露天采礦設備機械零件的損壞形式和修復措施分析

張 昊，李 楠，靳作成

（河北鋼鐵集團礦業有限公司化工分公司，河北 唐山 063700）

隨著礦山機械化程度的日益提高，礦山機電設備管理與維修工作占據著越來越重要的位置。據相關數據統計，在每年的礦山安全生產過程中，由于機電設備故障造成的事故占總事故的六成，一旦機電設備停止運轉，不僅會影響到礦山企業的正常運作和生產，還會對礦山工作人員構成人身安全的威脅，露天采礦設備在惡劣的自然環境和高強度的工作條件下，其機械零件易受到各種類型的損壞。這些損壞可能由于環境因素、操作失誤或材料和設計的不足引起。因此，對這些損壞形式的系統分析和對策的研究對于延長設備壽命、降低維修成本和提高采礦效率具有重要意義。

1 露天采礦機械設備運作的特點

在露天采礦環境中，設備經常暴露在極端的天氣條件下，包括強烈的陽光、暴雨、風暴甚至是低溫或高溫環境。這種不斷變化的氣候條件對機械設備的材料和構造提出了更高要求，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，露天采礦區域的地形條件也對機械設備的設計和操作提出了挑戰。這些設備不僅需要能夠在崎嶇不平的地面上穩定運行，還需要有足夠的動力和機動性來應對陡峭的斜坡和不均勻的地面。這就要求采礦機械擁有高效的動力傳輸系統和強大的驅動力[1]。

露天采礦機械設備通常需要承擔大規模和重載的作業任務。這不僅意味著它們需要有足夠的力量來搬運重物，如巖石和礦石，還意味著它們自身的結構必須足夠堅固以承受這些重負荷。因此，這些設備通常采用強化的鋼材或其他高強度材料制造，并且在設計上注重結構的穩固性和耐用性。

2 露天采礦設備零件損壞形式與原因

2.1 露天采礦設備零件損壞的形式

1.磨損：在露天采礦的環境下，設備零件的磨損是一個普遍且不可避免的問題。長時間的運作使得部件表面受到持續的物理摩擦，導致材料逐漸損失。磨損通常發生在零件的接觸表面，如齒輪、軸承和滑動導軌。這種磨損可能導致部件尺寸的改變，從而影響機械的精度和性能。此外，磨損還可能導致材料表面產生微裂紋，進一步降低零件的整體強度；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。這些顆粒在設備運動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備中，由于經常接觸到濕潤的環境和化學物質。腐蝕通常涉及金屬部件與環境中的水分和氧氣反應，形成氧化物，導致材料結構的弱化。在有些情況下，特別是在化學品或鹽分存在的環境中，腐蝕的速度可能會加快；不僅如此，腐蝕還可能通過電化學機制發生，即當兩種不同金屬在電解質環境中接觸時，較活潑的金屬會優先腐蝕。這種情況在采礦設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力和負荷而發生的損壞。在露天采礦作業中，設備經常需要處理重負荷，如搬運大量的礦石和巖石。這些重復的負載會導致材料中的微裂紋逐漸擴展，最終可能導致零件的突然斷裂。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。斷裂通常從材料內部的微小缺陷開始，隨著時間的推移，這些缺陷在反復應力的作用下逐漸擴展。值得注意的是，即使在應力水平低于材料的屈服強度時，長期的循環加載也可能導致疲勞斷裂[2]。

2.2 設備零件出現故障的原因

1.設計缺陷：露天采礦設備的設計缺陷是引起零件故障的一個重要原因。這通常涉及結構設計不合理或材料選擇不當。例如，如果一個部件的設計沒有充分考慮到實際工作中的應力分布，可能會導致該部件在特定區域過早磨損或斷裂。同樣，如果選擇的材料無法承受設備運作中的溫度變化、化學腐蝕或物理沖擊，也會加速零件的損壞。在采礦機械的設計階段，合理的工程計算和材料選擇對于確保設備的可靠性和耐用性至關重要。此外，設計時還需考慮到易損部件的易更換性，以便于日常維護和修理。

2.運維不當：露天采礦設備的運維不當也是導致零件故障的一個關鍵因素。這包括缺乏定期維護、操作不規范或操作人員技能不足。定期維護，如潤滑、清潔和零件檢查，對于預防故障和延長設備壽命至關重要。如果忽視這些維護工作，可能會導致零件過早磨損、腐蝕或其他形式的損壞。此外，不規范的操作習慣，如超負荷使用設備、錯誤操作或忽視安全指南，也會加劇設備零件的磨損和損壞。因此，對操作人員進行適當的培訓和指導，確保他們了解并遵循正確的操作程序，對于減少設備故障至關重要[3]。

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

3 露天采礦設備機械零件的修復措施分析

3.1 針對磨損

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鍵技術。它主要通過改變零件表面的物理和化學性質來實現。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構，使其變得更硬且更耐磨。回火則是在淬火之后進行的，用于消除淬火過程中產生的內應力，防止零件變得過于脆弱；化學處理，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、氮或硼等元素擴散到金屬表面。這種擴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，這對于露天采礦環境中的設備尤為重要。

2.涂層保護：涂層保護作為一種表面工程技術，提供了一種額外的防護層來保護零件免受磨損。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）或化學氣相沉積（CVD）。這些高級涂層技術使得涂層與基體金屬之間的結合更加牢固，從而提高了涂層的耐久性和效果。

3.更換零件：當磨損到達一個無法通過表面處理或涂層保護來恢復的程度時，更換零件成為必然選擇。更換磨損嚴重的零件是保證設備安全和高效運行的關鍵。這一過程要求對零件的磨損程度有準確的評估，并且要確保新零件的質量和與原設備的兼容性。更換零件不僅涉及零件本身的成本，還包括了安裝和調試新零件所需的時間和勞力。因此，這個決策通常是在評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，考慮到預防維護和避免未來的大規模停機，更換零件也是一種明智的選擇[4]。

3.2 針對腐蝕

1.防腐處理：防腐處理是對付腐蝕最直接的方法之一，通常使用防腐涂料或進行鍍層處理。防腐涂料通過在金屬表面形成一層保護性屏障來工作，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成分，包括環氧樹脂、聚氨酯和鋅富含涂料等。每種涂料類型都有其獨特的屬性，適用于不同的環境條件和金屬類型；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。例如，鍍鋅通過形成犧牲陽極層來保護鋼鐵部件，即使涂層被劃破，鋅層也會優先于鋼鐵腐蝕，從而保護鋼鐵部件。

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合材料。這些材料因其優異的耐化學性和耐環境性能而被廣泛應用于易受腐蝕環境的設備中。

（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境中形成一層致密的自動修復的氧化鉻膜，這層膜阻擋了進一步的腐蝕。根據不同的應用和環境，可以選擇不同的不銹鋼等級，例如，奧氏體不銹鋼因其優異的耐腐蝕性和成形能力而廣泛應用于采礦設備。

（2）鋁合金：鋁合金以其輕質、強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，阻止進一步的腐蝕。它們適用于需要減輕重量而又要求耐腐蝕的應用場合。

（3）鈦合金：鈦合金因其高強度、低密度和極佳的耐腐蝕性能而被視為理想的材料，尤其適用于極端環境。盡管成本較高，但它們在長期運作和惡劣條件下表現出的耐久性使得初期投資得以回報。

（4）高性能塑料和復合材料：一些高性能塑料如聚四氟乙烯（PTFE）和復合材料，例如碳纖維增強塑料，因其出色的耐化學性和耐環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構性部件，如密封件和軸承。

3.環境控制：通過改善存儲和工作環境也可以有效減少腐蝕，這涉及控制環境中的濕度、溫度和化學物質的暴露程度。

（1）濕度控制：在存儲或停用設備時，控制環境濕度是至關重要的。使用除濕器或保持良好的通風可以減少空氣中的濕度，從而降低腐蝕的風險。

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

（3）化學物質控制：避免設備接觸腐蝕性化學物質，如酸性或堿性物質，是防止化學腐蝕的關鍵。在處理這些物質時，使用適當的保護措施和清潔程序是必要的。

（4）定期清洗和檢查：定期清洗設備可以去除可能導致腐蝕的鹽分、灰塵和其他污染物。同時，定期檢查可以早期發現腐蝕跡象，并采取適當的維護措施[5]。

3.3 針對疲勞斷裂

1.結構強化：結構強化涉及通過設計優化或加固部件來提高其承載能力和耐疲勞性。設計優化可能包括改進零件的形狀和尺寸，以更好地分散應力并減少應力集中點，這些是疲勞裂紋最容易發生的區域。例如，圓角或斜面的設計可以有效減少應力集中，從而延長部件的使用壽命；加固部件則包括使用更高強度的材料或在關鍵部位添加額外的支撐。這些加固措施不僅增強了部件的整體結構強度，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漸進的過程，定期檢測是一種有效的預防措施。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現內部裂紋和缺陷。這種方法適用于各種金屬材料，并且能夠精確地定位和評估裂紋的大小和嚴重程度；磁粉檢測是另一種有效的技術，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：對于已經出現疲勞裂紋的部件，及時更換是至關重要的，即使是小裂紋也可能迅速擴展，導致零件完全失效，甚至可能引發設備故障或安全事故。更換受損的部件不僅可以防止進一步的損害，還可以確保設備的穩定性和安全性。在實踐中，零件更換的決策通常基于定期檢測的結果和部件的整體狀況。一旦發現裂紋或其他嚴重損傷，應立即采取行動更換零件，以避免更大的風險和潛在的經濟損失。

4 結語

對露天采礦機械設備進行合理的維護和及時的修復對于保證其高效穩定的運作至關重要。采用科學的方法診斷損壞原因，并采取針對性的修復措施，不僅可以有效延長設備的使用壽命，還能提高作業的安全性和經濟效益。因此，對于露天采礦企業來說，強化設備維護管理和技術創新是提升競爭力的關鍵。