塔式起重机起重臂磨损腐蚀分析

2015-07-16王海龙

建筑机械化 2015年6期

关键词：塔式起重机腐蚀磨损

王海龙，黄楠，赵斌

（山东省建筑科学研究院，山东济南 250031）

维修&改造 Maintenance & Reconstruction

塔式起重机起重臂磨损腐蚀分析

王海龙，黄楠，赵斌

（山东省建筑科学研究院，山东济南 250031）

[摘要]塔式起重机由大量钢结构组成，其磨损腐蚀直接关系到使用寿命。变幅小车车轮与起重臂下弦杆之间的往复运行，磨损腐蚀情况比较复杂严重。文章主要探讨了小车车轮与下弦杆上表面之间的磨损腐蚀工况以及简述了磨损腐蚀的主要应对措施。

[关键词]塔式起重机；起重臂；磨损；腐蚀

塔式起重机（以下简称塔机）是建筑行业不可或缺的大型起重设备，塔机的主要承载结构件全部是金属材料，其自身的腐蚀磨损不容忽视。根据《建设部关于发布建设事业“十一五”推广应用和限制禁止使用技术（第一批）的公告》（原建设部第659号公告）的要求，超过一定使用年限的塔式起重机，由有资质评估机构评估合格后，可继续使用。GB 5144-2006《塔式起重机安全规程》中，塔机主要承载结构件由于腐蚀或磨损而使机构的计算应力提高，当超过原计算应力的15%时应予报废。对无计算条件的当腐蚀深度达原厚度的10%时应予报废。因此做好塔式起重机的维护可增加塔机的使用年限。变幅小车在下弦杆上的往复运行，小车车轮与下弦杆的相对运动而造成的磨损腐蚀，致使起重臂下弦杆磨损比其他主要承载结构件更加严重复杂。

1 腐蚀磨损分析

1.1 大气腐蚀

塔机在大气的自然环境中作业，金属材料在大气环境中会发生化学反应和电化学反应引起材料的破损一般称为大气腐蚀。其主要参与反应过程的是O2、H2O以及CO2。在塔机机身表面涂饰防锈漆可有效的减缓主支结构的大气腐蚀。但是变幅小车在塔机起重臂下弦杆上往复运行，表面的防锈漆在较短时间内会被小车车轮磨损而脱落，使得下弦杆上表面的金属基体长时间暴露于大气中。图1可明显看到下弦杆上表面的锈蚀。由于变幅小车长时间的行走，致使下弦杆的上表面产生凹陷。

图1 下弦杆上表面腐蚀情况

随着大气中O2、H2O、CO2含量的不断变化，在金属表面会发生化学或电化学反应而产生材料的破损。其中电化学反应是常见的而且是时刻存在，其反应过程是

阴极过程：O2+2H2O+4e→4OH-

反应的结果是在材料的表面产生较多铁的氧化物（FeOx），其硬度比金属基体高（HV1000）。同时，变幅小车在行走过程中，下弦杆上表面的氧化产物会不断地剥落，剥落后金属基体表面又会暴露于空气中，又会产生大气腐蚀，从而加快了腐蚀的进行。

1.2 磨损

塔机在作业过程中，变幅小车会在下弦杆上往复运行，金属车轮与金属下弦杆之间的滚动摩擦会造成材料的损失。车轮以及下

弦杆都会有一定的磨损，但车轮损坏后更换较为容易，下弦杆磨损后不易更换，因此提高下弦杆的耐磨性尤为重要。

车轮与下弦杆导轨架的摩擦属于金属之间的滚动摩擦。同时大气的腐蚀在摩擦表面会产生高硬度相FeOX，主要的磨损形式有高应力磨粒磨损、表面接触疲劳磨损。

1.2.1 高应力磨粒磨损[2]

变幅小车在下弦杆表面的往复运行的过程中，金属基体的表面受到大气腐蚀不断地产生硬质相颗粒（FeOX）（图2），会时刻的存在于滚动摩擦的界面处。由于硬质相颗粒韧性较差，相对运动的过程中，会产生剥落，因而属于三体磨粒磨损。硬质相不断地剥落又会不断地产生。它的存在对金属材料的表面产生明显的切削作用。塔机正常起吊加载时，磨损将更为严重。三体磨粒磨损的机理如图3所示。

图2 变幅小车车轮以及下弦杆的锈蚀情况

图3 三体磨粒磨损机理

硬质相颗粒首先会被压入到相对较软的金属基体中，发生相对运动时硬质相颗粒会朝着相对运动方向旋转，从而产生碾压坑、裂纹以及划痕，从而使相对较软的下弦杆上表面产生金属基体的损伤。

自白居易翻旧曲为新歌后，乐府横笛曲《折杨柳》成了唐教坊曲《杨柳枝》。但是，无论如何翻新，作为表意实践的“杨柳”依旧存在。这种客观存在表明，重要的不是语言结构或程式，比如《杨柳》的词牌范式，而是言说主体在语言系统中的“翻新”。

1.2.2 表面接触疲劳磨损

变幅小车在起重臂下弦杆往复运行，起重臂下弦上表面会受到小车车轮反复的高交变压应力作用，在其表面上会形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，造成颗粒从小车车轮和下弦杆上表面脱落，形成疲劳坑。表面的完整性破坏后，后续的疲劳磨损将会加剧。

图4是疲劳磨损裂纹产生的示意图，小车车轮在下弦杆上表面反复的滚压，会在表面产生微裂纹，加之硬质相（FeOX）反复被挤压更会促使微裂纹的产生于扩展，最终导致表面产生破损。研究表明光滑的表面可有效的减小接触疲劳磨损，有效的延长材料的使用寿命。因而增加车轮与下弦杆摩擦副之间的润滑，可有效的减缓疲劳磨损。

图4 疲劳磨损裂纹产生示意图

2 耐磨性能改善

影响磨损的主要因素有材料的性能、材料的表面状态、摩擦副间的相对性能、载荷、环境状态、磨料的状态等。其中可以通过改边摩擦副间的相对性能来减小磨损。摩擦副间的相对性能主要包括冶金相容性和相对硬度。

JG/T 53-1999《塔式起重机车轮技术条件》3.4.4条：车轮应进行整体调制，踏面与轮缘表面淬火处理。淬火处理后的车轮相对于起重臂下弦是硬质相，起重臂磨损量较大。为减小起重臂的磨损，可适量提高起重臂的表面硬度。小车在塔机起重臂上长期往复运动，使得下弦杆的基体金属长期暴露于空气中。下弦杆受到大气的腐蚀和小车运行长期的疲劳磨损腐蚀。若在其表面喷涂一层耐磨涂层可有效的减小下弦杆的磨损。减小磨损的另一种途径是降低车轮的表面硬度，增加摩擦副两者之间的自润滑功能。

2.1 热喷涂耐磨涂层

热喷涂技术在现在社会领域广泛应用，可制备各种所需涂层，其中耐磨涂层是热喷涂技术的重要应用领域。耐磨涂层材料包括金属材料（Mo、Ni等）、氧化物陶瓷（Al2O3、Cr2O3、Zr2O3等）以及硬质合金（WC-Co、Cr3C2-NiCr等）。

热喷涂的方法有很多，按照热喷涂的热源可大体分为火焰类、电弧类、电热法、激光类。其中粉末火焰喷涂和等离子喷涂制作耐磨涂层应用较为广泛。

图5为粉末火焰喷涂的原理示意图，采用氧乙炔气体燃烧产生高温将喷涂粉末融化，通过高压气体将融化的粉末碰到基体表面，并在预处理后的基体表面上冷却成型。

图5 粉末火焰喷涂原理示意图

图6是等离子喷涂的示意图，工作原理和粉末火焰喷涂一样，区别在于使粉末融化的高温热源不同，在阴极和阳极之间产生直流电弧。该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷嘴喷出形成等离子焰。送粉气体将粉末送入等离子射流后被熔化、加速、喷射到以预处理的基体材料表面形成涂层。

图6 等离子喷涂原理示意图

粉末火焰喷涂设备简单、操作工艺简单，现场施工方便，适于机械零部件的局部修复和强化，成本低。等离子火焰喷涂可制备难容金属以及陶瓷等的特殊功能涂层，制备的耐磨、耐腐蚀涂层质量较高，但是其成本较高，工艺比较复杂。采用何种喷涂方法以及选用何种涂层材料，需要综合考虑，涂层与集体的结合强度、操作的难易程度、成本等综合来评价，这需要试验来进一步验证。

2.2 尼龙小车轮

尼龙（聚酰胺）以较高的强度以及耐磨性在工程广泛应用。承载滚轮、水平导轮应用尼龙已经非常成熟。小车车轮采用高分子材料，有效的降低了其与下弦杆之间的摩擦系数，因而起重臂的磨损会大大的降低。承载的滚轮由于受到长期较大的压应力载荷，对轴承的强度要求极为苛刻。尼龙车轮的内部是金属轴承，外缘是尼龙纤维。高分子材料和金属材料两者在界面结合处只是单纯的机械结合，两者是不润湿的。两种材料由于其强度、膨胀系数等方面存在各种差异，因而车轮在长期服役过程中，两者在其界面处由于变形的不一致会发成脱离。尼龙小车轮在成型时须特别注意两种不同材料之间的界面结合，采用增加接触面积或者是在两者之间添加过度材料，增强两者之间的结合强度，才能增加其使用寿命。图7是正在服役的一台塔机的变幅小车车轮。