露天采礦設(shè)備機(jī)械零件的損壞形式和修復(fù)措施分析

張 昊，李 楠，靳作成

（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司化工分公司，河北 唐山 063700）

隨著礦山機(jī)械化程度的日益提高，礦山機(jī)電設(shè)備管理與維修工作占據(jù)著越來越重要的位置。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在每年的礦山安全生產(chǎn)過程中，由于機(jī)電設(shè)備故障造成的事故占總事故的六成，一旦機(jī)電設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅會(huì)影響到礦山企業(yè)的正常運(yùn)作和生產(chǎn)，還會(huì)對(duì)礦山工作人員構(gòu)成人身安全的威脅，露天采礦設(shè)備在惡劣的自然環(huán)境和高強(qiáng)度的工作條件下，其機(jī)械零件易受到各種類型的損壞。這些損壞可能由于環(huán)境因素、操作失誤或材料和設(shè)計(jì)的不足引起。因此，對(duì)這些損壞形式的系統(tǒng)分析和對(duì)策的研究對(duì)于延長設(shè)備壽命、降低維修成本和提高采礦效率具有重要意義。

1 露天采礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)作的特點(diǎn)

在露天采礦環(huán)境中，設(shè)備經(jīng)常暴露在極端的天氣條件下，包括強(qiáng)烈的陽光、暴雨、風(fēng)暴甚至是低溫或高溫環(huán)境。這種不斷變化的氣候條件對(duì)機(jī)械設(shè)備的材料和構(gòu)造提出了更高要求，需要它們具有良好的耐候性和可靠性。例如，金屬部件可能需要特殊的涂層來防止腐蝕，而塑料和橡膠部件則需要能夠抵抗紫外線的破壞和極端溫度的影響。

此外，露天采礦區(qū)域的地形條件也對(duì)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作提出了挑戰(zhàn)。這些設(shè)備不僅需要能夠在崎嶇不平的地面上穩(wěn)定運(yùn)行，還需要有足夠的動(dòng)力和機(jī)動(dòng)性來應(yīng)對(duì)陡峭的斜坡和不均勻的地面。這就要求采礦機(jī)械擁有高效的動(dòng)力傳輸系統(tǒng)和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力[1]。

露天采礦機(jī)械設(shè)備通常需要承擔(dān)大規(guī)模和重載的作業(yè)任務(wù)。這不僅意味著它們需要有足夠的力量來搬運(yùn)重物，如巖石和礦石，還意味著它們自身的結(jié)構(gòu)必須足夠堅(jiān)固以承受這些重負(fù)荷。因此，這些設(shè)備通常采用強(qiáng)化的鋼材或其他高強(qiáng)度材料制造，并且在設(shè)計(jì)上注重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和耐用性。

2 露天采礦設(shè)備零件損壞形式與原因

2.1 露天采礦設(shè)備零件損壞的形式

1.磨損：在露天采礦的環(huán)境下，設(shè)備零件的磨損是一個(gè)普遍且不可避免的問題。長時(shí)間的運(yùn)作使得部件表面受到持續(xù)的物理摩擦，導(dǎo)致材料逐漸損失。磨損通常發(fā)生在零件的接觸表面，如齒輪、軸承和滑動(dòng)導(dǎo)軌。這種磨損可能導(dǎo)致部件尺寸的改變，從而影響機(jī)械的精度和性能。此外，磨損還可能導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)一步降低零件的整體強(qiáng)度；在露天采礦中，除了正常的摩擦磨損，還有顆粒磨損，即由于顆粒（如沙粒、小石子）的介入造成的額外磨損。這些顆粒在設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件之間起著研磨劑的作用，加速了零件的磨損過程。

2.腐蝕：腐蝕是另一種常見的零件損壞形式，尤其是在露天采礦設(shè)備中，由于經(jīng)常接觸到濕潤的環(huán)境和化學(xué)物質(zhì)。腐蝕通常涉及金屬部件與環(huán)境中的水分和氧氣反應(yīng)，形成氧化物，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的弱化。在有些情況下，特別是在化學(xué)品或鹽分存在的環(huán)境中，腐蝕的速度可能會(huì)加快；不僅如此，腐蝕還可能通過電化學(xué)機(jī)制發(fā)生，即當(dāng)兩種不同金屬在電解質(zhì)環(huán)境中接觸時(shí)，較活潑的金屬會(huì)優(yōu)先腐蝕。這種情況在采礦設(shè)備的多金屬組件中尤為常見。

3.疲勞斷裂：疲勞斷裂是由于零件長期承受交變應(yīng)力和負(fù)荷而發(fā)生的損壞。在露天采礦作業(yè)中，設(shè)備經(jīng)常需要處理重負(fù)荷，如搬運(yùn)大量的礦石和巖石。這些重復(fù)的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致材料中的微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致零件的突然斷裂。疲勞斷裂通常在沒有明顯形變的情況下發(fā)生，這使得它成為一種特別隱蔽的損壞形式。斷裂通常從材料內(nèi)部的微小缺陷開始，隨著時(shí)間的推移，這些缺陷在反復(fù)應(yīng)力的作用下逐漸擴(kuò)展。值得注意的是，即使在應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，長期的循環(huán)加載也可能導(dǎo)致疲勞斷裂[2]。

2.2 設(shè)備零件出現(xiàn)故障的原因

1.設(shè)計(jì)缺陷：露天采礦設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷是引起零件故障的一個(gè)重要原因。這通常涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或材料選擇不當(dāng)。例如，如果一個(gè)部件的設(shè)計(jì)沒有充分考慮到實(shí)際工作中的應(yīng)力分布，可能會(huì)導(dǎo)致該部件在特定區(qū)域過早磨損或斷裂。同樣，如果選擇的材料無法承受設(shè)備運(yùn)作中的溫度變化、化學(xué)腐蝕或物理沖擊，也會(huì)加速零件的損壞。在采礦機(jī)械的設(shè)計(jì)階段，合理的工程計(jì)算和材料選擇對(duì)于確保設(shè)備的可靠性和耐用性至關(guān)重要。此外，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮到易損部件的易更換性，以便于日常維護(hù)和修理。

2.運(yùn)維不當(dāng)：露天采礦設(shè)備的運(yùn)維不當(dāng)也是導(dǎo)致零件故障的一個(gè)關(guān)鍵因素。這包括缺乏定期維護(hù)、操作不規(guī)范或操作人員技能不足。定期維護(hù)，如潤滑、清潔和零件檢查，對(duì)于預(yù)防故障和延長設(shè)備壽命至關(guān)重要。如果忽視這些維護(hù)工作，可能會(huì)導(dǎo)致零件過早磨損、腐蝕或其他形式的損壞。此外，不規(guī)范的操作習(xí)慣，如超負(fù)荷使用設(shè)備、錯(cuò)誤操作或忽視安全指南，也會(huì)加劇設(shè)備零件的磨損和損壞。因此，對(duì)操作人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和指導(dǎo)，確保他們了解并遵循正確的操作程序，對(duì)于減少設(shè)備故障至關(guān)重要[3]。

3.外界因素：包括意外撞擊、極端天氣條件等，也是導(dǎo)致露天采礦設(shè)備零件損壞的原因之一。在采礦作業(yè)中，設(shè)備經(jīng)常暴露在惡劣的環(huán)境中，如高溫、低溫、濕度變化、塵土和化學(xué)物質(zhì)等。這些條件可能導(dǎo)致設(shè)備部件的腐蝕、材料退化或機(jī)械性能下降。除此之外，意外撞擊，如在采礦作業(yè)中不小心碰撞到巖石或其他重物，也可能導(dǎo)致設(shè)備部件的損壞或失效。這類意外事件可能導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)的彎曲、斷裂或其他形式的損壞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 露天采礦設(shè)備機(jī)械零件的修復(fù)措施分析

3.1 針對(duì)磨損

1.表面硬化處理：表面硬化處理是增加零件抵抗磨損能力的一種關(guān)鍵技術(shù)。它主要通過改變零件表面的物理和化學(xué)性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。熱處理是最常見的方法之一，包括但不限于淬火和回火。淬火涉及將金屬加熱到一個(gè)高溫，然后迅速冷卻，通常使用水或油。這種快速冷卻改變了金屬的微觀結(jié)構(gòu)，使其變得更硬且更耐磨?；鼗饎t是在淬火之后進(jìn)行的，用于消除淬火過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止零件變得過于脆弱；化學(xué)處理，如滲碳、氮化和硼化，也是表面硬化的有效方法。這些過程涉及在高溫下將碳、氮或硼等元素?cái)U(kuò)散到金屬表面。這種擴(kuò)散不僅增加了表面的硬度，而且還提高了耐腐蝕性和抗氧化能力，這對(duì)于露天采礦環(huán)境中的設(shè)備尤為重要。

2.涂層保護(hù)：涂層保護(hù)作為一種表面工程技術(shù)，提供了一種額外的防護(hù)層來保護(hù)零件免受磨損。這些涂層可以是金屬涂層，如鎳、鉻或鋅涂層，也可以是非金屬涂層，如陶瓷或聚合物涂層。這些涂層不僅增強(qiáng)了零件的耐磨性，而且在某些情況下，還能提供附加的耐腐蝕和耐化學(xué)性能。金屬涂層通常通過電鍍或熱噴涂等工藝施加，而非金屬涂層則可能采用物理氣相沉積（PVD）或化學(xué)氣相沉積（CVD）。這些高級(jí)涂層技術(shù)使得涂層與基體金屬之間的結(jié)合更加牢固，從而提高了涂層的耐久性和效果。

3.更換零件：當(dāng)磨損到達(dá)一個(gè)無法通過表面處理或涂層保護(hù)來恢復(fù)的程度時(shí)，更換零件成為必然選擇。更換磨損嚴(yán)重的零件是保證設(shè)備安全和高效運(yùn)行的關(guān)鍵。這一過程要求對(duì)零件的磨損程度有準(zhǔn)確的評(píng)估，并且要確保新零件的質(zhì)量和與原設(shè)備的兼容性。更換零件不僅涉及零件本身的成本，還包括了安裝和調(diào)試新零件所需的時(shí)間和勞力。因此，這個(gè)決策通常是在評(píng)估了維修成本與更換成本之后作出的。在某些情況下，即使零件尚未完全失效，考慮到預(yù)防維護(hù)和避免未來的大規(guī)模停機(jī)，更換零件也是一種明智的選擇[4]。

3.2 針對(duì)腐蝕

1.防腐處理：防腐處理是對(duì)付腐蝕最直接的方法之一，通常使用防腐涂料或進(jìn)行鍍層處理。防腐涂料通過在金屬表面形成一層保護(hù)性屏障來工作，阻擋水分和氧氣，這兩者是腐蝕過程中的主要催化劑。這些涂料可能基于各種化學(xué)成分，包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯和鋅富含涂料等。每種涂料類型都有其獨(dú)特的屬性，適用于不同的環(huán)境條件和金屬類型；另外，鍍層處理，如鍍鋅或鍍鉻，也是一種常見的防腐方法。這些處理通過在金屬表面形成一層牢固的金屬鍍層來提供保護(hù)。例如，鍍鋅通過形成犧牲陽極層來保護(hù)鋼鐵部件，即使涂層被劃破，鋅層也會(huì)優(yōu)先于鋼鐵腐蝕，從而保護(hù)鋼鐵部件。

2.材料替換：使用更耐腐蝕的材料制造零件，包括不銹鋼、鋁合金、鈦合金和某些高性能塑料或復(fù)合材料。這些材料因其優(yōu)異的耐化學(xué)性和耐環(huán)境性能而被廣泛應(yīng)用于易受腐蝕環(huán)境的設(shè)備中。

（1）不銹鋼：不銹鋼是一種含有至少10.5%鉻的合金，鉻的加入使得不銹鋼在氧化環(huán)境中形成一層致密的自動(dòng)修復(fù)的氧化鉻膜，這層膜阻擋了進(jìn)一步的腐蝕。根據(jù)不同的應(yīng)用和環(huán)境，可以選擇不同的不銹鋼等級(jí)，例如，奧氏體不銹鋼因其優(yōu)異的耐腐蝕性和成形能力而廣泛應(yīng)用于采礦設(shè)備。

（2）鋁合金：鋁合金以其輕質(zhì)、強(qiáng)度高和良好的耐腐蝕性而著稱。鋁自然形成的氧化層提供了良好的保護(hù)，阻止進(jìn)一步的腐蝕。它們適用于需要減輕重量而又要求耐腐蝕的應(yīng)用場合。

（3）鈦合金：鈦合金因其高強(qiáng)度、低密度和極佳的耐腐蝕性能而被視為理想的材料，尤其適用于極端環(huán)境。盡管成本較高，但它們?cè)陂L期運(yùn)作和惡劣條件下表現(xiàn)出的耐久性使得初期投資得以回報(bào)。

（4）高性能塑料和復(fù)合材料：一些高性能塑料如聚四氟乙烯（PTFE）和復(fù)合材料，例如碳纖維增強(qiáng)塑料，因其出色的耐化學(xué)性和耐環(huán)境性能而被用于制造易受腐蝕的零件。這些材料通常用于非結(jié)構(gòu)性部件，如密封件和軸承。

3.環(huán)境控制：通過改善存儲(chǔ)和工作環(huán)境也可以有效減少腐蝕，這涉及控制環(huán)境中的濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)的暴露程度。

（1）濕度控制：在存儲(chǔ)或停用設(shè)備時(shí)，控制環(huán)境濕度是至關(guān)重要的。使用除濕器或保持良好的通風(fēng)可以減少空氣中的濕度，從而降低腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）溫度管理：極端溫度變化可以加速腐蝕過程。保持設(shè)備在溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，尤其是在非工作狀態(tài)下，有助于減少由溫度引起的腐蝕問題。

（3）化學(xué)物質(zhì)控制：避免設(shè)備接觸腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，如酸性或堿性物質(zhì)，是防止化學(xué)腐蝕的關(guān)鍵。在處理這些物質(zhì)時(shí)，使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施和清潔程序是必要的。

（4）定期清洗和檢查：定期清洗設(shè)備可以去除可能導(dǎo)致腐蝕的鹽分、灰塵和其他污染物。同時(shí)，定期檢查可以早期發(fā)現(xiàn)腐蝕跡象，并采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施[5]。

3.3 針對(duì)疲勞斷裂

1.結(jié)構(gòu)強(qiáng)化：結(jié)構(gòu)強(qiáng)化涉及通過設(shè)計(jì)優(yōu)化或加固部件來提高其承載能力和耐疲勞性。設(shè)計(jì)優(yōu)化可能包括改進(jìn)零件的形狀和尺寸，以更好地分散應(yīng)力并減少應(yīng)力集中點(diǎn)，這些是疲勞裂紋最容易發(fā)生的區(qū)域。例如，圓角或斜面的設(shè)計(jì)可以有效減少應(yīng)力集中，從而延長部件的使用壽命；加固部件則包括使用更高強(qiáng)度的材料或在關(guān)鍵部位添加額外的支撐。這些加固措施不僅增強(qiáng)了部件的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且提高了其抵抗疲勞斷裂的能力。

2.定期檢測：由于疲勞斷裂通常是一個(gè)漸進(jìn)的過程，定期檢測是一種有效的預(yù)防措施。超聲波檢測是一種常用的非破壞性檢測方法，能夠在不損害部件的情況下發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋和缺陷。這種方法適用于各種金屬材料，并且能夠精確地定位和評(píng)估裂紋的大小和嚴(yán)重程度；磁粉檢測是另一種有效的技術(shù)，特別適用于檢測表面和近表面的缺陷。在磁粉檢測中，首先將磁場施加到零件上，然后撒上磁性粉末。如果存在裂紋，磁粉將會(huì)在裂紋處聚集，從而可視化裂紋的位置和形狀。

3.零件更換：對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)疲勞裂紋的部件，及時(shí)更換是至關(guān)重要的，即使是小裂紋也可能迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致零件完全失效，甚至可能引發(fā)設(shè)備故障或安全事故。更換受損的部件不僅可以防止進(jìn)一步的損害，還可以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。在實(shí)踐中，零件更換的決策通?；诙ㄆ跈z測的結(jié)果和部件的整體狀況。一旦發(fā)現(xiàn)裂紋或其他嚴(yán)重?fù)p傷，應(yīng)立即采取行動(dòng)更換零件，以避免更大的風(fēng)險(xiǎn)和潛在的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語

對(duì)露天采礦機(jī)械設(shè)備進(jìn)行合理的維護(hù)和及時(shí)的修復(fù)對(duì)于保證其高效穩(wěn)定的運(yùn)作至關(guān)重要。采用科學(xué)的方法診斷損壞原因，并采取針對(duì)性的修復(fù)措施，不僅可以有效延長設(shè)備的使用壽命，還能提高作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)于露天采礦企業(yè)來說，強(qiáng)化設(shè)備維護(hù)管理和技術(shù)創(chuàng)新是提升競爭力的關(guān)鍵。