關(guān)于“殘余內(nèi)應(yīng)力”對構(gòu)件強(qiáng)度影響的研究與討論

為民

摘 要 本文從“一種載人機(jī)器人（載人游樂設(shè)備）構(gòu)件強(qiáng)度分析”出發(fā)，著重討論了“殘余內(nèi)應(yīng)力”對構(gòu)件強(qiáng)度的重要影響。針對私營企業(yè)利益凌駕于載人游樂設(shè)備“安全第一原則”之上的做法，明確地表達(dá)了個(gè)人觀點(diǎn)看法：載人游樂設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā)、制造檢驗(yàn)使用的各個(gè)環(huán)節(jié)都馬虎不得，期望能為推動國內(nèi)游樂設(shè)備行業(yè)良性發(fā)展盡微薄之力。

關(guān)鍵詞 特種游樂設(shè)備；機(jī)器人；殘余內(nèi)應(yīng)力；機(jī)械強(qiáng)度與安全

中圖分類號 TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）183-0047-01

在當(dāng)前國內(nèi)游樂設(shè)備設(shè)計(jì)制造行業(yè)內(nèi)，在機(jī)械零件強(qiáng)度核算與安全保證分析過程中，機(jī)械“殘余內(nèi)應(yīng)力”要素沒有得到應(yīng)有的重視和充分考慮，私營企業(yè)因全新研發(fā)力量薄弱，為追求經(jīng)濟(jì)利益目標(biāo)更加輕視“含有強(qiáng)殘余內(nèi)應(yīng)力的構(gòu)件”的安全強(qiáng)度保障分析，令人擔(dān)憂。

在游樂設(shè)備行業(yè)，機(jī)械零件“殘余應(yīng)力”，突出表現(xiàn)在“焊接殘余內(nèi)應(yīng)力”“鑄件內(nèi)應(yīng)力”“熱處理殘余內(nèi)應(yīng)力”3個(gè)方向上，在一些具體游樂設(shè)備的零件強(qiáng)度分析過程當(dāng)中，是否考慮“殘余內(nèi)應(yīng)力”因素，結(jié)果結(jié)論的影響差別巨大。

圖1為某企業(yè)研發(fā)制造的新型載人游樂設(shè)備（載人機(jī)器人）簡化模型。

圖1所示機(jī)械系統(tǒng)關(guān)聯(lián)條件如下：

A，焊接結(jié)構(gòu)材料以“Q345（屈服強(qiáng)度極限，抗拉強(qiáng)度極限）低合金結(jié)構(gòu)鋼《GB/T1591-1994》”等為主。

B，獨(dú)立支撐鉸接桿——“支撐臂桿”材料以球墨鑄鐵（QT、ADI、DCQT）等為主。以“國際標(biāo)準(zhǔn)ADI1050-700-06材料”等效QTD1050-6（《GB/ T24733-2009》）材料為例。QTD1050-6鑄鐵件材料屈服強(qiáng)度極限=700MPa、抗拉強(qiáng)度極限=1050MPa；此類鑄鐵件的突出熱處理工藝為“水韌處理”。

“水韌處理”本是針對Mn13等高錳合金鋼鑄件“裂紋”“易脆”等缺陷，而采取的“將鑄件加熱至一定溫度（1O50～1100）并將其水冷淬火處理以求得到均布單一奧氏體組織”的熱處理過程[1]，“Mn13鄂板水韌處理嚴(yán)重開裂質(zhì)量事故”[2]；“直接水韌處理入水的溫度難控制、質(zhì)量不穩(wěn)定”[3]，等等類似報(bào)道，無一不反映出“水韌處理完全可能急劇增大鑄件內(nèi)應(yīng)力——甚至于催生鑄件破壞”的事實(shí)情況。

由此筆者以為：對載人特種設(shè)備關(guān)重件執(zhí)行“水韌處理”，在沒有詳細(xì)充分論證的條件下，倘若控制不當(dāng)，就完全可能將構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力增加到材料強(qiáng)度極限（這就根本不能滿足GB8408規(guī)定極限應(yīng)力條件下的5倍安全系數(shù)），而其具體內(nèi)應(yīng)力數(shù)值，除了構(gòu)件破壞性檢測驗(yàn)證外，對私營企業(yè)來說，很難找到簡便易行的測量檢驗(yàn)方法，可見“水韌處理”這個(gè)熱處理方式對于構(gòu)件強(qiáng)度安全的不確定性影響極大。

按照游樂設(shè)備行業(yè)內(nèi)部關(guān)于“單一失效點(diǎn)”概念描述，如圖1所示“焊縫I”“焊縫II”“支撐臂桿”都顯然都包含了“單一失效點(diǎn)”要素。

焊縫與熔合區(qū)是殘余應(yīng)力比較集中的地方，焊接接頭中部σ1達(dá)到Q345的屈服強(qiáng)度（即），同時(shí)對應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度[4]。當(dāng)焊接達(dá)到如此高的應(yīng)力值后，如果沒有充分的處理辦法保障其殘余應(yīng)力大幅度下降的話，構(gòu)件的實(shí)際最大應(yīng)力，滿足（>）條件，依據(jù)“GB8408”的“4.5.2 應(yīng)力計(jì)算”方法（=1.59），得知，“焊縫I”、“焊縫II”等處的安全系數(shù)S1.59，遠(yuǎn)小于（GB8408的[S]）規(guī)定要求。

圖1中所示“支撐臂桿”為QTD1050-6鑄鐵件，局部壁厚分別為20mm、30mm、40mm不等，計(jì)算得出，鑄件殘余內(nèi)應(yīng)力可達(dá)=80MPa以上[5]。由于該設(shè)計(jì)未考慮鑄件殘余應(yīng)力和鑄件毛坯表面質(zhì)量影響系數(shù)，設(shè)定的計(jì)算應(yīng)力（即S=3.5 GB8408）。當(dāng)疊加鑄件殘余內(nèi)應(yīng)力和0.65倍的表面質(zhì)量影響系數(shù)后，實(shí)際最大應(yīng)力，此時(shí)對應(yīng)的安全系數(shù)僅=1.94，遠(yuǎn)小于GB8408規(guī)定3.5倍安全系數(shù)。

探傷檢查，僅僅能檢查判斷“內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)突破局部材料強(qiáng)度極限而已經(jīng)發(fā)生開裂（即裂紋）的實(shí)際情況”，對實(shí)際殘余內(nèi)應(yīng)力數(shù)值的檢查無能為力——哪怕是局部殘余內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到材料極限臨近值，只要是還沒有出現(xiàn)微裂紋情況，探傷檢查對此都無法識別，這極不利于計(jì)算零件所承載最大實(shí)際應(yīng)力數(shù)值的真實(shí)情況。由此，即使設(shè)計(jì)計(jì)算安全系數(shù)達(dá)到了3.5～5倍，但由于上述殘余內(nèi)應(yīng)力的存在，構(gòu)件實(shí)際安全性遠(yuǎn)沒有達(dá)到規(guī)定的安全保障條件。

《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》解說中明確提到了“游樂設(shè)施設(shè)計(jì)應(yīng)遵循安全第一原則和審慎保守原則”[6]：安全第一原則，主要體現(xiàn)為：設(shè)計(jì)產(chǎn)品的任何經(jīng)濟(jì)或技術(shù)性能指標(biāo)都應(yīng)絕對服從安全指標(biāo)要求，不允許游樂設(shè)施設(shè)計(jì)存在任何涉及人身安全方面的不確定性，對于可能影響乘客人身安全的主要受力部件、機(jī)械或電氣系統(tǒng)或部件，必須留有足夠的安全冗余，絕不能有導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞或造成人員嚴(yán)重傷害的不可檢測的單一失效點(diǎn)或潛在的單一失效點(diǎn)。

審慎保守原則，主要體現(xiàn)為：采用成熟技術(shù)優(yōu)于采用新開發(fā)技術(shù)，開發(fā)的全新游樂設(shè)施產(chǎn)品或新技術(shù)用于游樂設(shè)施，必須經(jīng)過嚴(yán)格論證、多程序和多種方法檢驗(yàn)與試驗(yàn)，以及足夠的時(shí)間考驗(yàn)，重要設(shè)計(jì)就繁不就簡（對于重要產(chǎn)品、部件或較大的不確定性，應(yīng)通過不同方法計(jì)算或從不同角度進(jìn)行分析并增加計(jì)算項(xiàng)目，不應(yīng)只采取單一方法進(jìn)行計(jì)算分析或消除不確定性），考慮安全系數(shù)影響因素就多不就少，載荷或載荷組合選取就重不就輕，選取材料強(qiáng)度值就低不就高等等。

當(dāng)前國內(nèi)現(xiàn)狀，游樂設(shè)備新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，一方面受利益驅(qū)動，同時(shí)受“人身安全高壓紅線”控制。如果在設(shè)計(jì)階段不能做到嚴(yán)格嚴(yán)謹(jǐn)審慎保守、不能確實(shí)保障人身安全，由此設(shè)計(jì)制造出來的游樂設(shè)備，一旦流入游樂市場，將埋下重大安全隱患，極易導(dǎo)致災(zāi)害性事故發(fā)生。

根據(jù)前述系列分析得出結(jié)論：圖1所示載人游樂設(shè)備（載人機(jī)器人）想要達(dá)到成功開發(fā)，需要經(jīng)過的設(shè)計(jì)論證過程路途還很漫長。

參考文獻(xiàn)

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[5]劉曉婷.鑄造應(yīng)力的特性與測算[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（5）：47-49.

[6]全國索道與游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會編.游樂設(shè)施實(shí)用手冊[S]，2015，5.