高寒地區(qū)塔式起重機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵問題探討

侯義東，米成宏，王 磊

（徐工集團(tuán) 徐州建機(jī)工程機(jī)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(qū)，地處北緯40～55°之間，室外氣溫達(dá)-25～40℃，該地區(qū)的塔機(jī)工作條件比較惡劣。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，鋼結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)均需滿足-40℃高寒使用條件。但要進(jìn)一步提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，需從高寒地區(qū)塔機(jī)常見故障入手，深入挖掘問題根源，采取針對性設(shè)計(jì)方案。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品故障多為金屬零件斷裂破損和組件功能失效，主要發(fā)生在連接螺栓、油路接頭以及一些應(yīng)力集中較大的結(jié)構(gòu)件上。按照問題原因分類，可分為以下3類：①金屬材料發(fā)生低溫脆性轉(zhuǎn)變，過載沖擊導(dǎo)致零件斷裂；②金屬冷收縮導(dǎo)致組件配合性質(zhì)轉(zhuǎn)變，引發(fā)功能失效和接觸損傷；③塔機(jī)受力工況惡劣，低溫下應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)件疲勞壽命縮短。

1 高寒地區(qū)塔機(jī)損壞關(guān)鍵原因分析

1.1 金屬材料發(fā)生低溫脆性轉(zhuǎn)變，過載沖擊導(dǎo)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(yōu)越，但隨著溫度降低，其韌性會逐漸下降，當(dāng)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(xiàn)金屬低溫脆性轉(zhuǎn)變。對于這些材料，在低溫下進(jìn)行光滑試樣拉伸試驗(yàn)，材料能表現(xiàn)出良好的塑性，若進(jìn)行低溫沖擊性試驗(yàn)，則脆性明顯。試驗(yàn)證明，金屬材料的低溫脆性轉(zhuǎn)變導(dǎo)致耐沖擊性能變差。

塔機(jī)使用過程中，超載和滿載卸荷速度過快等現(xiàn)象十分常見，而無論是超載，還是快速卸載都會對塔機(jī)造成超負(fù)荷沖擊。超負(fù)荷沖擊下，加之金屬材料低溫脆性轉(zhuǎn)變，塔機(jī)薄弱結(jié)構(gòu)件夭折就不稀奇了。

另外，金屬材料承受的載荷越高，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就越少，當(dāng)材料承受的載荷超過疲勞許用應(yīng)力，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就大幅度減少，疲勞破壞就更易發(fā)生；應(yīng)力頻次增加同樣會縮短塔機(jī)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(huán)變應(yīng)力波次較少，波幅(應(yīng)力幅)在正常范圍內(nèi)，且波次和波幅減少較快。而在塔機(jī)快速卸載時，整個塔機(jī)在平衡重的作用下，循環(huán)波次增加，塔機(jī)疲勞壽命縮短。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)寒地區(qū)塔式起重機(jī)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(qū)。

1.2 金屬冷收縮導(dǎo)致組件配合性質(zhì)轉(zhuǎn)變，引發(fā)功能失效和接觸損傷

因?yàn)榻饘俨牧洗嬖诰€性膨脹系數(shù)，溫度改變前后金屬零件體積會發(fā)生改變，體積變化導(dǎo)致相關(guān)組件配合性質(zhì)轉(zhuǎn)變?？紤]兩零件線性膨脹系數(shù)的差別，以及在接觸范圍內(nèi)的質(zhì)量和內(nèi)應(yīng)力的差別等因素，其配合間隙會產(chǎn)生明顯變化，乃至組件功能失效。

高寒地區(qū)的施工機(jī)械設(shè)備，包括塔機(jī)，其液壓系統(tǒng)的油箱、油管、接頭等均采用金屬制造。高寒環(huán)境下，金屬冷收縮導(dǎo)致接頭配合間隙轉(zhuǎn)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(xiàn)象；另外，金屬冷收縮會導(dǎo)致配合間隙較小的螺栓配合性質(zhì)發(fā)生變化，接觸應(yīng)力增大，加上冰雪融化進(jìn)入配合間隙發(fā)生凍結(jié)，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(jī)受力工況惡劣，低溫下應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)件疲勞壽命明顯縮短

塔機(jī)機(jī)塔身受力工況差，上回轉(zhuǎn)塔機(jī)的塔身承受交變載荷，載荷應(yīng)力正負(fù)值大小基本相等，稱之對稱循環(huán)變應(yīng)力。同等載荷應(yīng)力值下，承受對稱循環(huán)變應(yīng)力的構(gòu)件比受脈動循環(huán)變應(yīng)力構(gòu)件更易發(fā)生疲勞破壞。由于塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承以上部分（包括塔頂、起重臂和平衡臂）不斷轉(zhuǎn)動，固定塔身承受對稱循環(huán)交變彎曲載荷，相應(yīng)的塔身主弦桿受對稱循環(huán)拉壓交變應(yīng)力，應(yīng)力的方式和大小嚴(yán)重影響塔身的疲勞壽命。

雖然應(yīng)力集中在焊接件中不可避免，但由于機(jī)結(jié)構(gòu)件普遍采用塑性較好的低碳鋼，局部應(yīng)力超過材料屈服極限后會發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，只要公稱應(yīng)力值在標(biāo)準(zhǔn)允用范圍內(nèi)，應(yīng)力集中對塔機(jī)結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度影響不大。然而，應(yīng)力集中對塔機(jī)結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響卻不可小覷，尤其是在低溫環(huán)境下，結(jié)構(gòu)件發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，疲勞壽命降低將更容易在應(yīng)力集中部位表現(xiàn)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(chǎn)生應(yīng)力集中，易發(fā)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(fā)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(jī)開發(fā)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(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)均做到精益求精，一絲不茍。

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

式中T——塔式結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境溫度。

采用綜合評價法，將評價系數(shù)ZA、ZB、ZC相加，得出總評價系數(shù)ΣZ

式中ZA——影響脆性破壞因素的評價；

ZB——構(gòu)件材料厚度的影響。

最后查表確定鋼材質(zhì)量組別，進(jìn)一步確定鋼材牌號和相應(yīng)的沖擊韌性值。

針對塔機(jī)過載工況進(jìn)行限制過載的保護(hù)性設(shè)計(jì)，降低塔機(jī)過載沖擊出現(xiàn)的頻次。重視塔機(jī)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(jī)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(jī)動作柔和平順，避免塔機(jī)出現(xiàn)過載沖擊，緩解沖擊對金屬材料低溫脆性轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的破壞，同時有效保護(hù)安全系數(shù)較小的薄弱零部件。

2.2 針對性提升組件設(shè)計(jì)質(zhì)量，規(guī)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(fā)的組件功能失效，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，配合組件盡量選用同一材質(zhì)，并優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu)，提升裝配質(zhì)量，降低因零件線性膨脹系數(shù)差別和其它因素加劇金屬冷收縮對裝配質(zhì)量的影響。為解決液壓系統(tǒng)接頭低溫環(huán)境易泄漏問題，配套件選型時，盡量采用原裝進(jìn)口接頭和密封件，保證低溫環(huán)境使用的可靠性和耐用性，從而保證塔機(jī)液壓系統(tǒng)無滲漏油現(xiàn)象。另外，產(chǎn)品使用過程中應(yīng)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(qū)拆塔過程中的組件接觸損傷，必須有針對性的制定塔機(jī)拆解流程，細(xì)化拆解步驟，對拆解中可能出現(xiàn)損壞的零部件，應(yīng)提前預(yù)見并制定相應(yīng)方案。如對于高寒地區(qū)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(yīng)力加大，加之冰雪融化進(jìn)入螺栓間隙凍結(jié)，拆解力矩必然加大，故需準(zhǔn)備火焰烘烤，以防出現(xiàn)螺栓扭斷、螺紋咬合等現(xiàn)象。

2.3 合理布局結(jié)構(gòu)件焊縫，提升焊接工藝水平，降低應(yīng)力集中對疲勞壽命的影響

結(jié)構(gòu)件焊接制造過程中，要嚴(yán)格把控焊接質(zhì)量，盡量避免焊接缺陷造成應(yīng)力集中加劇。從工藝角度，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(guī)范、細(xì)致，不留瑕疵。焊后，要對焊縫進(jìn)行探傷，嚴(yán)防帶有焊接質(zhì)量問題的產(chǎn)品流入市場。

結(jié)構(gòu)件焊接完成后，采取適當(dāng)?shù)拇胧┽尫藕附討?yīng)力是十分必要的。常用的應(yīng)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(fù)塑性的功能，但兼具耗時短、結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以建議在結(jié)構(gòu)件焊接完成之后，采取振動時效方式，消除殘余應(yīng)力。

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

3 總 結(jié)

俄白哈高寒地區(qū)有其獨(dú)特的地理環(huán)境，塔機(jī)露天作業(yè)受環(huán)境因素影響較為嚴(yán)重，產(chǎn)品施工過程中出現(xiàn)各種質(zhì)量問題不可避免。但只要產(chǎn)品設(shè)計(jì)者面向市場，深入發(fā)掘各類產(chǎn)品故障的本質(zhì)原因，細(xì)致了解區(qū)域化地理?xiàng)l件和客戶反饋信息，全方位考察國外領(lǐng)先企業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和成熟經(jīng)驗(yàn)，在產(chǎn)品開發(fā)過程中有針對性采取措施，預(yù)見性的排除隱患，則高寒地區(qū)塔機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量必將大幅提升。