情况下，驱动力Ft又决定了车辆的加速能力：

(2)

(3)

式中：Ft为汽车驱动力，N；Ttq为发动机转矩，N·m；ig、i0分别为变速器传动比、主减速器传动比；ηT为传动效率；r为驱动轮半径，m；Ff为滚动阻力，N；Fw为空气阻力，N。

机动装备配套柴油机(非增压、增压和电控增压柴油机)高海拔性能模拟试验结果表明[7-9]，柴油机的最大转矩随海拔高度的增加而下降。当海拔高度达到5 000 m时，非增压型柴油机的最大转矩下降约38%，增压型柴油机最大转矩下降约27%，电控共轨柴油机最大转矩下降约13%。由于柴油机的转矩随着海拔高度的升高下降，导致整装的驱动力降低，动力性下降。因此，提高柴油机高原适应性是提高机动装备高原机动能力的重要举措。

2.1.3高原环境对机动装备启动性能的影响

机动装备在低气压、低温条件下顺利启动是其正常工作的前提。与平原低温启动相比，高原大气压力降低，进气质量减少、柴油机缸内混合气变浓、着火困难，导致柴油机高原启动较平原寒区启动更加困难。

在高海拔地区，环境温度为-16℃，针对运输车进行了高原冷启动性能试验。采用该车自带的冷启动辅助装置，无法使车辆顺利启动；采用进气道加注乙醚后，连续启动3次，最后一次才启动成功。高原部队调研和实地试验结果证明，大约75%的柴油车辆在海拔高度3 000 m以上、环境温度低于-20℃的环境条件下不能顺利启动。当海拔高度超过4500m、环境温度低于-15℃时，装备依靠自带的冷启动辅助装置(如电热丝、进气预热装置等)均难以可靠启动。

高海拔、低温环境下，机动装备难以启动的主要原因是：随着大气压力和温度的降低，柴油机压缩终点温度和压力均下降，导致缸内混合气的着火温度升高。研究结果表明：海拔每升高1 000 m、温度下降10℃，压缩终了压力下降15%，压缩终了温度下降21%，过量空气系数下降8%，柴油机缸内混合气的着火温度升高13%[10-11]。当柴油机的缸内压缩终点温度小于缸内压缩终点压力所对应的最低着火临界温度时，柴油机缸内混合气不可能着火，柴油机也就无法启动。2.1.4高原环境对机动装备热平衡性能的影响

热平衡是制约机动装备高原动力性、经济性及作业能力提升的重要约束条件之一。高原地区空气密度小，冷却风扇质量流量减小，造成散热器冷却效率降低。对发动机而言，由于汽缸内空气减少，过量空气系数下降，燃烧不完善，后燃严重，造成发动机的热效率降低，使发动机热负荷增加。此外，冷却液的沸点随海拔升高而降低(海拔高度5 000 m时水的沸点为83.6℃)，冷却液易发生沸腾现象，蒸发量增大，容易造成发动机水箱“开锅”。以上这些均导致机动装备冷却系统的冷却效果变差，使机动装备不能正常工作。

加油车和抢救车高海拔地区热平衡能力道路试验结果表明，发动机在最大功率点和最大转矩点工况下，水温均存在“超温”现象，甚至加油车发动机在爬长坡时出现了“开锅”现象(见表3、表4)。“开锅”的原因是：高原山路具有坡度大、弯道多、距离长的特点，由于装备本身自重较大，坡道阻力增大，发动机长时间处于中低速大负荷工况运行，再加之冷却系统散热能力降低，进而引起“开锅”现象。

表4　抢救车高海拔地区热平衡试验结果　℃

2.2高原环境对机动装备作业性能的影响

2.2.1高原环境对加油车加、回油能力的影响

加油车在低海拔和高海拔地区加油试验结果如图5和图6所示。由图5可知，随着海拔的升高，在固定单枪出油量的情况下，油泵转速随着海拔的升高而升高，与低海拔地区相比,高海拔地区油泵转速提高了7.6%；当油泵转速一定的情况下，单枪出油量随着海拔的升高而减少，高海拔单枪出油量比低海拔时减少了3.6%。

图5　单枪流量一定时油泵转速随海拔的变化

图6　油泵转速一定时单枪流量随海拔的变化

由油泵泵油原理可知，油泵输出功率与实际输入功率成正比。由于海拔的升高，油泵动力源发动机转矩下降，导致油泵泵油能力下降：

(4)

式中：Δp为油泵吸、压油口之间的压力差，N/m2；V为液压泵的排量，m3/s；n为液压泵的主轴转速，r/s；T为液压泵的实际输入转矩，N·m；Tm为液压泵的理论转矩，N·m。

表5为不同海拔加油车回油能力试验结果。由表5可知，加油车回油能力受海拔高度的影响较大，随着海拔的升高，加油软管内余油量增多。与低海拔相比，高海拔条件下余油量增多400%。在高海拔地区加油车回油能力显著下降的原因主要是高海拔低气压环境的影响。在高海拔地区，大气压力降低导致油管出口处压力和油罐压力差降低，导致回油能力下降。

表5　不同海拔加油车回油试验结果

2.2.2高原环境对抢救车起吊能力的影响

中海拔和高海拔地区抢救车起吊能力试验表明，抢救车起吊能力随海拔的升高而下降(见表6)。在起重5 000 kg货物时，起重上升时间随着海拔的增加而增加，海拔高度4 800 m时起重上升时间比海拔高度2 800 m时增加0.9%；下降时间随着海拔的增加而减少，海拔高度4 800 m时起重下降时间比海拔高度 2 800 m时下降19.3%。

表6　不同海拔抢救车起吊能力试验结果

2.2.3高原环境对叉车装卸性能的影响

某型3 t叉车高海拔地区装卸性能试验表明，叉车在怠速转速下无法举升起3 t货物；发动机在1 300 r/min时，液压油缸有动作，但仍然无法举升3 t货物；发动机在1 600 r/min以上可以举升起3 t货物，举升速度明显下降。发动机在2 200 r/min转速时，叉车举升速度仅为标准要求的34.5%(见表7)。

表7　叉车高原装卸性能试验结果

2.3高原环境对机动装备燃油经济性的影响

图7和图8为加油车、抢救车燃油消耗量随海拔高度的变化。由图可知，机动装备等速行驶和多工况燃油消耗量随海拔高度的升高均减小，高海拔地区与低海拔地区相比，30～70 km/h等速行驶燃油消耗量增加12.9%～18.9%，多工况燃油消耗量增加10.6%～18.0%。

图7　加油车燃油消耗量随海拔的变化

图8　抢救车燃油消耗量随海拔的变化

由汽车理论可知，车辆等速行驶工况的燃油消耗量与发动机一定功率时的燃油消耗量成正比[10]：

(5)式中：Pe为发动机功率，kW；b为燃油消耗率，g/kW·h；s为等速过程行程，m；ua为等速行驶车速，km/h；ρ为燃油密度，kg/L；g为重力加速度，m/s2。

在高海拔地区，由于大气压力和空气密度降低，发动机进气质量降低，过量空气系数减少，使发动机燃烧恶化，有效热效率降低，燃油消耗率增加，进而导致机动装备的燃油经济性下降。

3　结　论

通过高原实地试验，研究了高原环境条件对机动装备性能的影响规律，得到了如下结论，为机动装备高原适应性评价指标体系的建立和高原适应性技术改进提供试验依据。

(1)随着海拔高度的增加，机动装备的加速性能下降，牵引能力降低。在高海拔地区，机动装备的加速性能下降16.0%～53.8%；最大牵引力下降13.0%～17.9%。

(2)随着海拔高度的增加，机动装备的作业能力降低。在高海拔地区，加油车的加油能力、抢救车的起吊能力和叉车的举升能力均下降。

(3)随着海拔高度的增加，机动装备热负荷增大，在发动机最大功率和最大转矩工况下，易出现“超温”现象。

(4)随着海拔高度的增加，机动装备启动性能下降。当海拔高度超过4 500 m、环境温度低于-15℃时，装备难以可靠启动。

(5)随着海拔高度的增加，机动装备燃油经济性下降。在高海拔地区，30～70 km/h等速行驶燃油消耗量增加12.9%～18.9%。

[1]刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究[M].北京:北京理工大学出版社,2013:1-20.

[2]董素荣,许翔,周广猛.车用柴油机高原性能提升技术研究现状与发展[J].装备环境工程,2013,10(2):67-70.

[3]刘瑞林.北方奔驰运输车高原性能试验报告[R].天津:军事交通学院,2009.

[4]刘瑞林.叉车高原适应性试验报告[R].天津:军事交通学院,2013.

[5]石秉良.加油车、抢救车高原性能试验报告[R].南京:63969部队,2013.

[6]余志生.汽车理论[M].3版.北京:机械工业出版社,2000:1-17.

[7]刘瑞林, 董素荣.后勤机动装备高原适应性评价研究报告[R].天津:军事交通学院,2014.

[8]张众杰,董素荣,周广猛,等.CA6DL电控柴油机不同海拔性能模拟试验[J].军事交通学院学报,2014,16(3):48-51.

[9]郑智,许翔,索文莉,等.自然吸气柴油机高海拔性能模拟试验研究[J].军事交通学院学报,2010,12(6):42-46.

[10]刘瑞林,董素荣.高原、寒区冷启动辅助装置评价研究报告[R].天津:军事交通学院,2009.

[11]董素荣,张恒超,靳尚杰,等.进气预热对车用柴油机低温启动性能影响的研究[J].军事交通学院学报，2009,11(6):41-44.

(编辑：张峰)

Experimental Study on Effects of Plateau Environment on Mobile Equipment Performance

DONG Surong1，LIU Ruilin1，ZHOU Guangmeng1，SHI Bingliang2，QI Tao2

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.Unit 63969, Nanjing 230026, China)

The field test in plateau is conducted to study the effects that the plateau environments exert on the performance of mobile equipment. The result shows that the mobility, operating performance and fuel economy of mobile equipment decrease significantly with the increase of the altitude. At high altitude(4 800 m), the accelerate performance drops by 16.0～53.8% , the maximum traction force decreases by 13.0%～17.9%, the fuel consumption under different working conditions increases by 10.6%～18.0% . The out of fuel content in a single gun of tanker truck decreases by 3.6% ，the lifting time of the crane increases by 1.9% and the lifting speed of forklift is only up to 34.5% of the standard requirement. During the time, the engine is “over-temperatured” under maximum power and maximum torque conditions, and the equipment cannot be started when the altitude exceeds 4 500 m and the the temperature drops below -15 ℃.

plateau environment; mobile equipment; plateau test

2015-11-27；

2015-12-28.

董素荣(1967—)，女，博士，副教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.08.011

TK421

A

1674-2192(2016)08- 0046- 06