關于“殘余內應力”對構件強度影響的研究與討論

為民

摘 要 本文從“一種載人機器人（載人游樂設備）構件強度分析”出發，著重討論了“殘余內應力”對構件強度的重要影響。針對私營企業利益凌駕于載人游樂設備“安全第一原則”之上的做法，明確地表達了個人觀點看法：載人游樂設備的創新研發、制造檢驗使用的各個環節都馬虎不得，期望能為推動國內游樂設備行業良性發展盡微薄之力。

關鍵詞 特種游樂設備；機器人；殘余內應力；機械強度與安全

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

在當前國內游樂設備設計制造行業內，在機械零件強度核算與安全保證分析過程中，機械“殘余內應力”要素沒有得到應有的重視和充分考慮，私營企業因全新研發力量薄弱，為追求經濟利益目標更加輕視“含有強殘余內應力的構件”的安全強度保障分析，令人擔憂。

在游樂設備行業，機械零件“殘余應力”，突出表現在“焊接殘余內應力”“鑄件內應力”“熱處理殘余內應力”3個方向上，在一些具體游樂設備的零件強度分析過程當中，是否考慮“殘余內應力”因素，結果結論的影響差別巨大。

圖1為某企業研發制造的新型載人游樂設備（載人機器人）簡化模型。

圖1所示機械系統關聯條件如下：

A，焊接結構材料以“Q345（屈服強度極限，抗拉強度極限）低合金結構鋼《GB/T1591-1994》”等為主。

B，獨立支撐鉸接桿——“支撐臂桿”材料以球墨鑄鐵（QT、ADI、DCQT）等為主。以“國際標準ADI1050-700-06材料”等效QTD1050-6（《GB/ T24733-2009》）材料為例。QTD1050-6鑄鐵件材料屈服強度極限=700MPa、抗拉強度極限=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鄂板水韌處理嚴重開裂質量事故”[2]；“直接水韌處理入水的溫度難控制、質量不穩定”[3]，等等類似報道，無一不反映出“水韌處理完全可能急劇增大鑄件內應力——甚至于催生鑄件破壞”的事實情況。

由此筆者以為：對載人特種設備關重件執行“水韌處理”，在沒有詳細充分論證的條件下，倘若控制不當，就完全可能將構件內應力增加到材料強度極限（這就根本不能滿足GB8408規定極限應力條件下的5倍安全系數），而其具體內應力數值，除了構件破壞性檢測驗證外，對私營企業來說，很難找到簡便易行的測量檢驗方法，可見“水韌處理”這個熱處理方式對于構件強度安全的不確定性影響極大。

按照游樂設備行業內部關于“單一失效點”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”要素。

焊縫與熔合區是殘余應力比較集中的地方，焊接接頭中部σ1達到Q345的屈服強度（即），同時對應的材料抗拉強度[4]。當焊接達到如此高的應力值后，如果沒有充分的處理辦法保障其殘余應力大幅度下降的話，構件的實際最大應力，滿足（>）條件，依據“GB8408”的“4.5.2 應力計算”方法（=1.59），得知，“焊縫I”、“焊縫II”等處的安全系數S1.59，遠小于（GB8408的[S]）規定要求。

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，計算得出，鑄件殘余內應力可達=80MPa以上[5]。由于該設計未考慮鑄件殘余應力和鑄件毛坯表面質量影響系數，設定的計算應力（即S=3.5 GB8408）。當疊加鑄件殘余內應力和0.65倍的表面質量影響系數后，實際最大應力，此時對應的安全系數僅=1.94，遠小于GB8408規定3.5倍安全系數。

探傷檢查，僅僅能檢查判斷“內應力已經突破局部材料強度極限而已經發生開裂（即裂紋）的實際情況”，對實際殘余內應力數值的檢查無能為力——哪怕是局部殘余內應力已經達到材料極限臨近值，只要是還沒有出現微裂紋情況，探傷檢查對此都無法識別，這極不利于計算零件所承載最大實際應力數值的真實情況。由此，即使設計計算安全系數達到了3.5～5倍，但由于上述殘余內應力的存在，構件實際安全性遠沒有達到規定的安全保障條件。

《特種設備安全監察條例》解說中明確提到了“游樂設施設計應遵循安全第一原則和審慎保守原則”[6]：安全第一原則，主要體現為：設計產品的任何經濟或技術性能指標都應絕對服從安全指標要求，不允許游樂設施設計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、機械或電氣系統或部件，必須留有足夠的安全冗余，絕不能有導致設備嚴重損壞或造成人員嚴重傷害的不可檢測的單一失效點或潛在的單一失效點。

審慎保守原則，主要體現為：采用成熟技術優于采用新開發技術，開發的全新游樂設施產品或新技術用于游樂設施，必須經過嚴格論證、多程序和多種方法檢驗與試驗，以及足夠的時間考驗，重要設計就繁不就簡（對于重要產品、部件或較大的不確定性，應通過不同方法計算或從不同角度進行分析并增加計算項目，不應只采取單一方法進行計算分析或消除不確定性），考慮安全系數影響因素就多不就少，載荷或載荷組合選取就重不就輕，選取材料強度值就低不就高等等。

當前國內現狀，游樂設備新產品開發設計，一方面受利益驅動，同時受“人身安全高壓紅線”控制。如果在設計階段不能做到嚴格嚴謹審慎保守、不能確實保障人身安全，由此設計制造出來的游樂設備，一旦流入游樂市場，將埋下重大安全隱患，極易導致災害性事故發生。

根據前述系列分析得出結論：圖1所示載人游樂設備（載人機器人）想要達到成功開發，需要經過的設計論證過程路途還很漫長。

參考文獻

[1]胡祖堯，鄧宏運，章舟.高錳鋼鑄造生產及應用實例[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2]新疆鋼鐵研究所.Mn13鑄件水韌處理質量控制[J].新疆鋼鐵，1995（3）.

[3]丁建生，等.高錳鋼耐磨鑄件鑄態余熱水韌處理工藝研究[J].鑄造技術，2009（2）：151-153.

[4]上田幸雄，等.焊接變形和殘余應力的數值計算方法與程序[M].羅宇，譯.成都：四川大學出版社，2008.

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

[6]全國索道與游樂設施標準化技術委員會編.游樂設施實用手冊[S]，2015，5.