機械設備金屬材料的磨損防范策略研究

張士偉

（中國石油大慶石化公司化工一廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

進入21 世紀以來，人類的生產力大幅提升，先進的機械設備是促進生產力提高的決定因素。在機械設備的日常使用中，金屬磨損是最常見的損壞現象，因金屬磨損造成的設備故障經常給企業帶來經濟損失。金屬材料磨損是伴隨設備運行而必然出現的現象，不僅會改變機械零件表面質量和形狀，還會傷害設備的機械結構，現階段機械設備的使用環境越來越廣泛，甚至在極其惡劣的環境中運行，都加劇了金屬材料磨損，給設備運行帶來安全隱患。

1 磨損的基本含義及其過程

1.1 磨損的含義

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

1.2 磨損的過程

金屬材料磨損可以劃分為3 個時期，即初始磨合、穩定磨損和劇烈磨損。

（1）初始磨合是指機械設備在投入使用的初期，金屬零件表面不規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，磨損速度會迅速降低，進入穩定磨損時期。

（2）穩定磨損時期是指機械設備運行一段時間后，金屬零件表面被磨得光滑，產生加工硬化作用，雖然零件的幾何形狀發生了很小的改變，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，并能持續較長的時間，磨損量與設備運行時間成正比。

（3）劇烈磨損時期是指設備運行較長時間后，金屬零件表面已經不再光滑，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，在較短的時間內發生較大的尺寸與形狀改變，使配合精度降低，機械設備運行不再平穩，產生振動和噪聲，最終導致金屬零件的損壞。

2 機械設備磨損現象及原因

2.1 磨損性損傷

因金屬材料磨損而導致的磨損性損傷是機械設備常見的損壞形式。機械設備中的金屬零件在接觸部位因摩擦而發生損壞是不可避免的，只要設備運行，物件之間的摩擦就會發生（圖1）。

圖1 磨損性損傷

2.2 摩擦磨損

金屬零件因摩擦導致零件表面的小突起發生脫落，是常見的類型，能夠導致零件的形狀尺寸發生改變。按照經驗，金屬零件表面的粗糙度越低，越容易發生摩擦磨損，而光滑的金屬表面發生摩擦磨損的程度要小得多，采用合適的潤滑手段能夠進一步降低磨損（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生，或有外部環境的顆粒物混入。顆粒物的加入會加劇金屬表面的磨損，建筑機械經常在多塵環境中運行，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，致使金屬零件發生磨料磨損。工程機械的維護保養要特別注意磨料磨損的防護。此外，挖掘機斗齒經常接觸高硬度巖石，推土機推板經常接觸地面和砂石，要選用耐磨材料制作而成，并設計成能夠減少摩擦的形狀，達到降低磨料磨損的目的。

2.4 粘著損傷

當金屬零件之間的接觸表面承受較大的負載，或接觸表面潤滑不良，接觸空間過小，滑動速度過快等，就會發生粘著磨損，在粘著磨損過程中，金屬零件的表面會發生塑性變形，并嵌入另一零件表面，這是因為金屬發生加工硬化而產生撕裂，發生這種磨損后，零件在短時間內就會損壞（圖3）。

圖3 粘著損傷

2.5 耐磨性能

工程機械的使用過程中，機械零件的材料、表面質量和潤滑情況都決定著機械零件的使用壽命，零件之間的相互摩擦和沖擊會造成金屬材料磨損，這些磨損將大大損害設備壽命和使用安全。因此應加強對工程設備的定期檢修與維護，從而最大限度延長其使用壽命。

3 機械設備金屬材料磨損的危害

機械設備中，金屬零件因相互接觸產生摩擦而產生的磨損能夠改變零件的尺寸、形狀和表面質量，使零件的功能受損，從而影響整個設備的性能，提高金屬零件的耐磨性，對于機械設備具有重要意義。金屬材料磨損隨著機械設備使用時間的增多而逐漸加劇，加之機械設備工作環境中的粉塵和氧化物等顆粒的污染，更會加劇金屬材料磨損的進程。

金屬材料的這種磨損無法避免，磨損程度直接影響設備的性能，一旦發生故障，勢必造成經濟損失。金屬材料磨損是影響機械安全性的主要因素，會威脅設備與工作人員的安全。我國工業化進程的時間較短，金屬零件的制作工藝與國外發達國家還有一定差距，而金屬材料的質量直接決定了金屬材料磨損的程度，也直接影響著我國制造業的水平。

4 機械設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。工程機械中應選擇適合惡劣環境、高強度、高負荷要求的金屬材料，還可以采取先進的表面處理方法，提升金屬零件的表面耐磨性，并采取合理的潤滑方法，從而最大限度減緩金屬磨損的進程。還要考慮機械設備的成本要求，使金屬材料成本與性能達到平衡，使工程機械獲得良好的使用性和經濟性。

4.2 革新材料制造技術

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，經過不同工藝的處理，能夠得到性能迥異的零件，只有不斷改進加工工藝，引進新的技術，才能真正提高金屬零件的壽命。機械設備中的每一部分金屬材料的制作工藝都將影響整個設備的性能，提高金屬零件的質量，就能使機械設備的性能得到明顯的提升。

4.3 改善機械設備工作環境

在長期的生產實踐中發現，機械設備的使用環境也是影響金屬材料磨損的主要因素，改善機械設備的工作環境，能夠有效降低金屬材料的磨損。在機械設備投入使用前，要確保工作環境滿足機械設備的使用要求，并嚴令禁止過載使用。在機械設備的使用過程中，要采取有效措施預防外部顆粒物進入設備內部，這樣就能有效減少金屬材料磨損。

4.4 合理選擇潤滑油

采取合理的潤滑措施也能夠有效降低金屬材料磨損。機械設備中使用的潤滑油、潤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，在機械設備的日常保養中要充分重視金屬零件的潤滑，才能保持良好的使用狀態。

4.5 設計新型機械設備

隨著科學技術的不斷發展，機械設備的使用范圍不斷擴大，已經深入到生產生活的方方面面，只有按照使用要求設計機械設備，才能最大限度保障機械設備的性能與壽命。在設計中應采用新的設計方法，應用新的材料，開發新的制造工藝。在業務分工不斷明確的今天，對機械設備進行精準的定向設計，能夠使機械設備更加滿足不同場合的需求，也更有利于設備的維護和保養，最大限度延長機械設備的使用壽命。

4.6 做好金屬材料保養

金屬材料在使用過程中需要完善的保養和維護，即使設備閑置不用時，也應定期進行保養，使機械設備長期保持良好的狀態。

5 案例分析

磨損程度可以分為3 個等級，即輕度、中度、重度磨損，分別舉例說明這3 個等級的磨損程度。

5.1 齒輪箱輕度磨損

某風場1#電機組在2020 年檢測時指標全部正常，其機油的黏度與鐵元素百分比均符合國家指標要求，但2021 年檢測指標出現異常，機油黏度低于國家指標，機油中鐵元素百分比超過國家指標，機油質量接近失效的臨界點（表1）。機油黏度低會大大降低潤滑效果，使機組的磨損增加，過多鐵元素進入機油中提高了機油中鐵元素的含量。機油中含有一定量的正常磨損顆粒，屬于輕度磨損等級，為確保機組運行安全，采用內窺鏡做進一步檢查，發現行葉片側軸承出現輕微磨損（圖4、圖5）。檢查人員建議6 個月后復查。

圖4 1#機組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖5 1#機組低速軸和行星輪葉片側軸承內窺鏡檢查

表1 某風電場1#機組檢測數據

5.2 齒輪箱中度磨損

某風場2#電機組機油中的表征磨損顆粒含量超標，機油中的鐵元素含量也超標，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，由此推斷機組存在異常磨損（圖6）。經詢問現場工作人員得知，機組近期運行時伴隨有異響，內窺鏡檢查零件表面已經發生點蝕，軸承表面已經開始出現剝落，需立即停機維修（圖7）。

圖6 2#機組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖7 2#機組內齒圈和行星輪葉片側軸承內窺鏡檢查

5.3 齒輪箱重度磨損案例

某風電機組3 初次檢查時各項指標并未超標，但后續檢查發現機油鐵元素百分比超標（表2）。顯微鏡下可以明顯看到機油中含有大量的剝落顆粒，內窺鏡檢查發現零件表面已產生大量點蝕，軸承表面發現嚴重剝落（圖8、圖9）。這也證實了機油的多次檢測結果，最終對該機組進行停機維修。

圖8 3#機組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖9 3#機組內齒圈和行星輪葉片側軸承內窺鏡檢查

表2 某風電場3#機組檢測數據

5.4 故障表現及應對措施

針對以上3 個等級的磨損，可以采用表3 的策略進行處理。

表3 風電機組齒輪箱的故障表現及應對措施

6 結束語

機械設備作為工業化的產物，標志著人類生產力的進步，對人類社會與經濟發展起到重要的推動作用。機械設備在使用過程中不可避免地出現各種故障，而金屬材料磨損是造成設備故障的主要因素之一，不僅影響機械設備的性能，還關乎生產安全與人身安全，一旦發生事故，勢必造成經濟損失，甚至造成人身傷害。針對金屬材料磨損的原因進行分析，找尋防范金屬磨損的策略，進一步提高金屬材料壽命的方法對提高機械設備壽命、保障生產安全具有十分重要的現實意義。本文介紹了金屬材料磨損的原因，給出科學合理的防范策略，為提高機械設備壽命、保障生產安全與人身安全提供了有效途徑。采取科學措施有效降低金屬材料磨損，將大大推動我國機械設備的發展水平，為我國經濟建設作出更多貢獻。