塔式起重機起重臂磨損腐蝕分析

2015-07-16 03:36:16王海龍

建筑機械化 2015年6期

王海龍，黃楠，趙斌

（山東省建筑科學研究院，山東濟南 250031）

維修&改造 Maintenance & Reconstruction

塔式起重機起重臂磨損腐蝕分析

王海龍，黃楠，趙斌

（山東省建筑科學研究院，山東濟南 250031）

[摘要]塔式起重機由大量鋼結構組成，其磨損腐蝕直接關系到使用壽命。變幅小車車輪與起重臂下弦桿之間的往復運行，磨損腐蝕情況比較復雜嚴重。文章主要探討了小車車輪與下弦桿上表面之間的磨損腐蝕工況以及簡述了磨損腐蝕的主要應對措施。

[關鍵詞]塔式起重機；起重臂；磨損；腐蝕

塔式起重機（以下簡稱塔機）是建筑行業不可或缺的大型起重設備，塔機的主要承載結構件全部是金屬材料，其自身的腐蝕磨損不容忽視。根據《建設部關于發布建設事業“十一五”推廣應用和限制禁止使用技術（第一批）的公告》（原建設部第659號公告）的要求，超過一定使用年限的塔式起重機，由有資質評估機構評估合格后，可繼續使用。GB 5144-2006《塔式起重機安全規程》中，塔機主要承載結構件由于腐蝕或磨損而使機構的計算應力提高，當超過原計算應力的15%時應予報廢。對無計算條件的當腐蝕深度達原厚度的10%時應予報廢。因此做好塔式起重機的維護可增加塔機的使用年限。變幅小車在下弦桿上的往復運行，小車車輪與下弦桿的相對運動而造成的磨損腐蝕，致使起重臂下弦桿磨損比其他主要承載結構件更加嚴重復雜。

1 腐蝕磨損分析

1.1 大氣腐蝕

塔機在大氣的自然環境中作業，金屬材料在大氣環境中會發生化學反應和電化學反應引起材料的破損一般稱為大氣腐蝕。其主要參與反應過程的是O2、H2O以及CO2。在塔機機身表面涂飾防銹漆可有效的減緩主支結構的大氣腐蝕。但是變幅小車在塔機起重臂下弦桿上往復運行，表面的防銹漆在較短時間內會被小車車輪磨損而脫落，使得下弦桿上表面的金屬基體長時間暴露于大氣中。圖1可明顯看到下弦桿上表面的銹蝕。由于變幅小車長時間的行走，致使下弦桿的上表面產生凹陷。

圖1 下弦桿上表面腐蝕情況

隨著大氣中O2、H2O、CO2含量的不斷變化，在金屬表面會發生化學或電化學反應而產生材料的破損。其中電化學反應是常見的而且是時刻存在，其反應過程是

陰極過程：O2+2H2O+4e→4OH-

反應的結果是在材料的表面產生較多鐵的氧化物（FeOx），其硬度比金屬基體高（HV1000）。同時，變幅小車在行走過程中，下弦桿上表面的氧化產物會不斷地剝落，剝落后金屬基體表面又會暴露于空氣中，又會產生大氣腐蝕，從而加快了腐蝕的進行。

1.2 磨損

塔機在作業過程中，變幅小車會在下弦桿上往復運行，金屬車輪與金屬下弦桿之間的滾動摩擦會造成材料的損失。車輪以及下

弦桿都會有一定的磨損，但車輪損壞后更換較為容易，下弦桿磨損后不易更換，因此提高下弦桿的耐磨性尤為重要。

車輪與下弦桿導軌架的摩擦屬于金屬之間的滾動摩擦。同時大氣的腐蝕在摩擦表面會產生高硬度相FeOX，主要的磨損形式有高應力磨粒磨損、表面接觸疲勞磨損。

1.2.1 高應力磨粒磨損[2]

變幅小車在下弦桿表面的往復運行的過程中，金屬基體的表面受到大氣腐蝕不斷地產生硬質相顆粒（FeOX）（圖2），會時刻的存在于滾動摩擦的界面處。由于硬質相顆粒韌性較差，相對運動的過程中，會產生剝落，因而屬于三體磨粒磨損。硬質相不斷地剝落又會不斷地產生。它的存在對金屬材料的表面產生明顯的切削作用。塔機正常起吊加載時，磨損將更為嚴重。三體磨粒磨損的機理如圖3所示。

圖2 變幅小車車輪以及下弦桿的銹蝕情況

圖3 三體磨粒磨損機理

硬質相顆粒首先會被壓入到相對較軟的金屬基體中，發生相對運動時硬質相顆粒會朝著相對運動方向旋轉，從而產生碾壓坑、裂紋以及劃痕，從而使相對較軟的下弦桿上表面產生金屬基體的損傷。

自白居易翻舊曲為新歌后，樂府橫笛曲《折楊柳》成了唐教坊曲《楊柳枝》。但是，無論如何翻新，作為表意實踐的“楊柳”依舊存在。這種客觀存在表明，重要的不是語言結構或程式，比如《楊柳》的詞牌范式，而是言說主體在語言系統中的“翻新”。

1.2.2 表面接觸疲勞磨損

變幅小車在起重臂下弦桿往復運行，起重臂下弦上表面會受到小車車輪反復的高交變壓應力作用，在其表面上會形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展與相互連接，造成顆粒從小車車輪和下弦桿上表面脫落，形成疲勞坑。表面的完整性破壞后，后續的疲勞磨損將會加劇。

圖4是疲勞磨損裂紋產生的示意圖，小車車輪在下弦桿上表面反復的滾壓，會在表面產生微裂紋，加之硬質相（FeOX）反復被擠壓更會促使微裂紋的產生于擴展，最終導致表面產生破損。研究表明光滑的表面可有效的減小接觸疲勞磨損，有效的延長材料的使用壽命。因而增加車輪與下弦桿摩擦副之間的潤滑，可有效的減緩疲勞磨損。

圖4 疲勞磨損裂紋產生示意圖

2 耐磨性能改善

影響磨損的主要因素有材料的性能、材料的表面狀態、摩擦副間的相對性能、載荷、環境狀態、磨料的狀態等。其中可以通過改邊摩擦副間的相對性能來減小磨損。摩擦副間的相對性能主要包括冶金相容性和相對硬度。

JG/T 53-1999《塔式起重機車輪技術條件》3.4.4條：車輪應進行整體調制，踏面與輪緣表面淬火處理。淬火處理后的車輪相對于起重臂下弦是硬質相，起重臂磨損量較大。為減小起重臂的磨損，可適量提高起重臂的表面硬度。小車在塔機起重臂上長期往復運動，使得下弦桿的基體金屬長期暴露于空氣中。下弦桿受到大氣的腐蝕和小車運行長期的疲勞磨損腐蝕。若在其表面噴涂一層耐磨涂層可有效的減小下弦桿的磨損。減小磨損的另一種途徑是降低車輪的表面硬度，增加摩擦副兩者之間的自潤滑功能。

2.1 熱噴涂耐磨涂層

熱噴涂技術在現在社會領域廣泛應用，可制備各種所需涂層，其中耐磨涂層是熱噴涂技術的重要應用領域。耐磨涂層材料包括金屬材料（Mo、Ni等）、氧化物陶瓷（Al2O3、Cr2O3、Zr2O3等）以及硬質合金（WC-Co、Cr3C2-NiCr等）。

熱噴涂的方法有很多，按照熱噴涂的熱源可大體分為火焰類、電弧類、電熱法、激光類。其中粉末火焰噴涂和等離子噴涂制作耐磨涂層應用較為廣泛。

圖5為粉末火焰噴涂的原理示意圖，采用氧乙炔氣體燃燒產生高溫將噴涂粉末融化，通過高壓氣體將融化的粉末碰到基體表面，并在預處理后的基體表面上冷卻成型。

圖5 粉末火焰噴涂原理示意圖

圖6是等離子噴涂的示意圖，工作原理和粉末火焰噴涂一樣，區別在于使粉末融化的高溫熱源不同，在陰極和陽極之間產生直流電弧。該電弧把導入的工作氣體加熱電離成高溫等離子體并從噴嘴噴出形成等離子焰。送粉氣體將粉末送入等離子射流后被熔化、加速、噴射到以預處理的基體材料表面形成涂層。

圖6 等離子噴涂原理示意圖

粉末火焰噴涂設備簡單、操作工藝簡單，現場施工方便，適于機械零部件的局部修復和強化，成本低。等離子火焰噴涂可制備難容金屬以及陶瓷等的特殊功能涂層，制備的耐磨、耐腐蝕涂層質量較高，但是其成本較高，工藝比較復雜。采用何種噴涂方法以及選用何種涂層材料，需要綜合考慮，涂層與集體的結合強度、操作的難易程度、成本等綜合來評價，這需要試驗來進一步驗證。

2.2 尼龍小車輪

尼龍（聚酰胺）以較高的強度以及耐磨性在工程廣泛應用。承載滾輪、水平導輪應用尼龍已經非常成熟。小車車輪采用高分子材料，有效的降低了其與下弦桿之間的摩擦系數，因而起重臂的磨損會大大的降低。承載的滾輪由于受到長期較大的壓應力載荷，對軸承的強度要求極為苛刻。尼龍車輪的內部是金屬軸承，外緣是尼龍纖維。高分子材料和金屬材料兩者在界面結合處只是單純的機械結合，兩者是不潤濕的。兩種材料由于其強度、膨脹系數等方面存在各種差異，因而車輪在長期服役過程中，兩者在其界面處由于變形的不一致會發成脫離。尼龍小車輪在成型時須特別注意兩種不同材料之間的界面結合，采用增加接觸面積或者是在兩者之間添加過度材料，增強兩者之間的結合強度，才能增加其使用壽命。圖7是正在服役的一臺塔機的變幅小車車輪。