大型矿车发动机磨损机理及延长使用寿命的关键技术研究

一、引言

在现代矿山开采作业中，大型矿车承担着繁重的物料运输任务，是保障矿山生产连续性和高效性的关键设备。发动机作为大型矿车的动力源，其性能的优劣和使用寿命的长短对矿山生产有着至关重要的影响。由于大型矿车通常在恶劣的工况下运行，如高负荷、高温、高粉尘以及复杂的地形条件等，发动机面临着严峻的工作环境挑战，这使得发动机的磨损问题较为突出，频繁的维修和更换不仅增加了生产成本，还影响了矿山的正常生产进度。因此，深入研究大型矿车发动机的磨损机理，并探寻有效的延长其使用寿命的关键技术，具有重要的现实意义。

二、大型矿车发动机磨损机理

2.1 粘着磨损

当发动机在工作时，其内部的金属零部件表面在相对运动过程中，由于接触压力和表面微观不平度的存在，会导致局部区域的金属直接接触。在高温、高压的作用下，这些直接接触的金属表面会发生粘着现象，即微小的金属颗粒相互粘连。随着零部件的继续相对运动，粘着点会被撕裂，从而造成金属表面的损伤，这种磨损形式即为粘着磨损。例如，在发动机的活塞与气缸壁之间，当活塞在气缸内高速往复运动时，如果润滑条件不佳，活塞表面与气缸壁就容易发生粘着磨损。严重的粘着磨损会导致活塞拉缸、气缸壁划伤等故障，影响发动机的正常工作。粘着磨损的发生与发动机的工作温度、负荷、润滑状态以及零部件表面的粗糙度等因素密切相关。

2.2 磨粒磨损

大型矿车在矿山环境中运行，空气中含有大量的粉尘颗粒，同时发动机内部的零部件在磨损过程中也会产生金属碎屑等磨粒。这些磨粒一旦进入发动机的润滑系统和运动副之间，就会在零部件的相对运动过程中起到研磨作用，导致零部件表面被刮伤、擦伤，从而造成磨粒磨损。比如，空气滤清器如果失效，大量的粉尘颗粒会进入发动机的进气系统，随着空气进入气缸，与活塞、气缸壁等零部件发生摩擦，加速这些零部件的磨损。磨粒磨损的程度主要取决于磨粒的硬度、形状、尺寸以及进入发动机内部的磨粒数量，同时也与零部件材料的硬度和耐磨性有关。

2.3 腐蚀磨损

发动机在燃烧过程中会产生一些酸性物质，如二氧化硫、氮氧化物等，这些酸性物质与燃烧产生的水蒸气结合后，会形成具有腐蚀性的酸液。当酸液接触到发动机的金属零部件表面时，会发生化学反应，使金属表面的材料逐渐被腐蚀掉，从而导致腐蚀磨损。另外，发动机使用的润滑油如果质量不佳，在长期使用过程中也可能会氧化变质，产生酸性物质，加剧对发动机零部件的腐蚀。例如，发动机的气缸套、活塞环等部件，长期处于高温、高压且有腐蚀性物质存在的环境中，容易发生腐蚀磨损，降低零部件的强度和精度，影响发动机的性能。腐蚀磨损的发生与发动机的燃烧质量、润滑油品质以及工作环境中的湿度等因素有关。

2.4 疲劳磨损

发动机在运行过程中，其内部的零部件承受着周期性变化的载荷。例如，曲轴在旋转过程中，要承受来自活塞连杆的周期性作用力，这种周期性的载荷会使零部件表面及内部产生交变应力。当交变应力超过材料的疲劳极限时，经过一定的循环次数后，零部件表面就会出现疲劳裂纹。随着裂纹的逐渐扩展和连接，最终会导致零部件表面的金属剥落，形成疲劳磨损。疲劳磨损通常发生在发动机的关键零部件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等部位，严重影响发动机的可靠性和使用寿命。疲劳磨损的产生主要取决于零部件所承受的载荷大小、循环次数以及材料的疲劳性能。

三、影响大型矿车发动机磨损的因素

3.1 工况条件

3.1.1 高负荷运行

大型矿车在运输矿石等重物时，发动机需要输出较大的功率来克服车辆的行驶阻力，处于高负荷运行状态。在高负荷工况下，发动机内部的零部件承受着更大的压力和摩擦力，工作温度也会显著升高。例如，当矿车满载爬坡时，发动机的负荷可达到其额定负荷的 80% 以上，此时活塞与气缸壁之间的压力增大，润滑油膜容易破裂，从而加剧粘着磨损和磨粒磨损的程度。长期处于高负荷运行状态，会使发动机的磨损速度明显加快，大大缩短其使用寿命。

3.1.2 频繁启停

矿山作业的特点决定了大型矿车经常需要进行启停操作。在发动机启动瞬间，由于润滑油还未充分到达各个零部件的摩擦表面，零部件之间处于边界润滑甚至干摩擦状态，此时的磨损非常严重。而且，频繁的启停会使发动机的温度频繁变化，导致零部件产生热应力，加速疲劳磨损的发生。例如，在一些小型矿山，矿车可能需要频繁地在装卸点之间往返，每天的启停次数可达数十次，这对发动机的磨损影响极大。

3.1.3 恶劣的环境温度

矿山环境的温度变化较大，在炎热的夏季，矿区的气温可能高达40℃以上，而在寒冷的冬季，气温又可能低至零下十几摄氏度。在高温环境下，发动机的散热难度增加，润滑油的粘度会降低，润滑性能变差，容易引发粘着磨损和磨粒磨损。在低温环境下，润滑油的流动性变差，启动时零部件难以得到充分的润滑，而且燃油的雾化效果不佳，燃烧不充分，会产生更多的积碳和酸性物质，加剧腐蚀磨损。例如，在我国北方的一些矿山，冬季矿车发动机的故障率明显高于其他季节，很大程度上就是受到低温环境的影响。

3.2 润滑系统

3.2.1 润滑油品质

润滑油是发动机润滑系统的关键组成部分，其品质直接影响发动机的磨损情况。优质的润滑油具有良好的润滑性能、抗氧化性能、抗磨损性能和清洁分散性能。例如，含有高性能抗磨添加剂的润滑油，可以在零部件表面形成一层坚固的保护膜，有效减少摩擦和磨损。相反，如果使用了劣质润滑油，其润滑性能不足，无法在零部件之间形成有效的油膜，会导致零部件直接接触而发生严重磨损。而且，劣质润滑油的抗氧化性能差，容易在发动机内部氧化变质，生成油泥和漆膜等沉积物，堵塞润滑通道，进一步影响发动机的正常润滑。

3.2.2 润滑油量

发动机润滑系统中的润滑油量必须保持在合适的范围内。如果润滑油量不足，零部件的摩擦表面无法得到充分的润滑，会加速磨损。例如，当油底壳中的润滑油液位过低时，机油泵可能无法将足够的润滑油输送到各个润滑点，导致活塞、曲轴等零部件出现干摩擦或半干摩擦现象，造成严重的磨损。另一方面，如果润滑油量过多，会增加发动机的运转阻力，使发动机功率下降，同时还可能导致润滑油窜入燃烧室，参与燃烧，产生积碳等问题，间接影响发动机的性能和磨损情况。

3.2.3 滤清器性能

发动机润滑系统中的滤清器包括机油滤清器和空气滤清器等，它们的性能对发动机磨损有着重要影响。机油滤清器的作用是过滤掉润滑油中的杂质和金属颗粒，防止这些磨粒进入零部件的摩擦表面。如果机油滤清器堵塞或过滤效果不佳，磨粒就会随润滑油进入发动机内部，加剧磨粒磨损。空气滤清器则负责过滤进入发动机的空气，防止空气中的粉尘等杂质进入气缸。当空气滤清器失效时，大量的粉尘会进入气缸，与活塞、气缸壁等部件发生摩擦，导致气缸壁磨损、活塞环卡死等故障。

3.3 发动机设计与制造

3.3.1 零部件材料

发动机零部件的材料选择对其耐磨性有着决定性的影响。例如，活塞通常采用铝合金材料，具有质量轻、导热性好等优点，但铝合金的硬度相对较低，容易发生磨损。为了提高活塞的耐磨性，一些先进的发动机采用了表面处理技术，如在活塞表面镀上一层硬铬或陶瓷涂层，可显著提高其表面硬度和耐磨性。再如，气缸套一般采用灰铸铁或合金铸铁材料，这些材料具有良好的铸造性能和耐磨性。然而，不同的材料在不同的工况下表现出的耐磨性能有所差异，因此合理选择零部件材料是降低发动机磨损的重要环节。

3.3.2 制造工艺与精度

发动机零部件的制造工艺和精度对其配合精度和表面质量有着重要影响。高精度的制造工艺可以保证零部件之间的配合间隙均匀，减少因配合不当而产生的磨损。例如，在发动机的装配过程中，如果活塞与气缸壁的配合间隙过大，会导致活塞在气缸内摆动，产生敲击声，加速活塞和气缸壁的磨损；如果配合间隙过小，又容易出现活塞卡死的现象。此外，制造工艺还会影响零部件的表面粗糙度，表面粗糙度越低，零部件之间的摩擦系数越小，磨损也就越小。先进的制造工艺，如精密铸造、数控加工等，可以有效提高零部件的制造精度和表面质量，降低发动机的磨损。

四、延长大型矿车发动机使用寿命的关键技术

4.1 优化润滑系统

4.1.1 选用高性能润滑油

根据大型矿车发动机的工作特点和工况条件，选择合适的高性能润滑油至关重要。例如，对于在高温、高负荷环境下运行的发动机，应选用具有高粘度指数、良好抗氧化性能和抗磨性能的润滑油。一些合成润滑油，如全合成酯类润滑油，具有优异的高温稳定性和低温流动性，能够在极端工况下为发动机提供可靠的润滑保护。同时，润滑油中应含有适量的高性能添加剂，如二硫化钼、硼酸盐等抗磨添加剂，以及清净分散剂、抗氧化剂等，以提高润滑油的综合性能，减少发动机磨损。

4.1.2 改进润滑系统设计

对发动机润滑系统的设计进行优化，可提高润滑效果，降低磨损。例如，采用合理的油路布局，确保润滑油能够迅速、均匀地到达各个润滑点，减少润滑死角。增加润滑油的冷却装置，如机油冷却器，可有效降低润滑油的工作温度，防止润滑油因高温而氧化变质，保持其良好的润滑性能。此外，一些先进的润滑系统还采用了智能控制技术，能够根据发动机的工作状态实时调整润滑油的压力和流量，进一步提高润滑系统的效率和可靠性。

4.1.3 加强滤清器维护与管理

定期对发动机的滤清器进行维护和更换，确保其过滤性能良好。对于机油滤清器，应按照规定的保养周期进行更换，一般情况下，每运行 500 - 1000 小时或行驶一定里程后就需要更换机油滤清器。同时，要选择质量可靠的滤清器产品，避免使用假冒伪劣产品。对于空气滤清器，应根据矿山环境的粉尘浓度及时进行清理和更换。在粉尘较大的矿区，可能需要每周对空气滤清器进行一次清理，每 2 - 3 个月更换一次空气滤清器滤芯，以保证进入发动机的空气清洁，减少磨粒磨损的发生。

4.2 采用先进的材料与表面处理技术

4.2.1 新型零部件材料的应用

研发和应用新型的零部件材料，可显著提高发动机的耐磨性和可靠性。例如，采用陶瓷基复合材料制造发动机的活塞、气门等部件，陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐磨、耐腐蚀等优点，能够有效提高零部件的使用寿命。再如，一些高强度、高韧性的合金钢材料，可用于制造发动机的曲轴、连杆等关键部件，提高这些部件的承载能力和抗疲劳性能。此外，金属基复合材料也是未来发动机零部件材料的发展方向之一，如铝基复合材料，在铝合金基体中加入陶瓷颗粒等增强相，可提高材料的强度和耐磨性。

4.2.2 表面处理技术的应用

对发动机零部件进行表面处理，可改善其表面性能，提高耐磨性。常见的表面处理技术有镀铬、镀镍、氮化、渗碳等。镀铬处理可在零部件表面形成一层坚硬、光滑的铬层，提高表面硬度和耐磨性，同时还具有良好的耐腐蚀性，如在活塞环表面镀铬，可有效减少活塞环与气缸壁之间的磨损。氮化处理是使氮原子渗入零部件表面，形成一层硬度高、耐磨性好的氮化层，提高零部件的疲劳强度和抗咬合性能，常用于曲轴、凸轮轴等部件的表面处理。渗碳处理则是将碳原子渗入低碳钢或低碳合金钢的表面，使其表面具有高硬度、高耐磨性，而心部仍保持良好的韧性，适用于一些承受较大冲击载荷的零部件，如齿轮等。

4.3 实施精准的发动机管理与监测系统

4.3.1 发动机电子控制系统优化

现代大型矿车发动机普遍采用电子控制系统，对发动机的燃油喷射、点火正时、进气量等进行精确控制。通过优化发动机电子控制系统的软件算法和控制策略，可使发动机在各种工况下都能保持最佳的工作状态，降低磨损。例如，采用先进的燃油喷射控制技术，实现精确的喷油定时和喷油量控制，使燃油能够充分燃烧，减少积碳和酸性物质的生成，降低腐蚀磨损。同时，根据发动机的负荷和转速等参数，实时调整点火正时，提高燃烧效率，减少发动机的工作粗暴程度，降低零部件的疲劳磨损。

4.3.2 发动机状态监测与故障诊断技术

利用传感器技术、数据采集与处理技术以及智能诊断算法，构建发动机状态监测与故障诊断系统。通过安装在发动机各个部位的传感器，实时采集发动机的运行参数，如温度、压力、转速、振动等。对这些参数进行分析处理，可及时发现发动机的潜在故障隐患，并进行预警。例如，通过监测发动机机油的温度和压力变化，可判断润滑系统是否正常；通过分析发动机的振动信号，可检测出零部件是否存在磨损、松动等问题。一旦发现故障，系统可迅速定位故障部位和原因，为维修人员提供准确的维修指导，避免发动机故障的进一步恶化，延长发动机的使用寿命。

4.3.3 基于大数据的发动机维护管理

收集和分析大量的发动机运行数据，建立基于大数据的发动机维护管理模型。通过对不同工况下发动机的运行数据进行统计分析，可掌握发动机的磨损规律和性能变化趋势，从而制定更加科学合理的维护计划。例如，根据发动机的运行时间、负荷情况、故障历史等数据，预测发动机各个零部件的剩余使用寿命，提前安排维修和更换，避免因零部件突然损坏而导致发动机停机。同时，通过大数据分析还可以发现发动机在设计和制造过程中存在的问题，为发动机的改进和优化提供依据。

五、结论

大型矿车发动机的磨损是由多种因素共同作用导致的复杂过程，粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等磨损机理相互影响，严重影响发动机的使用寿命和性能。工况条件、润滑系统以及发动机设计与制造等因素在发动机磨损过程中起着关键作用。通过优化润滑系统，选用高性能润滑油、改进润滑系统设计、加强滤清器维护与管理；采用先进的材料与表面处理技术，应用新型零部件材料、实施表面处理技术；实施精准的发动机管理与监测系统，优化发动机电子控制系统、运用发动机状态监测与故障诊断技术、开展基于大数据的发动机维护管理等关键技术的应用，可以有效降低发动机的磨损，显著延长其使用寿命，提高发动机的可靠性和稳定性。在实际应用中，矿山企业应根据自身的实际情况，综合运用这些关键技术，并不断进行技术创新和改进，以实现大型矿车发动机的高效、可靠运行，为矿山生产提供坚实的动力保障。未来，随着材料科学、信息技术等相关领域的不断发展，还需要进一步探索和研究新的技术和方法，以更好地应对大型矿车发动机在复杂工况下的磨损问题，推动矿山行业的可持续发展。

参考文献：

[1]沈庆慧.电机冲片模具上下料机械手控制技术与仿真分析[J].科学技术创新 ，2024，（15）：67-70.

[2]薄春媛.一种降低三相异步电机杂散损耗的低压铸造模具[J].电机技术 ，2023，（02）：58-60.

[3] 张 文 和 .SFA355-6 定 子 大 小 槽 冲 压 模 具 设 计 [J]. 模 具 技术 ，2022，（03）：15-19.

[4] 牛凯旋 ; 基于多源传感器数据融合的航空发动机实时健康监测系统研究[J]; 现代制造技术与装备;2025 年04 期.

[5] 侯廷红 ; 周平 ; 何黎明 ; 韩昌富 ; 航空发动机维修技术进展与展望 [J]; 航空工程进展 ;2023 年 05 期 .