王海龍，黃 楠，趙 斌

（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

維修&改造 Maintenance & Reconstruction

塔式起重機(jī)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(jì)南 250031）

[摘 要]塔式起重機(jī)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(yùn)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(jiǎn)述了磨損腐蝕的主要應(yīng)對(duì)措施。

[關(guān)鍵詞]塔式起重機(jī)；起重臂；磨損；腐蝕

塔式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱塔機(jī)）是建筑行業(yè)不可或缺的大型起重設(shè)備，塔機(jī)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(hào)公告）的要求，超過(guò)一定使用年限的塔式起重機(jī)，由有資質(zhì)評(píng)估機(jī)構(gòu)評(píng)估合格后，可繼續(xù)使用。GB 5144-2006《塔式起重機(jī)安全規(guī)程》中，塔機(jī)主要承載結(jié)構(gòu)件由于腐蝕或磨損而使機(jī)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力提高，當(dāng)超過(guò)原計(jì)算應(yīng)力的15%時(shí)應(yīng)予報(bào)廢。對(duì)無(wú)計(jì)算條件的當(dāng)腐蝕深度達(dá)原厚度的10%時(shí)應(yīng)予報(bào)廢。因此做好塔式起重機(jī)的維護(hù)可增加塔機(jī)的使用年限。變幅小車在下弦桿上的往復(fù)運(yùn)行，小車車輪與下弦桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jī)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(huì)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(guò)程的是O2、H2O以及CO2。在塔機(jī)機(jī)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(jī)起重臂下弦桿上往復(fù)運(yùn)行，表面的防銹漆在較短時(shí)間內(nèi)會(huì)被小車車輪磨損而脫落，使得下弦桿上表面的金屬基體長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(huì)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(jiàn)的而且是時(shí)刻存在，其反應(yīng)過(guò)程是

陰極過(guò)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(shí)，變幅小車在行走過(guò)程中，下弦桿上表面的氧化產(chǎn)物會(huì)不斷地剝落，剝落后金屬基體表面又會(huì)暴露于空氣中，又會(huì)產(chǎn)生大氣腐蝕，從而加快了腐蝕的進(jìn)行。

1.2 磨 損

塔機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，變幅小車會(huì)在下弦桿上往復(fù)運(yùn)行，金屬車輪與金屬下弦桿之間的滾動(dòng)摩擦?xí)斐刹牧系膿p失。車輪以及下

弦桿都會(huì)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(dòng)摩擦。同時(shí)大氣的腐蝕在摩擦表面會(huì)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(yùn)行的過(guò)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(huì)時(shí)刻的存在于滾動(dòng)摩擦的界面處。由于硬質(zhì)相顆粒韌性較差，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)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(huì)不斷地產(chǎn)生。它的存在對(duì)金屬材料的表面產(chǎn)生明顯的切削作用。塔機(jī)正常起吊加載時(shí)，磨損將更為嚴(yán)重。三體磨粒磨損的機(jī)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(jī)理

硬質(zhì)相顆粒首先會(huì)被壓入到相對(duì)較軟的金屬基體中，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)硬質(zhì)相顆粒會(huì)朝著相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生碾壓坑、裂紋以及劃痕，從而使相對(duì)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(lè)府橫笛曲《折楊柳》成了唐教坊曲《楊柳枝》。但是，無(wú)論如何翻新，作為表意實(shí)踐的“楊柳”依舊存在。這種客觀存在表明，重要的不是語(yǔ)言結(jié)構(gòu)或程式，比如《楊柳》的詞牌范式，而是言說(shuō)主體在語(yǔ)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(yùn)行，起重臂下弦上表面會(huì)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(huì)形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)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(huì)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(huì)在表面產(chǎn)生微裂紋，加之硬質(zhì)相（FeOX）反復(fù)被擠壓更會(huì)促使微裂紋的產(chǎn)生于擴(kuò)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(zhǎng)材料的使用壽命。因而增加車輪與下弦桿摩擦副之間的潤(rùn)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(duì)性能、載荷、環(huán)境狀態(tài)、磨料的狀態(tài)等。其中可以通過(guò)改邊摩擦副間的相對(duì)性能來(lái)減小磨損。摩擦副間的相對(duì)性能主要包括冶金相容性和相對(duì)硬度。

JG/T 53-1999《塔式起重機(jī)車輪技術(shù)條件》3.4.4條：車輪應(yīng)進(jìn)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(duì)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(jī)起重臂上長(zhǎng)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得下弦桿的基體金屬長(zhǎng)期暴露于空氣中。下弦桿受到大氣的腐蝕和小車運(yùn)行長(zhǎng)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(rùn)滑功能。

2.1 熱噴涂耐磨涂層

熱噴涂技術(shù)在現(xiàn)在社會(huì)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(guò)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陉帢O和陽(yáng)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(jiǎn)單、操作工藝簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，適于機(jī)械零部件的局部修復(fù)和強(qiáng)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(qiáng)度、操作的難易程度、成本等綜合來(lái)評(píng)價(jià)，這需要試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 尼龍小車輪

尼龍（聚酰胺）以較高的強(qiáng)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(huì)大大的降低。承載的滾輪由于受到長(zhǎng)期較大的壓應(yīng)力載荷，對(duì)軸承的強(qiáng)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(jī)械結(jié)合，兩者是不潤(rùn)濕的。兩種材料由于其強(qiáng)度、膨脹系數(shù)等方面存在各種差異，因而車輪在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，兩者在其界面處由于變形的不一致會(huì)發(fā)成脫離。尼龍小車輪在成型時(shí)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(guò)度材料，增強(qiáng)兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度，才能增加其使用壽命。圖7是正在服役的一臺(tái)塔機(jī)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(yùn)行情況，必要時(shí)應(yīng)及時(shí)更換。

3 結(jié) 語(yǔ)

塔式起重機(jī)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(jī)的起重臂下弦桿與小車車輪的循環(huán)往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jī)理對(duì)塔機(jī)的維護(hù)以及延長(zhǎng)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(hào)］TH212;T213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］C

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)06-0075-03

［收稿日期］2015-04-09