機(jī)械設(shè)備金屬材料的磨損防范策略研究

張士偉

（中國(guó)石油大慶石化公司化工一廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)的生產(chǎn)力大幅提升，先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備是促進(jìn)生產(chǎn)力提高的決定因素。在機(jī)械設(shè)備的日常使用中，金屬磨損是最常見(jiàn)的損壞現(xiàn)象，因金屬磨損造成的設(shè)備故障經(jīng)常給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。金屬材料磨損是伴隨設(shè)備運(yùn)行而必然出現(xiàn)的現(xiàn)象，不僅會(huì)改變機(jī)械零件表面質(zhì)量和形狀，還會(huì)傷害設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)備的使用環(huán)境越來(lái)越廣泛，甚至在極其惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，都加劇了金屬材料磨損，給設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

1 磨損的基本含義及其過(guò)程

1.1 磨損的含義

磨損是指金屬表面由于與其他表面發(fā)生接觸和摩擦，導(dǎo)致材料以小顆粒的形式脫離表面的現(xiàn)象，這些金屬小顆粒的尺寸和形狀不一，但都會(huì)消耗金屬零件的表面材料，使金屬材料的表面質(zhì)量變差，尺寸和形狀發(fā)生改變。

1.2 磨損的過(guò)程

金屬材料磨損可以劃分為3 個(gè)時(shí)期，即初始磨合、穩(wěn)定磨損和劇烈磨損。

（1）初始磨合是指機(jī)械設(shè)備在投入使用的初期，金屬零件表面不規(guī)則的凸起被逐漸磨光滑的階段，這一階段磨損速度很快，但隨著不規(guī)則突起逐漸被磨平，表面被磨得光滑，金屬部件的接觸面積增大，磨損速度會(huì)迅速降低，進(jìn)入穩(wěn)定磨損時(shí)期。

（2）穩(wěn)定磨損時(shí)期是指機(jī)械設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，金屬零件表面被磨得光滑，產(chǎn)生加工硬化作用，雖然零件的幾何形狀發(fā)生了很小的改變，但接觸變得更好，金屬表面的接觸以彈性接觸為主，磨損速度變慢，并能持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，磨損量與設(shè)備運(yùn)行時(shí)間成正比。

（3）劇烈磨損時(shí)期是指設(shè)備運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，金屬零件表面已經(jīng)不再光滑，金屬表面的接觸也不再以彈性接觸為主，磨損速度加快，基礎(chǔ)零件表面的組織因疲勞、碰撞或摩擦等原因快速脫落，在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的尺寸與形狀改變，使配合精度降低，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行不再平穩(wěn)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，最終導(dǎo)致金屬零件的損壞。

2 機(jī)械設(shè)備磨損現(xiàn)象及原因

2.1 磨損性損傷

因金屬材料磨損而導(dǎo)致的磨損性損傷是機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)的損壞形式。機(jī)械設(shè)備中的金屬零件在接觸部位因摩擦而發(fā)生損壞是不可避免的，只要設(shè)備運(yùn)行，物件之間的摩擦就會(huì)發(fā)生（圖1）。

圖1 磨損性損傷

2.2 摩擦磨損

金屬零件因摩擦導(dǎo)致零件表面的小突起發(fā)生脫落，是常見(jiàn)的類(lèi)型，能夠?qū)е铝慵男螤畛叽绨l(fā)生改變。按照經(jīng)驗(yàn)，金屬零件表面的粗糙度越低，越容易發(fā)生摩擦磨損，而光滑的金屬表面發(fā)生摩擦磨損的程度要小得多，采用合適的潤(rùn)滑手段能夠進(jìn)一步降低磨損（圖2）。

圖2 摩擦磨損

2.3 磨料磨損

金屬零件的接觸表面經(jīng)常還有一些顆粒物，這些顆粒物一般由金屬表面小凸起脫落產(chǎn)生，或有外部環(huán)境的顆粒物混入。顆粒物的加入會(huì)加劇金屬表面的磨損，建筑機(jī)械經(jīng)常在多塵環(huán)境中運(yùn)行，建筑塵埃含有大量的石英成分，而石英的硬度為鋼鐵硬度的數(shù)倍，在金屬零件的接觸表面起到磨料的作用，致使金屬零件發(fā)生磨料磨損。工程機(jī)械的維護(hù)保養(yǎng)要特別注意磨料磨損的防護(hù)。此外，挖掘機(jī)斗齒經(jīng)常接觸高硬度巖石，推土機(jī)推板經(jīng)常接觸地面和砂石，要選用耐磨材料制作而成，并設(shè)計(jì)成能夠減少摩擦的形狀，達(dá)到降低磨料磨損的目的。

2.4 粘著損傷

當(dāng)金屬零件之間的接觸表面承受較大的負(fù)載，或接觸表面潤(rùn)滑不良，接觸空間過(guò)小，滑動(dòng)速度過(guò)快等，就會(huì)發(fā)生粘著磨損，在粘著磨損過(guò)程中，金屬零件的表面會(huì)發(fā)生塑性變形，并嵌入另一零件表面，這是因?yàn)榻饘侔l(fā)生加工硬化而產(chǎn)生撕裂，發(fā)生這種磨損后，零件在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)損壞（圖3）。

圖3 粘著損傷

2.5 耐磨性能

工程機(jī)械的使用過(guò)程中，機(jī)械零件的材料、表面質(zhì)量和潤(rùn)滑情況都決定著機(jī)械零件的使用壽命，零件之間的相互摩擦和沖擊會(huì)造成金屬材料磨損，這些磨損將大大損害設(shè)備壽命和使用安全。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工程設(shè)備的定期檢修與維護(hù)，從而最大限度延長(zhǎng)其使用壽命。

3 機(jī)械設(shè)備金屬材料磨損的危害

機(jī)械設(shè)備中，金屬零件因相互接觸產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的磨損能夠改變零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量，使零件的功能受損，從而影響整個(gè)設(shè)備的性能，提高金屬零件的耐磨性，對(duì)于機(jī)械設(shè)備具有重要意義。金屬材料磨損隨著機(jī)械設(shè)備使用時(shí)間的增多而逐漸加劇，加之機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境中的粉塵和氧化物等顆粒的污染，更會(huì)加劇金屬材料磨損的進(jìn)程。

金屬材料的這種磨損無(wú)法避免，磨損程度直接影響設(shè)備的性能，一旦發(fā)生故障，勢(shì)必造成經(jīng)濟(jì)損失。金屬材料磨損是影響機(jī)械安全性的主要因素，會(huì)威脅設(shè)備與工作人員的安全。我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的時(shí)間較短，金屬零件的制作工藝與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，而金屬材料的質(zhì)量直接決定了金屬材料磨損的程度，也直接影響著我國(guó)制造業(yè)的水平。

4 機(jī)械設(shè)備金屬材料磨損失效的安全防范策略

4.1 選擇合適的金屬材料

金屬材料的性能決定了金屬材料磨損的程度，只有按照機(jī)械零部件的使用要求選擇合適的金屬材料，才能提高零件的耐久性。工程機(jī)械中應(yīng)選擇適合惡劣環(huán)境、高強(qiáng)度、高負(fù)荷要求的金屬材料，還可以采取先進(jìn)的表面處理方法，提升金屬零件的表面耐磨性，并采取合理的潤(rùn)滑方法，從而最大限度減緩金屬磨損的進(jìn)程。還要考慮機(jī)械設(shè)備的成本要求，使金屬材料成本與性能達(dá)到平衡，使工程機(jī)械獲得良好的使用性和經(jīng)濟(jì)性。

4.2 革新材料制造技術(shù)

金屬材料制造工藝也直接影響材料的性能，相同成分的金屬材料，經(jīng)過(guò)不同工藝的處理，能夠得到性能迥異的零件，只有不斷改進(jìn)加工工藝，引進(jìn)新的技術(shù)，才能真正提高金屬零件的壽命。機(jī)械設(shè)備中的每一部分金屬材料的制作工藝都將影響整個(gè)設(shè)備的性能，提高金屬零件的質(zhì)量，就能使機(jī)械設(shè)備的性能得到明顯的提升。

4.3 改善機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境

在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械設(shè)備的使用環(huán)境也是影響金屬材料磨損的主要因素，改善機(jī)械設(shè)備的工作環(huán)境，能夠有效降低金屬材料的磨損。在機(jī)械設(shè)備投入使用前，要確保工作環(huán)境滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)備的使用要求，并嚴(yán)令禁止過(guò)載使用。在機(jī)械設(shè)備的使用過(guò)程中，要采取有效措施預(yù)防外部顆粒物進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，這樣就能有效減少金屬材料磨損。

4.4 合理選擇潤(rùn)滑油

采取合理的潤(rùn)滑措施也能夠有效降低金屬材料磨損。機(jī)械設(shè)備中使用的潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂能有效降低金屬零件表面的摩擦，使金屬材料磨損程度減弱，在機(jī)械設(shè)備的日常保養(yǎng)中要充分重視金屬零件的潤(rùn)滑，才能保持良好的使用狀態(tài)。

4.5 設(shè)計(jì)新型機(jī)械設(shè)備

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的使用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)深入到生產(chǎn)生活的方方面面，只有按照使用要求設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備，才能最大限度保障機(jī)械設(shè)備的性能與壽命。在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用新的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用新的材料，開(kāi)發(fā)新的制造工藝。在業(yè)務(wù)分工不斷明確的今天，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)的定向設(shè)計(jì)，能夠使機(jī)械設(shè)備更加滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求，也更有利于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，最大限度延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命。

4.6 做好金屬材料保養(yǎng)

金屬材料在使用過(guò)程中需要完善的保養(yǎng)和維護(hù)，即使設(shè)備閑置不用時(shí)，也應(yīng)定期進(jìn)行保養(yǎng)，使機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期保持良好的狀態(tài)。

5 案例分析

磨損程度可以分為3 個(gè)等級(jí)，即輕度、中度、重度磨損，分別舉例說(shuō)明這3 個(gè)等級(jí)的磨損程度。

5.1 齒輪箱輕度磨損

某風(fēng)場(chǎng)1#電機(jī)組在2020 年檢測(cè)時(shí)指標(biāo)全部正常，其機(jī)油的黏度與鐵元素百分比均符合國(guó)家指標(biāo)要求，但2021 年檢測(cè)指標(biāo)出現(xiàn)異常，機(jī)油黏度低于國(guó)家指標(biāo)，機(jī)油中鐵元素百分比超過(guò)國(guó)家指標(biāo)，機(jī)油質(zhì)量接近失效的臨界點(diǎn)（表1）。機(jī)油黏度低會(huì)大大降低潤(rùn)滑效果，使機(jī)組的磨損增加，過(guò)多鐵元素進(jìn)入機(jī)油中提高了機(jī)油中鐵元素的含量。機(jī)油中含有一定量的正常磨損顆粒，屬于輕度磨損等級(jí)，為確保機(jī)組運(yùn)行安全，采用內(nèi)窺鏡做進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)行葉片側(cè)軸承出現(xiàn)輕微磨損（圖4、圖5）。檢查人員建議6 個(gè)月后復(fù)查。

圖4 1#機(jī)組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖5 1#機(jī)組低速軸和行星輪葉片側(cè)軸承內(nèi)窺鏡檢查

表1 某風(fēng)電場(chǎng)1#機(jī)組檢測(cè)數(shù)據(jù)

5.2 齒輪箱中度磨損

某風(fēng)場(chǎng)2#電機(jī)組機(jī)油中的表征磨損顆粒含量超標(biāo)，機(jī)油中的鐵元素含量也超標(biāo)，在顯微鏡下可以看到明顯的鐵磁顆粒，其中不僅有正常顆粒，還含有大量的疲勞顆粒，由此推斷機(jī)組存在異常磨損（圖6）。經(jīng)詢(xún)問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)工作人員得知，機(jī)組近期運(yùn)行時(shí)伴隨有異響，內(nèi)窺鏡檢查零件表面已經(jīng)發(fā)生點(diǎn)蝕，軸承表面已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)剝落，需立即停機(jī)維修（圖7）。

圖6 2#機(jī)組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖7 2#機(jī)組內(nèi)齒圈和行星輪葉片側(cè)軸承內(nèi)窺鏡檢查

5.3 齒輪箱重度磨損案例

某風(fēng)電機(jī)組3 初次檢查時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)并未超標(biāo)，但后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)油鐵元素百分比超標(biāo)（表2）。顯微鏡下可以明顯看到機(jī)油中含有大量的剝落顆粒，內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)零件表面已產(chǎn)生大量點(diǎn)蝕，軸承表面發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重剝落（圖8、圖9）。這也證實(shí)了機(jī)油的多次檢測(cè)結(jié)果，最終對(duì)該機(jī)組進(jìn)行停機(jī)維修。

圖8 3#機(jī)組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖9 3#機(jī)組內(nèi)齒圈和行星輪葉片側(cè)軸承內(nèi)窺鏡檢查

表2 某風(fēng)電場(chǎng)3#機(jī)組檢測(cè)數(shù)據(jù)

5.4 故障表現(xiàn)及應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)以上3 個(gè)等級(jí)的磨損，可以采用表3 的策略進(jìn)行處理。

表3 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的故障表現(xiàn)及應(yīng)對(duì)措施

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械設(shè)備作為工業(yè)化的產(chǎn)物，標(biāo)志著人類(lèi)生產(chǎn)力的進(jìn)步，對(duì)人類(lèi)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)各種故障，而金屬材料磨損是造成設(shè)備故障的主要因素之一，不僅影響機(jī)械設(shè)備的性能，還關(guān)乎生產(chǎn)安全與人身安全，一旦發(fā)生事故，勢(shì)必造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人身傷害。針對(duì)金屬材料磨損的原因進(jìn)行分析，找尋防范金屬磨損的策略，進(jìn)一步提高金屬材料壽命的方法對(duì)提高機(jī)械設(shè)備壽命、保障生產(chǎn)安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了金屬材料磨損的原因，給出科學(xué)合理的防范策略，為提高機(jī)械設(shè)備壽命、保障生產(chǎn)安全與人身安全提供了有效途徑。采取科學(xué)措施有效降低金屬材料磨損，將大大推動(dòng)我國(guó)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展水平，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出更多貢獻(xiàn)。