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(xué)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(xué)研究院，山東 濟南 250031）

[摘 要]塔式起重機由大量鋼結(jié)構(gòu)組成，其磨損腐蝕直接關(guān)系到使用壽命。變幅小車車輪與起重臂下弦桿之間的往復(fù)運行，磨損腐蝕情況比較復(fù)雜嚴(yán)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(yīng)對措施。

[關(guān)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(yè)不可或缺的大型起重設(shè)備，塔機的主要承載結(jié)構(gòu)件全部是金屬材料，其自身的腐蝕磨損不容忽視。根據(jù)《建設(shè)部關(guān)于發(fā)布建設(shè)事業(yè)“十一五”推廣應(yīng)用和限制禁止使用技術(shù)（第一批）的公告》（原建設(shè)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(zhì)評估機構(gòu)評估合格后，可繼續(xù)使用。GB 5144-2006《塔式起重機安全規(guī)程》中，塔機主要承載結(jié)構(gòu)件由于腐蝕或磨損而使機構(gòu)的計算應(yīng)力提高，當(dāng)超過原計算應(yīng)力的15%時應(yīng)予報廢。對無計算條件的當(dāng)腐蝕深度達原厚度的10%時應(yīng)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(fù)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(jié)構(gòu)件更加嚴(yán)重復(fù)雜。

1 腐蝕磨損分析

1.1 大氣腐蝕

塔機在大氣的自然環(huán)境中作業(yè)，金屬材料在大氣環(huán)境中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)引起材料的破損一般稱為大氣腐蝕。其主要參與反應(yīng)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(jié)構(gòu)的大氣腐蝕。但是變幅小車在塔機起重臂下弦桿上往復(fù)運行，表面的防銹漆在較短時間內(nèi)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(chǎn)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(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生材料的破損。其中電化學(xué)反應(yīng)是常見的而且是時刻存在，其反應(yīng)過程是

陰極過程：O2+2H2O+4e→4OH-

反應(yīng)的結(jié)果是在材料的表面產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生大氣腐蝕，從而加快了腐蝕的進行。

1.2 磨 損

塔機在作業(yè)過程中，變幅小車會在下弦桿上往復(fù)運行，金屬車輪與金屬下弦桿之間的滾動摩擦?xí)斐刹牧系膿p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(dǎo)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(chǎn)生高硬度相FeOX，主要的磨損形式有高應(yīng)力磨粒磨損、表面接觸疲勞磨損。

1.2.1 高應(yīng)力磨粒磨損[2]

變幅小車在下弦桿表面的往復(fù)運行的過程中，金屬基體的表面受到大氣腐蝕不斷地產(chǎn)生硬質(zhì)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(zhì)相顆粒韌性較差，相對運動的過程中，會產(chǎn)生剝落，因而屬于三體磨粒磨損。硬質(zhì)相不斷地剝落又會不斷地產(chǎn)生。它的存在對金屬材料的表面產(chǎn)生明顯的切削作用。塔機正常起吊加載時，磨損將更為嚴(yán)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(zhì)相顆粒首先會被壓入到相對較軟的金屬基體中，發(fā)生相對運動時硬質(zhì)相顆粒會朝著相對運動方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)或程式，比如《楊柳》的詞牌范式，而是言說主體在語言系統(tǒng)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(fù)運行，起重臂下弦上表面會受到小車車輪反復(fù)的高交變壓應(yīng)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(xù)的疲勞磨損將會加劇。

圖4是疲勞磨損裂紋產(chǎn)生的示意圖，小車車輪在下弦桿上表面反復(fù)的滾壓，會在表面產(chǎn)生微裂紋，加之硬質(zhì)相（FeOX）反復(fù)被擠壓更會促使微裂紋的產(chǎn)生于擴展，最終導(dǎo)致表面產(chǎn)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(chǎn)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(tài)、摩擦副間的相對性能、載荷、環(huán)境狀態(tài)、磨料的狀態(tài)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(shù)條件》3.4.4條：車輪應(yīng)進行整體調(diào)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(zhì)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(fù)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(shù)在現(xiàn)在社會領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可制備各種所需涂層，其中耐磨涂層是熱噴涂技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)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(yīng)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(chǎn)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(yù)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(qū)別在于使粉末融化的高溫?zé)嵩床煌?，在陰極和陽極之間產(chǎn)生直流電弧。該電弧把導(dǎo)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(yù)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(shè)備簡單、操作工藝簡單，現(xiàn)場施工方便，適于機械零部件的局部修復(fù)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(zhì)量較高，但是其成本較高，工藝比較復(fù)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(jié)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(yīng)用。承載滾輪、水平導(dǎo)輪應(yīng)用尼龍已經(jīng)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(shù)，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(yīng)力載荷，對軸承的強度要求極為苛刻。尼龍車輪的內(nèi)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(jié)合處只是單純的機械結(jié)合，兩者是不潤濕的。兩種材料由于其強度、膨脹系數(shù)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(fā)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(jié)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(jié)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。

圖7 尼龍小車輪

采用尼龍小車輪，應(yīng)定期的檢查車輪的運行情況，必要時應(yīng)及時更換。

3 結(jié) 語

塔式起重機起重臂下弦桿與小車車輪之間的磨損形式主要是大氣腐蝕、硬質(zhì)相磨粒磨損和疲勞磨損的綜合作用。塔機的起重臂下弦桿與小車車輪的循環(huán)往復(fù)相對運動，磨損腐蝕較為復(fù)雜，且極具代表性，因而研究其磨損腐蝕機理對塔機的維護以及延長其壽命具有重要意義。

（編輯 賈澤輝）

Analysis of wear and corrosion of tower crane jib

WANG Hai-long, HUANG Nan, ZHAO Bin

［中圖分類號］TH212;T213.3

［文獻標(biāo)識碼］C

［文章編號］1001-1366(2015)06-0075-03

［收稿日期］2015-04-09