舉高消防車回轉支承固定螺栓斷裂失效原因分析

王憲濤

摘要：近年來，舉高消防車作為處置高層建筑火災的“殺手锏”裝備，已經普遍列裝于我國一線消防救援隊伍之中。由于舉高消防車的正常使用對于路基荷載及路面寬度等參數都有較高的要求，因此在實戰處置過程中要保證舉高消防車的安全使用，就必須要確保車體各構件的穩定性和可靠性。而舉高消防車在實際處置過程中經常伴隨有各類設備故障的出現，甚至導致整個舉高系統癱瘓無法運行，進而導致救援工作中斷。因此，文章結合我國一線消防救援隊伍實際配備的舉高消防車類型，對舉高消防車實際工作中由于回轉支承固定螺栓斷裂失效造成車輛停止工作的原因進行了逐一分析，并提出了相應的預防策略，力爭為我國消防救援隊伍實戰過程中安全使用舉高消防車高效實施救援工作提供一定的理論依據及應用參考。

關鍵詞：舉高消防車;回轉支承;固定螺栓;斷裂失效

舉高消防車是由發動機、液壓系統、電氣控制系統和檢測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。但在實際使用過程中可能由于各種原因導致一些部件在工作中發生斷裂或變形，比如在實戰處置過程中常發生回轉支撐系統的失效問題，從而引起事故。因此，需要對其進行耐久性分析，并對其失效機理和失效機制建立相應的數學模型。

一、固定螺栓的基本理論

（一）回轉支承的發展現狀及存在形態

目前，我國的汽車行業飛速發展，城市道路建設不斷加快，城市的道路交通環境也越來越復雜，這就對城市內部的車輛行駛速度提出了更高的標準和更高的指標要求，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，其主要作用是用來支撐固定不動，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）固定螺栓力學原理

固定螺栓是由螺釘、銷座、法蘭等組成構件通過固連的方式連接在一起的部件總稱。而在實際的生產加工過程中，由于各種因素的影響導致固定支承零件的強度不足，性能不穩定，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]。在進行設計的時候，要考慮到各方面的問題，才能使整個系統達到最優化的狀態，所以必須要對其各個部分的結構和尺寸參數進行選擇和計算，并根據要求來確定其材料的種類和規格。本研究的對象是舉高腳支撐式的剛性頂住式的頂升機構。該類型的頂升機構主要有兩個組成部分：一個是固定底座，另一個則為導向盤。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構，它由內邊壁及外邊壁構成[4]。

（三）固定螺栓的強度與應力分布及疲勞特性

由于固定螺栓設計和制造過程中的工藝性要求較高，所以對于加工的精度和裝配的可靠性要求也比較高。而在實際的生產中，因為各種原因導致固定螺栓的失效形式多種多樣，主要分為三種，即應力集中現象、熱疲勞以及應力循環。其中應力集中的出現是最普遍的一種失效方式，這種情況下，需要對其進行分析，以找到解決的辦法并對其結構的抗裂性能及使用壽命等方面的問題加以改進。在進行高強度螺栓連接時，必須要考慮高負荷下的穩定性問題，因此本研究采用有限元方法來分析固定螺栓的性能變化。根據國內外學者對低載荷下的靜態硬質合金材料的理論和實驗結果的總結可以看出，當硬質金屬的抗拉強度達到一定值時，其屈服應力就會下降，而當其硬度較低的時候，隨著硬質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其塑性應變率也會逐漸上升，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定運行，需要將軟鐵固化，從而使螺紋的耐磨性變好，同時也要保證有足夠的韌度，這就使得設計中的要求是：在強剪切的條件下，將具有良好韌性的大塊通過固化的方式固結在一起，這樣就能使各部分之間的結合力得到很大的提升[6]。

（四）固定螺栓的定義及其分類

根據JTGD30—2015《公路路橋設計規范》規定，固定螺栓的作用有固定和移動兩部分，其中固定是指固定在剛性連接上，而移動則是指固定在彈性結構上。由于鋼制的空心硬軸的內徑較大，因此為了保證構件的受力情況，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度。而變半徑的鋼制的盤式減速器的內徑較小，所以我們把它稱之為“變直徑”，也就是俗稱的“T型”，即在剛開始的時候就將工件的外徑做成一個矩形，然后將工件的外徑進行放大，從而使工件的應力達到最小化。

二、舉高消防車回轉支承固定螺栓斷裂失效分析

（一）固定螺栓斷裂失效分析

本文研究的對象是舉高某型車的回轉體，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架的上部;為了保證法蘭盤的剛度，則需要對底座施加一定的壓力才能使其達到工作的要求。本研究中，由于臺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計孔都設置為實心，這樣可以提高安裝的可靠性以及降低安全事故的發生概率。上所述的兩個部位都在固定的平面內，所以我們要做的只是計算出這三個部分的應力、變形情況下的應力及應變的大小和分布規律。

（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：（1）材料參數的變化。在進行加工的時候，會受到各種外力的作用而發生變形，從而導致螺紋的應力發生變化，最終會造成固定螺栓的失效。（2）工藝性能的改變。在生產的過程中，由于溫度的升高和物料的黏度增大等原因，使得原材料內部孔的位置和深度都會隨之變深，進而也就對固定螺栓的耐腐蝕性產生了一定的影響。（3）結構的不穩定。因為各零件的配合間隙不同，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差異，這對整個部件的使用壽命、工作可靠性及耐久性等方面的影響是很大的。（4）環境條件的影響。高溫、高濕環境或者需要經常更換設備所引起的振動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程

本研究的對象是某工況下的舉高消防車在進行回轉支承時的螺栓連接失效。根據上述過程，將其分為兩個階段，第一階段為靜態斷裂，第二階段為動態斷裂。其中靜態斷裂的特點是： （1）由于工作面的平面尺寸較大，而兩孔之間的距離較遠，所以在設計時需要保證兩孔間的相對位置的準確性。（2）在實際的生產加工中，因為工藝的限制或者材料的性能等因素，導致螺栓的預緊力比較低，因此采用擰緊式的松緊裝置可以有效提高零件的強度和剛度，從而避免預加應力的影響。（3）當兩孔間的間隙比較大且存在一定的縫隙結構時，則會造成內腔過薄，而內腔的過薄則容易使外壁的壓力變大進而會使外壁的溫度升高，嚴重的話還會引起熱變形，出現塑性破裂的現象;當配合的不均勻也易產生塑性破壞，同時會使得部件的使用壽命縮短。

（四）回轉支承固定螺栓斷裂失效評價指標

根據上述分析結果，本文選取的指標包括：（1）材料參數。從可靠性角度，將螺栓連接的穩定性分為兩個方面，一個是強度條件，另一個是剛度因素。（2）結構尺寸。螺栓的剛性主要為軸向受力，所以對其進行硬度及韌性的研究也十分重要。（3）應力水平。在一定的載荷下，承受相同的外力作用時，其相應的臨界值也會發生改變，而臨界值的變化情況就是我們所說的屈服極限。當螺栓的彈性達到最大，則對應的屈服強度將會提高。由于摩擦的存在以及工作環境的影響等，會導致預緊后的彈簧變形，從而使得剛度增加，因此將這兩種效應結合起來，就能夠防止法蘭的斷裂失效。

三、舉高消防車回轉支承固定螺栓斷裂失效預防策略

（一）回轉支承固定螺栓斷裂失效尺寸擬定及損傷識別

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定的依據之一。而在實際生產中，由于各種因素的影響使得底板的長度無法確定，因此需要對頂托盤的外徑進行調整，使其達到規定的要求，才能使頂托盤的內徑符合設計的標準和規范。

對固定螺栓的損傷進行識別，主要從以下幾個方面入手：（1）對基體表面的裂紋形貌和位置變化情況以及內部應力分布的分析。（2）對固定螺栓的材料性能的分析，包括熱處理過程中的力學指標、熱膨脹系數等的分析。（3）根據參數的分析，判斷是否需要更換的原因及其失效形式，并確定其型號及規格。在實際工程中，由于各種因素影響導致的結果往往是不同的，但又存在相似的現象，因此要想準確地識別出這些問題就必須要建立起一套完整的理論體系，通過大量的實驗來驗證其正確性。對于一些簡單的失效實例，如斷裂前的預緊力不足或外力作用下的變形過大，則很難用有限元方法來解決。

（二）舉高消防車回轉支承技術

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

1.采用螺栓連接的方法來實現兩個方向的固定。

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

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

（三）舉高消防車回轉支承固定螺栓斷裂的預防措施

影響固定支撐性能的因素很多，包括材料的強度、剛性和變形，其中受力情況最為嚴重。在實際的生產過程中，由于各種原因，固定支承的螺栓常常發生斷裂失效的現象;還有一些是由于工藝參數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，導致無法使用。而這些問題的出現都與可靠性有關，因此對回轉支承進行可靠的控制和研究十分有意義。

1.提高材料的強度和剛度，保證螺栓的剛性和防松性。

2.加強螺栓的預緊力，使其在高溫高應力的環境下仍能保持較高的可靠性;采用低的松弛系數，使其具有較好的抗沖擊能力，以減小自激振動引起的變形;在施工中，應盡量減少對零部件的磨損量，降低因零件的疲勞破壞而導致的失效次數，以增加部件的使用壽命。

3.選用合適的原材料進行加工，使其達到最佳的工藝參數，并通過合理的熱處理方式來改善構件的力學性能。

4.嚴格控制焊接過程的質量水平，避免因焊縫的不均勻而造成不穩定現象。同時應注意防止出現焊縫裂紋。此外還可以采取適當的補救措施如用電弧焊等，來消除由于電弧的影響而產生的誤差變化。

5.選擇正確的連接方法，并做好防腐工作，以延長鋼件的服役時間[8]。

（四）舉高消防車回轉支承固定螺栓維護

螺栓連接失效是影響整個舉高消防車整體性能的主要因素，因此在進行舉高消防車的設計和制造時，必須嚴格控制好各個部件的質量和數量。

對于舉高消防車輛的上部結構，應采用密封圈密封并在螺紋處加墊片，以防止出現漏油現象。而對底板的加工，則要注意底板的厚度、外徑及內徑的選用以及外圓弧半徑的選擇等。此外還需要考慮到抗滲能力的問題、防腐層的使用壽命等。

四、結語

本文的主要研究對象是舉高消防車在實際生產中的回轉支撐系統的失效問題，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，其在施工過程中，需要考慮的因素很多，例如材料的性能、結構的設計、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，就必須要確保其穩定性和可靠性。因此，對舉高消防車的安全性進行研究，并對其性能開展評估，是一項非常重要的任務與挑戰。

參考文獻：

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