编者按
高原特殊的气候和地理环境，造成加油装备性能下降。本文以飞机加油车为例，从装备整机、动力系统、作业系统、辅助动力、电气设备、辅助器材、安全防护、人机工程等8个方面，剖析了高原环境影响加油装备性能的机理，并研究探讨了相应的解决措施，以期提升高原环境下加油装备加油效能。
1 高原环境对飞机加油装备影响剖析
01.对飞机加油装备整装的影响
在高原特殊环境下，气压低导致发动机功率下降，车辆负荷能力下降，加速性能变差；由于大气压低，普通用轮胎在高原环境下，易发生凸起现象，导致轮胎与轮胎之间，轮胎与轮毂之间发生摩擦而破裂，造成车辆承载能力下降，如12000L加油车油罐最大装油能力在海拔3600m时，大约为9000L，下降了约25%。
02.对加油装备动力系统的影响
1）发动机功率降低
高原地区大气压力低、空气密度和含氧量少，导致发动机气缸内含氧量下降，过量空气系数降低，造成燃烧不充分，着火延迟，后燃严重，燃油消耗量大，缸内积炭和废气有害物排放量增多，发动机的功率下降(当海拔每升高1000 m，涡轮增压型柴油机功率降低5～7％，自然进气柴油机功率降低8～10％，)，导致油料装备保障能力下降，甚至柴油机过早损坏。
2）热负荷增加
由于进气量受空气低密度的影响，水冷发动机冷却风扇中冷气流量降低，造成防冻液和冷却水沸点下降。当海拔每升高1000 m，防冻液和冷却水的沸点下降3～4℃，散热能力降低，而热负荷增高；由于冷却风量和进气量受空气密度降低的影响，风冷发动机的热负荷增加和功率降低的问题更为严重。
3）低温启动困难
高原环境造成装备低温启动困难主要有三个方面：
(1)发动机低温启动困难。高原地区低温缺氧、气压低、充气量少，造成发动机低温启动时压缩终点压力和压缩终点温度下降、着火延迟期加长，启动难度远高于低海拔同一温度。试验表明，当海拔4000 m、-25℃时的启动难度类似于低海拔地区-40℃时的启动难度。
(2)蓄电池工作能力下降。当蓄电池容量较小，而启动力矩较大时，蓄电池剧烈的放电，加速单位时间内活性物质大量脱落，易造成极板早期损坏和低温下充电能力降低，而且温度越低充电能力越差。
(3)整装各系统随动性能降低。对整装的启动来讲，高原低温环境使油液粘度增加，造成传动系统各泵和变矩器泵轮的负荷增加。如果强行启动，将造成发动机缸内冷态磨损加剧和蓄电池放电强度大，使用寿命大为降低，正常保养无法修复。
4）滤清器
高原地区空气中含有大量的沙尘，尘粒中的氧化硅含量约占60％～80％，其硬度大，加速了发动机零件受损。相对于平原地区，高原地区的空气滤清器作业增加了进气阻力，造成发动机功率进一步减少，滤清效率大大降低，导致发动机的早期磨损和大修期缩短，增加了保养频率和难度，缩短了空滤器使用周期。
03.对加油装备加油作业性能影响
1）动力泵
高原地区大气压力低，海拔3700 m时，大气压力约为0.65×105 Pa，这使泵吸入管路中压力较平原地区大为降低，饱和蒸汽压提前出现，一旦泵吸入管路中压力低于油品饱和蒸汽压，将导致大量饱和蒸汽出现，泵发生振动和噪声，产生气蚀，严重的产生气阻，破坏泵叶轮叶片，影响泵的正常运行。另外，随着海拔高度的升高，大气压逐渐降低，泵的气蚀余量降低，导致泵自吸性能下降，甚至不可用。
2）加油胶管
高原地区日照强度大，紫外线辐射强，加油胶管老化加速，使用寿命缩短，出现喷气燃料变色问题，对油品造成污染。
3）加油控制
由于发动机功率下降、泵的性能下降，以及飞机受油油箱中的背压导致飞机加油装备加油流量降低。如果发动机功率足够的条件下，自循环时管路流量能达到额定流量要求，但是在对飞机进行实际加油时，由于飞机油箱背压作用，相同情况下最大加油流量降低30%左右。
04.对加油装备辅助动力系统性能影响
辅助动力系统包括液压系统和气动系统。在标准负荷下，液压系统对发动机产生的负荷是一个定值，但由于高原地区海拔高度增加，气压降低，造成液压或气动系统与发动机的匹配性能发生变化，表现为系统动力不足、迟缓等。另外，由于高原地区大气压降低，造成液压泵的吸油高度降低，导致液压泵的容积效率下降，影响液压系统的正常工作。在风沙环境下，可能导致气动系统管道堵塞；紫外线辐射强也将导致橡胶密封件变形，加速老化失效进程，造成系统的泄漏。高原环境造成辅助动力系统工作效率降低，同时增加装备故障停机和维护时间。
05.对加油装备电气系统性能影响
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。因此，高原环境对加油装备电气元件绝缘强度以及外形和密封等都有所影响，表现为：电气开关接触不良、橡胶件老化、液晶屏显示故障等情况，普通低压电气元件难以有效适应高原坏境。高原气候干燥，静电易产生并破坏电子芯片，高压器件、线路端子易出现电晕、打火的现象。
06.对加油装备辅助器材性能影响
高原地区日照时间久、紫外线强、昼夜温差大、低温时间长，使密封件、绝缘材料使用的耐久性、抗破损性低于平原地区的使用水平，使用寿命降低。加油装备和加油设施表面涂层容易老化脱落，使用寿命降低，长期置于露天的设备、装备尤其严重。
07.对加油装备安全防护措施的影响
1）静电安全
油料中静电荷在干燥环境下更易产生，静电的积累和随后的放电可能造成火灾事故隐患；随着武器装备的发展，油料保障的强度要求相应提高，加油流量也随之加大，静电产生也会增加，这些都将带来静电安全隐患。
2）油品质量
高原环境因为风沙大，油品质量受外界污染影响较大；由于管路橡胶密封件、橡胶加油软管等受老化变质影响也导致油品污染。
08.对装备人机工程的影响
人类在海拔3000m时的劳动强度不足低海拔时劳动强度的60％，相对于低海拔地区，人的持续性和耐久性要差。因此，在高原地区，操作人员的劳动条件和健康保护非常重要。
2加油装备高原环境适应性对策
01.整机性能高原适应性研究
由于高原环境导致的发动机功率下降可以通过发动机高原适应性改造，恢复发动机损失功率而满足要求；轮胎因大气压力低造成的承载能力差，可以按照GB/T20969.2-2007 《特殊环境条件 高原机械第 2 部分：高原对工程机械的要求》第4.7条款规定：轮胎气压出厂时，根据使用区域海拔的不同，应按规定范围的下限标定，或按小于上限规定值的0.03～0.05MPa的压力标定。
02.动力系统性能高原适应性研究
1）发动机功率恢复
目前，由于高原环境导致的发动机功率下降，可以采用涡轮增压技术和富氧助燃技术对发动机进行功率恢复。采用涡轮增压技术时，需对发动机的燃油系统、燃烧室等进行优化改造，进行大量的试验验证，增加了涡轮增压器的选型难度;富氧助燃技术采用的富氧助燃装置独立于发动机工作，富氧助燃装置选型简单，只要知道发动机的进气量、进气压力就可以确定选型参数。因此，发动机功率恢复可采用富氧助燃技术实现：通过对富氧膜的筛选、富氧助燃装置的设计及效果评价，研制适合加油装备使用的小型富氧助燃装置，增加发动机进气系统中氧气的浓度，可使高原地区的氧气含量提高至平原水平，促进发动机中燃料完全燃烧，有效降低油耗。
2）热负荷平衡
加油装备运行时发动机产生较大热量，风冷发动机热平衡问题较严重，高原用加油装备应选用水冷发动机。高原环境气压较低，海拔4000 m左右时，使用防冻液可满足发动机的最佳工作温度时不发生沸腾现象，冷却效果较好。基于高原低气压等环境特点，酒精的蒸发损失大，不宜使用乙醇－水型防冻液，丙醇-水型防冻液则价格相对较贵，建议选用合适的乙二醇-水型防冻液。目前，解决热平衡方法通常有：改变风扇叶面几何参数，增加风扇转速；采用密闭加压散热器提高冷却液的沸点，增加散热器面积；改善散热介质和材料。通过对发动机的散热能力评估后，并结合布置空间综合考虑是否采用上述一项或者几项技术。如果采用富氧助燃发生装置以提高发动机的功率时，由于发动机进气总量较少，热负荷相对较低。
3）低温启动
高原环境下发动机低温启动受气压、气温、蓄电池性能、启动负荷等制约，加上涡轮增压器或者富氧助燃装置对发动机启动进气的阻滞作用，低温启动比较苛刻。可通过改善可燃混合气形成的条件和增强蓄电池的输出功率来解决高原发动机低温启动的问题。采取“进气火焰预热装置＋较大的起动马达”，并对发动机的传动油料和润滑油料做认真的选择，使其满足高原寒冷环境的要求。
03.加油系统性能高原适应性研究
1）自吸离心油泵高原适应性研究
提高泵自吸能力是提高加油性能的关键手段。针对高原环境对泵影响机理，可从两方面展开分析研究：一是改用自吸能力强、气蚀性能好的其它类型泵；二是对自吸离心泵进行高原适应性改造。
（1）以容积泵替换自吸式离心油泵
由于容积泵的自吸能力好、抗汽蚀能力相对较强，因此可以在一些场合使用容积泵替换自吸式离心油泵，以改善泵的自吸性能和抗气蚀能力。但容积式泵的流量不能采用出口调节阀来调节，常采用旁路调节、转速调节和行程调节的方法调节流量，且必须加装安全阀保证压力超高时的安全。这就要求在泵安装位置和尺寸要求较严、压力安全要求高、泵后需安装在线压力流量控制器的场合谨慎使用。
（2）对自吸离心油泵进行高原适应性改造
在泵进口加装诱导轮是提高泵抗汽蚀性能的主要方法之一。为实现高原型自吸离心油泵的抗气蚀性能和自吸性能的双重提高，我们分析了两种情况：一是采用“机械型式抽真空装置＋安装有诱导轮的离心油泵”方式，利用真空泵/滑片泵对泵的进口管路造成较强的抽吸真空，提高离心泵的自吸效果，但是这存在泵送介质受到一定限制（不能输送汽油等，因为是机械型式抽真空装置，有一定的安全隐患）造价高、泵组体积大、机械损失多、磨损严重、可靠性降低、噪声大等问题；二是新研高原自吸离心油泵，采用集自动复位防漏空气引射系统和安装有诱导轮的离心油泵于一体的方式，利用自动复位防漏空气引射系统对泵的进口管路造成较强的抽吸真空，实现普通离心泵的自吸启动。泵正常工作后，自动复位防漏空气引射系统上的阀自动(触点开关加电磁阀)或者手动关闭，系统停止工作。该方案抽吸速度快、泵组体积较小、可靠性好，缺点是需要稳定气源。
综合考虑上述情况，结合高原环境下飞机加油装备/设备用泵的应用范围，可采用新研高原自吸离心油泵的方法，适当提高泵的自吸性能，以适应无气源环境的应用；加装诱导轮以提高泵的气蚀性能；加装自动复位防漏空气引射系统，有效缩短泵自吸时间。
2）加油胶管高原适应性研究
飞机导静电加油胶管在高原环境下，主要受到紫外线的光老化作用而力学性能和表观性能降低。参考GB/T37997-2019 《输送烃类、溶剂和化学品用多层热塑性塑料（非硫化）软管及软管组合件 规范》，可从内胶材料、外胶材料、骨架材料等几方面研究，选择具有抗紫外线、导静电、轻便，抗老化能力强，耐油无污染等特性的复合软管，以适应高原环境油料输送要求。
3）压力控制高原适应性研究
按照平原地区加油装备的状态对飞机进行油料加注时，飞机受油口背压相对要高得多，这就要求泵所提供的加油压力要更高，这就对压力控制要求更高，并可能出现超压情况。因此可通过选用或者新研具有压差控制或者稳压控制的压力控制阀。
04.辅助动力系统高原适应性研究
加油装备的液压系统和气动系统负荷较低，经过发动机功率恢复后，液压系统和气动系统的工况得到了改善，基本能达到预期使用要求，只需对选用的一些零部件选型时加以注意就可。选用耐低压、低温老化的橡胶密封件，并对其进行防紫外线措施保护；采取防尘设置，防止风沙灰尘进入气动控制管路中。
05.电气系统高原适应性研究
在高原环境下，电气元件应具有耐受高海拔地区低温的能力。按照GB/T 20626-2006《高原电工电子产品》及其它相关标准选用电气元配件：密封性元件要适当调整密封体内的压力并通过低压试验检测是否开裂变形泄漏;电气系统采用软胶电线和防尘插接件，线束采用具有防紫外线功能的软胶电线，避免普通电线在低温条件下的硬、脆、老化等缺陷;对普通液晶显示屏进行保温和加热处理等。
06.辅助器材的高原适应性研究
针对高原环境气候特点，橡胶件、密封件采用抗紫外线、低温、耐油型产品。涂层则建议选用抗紫外线能力、防辐射能力较高的产品，以适合高原环境使用，据调研，市场上有类似产品，进行过探索试验，具有比较好的适应性。
07.安全防护措施适应性研究
静电安全防护措施可以采取静电消除和静电接地报警等措施。在选用静电接地报警时由于高原地区的土壤电阻率一般大于100Ω·m，应考虑调整报警设定值。同时，在与大气环境接触的开口增添防护措施，比如呼吸阀、加油接嘴、开路取样器出口等。
08.人机工程适应性研究
加油车驾驶室要针对高原地区特殊环境下使用需要，具备密封、空气更换、采暖、保温、除雪除霜、防紫外线辐射等功能。
引用本文：岳彬，李涛，汪潇雨. 飞机加油装备高原环境适应性研究[J].环境技术，2020，(S1):61-65.
专家简介：岳彬，男，硕士，工程师，主要研究方向：油库储运自动化和油库安全。