高寒地区塔式起重机开发的关键问题探讨

侯义东，米成宏，王 磊

（徐工集团 徐州建机工程机械有限公司，江苏 徐州 221007）

俄罗斯东部、白俄罗斯、哈萨克斯坦地区，地处北纬40～55°之间，室外气温达-25～40℃，该地区的塔机工作条件比较恶劣。产品设计过程中，钢结构、液压系统、电气系统均需满足-40℃高寒使用条件。但要进一步提升产品设计质量，需从高寒地区塔机常见故障入手，深入挖掘问题根源，采取针对性设计方案。经统计发现，产品故障多为金属零件断裂破损和组件功能失效，主要发生在连接螺栓、油路接头以及一些应力集中较大的结构件上。按照问题原因分类，可分为以下3类：①金属材料发生低温脆性转变，过载冲击导致零件断裂；②金属冷收缩导致组件配合性质转变，引发功能失效和接触损伤；③塔机受力工况恶劣，低温下应力集中结构件疲劳寿命缩短。

1 高寒地区塔机损坏关键原因分析

1.1 金属材料发生低温脆性转变，过载冲击导致零件断裂

部分金属材料在常温下韧性良好，耐冲击性能优越，但随着温度降低，其韧性会逐渐下降，当温度降低到一定程度，金属冲击吸收功变得极其微小，即出现金属低温脆性转变。对于这些材料，在低温下进行光滑试样拉伸试验，材料能表现出良好的塑性，若进行低温冲击性试验，则脆性明显。试验证明，金属材料的低温脆性转变导致耐冲击性能变差。

塔机使用过程中，超载和满载卸荷速度过快等现象十分常见，而无论是超载，还是快速卸载都会对塔机造成超负荷冲击。超负荷冲击下，加之金属材料低温脆性转变，塔机薄弱结构件夭折就不稀奇了。

另外，金属材料承受的载荷越高，应力循环次数就越少，当材料承受的载荷超过疲劳许用应力，应力循环次数就大幅度减少，疲劳破坏就更易发生；应力频次增加同样会缩短塔机疲劳寿命。在额定载荷工况下，吊装一次，塔身受到的对称循环变应力波次较少，波幅(应力幅)在正常范围内，且波次和波幅减少较快。而在塔机快速卸载时，整个塔机在平衡重的作用下，循环波次增加，塔机疲劳寿命缩短。

据统计，严寒地区塔式起重机承受冲击载荷时，塔身连接螺栓等零部件断裂的事故明显高于温和地区。

1.2 金属冷收缩导致组件配合性质转变，引发功能失效和接触损伤

因为金属材料存在线性膨胀系数，温度改变前后金属零件体积会发生改变，体积变化导致相关组件配合性质转变。考虑两零件线性膨胀系数的差别，以及在接触范围内的质量和内应力的差别等因素，其配合间隙会产生明显变化，乃至组件功能失效。

高寒地区的施工机械设备，包括塔机，其液压系统的油箱、油管、接头等均采用金属制造。高寒环境下，金属冷收缩导致接头配合间隙转变，加之橡胶制品变硬，弹性下降，沙尘入侵并附在润滑油上，加大了连接球头、伸缩油缸的磨损，密封效果降低，造成泄漏现象；另外，金属冷收缩会导致配合间隙较小的螺栓配合性质发生变化，接触应力增大，加上冰雪融化进入配合间隙发生冻结，螺栓拆解力矩将显著高于常温装配力矩，故拆塔过程易造成螺栓配合表面拉伤、螺纹咬合或螺栓断裂等情况。

1.3 塔机受力工况恶劣，低温下应力集中结构件疲劳寿命明显缩短

塔机机塔身受力工况差，上回转塔机的塔身承受交变载荷，载荷应力正负值大小基本相等，称之对称循环变应力。同等载荷应力值下，承受对称循环变应力的构件比受脉动循环变应力构件更易发生疲劳破坏。由于塔机回转支承以上部分（包括塔顶、起重臂和平衡臂）不断转动，固定塔身承受对称循环交变弯曲载荷，相应的塔身主弦杆受对称循环拉压交变应力，应力的方式和大小严重影响塔身的疲劳寿命。

虽然应力集中在焊接件中不可避免，但由于机结构件普遍采用塑性较好的低碳钢，局部应力超过材料屈服极限后会发生塑性变形，导致应力重新分布，只要公称应力值在标准允用范围内，应力集中对塔机结构件的静强度影响不大。然而，应力集中对塔机结构件疲劳强度的影响却不可小觑，尤其是在低温环境下，结构件发生脆性转变，疲劳寿命降低将更容易在应力集中部位表现出来。塔身连接套与主弦杆焊接部位形成突变截面，且一般会堆积大量斜腹杆焊缝，突变截面和焊缝密集产生应力集中，易发生疲劳破断。

2 避免问题的主要措施

为了避免以上问题的发生，可以从以下3个方面采取措施。

2.1 重视材料选型，增加过载冲击限制性措施投

入，削弱金属低温脆性的破坏能力

塔机开发过程中，必须注重金属材料选择，注重低温韧性材料的使用，力争从材料选择到结构尺寸设计各环节均做到精益求精，一丝不苟。

选材时，按照GB/T 5013-2008重点考虑工作环境温度的影响，在-30～0℃时，评价系数Zc按式(1)计算；在-30～-55℃之间时，评价系数Zc按式(2)计算。

式中T——塔式结构的工作环境温度。

采用综合评价法，将评价系数ZA、ZB、ZC相加，得出总评价系数ΣZ

式中ZA——影响脆性破坏因素的评价；

ZB——构件材料厚度的影响。

最后查表确定钢材质量组别，进一步确定钢材牌号和相应的冲击韧性值。

针对塔机过载工况进行限制过载的保护性设计，降低塔机过载冲击出现的频次。重视塔机额定起重量限制、起升速度限制器、下降速度限制器、动臂变幅速度限制器的使用，使塔机具备过载不工作或锁定功能，避免起吊过载，起升、下降和变幅速度过大。使塔机动作柔和平顺，避免塔机出现过载冲击，缓解冲击对金属材料低温脆性转变产生的破坏，同时有效保护安全系数较小的薄弱零部件。

2.2 针对性提升组件设计质量，规范拆塔方案，有效避免金属冷收缩变形损伤

为有效避免金属冷收缩引发的组件功能失效，在产品设计阶段，配合组件尽量选用同一材质，并优化装配结构，提升装配质量，降低因零件线性膨胀系数差别和其它因素加剧金属冷收缩对装配质量的影响。为解决液压系统接头低温环境易泄漏问题，配套件选型时，尽量采用原装进口接头和密封件，保证低温环境使用的可靠性和耐用性，从而保证塔机液压系统无渗漏油现象。另外，产品使用过程中应该采取保温措施：如在油箱、接头、液压缸体等部位捆扎羊毛毡、棉麻织物、泡沫塑料等方法。

为避免高寒地区拆塔过程中的组件接触损伤，必须有针对性的制定塔机拆解流程，细化拆解步骤，对拆解中可能出现损坏的零部件，应提前预见并制定相应方案。如对于高寒地区塔身连接螺栓的拆除过程，考虑到金属冷收缩造成轴孔接触应力加大，加之冰雪融化进入螺栓间隙冻结，拆解力矩必然加大，故需准备火焰烘烤，以防出现螺栓扭断、螺纹咬合等现象。

2.3 合理布局结构件焊缝，提升焊接工艺水平，降低应力集中对疲劳寿命的影响

结构件焊接制造过程中，要严格把控焊接质量，尽量避免焊接缺陷造成应力集中加剧。从工艺角度，关键结构件须采用D级材料匹配焊丝，尽量用小电流快速分段焊接，做到规范、细致，不留瑕疵。焊后，要对焊缝进行探伤，严防带有焊接质量问题的产品流入市场。

结构件焊接完成后，采取适当的措施释放焊接应力是十分必要的。常用的应力释放手段有：自然时效、热处理时效和振动时效三种手段。但由于自然时效耗时过长，热处理焊接变形过大，这两种形式不宜采用。振动时效虽不具备去氢和恢复塑性的功能，但兼具耗时短、结构件尺寸稳定的特点，所以建议在结构件焊接完成之后，采取振动时效方式，消除残余应力。

另外，振动技术还可用于焊接过程，即所谓的振动焊接，振动焊接是国内外正在研发的新技术。焊接工艺不变的前提下，焊接过程中通过小型激振器对构件注入频率和振幅可控的振动。焊缝在熔融状态下，振动使气泡、杂质上浮排出；金属结晶过程中，振动可细化晶粒，提高焊缝力学性能；金属冷却热塑性变形过程中，振动使焊接残余应力降低和均布，减少焊接变形及焊接裂纹的形成。

3 总 结

俄白哈高寒地区有其独特的地理环境，塔机露天作业受环境因素影响较为严重，产品施工过程中出现各种质量问题不可避免。但只要产品设计者面向市场，深入发掘各类产品故障的本质原因，细致了解区域化地理条件和客户反馈信息，全方位考察国外领先企业产品的结构形式和成熟经验，在产品开发过程中有针对性采取措施，预见性的排除隐患，则高寒地区塔机设计质量必将大幅提升。