舉高消防車回轉(zhuǎn)支承固定螺栓斷裂失效原因分析

■ 王憲濤 山東省消防救援總隊(duì)日照支隊(duì)莒縣大隊(duì)

舉高消防車是由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和檢測(cè)反饋裝置等組成的大型通用型特種工程車輛，其性能好、功能多、使用廣泛。但在實(shí)際使用過(guò)程中可能由于各種原因?qū)е乱恍┎考诠ぷ髦邪l(fā)生斷裂或變形，比如在實(shí)戰(zhàn)處置過(guò)程中常發(fā)生回轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)的失效問(wèn)題，從而引起事故。因此，需要對(duì)其進(jìn)行耐久性分析，并對(duì)其失效機(jī)理和失效機(jī)制建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

一、固定螺栓的基本理論

（一）回轉(zhuǎn)支承的發(fā)展現(xiàn)狀及存在形態(tài)

目前，我國(guó)的汽車行業(yè)飛速發(fā)展，城市道路建設(shè)不斷加快，城市的道路交通環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，這就對(duì)城市內(nèi)部的車輛行駛速度提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和更高的指標(biāo)要求，而舉高消防車也是其中之一[1]。舉高消防車由螺栓連接件、螺母、銷座等零件組成，其主要作用是用來(lái)支撐固定不動(dòng)，并能夠在一定角度上改變其形位，使之能有效地與路面保持平行并能將其固定在地面上，以保證行車安全[2]。

（二）固定螺栓力學(xué)原理

固定螺栓是由螺釘、銷座、法蘭等組成構(gòu)件通過(guò)固連的方式連接在一起的部件總稱。而在實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程中，由于各種因素的影響導(dǎo)致固定支承零件的強(qiáng)度不足，性能不穩(wěn)定，從而造成了這些零部件的使用壽命短，給人們的日常生活造成的巨大損失[3]。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮到各方面的問(wèn)題，才能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的狀態(tài)，所以必須要對(duì)其各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)進(jìn)行選擇和計(jì)算，并根據(jù)要求來(lái)確定其材料的種類和規(guī)格。本研究的對(duì)象是舉高腳支撐式的剛性頂住式的頂升機(jī)構(gòu)。該類型的頂升機(jī)構(gòu)主要有兩個(gè)組成部分：一個(gè)是固定底座，另一個(gè)則為導(dǎo)向盤。其中兩頭的孔分別與十字絲杠以及滑塊相配合，形成了一種具有一定剛度的整體式的頂升機(jī)構(gòu)，它由內(nèi)邊壁及外邊壁構(gòu)成[4]。

（三）固定螺栓的強(qiáng)度與應(yīng)力分布及疲勞特性

由于固定螺栓設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的工藝性要求較高，所以對(duì)于加工的精度和裝配的可靠性要求也比較高。而在實(shí)際的生產(chǎn)中，因?yàn)楦鞣N原因?qū)е鹿潭菟ǖ氖问蕉喾N多樣，主要分為三種，即應(yīng)力集中現(xiàn)象、熱疲勞以及應(yīng)力循環(huán)。其中應(yīng)力集中的出現(xiàn)是最普遍的一種失效方式，這種情況下，需要對(duì)其進(jìn)行分析，以找到解決的辦法并對(duì)其結(jié)構(gòu)的抗裂性能及使用壽命等方面的問(wèn)題加以改進(jìn)。在進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)，必須要考慮高負(fù)荷下的穩(wěn)定性問(wèn)題，因此本研究采用有限元方法來(lái)分析固定螺栓的性能變化。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低載荷下的靜態(tài)硬質(zhì)合金材料的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)可以看出，當(dāng)硬質(zhì)金屬的抗拉強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，其屈服應(yīng)力就會(huì)下降，而當(dāng)其硬度較低的時(shí)候，隨著硬質(zhì)合金的塑性變形量的增加而降低，并且在較低的溫度范圍內(nèi)其塑性應(yīng)變率也會(huì)逐漸上升，這就是剛性的主要原因[5]。為了能夠更好地提高高載下的穩(wěn)定運(yùn)行，需要將軟鐵固化，從而使螺紋的耐磨性變好，同時(shí)也要保證有足夠的韌度，這就使得設(shè)計(jì)中的要求是：在強(qiáng)剪切的條件下，將具有良好韌性的大塊通過(guò)固化的方式固結(jié)在一起，這樣就能使各部分之間的結(jié)合力得到很大的提升[6]。

（四）固定螺栓的定義及其分類

根據(jù)JTG D30—2015《公路路橋設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，固定螺栓的作用有固定和移動(dòng)兩部分，其中固定是指固定在剛性連接上，而移動(dòng)則是指固定在彈性結(jié)構(gòu)上。由于鋼制的空心硬軸的內(nèi)徑較大，因此為了保證構(gòu)件的受力情況，需要采用變曲率的硬軸即變半徑的硬軸，使其具有一定的抗彎強(qiáng)度。而變半徑的鋼制的盤式減速器的內(nèi)徑較小，所以我們把它稱之為“變直徑”，也就是俗稱的“T型”，即在剛開(kāi)始的時(shí)候就將工件的外徑做成一個(gè)矩形，然后將工件的外徑進(jìn)行放大，從而使工件的應(yīng)力達(dá)到最小化。

二、舉高消防車回轉(zhuǎn)支承固定螺栓斷裂失效分析

（一）固定螺栓斷裂失效分析

本文研究的對(duì)象是舉高某型車的回轉(zhuǎn)體，其主要是由支撐板和底板組成，其中底板的作用是固定頂蓋與底板之間的密封；而頂蓋與底面板的裝配孔則位于臺(tái)架的上部；為了保證法蘭盤的剛度，則需要對(duì)底座施加一定的壓力才能使其達(dá)到工作的要求。本研究中，由于臺(tái)架承受著較大的載荷并且具有較高的塑性形變，因此將頂蓋與立柱的設(shè)計(jì)孔都設(shè)置為實(shí)心，這樣可以提高安裝的可靠性以及降低安全事故的發(fā)生概率。上所述的兩個(gè)部位都在固定的平面內(nèi)，所以我們要做的只是計(jì)算出這三個(gè)部分的應(yīng)力、變形情況下的應(yīng)力及應(yīng)變的大小和分布規(guī)律。

（二）固定螺栓斷裂失效的影響因素

影響固定螺栓失效的因素有很多，主要包括以下幾點(diǎn)：（1）材料參數(shù)的變化。在進(jìn)行加工的時(shí)候，會(huì)受到各種外力的作用而發(fā)生變形，從而導(dǎo)致螺紋的應(yīng)力發(fā)生變化，最終會(huì)造成固定螺栓的失效。（2）工藝性能的改變。在生產(chǎn)的過(guò)程中，由于溫度的升高和物料的黏度增大等原因，使得原材料內(nèi)部孔的位置和深度都會(huì)隨之變深，進(jìn)而也就對(duì)固定螺栓的耐腐蝕性產(chǎn)生了一定的影響。（3）結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。因?yàn)楦髁慵呐浜祥g隙不同，以及各零部件的摩擦副的磨損情況也是多種多樣，這些因素都有可能使其承受的最大載荷的大小出現(xiàn)差異，這對(duì)整個(gè)部件的使用壽命、工作可靠性及耐久性等方面的影響是很大的。（4）環(huán)境條件的影響。高溫、高濕環(huán)境或者需要經(jīng)常更換設(shè)備所引起的振動(dòng)等都是直接的外部因素，比如水的滲入或雨水的沖刷，都是對(duì)固定件的損壞程度較大的外部因素。

（三）固定螺栓斷裂失效過(guò)程

本研究的對(duì)象是某工況下的舉高消防車在進(jìn)行回轉(zhuǎn)支承時(shí)的螺栓連接失效。根據(jù)上述過(guò)程，將其分為兩個(gè)階段，第一階段為靜態(tài)斷裂，第二階段為動(dòng)態(tài)斷裂。其中靜態(tài)斷裂的特點(diǎn)是：（1）由于工作面的平面尺寸較大，而兩孔之間的距離較遠(yuǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證兩孔間的相對(duì)位置的準(zhǔn)確性。（2）在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，因?yàn)楣に嚨南拗苹蛘卟牧系男阅艿纫蛩?，?dǎo)致螺栓的預(yù)緊力比較低，因此采用擰緊式的松緊裝置可以有效提高零件的強(qiáng)度和剛度，從而避免預(yù)加應(yīng)力的影響。（3）當(dāng)兩孔間的間隙比較大且存在一定的縫隙結(jié)構(gòu)時(shí)，則會(huì)造成內(nèi)腔過(guò)薄，而內(nèi)腔的過(guò)薄則容易使外壁的壓力變大進(jìn)而會(huì)使外壁的溫度升高，嚴(yán)重的話還會(huì)引起熱變形，出現(xiàn)塑性破裂的現(xiàn)象；當(dāng)配合的不均勻也易產(chǎn)生塑性破壞，同時(shí)會(huì)使得部件的使用壽命縮短。

（四）回轉(zhuǎn)支承固定螺栓斷裂失效評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)上述分析結(jié)果，本文選取的指標(biāo)包括：（1）材料參數(shù)。從可靠性角度，將螺栓連接的穩(wěn)定性分為兩個(gè)方面，一個(gè)是強(qiáng)度條件，另一個(gè)是剛度因素。（2）結(jié)構(gòu)尺寸。螺栓的剛性主要為軸向受力，所以對(duì)其進(jìn)行硬度及韌性的研究也十分重要。（3）應(yīng)力水平。在一定的載荷下，承受相同的外力作用時(shí)，其相應(yīng)的臨界值也會(huì)發(fā)生改變，而臨界值的變化情況就是我們所說(shuō)的屈服極限。當(dāng)螺栓的彈性達(dá)到最大，則對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度將會(huì)提高。由于摩擦的存在以及工作環(huán)境的影響等，會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊后的彈簧變形，從而使得剛度增加，因此將這兩種效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，就能夠防止法蘭的斷裂失效。

三、舉高消防車回轉(zhuǎn)支承固定螺栓斷裂失效預(yù)防策略

（一）回轉(zhuǎn)支承固定螺栓斷裂失效尺寸擬定及損傷識(shí)別

為了盡可能地減少支承孔的鉆孔深度，提高其剛度，所以將螺栓的外徑和底板的厚度作為評(píng)定的依據(jù)之一。而在實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種因素的影響使得底板的長(zhǎng)度無(wú)法確定，因此需要對(duì)頂托盤的外徑進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到規(guī)定的要求，才能使頂托盤的內(nèi)徑符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

對(duì)固定螺栓的損傷進(jìn)行識(shí)別，主要從以下幾個(gè)方面入手：（1）對(duì)基體表面的裂紋形貌和位置變化情況以及內(nèi)部應(yīng)力分布的分析。（2）對(duì)固定螺栓的材料性能的分析，包括熱處理過(guò)程中的力學(xué)指標(biāo)、熱膨脹系數(shù)等的分析。（3）根據(jù)參數(shù)的分析，判斷是否需要更換的原因及其失效形式，并確定其型號(hào)及規(guī)格。在實(shí)際工程中，由于各種因素影響導(dǎo)致的結(jié)果往往是不同的，但又存在相似的現(xiàn)象，因此要想準(zhǔn)確地識(shí)別出這些問(wèn)題就必須要建立起一套完整的理論體系，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其正確性。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的失效實(shí)例，如斷裂前的預(yù)緊力不足或外力作用下的變形過(guò)大，則很難用有限元方法來(lái)解決。

（二）舉高消防車回轉(zhuǎn)支承技術(shù)

舉高消防車在工作時(shí)，需要承受來(lái)自地面、車輛、人的多重壓力，這就要求有一套完整的技術(shù)體系來(lái)保障安全。而對(duì)于舉高消防車來(lái)說(shuō)，最重要的就是要保證其自身的穩(wěn)定性和可靠性，這也是擺在每一個(gè)維修人員面前的難題。

1.采用螺栓連接的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的固定。

2.將螺母的一端與底座的內(nèi)孔用砂紙抹平，然后將另一端用薄板焊接起來(lái)，再通過(guò)擰緊鋼絲的方式擰緊。這樣可以有效防止出現(xiàn)頂面較大的現(xiàn)象發(fā)生。

3.在安裝的過(guò)程中，由于存在著各種不確定因素，導(dǎo)致了頂面的溫度過(guò)高，從而使其性能降低，所以必須對(duì)這些影響因素加以控制[7]。

（三）舉高消防車回轉(zhuǎn)支承固定螺栓斷裂的預(yù)防措施

影響固定支撐性能的因素很多，包括材料的強(qiáng)度、剛性和變形，其中受力情況最為嚴(yán)重。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于各種原因，固定支承的螺栓常常發(fā)生斷裂失效的現(xiàn)象；還有一些是由于工藝參數(shù)的不合理造成的失效；另外，有些零部件的加工精度不高或者是制造出的零件存在缺陷，導(dǎo)致無(wú)法使用。而這些問(wèn)題的出現(xiàn)都與可靠性有關(guān)，因此對(duì)回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行可靠的控制和研究十分有意義。

1.提高材料的強(qiáng)度和剛度，保證螺栓的剛性和防松性。

2.加強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，使其在高溫高應(yīng)力的環(huán)境下仍能保持較高的可靠性；采用低的松弛系數(shù)，使其具有較好的抗沖擊能力，以減小自激振動(dòng)引起的變形；在施工中，應(yīng)盡量減少對(duì)零部件的磨損量，降低因零件的疲勞破壞而導(dǎo)致的失效次數(shù)，以增加部件的使用壽命。

3.選用合適的原材料進(jìn)行加工，使其達(dá)到最佳的工藝參數(shù)，并通過(guò)合理的熱處理方式來(lái)改善構(gòu)件的力學(xué)性能。

4.嚴(yán)格控制焊接過(guò)程的質(zhì)量水平，避免因焊縫的不均勻而造成不穩(wěn)定現(xiàn)象。同時(shí)應(yīng)注意防止出現(xiàn)焊縫裂紋。此外還可以采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施如用電弧焊等，來(lái)消除由于電弧的影響而產(chǎn)生的誤差變化。

5.選擇正確的連接方法，并做好防腐工作，以延長(zhǎng)鋼件的服役時(shí)間[8]。

（四）舉高消防車回轉(zhuǎn)支承固定螺栓維護(hù)

螺栓連接失效是影響整個(gè)舉高消防車整體性能的主要因素，因此在進(jìn)行舉高消防車的設(shè)計(jì)和制造時(shí)，必須嚴(yán)格控制好各個(gè)部件的質(zhì)量和數(shù)量。

對(duì)于舉高消防車輛的上部結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用密封圈密封并在螺紋處加墊片，以防止出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。而對(duì)底板的加工，則要注意底板的厚度、外徑及內(nèi)徑的選用以及外圓弧半徑的選擇等。此外還需要考慮到抗?jié)B能力的問(wèn)題、防腐層的使用壽命等。

四、結(jié)語(yǔ)

本文的主要研究對(duì)象是舉高消防車在實(shí)際生產(chǎn)中的回轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)的失效問(wèn)題，以研究該類型的螺栓連接的可靠性和耐腐蝕性能。舉高消防車是一種大型工程車輛，其承載能力大，且具有良好的自清潔功能，其在施工過(guò)程中，需要考慮的因素很多，例如材料的性能、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、安裝的難易程度以及維修的方便等。要保證車輛在工作中安全行駛，就必須要確保其穩(wěn)定性和可靠性。因此，對(duì)舉高消防車的安全性進(jìn)行研究，并對(duì)其性能開(kāi)展評(píng)估，是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)與挑戰(zhàn)。