机械设备金属材料的磨损防范策略研究

张士伟

（中国石油大庆石化公司化工一厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

进入21 世纪以来，人类的生产力大幅提升，先进的机械设备是促进生产力提高的决定因素。在机械设备的日常使用中，金属磨损是最常见的损坏现象，因金属磨损造成的设备故障经常给企业带来经济损失。金属材料磨损是伴随设备运行而必然出现的现象，不仅会改变机械零件表面质量和形状，还会伤害设备的机械结构，现阶段机械设备的使用环境越来越广泛，甚至在极其恶劣的环境中运行，都加剧了金属材料磨损，给设备运行带来安全隐患。

1 磨损的基本含义及其过程

1.1 磨损的含义

磨损是指金属表面由于与其他表面发生接触和摩擦，导致材料以小颗粒的形式脱离表面的现象，这些金属小颗粒的尺寸和形状不一，但都会消耗金属零件的表面材料，使金属材料的表面质量变差，尺寸和形状发生改变。

1.2 磨损的过程

金属材料磨损可以划分为3 个时期，即初始磨合、稳定磨损和剧烈磨损。

（1）初始磨合是指机械设备在投入使用的初期，金属零件表面不规则的凸起被逐渐磨光滑的阶段，这一阶段磨损速度很快，但随着不规则突起逐渐被磨平，表面被磨得光滑，金属部件的接触面积增大，磨损速度会迅速降低，进入稳定磨损时期。

（2）稳定磨损时期是指机械设备运行一段时间后，金属零件表面被磨得光滑，产生加工硬化作用，虽然零件的几何形状发生了很小的改变，但接触变得更好，金属表面的接触以弹性接触为主，磨损速度变慢，并能持续较长的时间，磨损量与设备运行时间成正比。

（3）剧烈磨损时期是指设备运行较长时间后，金属零件表面已经不再光滑，金属表面的接触也不再以弹性接触为主，磨损速度加快，基础零件表面的组织因疲劳、碰撞或摩擦等原因快速脱落，在较短的时间内发生较大的尺寸与形状改变，使配合精度降低，机械设备运行不再平稳，产生振动和噪声，最终导致金属零件的损坏。

2 机械设备磨损现象及原因

2.1 磨损性损伤

因金属材料磨损而导致的磨损性损伤是机械设备常见的损坏形式。机械设备中的金属零件在接触部位因摩擦而发生损坏是不可避免的，只要设备运行，物件之间的摩擦就会发生（图1）。

图1 磨损性损伤

2.2 摩擦磨损

金属零件因摩擦导致零件表面的小突起发生脱落，是常见的类型，能够导致零件的形状尺寸发生改变。按照经验，金属零件表面的粗糙度越低，越容易发生摩擦磨损，而光滑的金属表面发生摩擦磨损的程度要小得多，采用合适的润滑手段能够进一步降低磨损（图2）。

图2 摩擦磨损

2.3 磨料磨损

金属零件的接触表面经常还有一些颗粒物，这些颗粒物一般由金属表面小凸起脱落产生，或有外部环境的颗粒物混入。颗粒物的加入会加剧金属表面的磨损，建筑机械经常在多尘环境中运行，建筑尘埃含有大量的石英成分，而石英的硬度为钢铁硬度的数倍，在金属零件的接触表面起到磨料的作用，致使金属零件发生磨料磨损。工程机械的维护保养要特别注意磨料磨损的防护。此外，挖掘机斗齿经常接触高硬度岩石，推土机推板经常接触地面和砂石，要选用耐磨材料制作而成，并设计成能够减少摩擦的形状，达到降低磨料磨损的目的。

2.4 粘着损伤

当金属零件之间的接触表面承受较大的负载，或接触表面润滑不良，接触空间过小，滑动速度过快等，就会发生粘着磨损，在粘着磨损过程中，金属零件的表面会发生塑性变形，并嵌入另一零件表面，这是因为金属发生加工硬化而产生撕裂，发生这种磨损后，零件在短时间内就会损坏（图3）。

图3 粘着损伤

2.5 耐磨性能

工程机械的使用过程中，机械零件的材料、表面质量和润滑情况都决定着机械零件的使用寿命，零件之间的相互摩擦和冲击会造成金属材料磨损，这些磨损将大大损害设备寿命和使用安全。因此应加强对工程设备的定期检修与维护，从而最大限度延长其使用寿命。

3 机械设备金属材料磨损的危害

机械设备中，金属零件因相互接触产生摩擦而产生的磨损能够改变零件的尺寸、形状和表面质量，使零件的功能受损，从而影响整个设备的性能，提高金属零件的耐磨性，对于机械设备具有重要意义。金属材料磨损随着机械设备使用时间的增多而逐渐加剧，加之机械设备工作环境中的粉尘和氧化物等颗粒的污染，更会加剧金属材料磨损的进程。

金属材料的这种磨损无法避免，磨损程度直接影响设备的性能，一旦发生故障，势必造成经济损失。金属材料磨损是影响机械安全性的主要因素，会威胁设备与工作人员的安全。我国工业化进程的时间较短，金属零件的制作工艺与国外发达国家还有一定差距，而金属材料的质量直接决定了金属材料磨损的程度，也直接影响着我国制造业的水平。

4 机械设备金属材料磨损失效的安全防范策略

4.1 选择合适的金属材料

金属材料的性能决定了金属材料磨损的程度，只有按照机械零部件的使用要求选择合适的金属材料，才能提高零件的耐久性。工程机械中应选择适合恶劣环境、高强度、高负荷要求的金属材料，还可以采取先进的表面处理方法，提升金属零件的表面耐磨性，并采取合理的润滑方法，从而最大限度减缓金属磨损的进程。还要考虑机械设备的成本要求，使金属材料成本与性能达到平衡，使工程机械获得良好的使用性和经济性。

4.2 革新材料制造技术

金属材料制造工艺也直接影响材料的性能，相同成分的金属材料，经过不同工艺的处理，能够得到性能迥异的零件，只有不断改进加工工艺，引进新的技术，才能真正提高金属零件的寿命。机械设备中的每一部分金属材料的制作工艺都将影响整个设备的性能，提高金属零件的质量，就能使机械设备的性能得到明显的提升。

4.3 改善机械设备工作环境

在长期的生产实践中发现，机械设备的使用环境也是影响金属材料磨损的主要因素，改善机械设备的工作环境，能够有效降低金属材料的磨损。在机械设备投入使用前，要确保工作环境满足机械设备的使用要求，并严令禁止过载使用。在机械设备的使用过程中，要采取有效措施预防外部颗粒物进入设备内部，这样就能有效减少金属材料磨损。

4.4 合理选择润滑油

采取合理的润滑措施也能够有效降低金属材料磨损。机械设备中使用的润滑油、润滑脂能有效降低金属零件表面的摩擦，使金属材料磨损程度减弱，在机械设备的日常保养中要充分重视金属零件的润滑，才能保持良好的使用状态。

4.5 设计新型机械设备

随着科学技术的不断发展，机械设备的使用范围不断扩大，已经深入到生产生活的方方面面，只有按照使用要求设计机械设备，才能最大限度保障机械设备的性能与寿命。在设计中应采用新的设计方法，应用新的材料，开发新的制造工艺。在业务分工不断明确的今天，对机械设备进行精准的定向设计，能够使机械设备更加满足不同场合的需求，也更有利于设备的维护和保养，最大限度延长机械设备的使用寿命。

4.6 做好金属材料保养

金属材料在使用过程中需要完善的保养和维护，即使设备闲置不用时，也应定期进行保养，使机械设备长期保持良好的状态。

5 案例分析

磨损程度可以分为3 个等级，即轻度、中度、重度磨损，分别举例说明这3 个等级的磨损程度。

5.1 齿轮箱轻度磨损

某风场1#电机组在2020 年检测时指标全部正常，其机油的黏度与铁元素百分比均符合国家指标要求，但2021 年检测指标出现异常，机油黏度低于国家指标，机油中铁元素百分比超过国家指标，机油质量接近失效的临界点（表1）。机油黏度低会大大降低润滑效果，使机组的磨损增加，过多铁元素进入机油中提高了机油中铁元素的含量。机油中含有一定量的正常磨损颗粒，属于轻度磨损等级，为确保机组运行安全，采用内窥镜做进一步检查，发现行叶片侧轴承出现轻微磨损（图4、图5）。检查人员建议6 个月后复查。

图4 1#机组齿轮油分析铁谱（100×）

图5 1#机组低速轴和行星轮叶片侧轴承内窥镜检查

表1 某风电场1#机组检测数据

5.2 齿轮箱中度磨损

某风场2#电机组机油中的表征磨损颗粒含量超标，机油中的铁元素含量也超标，在显微镜下可以看到明显的铁磁颗粒，其中不仅有正常颗粒，还含有大量的疲劳颗粒，由此推断机组存在异常磨损（图6）。经询问现场工作人员得知，机组近期运行时伴随有异响，内窥镜检查零件表面已经发生点蚀，轴承表面已经开始出现剥落，需立即停机维修（图7）。

图6 2#机组齿轮油分析铁谱（100×）

图7 2#机组内齿圈和行星轮叶片侧轴承内窥镜检查

5.3 齿轮箱重度磨损案例

某风电机组3 初次检查时各项指标并未超标，但后续检查发现机油铁元素百分比超标（表2）。显微镜下可以明显看到机油中含有大量的剥落颗粒，内窥镜检查发现零件表面已产生大量点蚀，轴承表面发现严重剥落（图8、图9）。这也证实了机油的多次检测结果，最终对该机组进行停机维修。

图8 3#机组齿轮油分析铁谱（100×）

图9 3#机组内齿圈和行星轮叶片侧轴承内窥镜检查

表2 某风电场3#机组检测数据

5.4 故障表现及应对措施

针对以上3 个等级的磨损，可以采用表3 的策略进行处理。

表3 风电机组齿轮箱的故障表现及应对措施

6 结束语

机械设备作为工业化的产物，标志着人类生产力的进步，对人类社会与经济发展起到重要的推动作用。机械设备在使用过程中不可避免地出现各种故障，而金属材料磨损是造成设备故障的主要因素之一，不仅影响机械设备的性能，还关乎生产安全与人身安全，一旦发生事故，势必造成经济损失，甚至造成人身伤害。针对金属材料磨损的原因进行分析，找寻防范金属磨损的策略，进一步提高金属材料寿命的方法对提高机械设备寿命、保障生产安全具有十分重要的现实意义。本文介绍了金属材料磨损的原因，给出科学合理的防范策略，为提高机械设备寿命、保障生产安全与人身安全提供了有效途径。采取科学措施有效降低金属材料磨损，将大大推动我国机械设备的发展水平，为我国经济建设作出更多贡献。