1、高原环境条件及其对机电产品的影响刘奎芳, 毛海荣摘要： 介绍我国高海拔环境条件，包括气压、气温、太阳辐射、冻土、沙尘、积雪等并有环境参数值。同时介绍高原环境条件对机电产品的影响，而主要是低气压对机械设备的影响等。主题词： 高海拔； 环境条件； 机电产品中图分类号： TB 1 文献标识码：A1 前言全世界海拔 2000m 以上的陆地面积达 1980 万平方公里，相当于两个中国。我国海拔 1000m 以上的土地面积约占全国陆地总面积的 60左右，2000m 以上的面积约占 33，3000m 以上的面积占 16， 这些地区有着丰富的资源急待开发。 青藏铁路二期工程也即将修建， 了解高海拔地区的环境条
2、件及其对机电设备的影响， 有着重要的现实意义。过去，对高海拔环境条件及其对电工产品的影响进行过一些研究并制订出相应的标准，而高海拔对机械产品的影响方面很少考虑。调查表明，高海拔对机械产品的影响也是不能忽视的。为提高产品的质量，使其更适合高海拔环境条件可靠使用，开展这方面的研究工作也是十分重要的。2 高原气候的特点及有关气候参数高原气候的特点是气压低、年平均气温低、日温差大、太阳辐射强度大等。2.1 气压气压与海拔关系密切。在地球引力的作用下，空气依附在地球周围并形成大气压。空气在地球引力的作用下，具有一定的质量，离地球表面越远（即海拔越高），气压越低。在同一高度上的大气压又随地理纬度的增加而降
3、低，在 1km5km 范围内，递减率一般为 10kPa/km。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。表 1 不同海拔高度大气压及含氧量海拔高度 m 0 1000 2000 3000 4000 5000年平均气压 kPa 101.5 90.0 79.5 70.0 61.5 54.0含氧量 g/m3(20） 323.0 280.5 253.4 223.4 196.4 172.1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。2.2 气温气温是距离地面 1.5m 高度处测得的空气温度。大气对流层的最大特点是气
4、温随海拔的升高而降低。在自由大气中，平均海拔每增加 100m，气温降低 0.65，实际上对流层各高度的递减率是不同的。2.2.1 高海拔地区的最高气温在 2000m 以内，一般为 3040之间，最高气温的最低值出现在青藏高原，大都在 30以内，甚至不到 20。2.2.2 最高日平均气温是各年记录中每天平均气温的最高值，取多年平均值。最高日平均气温大约每升高 100m，气温下降 0.5。1km5km 最高日平均气温分别为 30、25、20、15、10。2.2.3 年平均气温的最低值出现在地势最高的青藏高原西北部，1km5km 年平均气温分别为 20、15、10、5、0。随着海拔高度的增加，年平均
5、温度随之下降。2.2.4 最大气温日较差的大小与纬度、云量、海陆分布、地势、地表性质、海拔高度和季节等因素有关。据统计，年最大气温日变化的多年平均值一般都在 2030之间。2.2.5 最低温度主要取决于纬度和海拔高度。对于同纬度地区来说，海拔较高的地方，最低温度是比较低的，如盐池处于 1349m，最低温度为-28.5，而处于同纬度的大柴旦，海拔 3174m，最低温度为-33.6。2.3 太阳直接辐射最大强度地球上气候不同的根本原因就是太阳辐射，太阳辐射的强度决定地理纬度。但随着海拔高度的增加，太阳光线通过大气的厚度、空气密度，水汽和悬浮物质都相应减少，太阳光透过度愈大，到达地面的辐射较强，由于
6、夏季和冬季气温相差较大，夏季气温较高，因此，太阳辐射的数据是统计夏季 68 三个月太阳直接辐射最大强度值。1km5km 太阳直接辐射最大强度分别为1011、1064、1118、1171、1225（W/m 2）。从以上的数据可以看出，随着海拔的增加，太阳直接辐射强度增大。海拔高度增加 1000m，太阳直接辐射强度约增加 54W/m2。2.4 冻土 我国多年冻土主要分布在大小兴安岭、西部高山及青藏高原等地。东北冻土区的地形以丘陵山地为主，虽然海拔不高，但由于纬度高，又受西伯利亚高压空气影响，成为我国最寒冷的自然区。西部冻土区，虽然部分纬度较低，但均属高山高原地区，地势高亢，深居内陆，属高寒气候。其
7、共同特点是年平均气温低，冻结期长。青藏高原地区一般冻土层厚度均在 25m120m 甚至达到 175m。2.5 沙尘 西北的黄土高原和青藏高原的沙尘也是相当严重的。西北地区的风沙日（能见度只有 10km)在 24d68d。 风暴日（能见度只有 1km）在 10d22d。沙尘的大小和风速密切相关，随着风速的增大，刮起沙尘颗粒的直径也愈大。2.6 积雪 青藏高原四周环山，受帕米尔、喀喇昆仑、昆仑山、喜马拉雅山、唐古拉山等的屏障作用，北冰洋、大平洋、印度洋的气候很难对高原内部的气候有显著影响，因而这里的气候干冷、降雨稀少，尤以藏北高原更甚。那里年最大积雪不到 10cm。中国最大的积雪出现在新疆和东北。
8、阿尔泰山、天山、喜马拉雅山、祁连山和西南横断山脉是中国多雪的山地，大部分地区积雪分布均表现出明显的随海拔增高而增厚的规律性。 3 高原环境对机电产品的影响3.1 低气压的影响3.1.1 内燃机的燃烧恶化、功率显著下降，油耗增加。内燃机工作容积是固定的，由于空气密度随海拔变化，进入发动机气缸的空气充量也发生变化。对自然吸气的柴油机，若油泵的供油量不变，则进入气缸的燃油得不到充分燃烧，使排烟变浓，排温升高，燃烧室零件过热，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913，油耗增加 6左右。在海拔 2700m 的龙羊峡水电站工地，有工程机械和运输机械
9、420 辆，功率损失达 37。国产装载机，只能在海拔 2800m 的工地上勉强使用，在海拔 3300m 的工地上不能使用。某厂生产的 ZL30 装载机在海拔3000m 的工地作业时，铲斗的举升能力减少 50；某厂生产的 CX-80 机车， 在西宁地区能拉 3 节 50 吨的货车，但到海拔 3173m 的锡铁山只能勉强拉 2 节。3.1.2 内燃机冷却系统工作条件恶化随着海拔高度增加，大气压力下降，冷却水沸点也随之降低，不同海拔的水的沸点见表 2。表 2 不同海拔高度水的沸点海拔高度(m) 0 1000 2000 3000 4000冷却水沸点() 100 96.6 93.3 90.0 86.9从
10、表 2 可以看出，海拔每升高 1000m，水的沸点下降 3.3左右。据高原地区工作的司机反映，内燃机，尤其是柴油机，冷却水经常“开锅”，解决的办法是停机冷却或放去热水，添加冷却水，前者误工误时，后者，因高原地区水源缺，水质差而存在矛盾。由于高原空气密度减少，虽然冷却风扇的体积流量不变，但重量流量却大为降低了，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。而内燃机由于高原燃烧不良， 排温升高，零件热负荷增加，如散热不良会使工作不正常，特别是冷却发动机， 其最大功率受热负荷的限制， 当冷却强度不足时， 排温剧增， 热负荷过高， 甚至产生拉缸现象。以上两
11、点，对于起重机、汽车起重机、施工机械、载重汽车、打桩机械等以柴油机、内燃机为动力的机械产品均存在着这样的问题。3.1.3 空气压缩机排气温度增高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 23。由此而造成随着海拔高度的升高， 压缩机的排气温度增高。3.1.4 影响低压电器的分断能力由于海拔升高，空气密度降低，空气散热能力减弱，当触头在分断电流时，介质恢复强度降低，电弧较难熄灭，容易引起电弧重燃，因而燃弧时间延长，触头寿命缩短。高原空气稀薄，散热能力减弱，热继电器动作时
12、间缩短。3.1.5 高压电机电晕起始电压降低由于高原空气稀薄，分子间的距离加大，离子的自由行程加大，因而起晕电压降低。如处于高海拔地区的桥头电厂 5#发电机组(2.5 万kW，6.3kV），当电压升到 1.7kV 时开始听到放电声音，电压升到 2.5kV 时开始见到电晕火花， 电压升到 3.6kV 时就看到很严重的电晕现象，在 6.3kV 额定电压下， 电晕更严重并有臭氧气味。此外，低气压会使高压电瓷外绝缘强度降低；影响蓄电池的使用寿命；对直流电机换向和电刷磨损造成影响。3.2 低温对机电产品运行的影响3.2.1 内燃机冷起动困难低温是高原气候的一个特点，随着海拔升高，气温呈线性下降，青藏高原
13、的最低气温一般都在30以下，内燃机的低温起动问题与平原寒冷地区基本相似，但加上高原地区的缺氧和低气压使内燃机的着火起动性能较平原差。3.2.2 影响蓄电池的工作性能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，使铅蓄电池基本电化学反应在缺乏电解液的情况下，只能在极板的表面不完全地进行。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。3.2.3 影响电机的起动性能低温对电机的散热有利，但对小型电机的起动有一定的影响。由于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，使起动变得困难。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
14、承磨损。3.2.4 对仪器仪表性能的影响由于低温、昼夜温差大，使仪表中的线性元件特性发生线性变化，测试仪表（包括压力表、液压表、流量计等）普遍存在精度降低、重复性差、零点漂移严重。3.2.5 对材料性能的影响据反映，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。对油料的选择也要慎重，现有的低凝液压油的粘度指数尚偏低，虽然其凝点在40以下，但作为液压系统传递扭矩的介质来说，在凝点以上十几度已无良好的流动性，不能适应于低温地区工作的要求。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
15、率三项机械性能均表现出不同程度的下降趋势。3.3 太阳辐射对高原机电产品的影响3.3.1 影响塑料的机械性能日光对有机材料的损害大小，除与其化学键能大小等因素有关外，与其分子键的密度大小也有关。热固性塑料分子键呈网状结构，密度相对较大，因此光化裂解作用对其机械性能影响较小，而对热塑性的机械性能影响较大。3.3.2 对油漆涂层的影响高原地区日照强裂，温差变化大，会加速油漆涂层的老化和龟裂。据分析，油漆涂层的光老化是光氧老化，其速度不仅和太阳光的辐射强度和辐射量总量有关，也和大气中的水份、氧气、温度、湿度都有关。虽然高原地区的太阳辐射强度和总量比较大，但气候干燥、空气稀薄、温度低、大气中的水份、含
16、氧量和温度等没有湿热带高，所以高原气候对油漆涂层的影响没有湿热带强烈。3.3.3 对电机运行的影响高原地区户外用的电机，由于运行时发热，加之太阳的直接照射，按理会超过温升限度，但从调查中反映，电机过热现象不明显，这是由于高原地区常年温度较低，对温升有一定的抵消作用，故反映问题不大。3.4 冻土对机电产品的影响3.4.1 对打桩机及钻孔机的影响在高原多年冻土地区打桩时，因冻结的土较坚硬，一般不先钻孔而用打桩机直接把予制桩打入冻土层是较困难的。如在青海清水河畔海拔 4470m 的冻土地带施工中， 该地区多年冻土中夹有融层，钻孔中发生严重坍孔现象。施工季节正在七月下旬，该处又为高温冻土，其地温为-0
17、.5-1，当严重坍孔会因大量地表泥水进入孔内，使孔壁多年冻土融化，使孔底冻土融化。此外，由于冻土较坚硬，钻头硬质合金片的磨损及钻杆钻头叶的磨损要严重得多。而且钻孔机消耗功率也增加。3.4.2 对通讯电缆的影响冻土的冻结和融化而引起的土层冻胀隆起，开裂和融沉，对埋在地下的电缆弯曲拉伸影响很大，有可能将铅电缆拉断。据调查中反映，冻土层中最低温度一般不会低于16，因而在敷设电缆时，在电缆周围填 300300mm 含盐砂介质中，一方面可以使电缆处于不冻状态，另一方面在冻胀隆起、开裂的情况下，可以对冻层作较大的相对位移，从而可以减少在电缆上的张力。3.5 沙尘对机械产品运行的影响黄土高原和青藏高原的风沙
18、是比较大的，高原地区干旱少雨，地面植被少，加上大风，沙尘对内燃机（包括以柴油机为动力的机械、打桩机、载重汽车、装载机等)的危害很明显。用户反映，空气滤清器在高原地区使用很快会堵塞，渗漏进气缸的沙尘加速了发动机运动部件的磨损。旋风式纸质滤清器，按说明书规定每 50 小时保养一次，但在龙羊峡工地，12 小时就会积满尘埃，一个班次需清理空滤器，拍打纸质滤芯两次。沙尘对电机轴承、低压电器触头、开关等均有不同程度影响，这里从略。 4 结束语我国高海拔地区面积宽广，由于受各方面条件限制，那里的工农业发展比较缓慢，目前交通工具仍以汽车运输为主，而在高原地区使用的柴油机及内燃机功率损失相当严重，因此研究机械产
19、品功率恢复技术有其重要意义。西藏地区具有重要的战略意义，那里有重要的矿产资源，为改善西藏人民的生活，尽快建设西藏的铁路运输系统具有重要意义。可喜的是，国家已下决心把铁路从青海格尔木继续延伸至西藏拉萨，而且计划在云南开通入藏的滇藏铁路。可以想象，在不久的将来，高原地区将会得到更快的发展。国际电工委员会(IEC)在制订有关标准时，由于欧洲地区高海拔地区很少， 其标准只考虑在 3000m 以下。目前，我们根据国内情况， 已制订了机械工业产品高原环境条件及机械工业产品环境技术要求 高原环境用两份标准。为设计、生产适合高海拔地区使用的机电产品提供了依据。这对提高机电产品的可靠性具有重要的价值，对国民经济的发展也具有现实意义。作者简介：刘奎芳（1938-）男，广东大埔人，高级工程师。作者单位：（广州电器科学研究所， 广州 510302）参考文献：1 电工产品高海拔环境条件S昆明电器科学研究所2 机械工业产品环境适应性调查报告 广州电器科学研究所等 1992收稿日期： 1999-08-06
