高寒地區塔式起重機開發的關鍵問題探討

侯義東，米成宏，王 磊

（徐工集團 徐州建機工程機械有限公司，江蘇 徐州 221007）

俄羅斯東部、白俄羅斯、哈薩克斯坦地區，地處北緯40～55°之間，室外氣溫達-25～40℃，該地區的塔機工作條件比較惡劣。產品設計過程中，鋼結構、液壓系統、電氣系統均需滿足-40℃高寒使用條件。但要進一步提升產品設計質量，需從高寒地區塔機常見故障入手，深入挖掘問題根源，采取針對性設計方案。經統計發現，產品故障多為金屬零件斷裂破損和組件功能失效，主要發生在連接螺栓、油路接頭以及一些應力集中較大的結構件上。按照問題原因分類，可分為以下3類：①金屬材料發生低溫脆性轉變，過載沖擊導致零件斷裂；②金屬冷收縮導致組件配合性質轉變，引發功能失效和接觸損傷；③塔機受力工況惡劣，低溫下應力集中結構件疲勞壽命縮短。

1 高寒地區塔機損壞關鍵原因分析

1.1 金屬材料發生低溫脆性轉變，過載沖擊導致零件斷裂

部分金屬材料在常溫下韌性良好，耐沖擊性能優越，但隨著溫度降低，其韌性會逐漸下降，當溫度降低到一定程度，金屬沖擊吸收功變得極其微小，即出現金屬低溫脆性轉變。對于這些材料，在低溫下進行光滑試樣拉伸試驗，材料能表現出良好的塑性，若進行低溫沖擊性試驗，則脆性明顯。試驗證明，金屬材料的低溫脆性轉變導致耐沖擊性能變差。

塔機使用過程中，超載和滿載卸荷速度過快等現象十分常見，而無論是超載，還是快速卸載都會對塔機造成超負荷沖擊。超負荷沖擊下，加之金屬材料低溫脆性轉變，塔機薄弱結構件夭折就不稀奇了。

另外，金屬材料承受的載荷越高，應力循環次數就越少，當材料承受的載荷超過疲勞許用應力，應力循環次數就大幅度減少，疲勞破壞就更易發生；應力頻次增加同樣會縮短塔機疲勞壽命。在額定載荷工況下，吊裝一次，塔身受到的對稱循環變應力波次較少，波幅(應力幅)在正常范圍內，且波次和波幅減少較快。而在塔機快速卸載時，整個塔機在平衡重的作用下，循環波次增加，塔機疲勞壽命縮短。

據統計，嚴寒地區塔式起重機承受沖擊載荷時，塔身連接螺栓等零部件斷裂的事故明顯高于溫和地區。

1.2 金屬冷收縮導致組件配合性質轉變，引發功能失效和接觸損傷

因為金屬材料存在線性膨脹系數，溫度改變前后金屬零件體積會發生改變，體積變化導致相關組件配合性質轉變。考慮兩零件線性膨脹系數的差別，以及在接觸范圍內的質量和內應力的差別等因素，其配合間隙會產生明顯變化，乃至組件功能失效。

高寒地區的施工機械設備，包括塔機，其液壓系統的油箱、油管、接頭等均采用金屬制造。高寒環境下，金屬冷收縮導致接頭配合間隙轉變，加之橡膠制品變硬，彈性下降，沙塵入侵并附在潤滑油上，加大了連接球頭、伸縮油缸的磨損，密封效果降低，造成泄漏現象；另外，金屬冷收縮會導致配合間隙較小的螺栓配合性質發生變化，接觸應力增大，加上冰雪融化進入配合間隙發生凍結，螺栓拆解力矩將顯著高于常溫裝配力矩，故拆塔過程易造成螺栓配合表面拉傷、螺紋咬合或螺栓斷裂等情況。

1.3 塔機受力工況惡劣，低溫下應力集中結構件疲勞壽命明顯縮短

塔機機塔身受力工況差，上回轉塔機的塔身承受交變載荷，載荷應力正負值大小基本相等，稱之對稱循環變應力。同等載荷應力值下，承受對稱循環變應力的構件比受脈動循環變應力構件更易發生疲勞破壞。由于塔機回轉支承以上部分（包括塔頂、起重臂和平衡臂）不斷轉動，固定塔身承受對稱循環交變彎曲載荷，相應的塔身主弦桿受對稱循環拉壓交變應力，應力的方式和大小嚴重影響塔身的疲勞壽命。

雖然應力集中在焊接件中不可避免，但由于機結構件普遍采用塑性較好的低碳鋼，局部應力超過材料屈服極限后會發生塑性變形，導致應力重新分布，只要公稱應力值在標準允用范圍內，應力集中對塔機結構件的靜強度影響不大。然而，應力集中對塔機結構件疲勞強度的影響卻不可小覷，尤其是在低溫環境下，結構件發生脆性轉變，疲勞壽命降低將更容易在應力集中部位表現出來。塔身連接套與主弦桿焊接部位形成突變截面，且一般會堆積大量斜腹桿焊縫，突變截面和焊縫密集產生應力集中，易發生疲勞破斷。

2 避免問題的主要措施

為了避免以上問題的發生，可以從以下3個方面采取措施。

2.1 重視材料選型，增加過載沖擊限制性措施投

入，削弱金屬低溫脆性的破壞能力

塔機開發過程中，必須注重金屬材料選擇，注重低溫韌性材料的使用，力爭從材料選擇到結構尺寸設計各環節均做到精益求精，一絲不茍。

選材時，按照GB/T 5013-2008重點考慮工作環境溫度的影響，在-30～0℃時，評價系數Zc按式(1)計算；在-30～-55℃之間時，評價系數Zc按式(2)計算。

式中T——塔式結構的工作環境溫度。

采用綜合評價法，將評價系數ZA、ZB、ZC相加，得出總評價系數ΣZ

式中ZA——影響脆性破壞因素的評價；

ZB——構件材料厚度的影響。

最后查表確定鋼材質量組別，進一步確定鋼材牌號和相應的沖擊韌性值。

針對塔機過載工況進行限制過載的保護性設計，降低塔機過載沖擊出現的頻次。重視塔機額定起重量限制、起升速度限制器、下降速度限制器、動臂變幅速度限制器的使用，使塔機具備過載不工作或鎖定功能，避免起吊過載，起升、下降和變幅速度過大。使塔機動作柔和平順，避免塔機出現過載沖擊，緩解沖擊對金屬材料低溫脆性轉變產生的破壞，同時有效保護安全系數較小的薄弱零部件。

2.2 針對性提升組件設計質量，規范拆塔方案，有效避免金屬冷收縮變形損傷

為有效避免金屬冷收縮引發的組件功能失效，在產品設計階段，配合組件盡量選用同一材質，并優化裝配結構，提升裝配質量，降低因零件線性膨脹系數差別和其它因素加劇金屬冷收縮對裝配質量的影響。為解決液壓系統接頭低溫環境易泄漏問題，配套件選型時，盡量采用原裝進口接頭和密封件，保證低溫環境使用的可靠性和耐用性，從而保證塔機液壓系統無滲漏油現象。另外，產品使用過程中應該采取保溫措施：如在油箱、接頭、液壓缸體等部位捆扎羊毛氈、棉麻織物、泡沫塑料等方法。

為避免高寒地區拆塔過程中的組件接觸損傷，必須有針對性的制定塔機拆解流程，細化拆解步驟，對拆解中可能出現損壞的零部件，應提前預見并制定相應方案。如對于高寒地區塔身連接螺栓的拆除過程，考慮到金屬冷收縮造成軸孔接觸應力加大，加之冰雪融化進入螺栓間隙凍結，拆解力矩必然加大，故需準備火焰烘烤，以防出現螺栓扭斷、螺紋咬合等現象。

2.3 合理布局結構件焊縫，提升焊接工藝水平，降低應力集中對疲勞壽命的影響

結構件焊接制造過程中，要嚴格把控焊接質量，盡量避免焊接缺陷造成應力集中加劇。從工藝角度，關鍵結構件須采用D級材料匹配焊絲，盡量用小電流快速分段焊接，做到規范、細致，不留瑕疵。焊后，要對焊縫進行探傷，嚴防帶有焊接質量問題的產品流入市場。

結構件焊接完成后，采取適當的措施釋放焊接應力是十分必要的。常用的應力釋放手段有：自然時效、熱處理時效和振動時效三種手段。但由于自然時效耗時過長，熱處理焊接變形過大，這兩種形式不宜采用。振動時效雖不具備去氫和恢復塑性的功能，但兼具耗時短、結構件尺寸穩定的特點，所以建議在結構件焊接完成之后，采取振動時效方式，消除殘余應力。

另外，振動技術還可用于焊接過程，即所謂的振動焊接，振動焊接是國內外正在研發的新技術。焊接工藝不變的前提下，焊接過程中通過小型激振器對構件注入頻率和振幅可控的振動。焊縫在熔融狀態下，振動使氣泡、雜質上浮排出；金屬結晶過程中，振動可細化晶粒，提高焊縫力學性能；金屬冷卻熱塑性變形過程中，振動使焊接殘余應力降低和均布，減少焊接變形及焊接裂紋的形成。

3 總 結

俄白哈高寒地區有其獨特的地理環境，塔機露天作業受環境因素影響較為嚴重，產品施工過程中出現各種質量問題不可避免。但只要產品設計者面向市場，深入發掘各類產品故障的本質原因，細致了解區域化地理條件和客戶反饋信息，全方位考察國外領先企業產品的結構形式和成熟經驗，在產品開發過程中有針對性采取措施，預見性的排除隱患，則高寒地區塔機設計質量必將大幅提升。