機械磨損典型案例原因分析及改進

摘" " 要：機械磨損是機械設備在使用過程中不可避免的現象，不僅會影響設備的性能，還會導致設備的失效和損壞。花鍵磨損和聯軸器磨損均屬較為常見的機械磨損故障類型。以海洋鉆井平臺現場遇到的幾起花鍵磨損和聯軸器磨損典型故障為例，在對故障情況及其影響進行簡要介紹的基礎上，對機械磨損的規律及影響因素進行了較為詳細的論述，然后結合宏觀檢查方法及理化檢測方法，對花鍵磨損及齒式聯軸器磨損的原因進行了深入分析，據此提出合理選型與設計、更換或修復部件、潤滑維護、改善安裝工藝、引進新技術等改進和預防措施。

關鍵詞：機械磨損；花鍵；齒式聯軸器；預防措施

Cause analysis and improvement of typical cases of mechanical wear

REN Xinwen， JIANG Hui， LU Shan， WU Jiawei

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：As an inevitable phenomenon during mechanical equipment operation， mechanical wear not only affects equipment performance but also leads to equipment failure and damage. Spline wear and coupling wear are common mechanical wear faults. In this study， several typical spline wear and coupling wear faults encountered in offshore drilling platforms were taken as examples. Based on a brief introduction of the faults and effects， the law and influencing factors of mechanical wear were discussed in detail. Then， the causes of spline wear and gear coupling wear were further analyzed by the combined method of macroscopic inspection and physiochemical detection. At last， improvement and prevention measures were put forward， including reasonable selection and design， replacement or repair of assembly units， lubrication， and maintenance， installation technology improvement， as well as new technology introduction.

Keywords：mechanical wear and tear; spline; gear coupling; preventive measure

海洋鉆井平臺上設備種類繁多，機械設備的使用壽命影響著生產效率、安全和經濟效益。近年來，隨著海洋工程領域的快速發展，許多海洋鉆井平臺設備經歷了長期高負荷飽和運轉狀態，同時因機械磨損發生的設備故障也時有發生，其中花鍵磨損和聯軸器磨損是常見的機械磨損典型故障。

花鍵連接是一種多齒接觸傳動，由內花鍵和外花鍵組成，是機械傳動系統中的重要組成部分，其主要功能是傳遞扭矩和承受載荷。聯軸器是機械系統中重要的組成部分，其主要作用是連接兩個軸，并傳遞運動和扭矩。在機械設備運行過程中，由于長時間的工作運行或維護不當，花鍵和聯軸器會因為各種原因發生磨損，這不僅會影響機械效率，嚴重時甚至可能導致機械故障。本文對海洋鉆井平臺現場遇到的幾起花鍵磨損和聯軸器磨損典型故障案例發生的原因和影響進行了分析，提出改進建議和設備管理思路，對于提高設備的可靠性和使用壽命具有重要意義[1-5]。

1" " 機械磨損典型案例

1.1" " 吊機變幅馬達花鍵軸套磨損故障

2022年，某海洋鉆井平臺吊車在使用過程中發生操作控制手柄變幅不能起降的故障。經排查，直接原因是變幅馬達輸出軸與齒輪箱輸入軸之間的花鍵軸套磨損，造成馬達無法驅動變幅滾筒旋轉。變幅馬達花鍵套磨損情況見圖1。

1.2" " 吊機循環泵花鍵軸套磨損故障

2023年，某海洋鉆井平臺吊車在使用過程中發生系統壓力和控制壓力均為零且三聯泵處有異響的故障。經排查，直接原因是三級循環泵花鍵軸套磨損，造成柴油機輸出動力軸無法驅循環泵運轉，進而導致液壓系統壓力丟失。三級循環泵花鍵軸套磨損情況見圖2。

1.3" " 排管機齒式聯軸器磨損故障

2023年，某海洋鉆井平臺排管機發生上部行走機構和下部行走機構不能同步的故障。經排查，直接原因是上部行走總成花鍵軸與齒輪軸之間的聯軸器磨損，導致下部驅動動力無法傳遞到上部行走齒輪。齒式聯軸器磨損情況見圖3。

1.4" " 故障影響

機械磨損對設備和生產組織具有顯著的影響。首先，機械磨損會導致設備性能下降，影響生產效率和設備安全；其次，機械磨損還可能導致設備過早失效，增加維修和替換成本，從而對生產組織的經濟效益產生負面影響。

馬達花鍵軸套磨損和循環泵花鍵軸套磨損均發生在吊機使用期間，給海洋鉆井平臺現場生產組織和安全生產造成很大被動。同時為了保證設備安全維修，耗費了很多資源，影響了經濟效益。齒式聯軸器磨損更是直接導致平臺臨時停工復員數天，造成一定的日費損失。因此，定期維護和保養設備，以及采取有效的預防措施來減少機械磨損，對于保持設備的良好性能和生產組織的穩定運行至關重要。

2" " 機械磨損

2.1" " 機械磨損規律

機械磨損是機械表面因不斷相互接觸而產生逐漸損傷的現象。具體表現為機械表面出現微觀凸起和溝槽或材料逐漸從表面脫落，導致表面粗糙度增大。這種現象通常由摩擦引起，需要定期維護和潤滑，以減少磨損[6]。

通過對機械磨損規律的研究和總結，一般將機械磨損劃分為三個階段，即初期磨損階段、穩定磨損階段和加速磨損階段。初期磨損（設備磨合過程）階段的摩擦面粗糙，化學穩定性差或間隙過小，脫落磨粒多，因而磨損速度快。在機械設備使用初期，要注意嚴格執行磨合期使用技術規程，禁止重負荷或超載超速，并注意清潔與更換潤滑油。穩定磨損階段的磨損速度較慢，是設備發揮最佳效能的時期，設備維護的目的之一就是盡量延長這一階段的時間。加速磨損階段則因間隙、沖擊、振動、腐蝕、疲勞等不利因素，導致設備磨損加速，此階段若能維護及時，恢復零件形狀、位置公差，注意腐蝕、溫度的影響與載荷的匹配，亦能適當延長設備壽命。設備使用者在此階段應注意設備的安全性能。

2.2" " 機械磨損的影響因素

機械磨損受到多種因素的影響，在實際應用中需要根據具體情況綜合考慮以下因素，采取相應的措施來降低機械磨損。

1）潤滑條件。通過改善潤滑條件，選擇合適的潤滑劑和潤滑方式可以降低摩擦阻力，有效減少機械磨損。

2）摩擦表面的性質。材料的硬度、表面粗糙度、化學成分等都會影響機械磨損的程度。一般來說，硬度較高的材料耐磨性較好，而表面粗糙度較低的表面更有利于減少摩擦阻力，從而降低磨損。

3）相對運動速度。摩擦表面的相對運動速度對機械磨損有顯著影響，相對運動速度越高，單位時間內摩擦表面的接觸次數和摩擦力就越大，機械磨損也就越嚴重。

4）接觸應力。接觸應力可以改變摩擦表面的接觸形式，從而影響機械磨損。接觸應力過大，會使接觸點發生塑性變形，加速機械磨損；而接觸應力過小，則可能導致接觸點發生彈性變形，同樣也會加劇機械磨損。

5）溫度和氧化。摩擦過程中產生的熱量和氧化物也會影響機械磨損。過高的溫度會導致金屬材料變軟、疲勞，從而加劇機械磨損。

6）配合性質。摩擦副的配合性質（過盈配合、間隙配合等）也會影響機械磨損。過盈配合時，由于存在軸向壓力，會使磨損加劇；間隙配合時，由于存在相對運動，也會加劇機械磨損。

3" nbsp;案例分析

3.1" " 花鍵磨損原因分析

花鍵連接是機械傳動的一種，與平鍵、半圓鍵、楔鍵作用一樣，都是傳遞機械扭矩的，在軸的外表有縱向的鍵槽，套在軸上的旋轉件（花鍵軸套）也有對應的鍵槽，可保持跟軸同步旋轉。由于受多重因素影響，花鍵軸及花鍵軸套發生磨損主要有以下幾個方面的原因。

1）長時間高強度使用。在長時間持續承受高強度載荷的情況下，花鍵可能會發生塑性變形，表面材料會磨損或剝離，在這種情況下，可能需要定期檢查并更換磨損的花鍵。

2）維護不當。潤滑不良、不及時潤滑或使用劣質潤滑劑都可能導致花鍵磨損加劇，這是因為良好的潤滑可以減少摩擦和磨損，但如果潤滑條件不佳，會導致花鍵軸的摩擦面腐蝕、生銹，進而產生磨損，花鍵副的轉動或滑動就會變得困難，加劇摩擦和磨損。

3）安裝不當。安裝過程中，如果花鍵的配合表面安裝不到位，存在間隙，那么花鍵在扭矩的作用下就會產生磨損。為避免出現這種情況，在機械設備安裝過程中需要嚴格控制安裝精度，保證花鍵的正確位置。

4）材質問題。花鍵的材質也會影響其耐磨性，如果材質的硬度不夠或者選用的材質不適合工作場合，那么花鍵就容易磨損。因此，選擇合適的材料對于花鍵的壽命和性能至關重要。

3.2" " 齒式聯軸器磨損原因分析

齒式聯軸器主要由兩個半聯軸器、齒圈、軸承座等組成。其中，兩個半聯軸器通過焊接或螺栓連接在一起，形成一個整體。齒圈一般安裝在其中一個半聯軸器上，與另一個半聯軸器上的齒圈相互嚙合。軸承座則用來支撐整個聯軸器，并保證其運轉的穩定性。齒式聯軸器在長期使用過程中，由于受到多種因素的影響，容易出現磨損問題。齒式聯軸器發生磨損主要有以下幾個方面的原因。

1）載荷過大或不平衡。當齒式聯軸器承受過大的載荷時，齒面會受到過度磨損和擠壓，導致齒形損壞和斷裂。如果載荷分布不均，也會導致齒面接觸不良，進一步加劇磨損。

2）振動和沖擊。在頻繁的振動和沖擊載荷作用下，齒面會產生疲勞磨損和剝離，導致齒面粗糙和間隙增大。這些間隙可能導致扭矩泄漏，降低傳動效率，并可能導致其他部件的損壞。

3）潤滑不良。如果潤滑不當或缺乏潤滑，就會導致齒面缺乏足夠的潤滑，增加磨損的可能性。不良的潤滑還會導致摩擦和高溫，造成磨損進一步加劇。

4）腐蝕。腐蝕性物質如酸、堿、鹽等會破壞齒式聯軸器的金屬表面，導致腐蝕和磨損，使其性能下降。這種情況下，需要選擇合適的防腐材料并確保工作環境清潔、無腐蝕性物質。

5）安裝不當。如果安裝過程中沒有正確對準和調整聯軸器，就會導致齒面接觸不良或間隙過大。此外，安裝過程中還應注意避免扭矩過大或過小，以避免對齒式聯軸器造成損壞。

3.3" " 磨損原因的宏觀檢查

3.3.1" " 變幅馬達花鍵軸套

檢查變幅馬達花鍵軸套發現，其花鍵和齒存在明顯的塑性變形，這可能是由于長時間高強度使用，導致花鍵軸套承受了過大的載荷，產生了塑性變形。由于變形，花鍵軸套的配合表面可能存在間隙，導致扭矩泄漏，振動和沖擊加大，進一步加劇磨損。

3.3.2" " 循環泵花鍵軸套

檢查循環泵花鍵軸套發現，花鍵齒頂出現了嚴重的磨損，這可能是由于潤滑不良、振動和沖擊等因素導致的。通常，花鍵套齒的硬度會比花鍵軸齒的硬度低，但花鍵套齒硬度設計不符合使用要求，也會導致花鍵齒頂的快速磨損。

3.3.3" " 齒式聯軸器

檢查齒式聯軸器發現，齒存在不同程度的塑性變形和齒頂磨損，這可能是由于安裝不當、載荷過大或不平衡等因素導致的。在安裝過程中，如果沒有正確對準和調整聯軸器，或者安裝扭矩過大、過小，都可能導致齒面接觸不良或間隙過大。同時，如果潤滑不良，也會加劇這種磨損。值得注意的是，齒式聯軸器內部填充有潤滑脂，可能是由于磨損后的鐵屑不能排出，仍然保留在齒套內部并與潤滑脂混合形成油泥，影響潤滑效果。

3.4" " 磨損原因的理化檢測分析

機械磨損后進行的理化檢測是一種通過物理或化學方法來評估機械磨損程度和原因的檢測方法。物理檢測包括測量磨損表面的尺寸變化、表面形貌、硬度變化、金相組織變化等。通過這些測量，可以評估機械磨損的程度和類型，如磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損等。此外，磨損表面的氧化、腐蝕等現象也可以通過物理檢測進行評估。化學檢測則分析磨損產物中的化學成分，了解磨損過程中的化學反應和腐蝕情況，這有助于確定導致機械磨損的因素，如潤滑不良、腐蝕介質的存在等。此外，電學性能測試也是一種常見的理化檢測方法，用于評估磨損對機械電氣性能的影響。

本文案例中的花鍵磨損和聯軸器磨損未實際進行理化檢測分析，但類比相似案例，變幅馬達花鍵軸套、循環泵花鍵軸套、齒式聯軸器的齒接觸面硬度不夠，抗磨損性能差，可能是導致機械磨損的誘因。

4" " 改進和預防措施

發生磨損的機械部件通常從重新選型和設計、更換或修復部件、加強維護保養、改善安裝工藝等方面采取預防措施，進行修復和改進。

4.1" " 合理選型和設計

根據實際需求，充分考慮其材料、結構和性能特點，以適應特定的使用環境和工況，對花鍵和聯軸器的類型和材料進行合理選擇。例如，對于高強度、高摩擦的工作環境，應選擇具有良好耐磨、耐腐蝕性能的材料。采用具有優良耐磨性能的材料制作花鍵軸，或者采用硬化涂層制備等表面處理技術，提高花鍵的抗磨損性能，提高其使用壽命。在設計過程中，應避免結構設計上的缺陷，如銳利的邊緣、過度磨損的配合面等，這些都可能導致早期磨損。

4.2" " 更換或修復部件

對于已經發生磨損的部件，應優先選擇更換，以確保機械的正常運行和安全。如果磨損嚴重，無法通過更換予以解決，則需要進行修復。修復方法包括局部更換、堆焊、熱噴涂、激光熔覆等先進表面工程技術，這些方法可以有效地恢復部件的表面性能，延長其使用壽命。

4.3" " 潤滑維護

定期對花鍵和聯軸器進行潤滑和維護，加強潤滑維護，定期檢查潤滑狀況，保證齒面間的潤滑良好，可以預防或減緩磨損的發生。

4.4" " 改善安裝工藝

優化安裝工藝，嚴格控制安裝質量，保證對中精度和螺栓緊固力矩，減少安裝過程中的振動和沖擊，有助于減少磨損，提高機械傳動系統的剛性和穩定性，避免應力集中造成的早期磨損。在安裝過程中應避免強力安裝，以防止破壞部件表面的保護層。

4.5" " 引進新技術

隨著科技的發展，越來越多的先進技術被應用于機械部件的預防和修復。例如，智能傳感器、大數據分析、機器學習等技術的應用，可以實時監測機械部件的狀態，提前預警磨損的發生，提高預防和修復的效率。

5" " 結束語

機械磨損是機械設備在使用過程中不可避免的現象，會對設備的性能和安全性產生重要影響。通過對機械磨損原因和影響的分析，可以采取有效的措施減少機械磨損的發生，提高設備的可靠性和使用壽命。減少機械磨損需要不斷提高海洋鉆井平臺設備管理水平，需要從預防性維護、智能化管理、團隊培訓、管理制度建設和引入國際標準等方面入手，切實加強設備管理，因此提出以下建議：一是加強設備的智能化監測和預警系統建設；二是加大員工培訓力度，提高設備操作和維護技能；三是建立健全設備管理制度，強化制度執行；四是積極引入國際先進的設備管理理念和方法。

參考文獻

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[6]" 胡憧憬，周浩. 機械的摩擦磨損與抗磨[J]. 設備管理與維修實踐和探索，2005（S1）：230-233.

作者簡介：

任新溫（1981—），男，山西稷山人，高級工程師，2006年畢業于大慶石油學院機械設計制造及其自動化專業，目前從事海洋鉆井平臺現場設備技術與管理工作。Email：renxw.cpoe@cnpc.com.cn

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