关于“残余内应力”对构件强度影响的研究与讨论

为民

摘 要 本文从“一种载人机器人（载人游乐设备）构件强度分析”出发，着重讨论了“残余内应力”对构件强度的重要影响。针对私营企业利益凌驾于载人游乐设备“安全第一原则”之上的做法，明确地表达了个人观点看法：载人游乐设备的创新研发、制造检验使用的各个环节都马虎不得，期望能为推动国内游乐设备行业良性发展尽微薄之力。

关键词 特种游乐设备；机器人；残余内应力；机械强度与安全

中图分类号 TH13 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）183-0047-01

在当前国内游乐设备设计制造行业内，在机械零件强度核算与安全保证分析过程中，机械“残余内应力”要素没有得到应有的重视和充分考虑，私营企业因全新研发力量薄弱，为追求经济利益目标更加轻视“含有强残余内应力的构件”的安全强度保障分析，令人担忧。

在游乐设备行业，机械零件“残余应力”，突出表现在“焊接残余内应力”“铸件内应力”“热处理残余内应力”3个方向上，在一些具体游乐设备的零件强度分析过程当中，是否考虑“残余内应力”因素，结果结论的影响差别巨大。

图1为某企业研发制造的新型载人游乐设备（载人机器人）简化模型。

图1所示机械系统关联条件如下：

A，焊接结构材料以“Q345（屈服强度极限，抗拉强度极限）低合金结构钢《GB/T1591-1994》”等为主。

B，独立支撑铰接杆——“支撑臂杆”材料以球墨铸铁（QT、ADI、DCQT）等为主。以“国际标准ADI1050-700-06材料”等效QTD1050-6（《GB/ T24733-2009》）材料为例。QTD1050-6铸铁件材料屈服强度极限=700MPa、抗拉强度极限=1050MPa；此类铸铁件的突出热处理工艺为“水韧处理”。

“水韧处理”本是针对Mn13等高锰合金钢铸件“裂纹”“易脆”等缺陷，而采取的“将铸件加热至一定温度（1O50～1100）并将其水冷淬火处理以求得到均布单一奥氏体组织”的热处理过程[1]，“Mn13鄂板水韧处理严重开裂质量事故”[2]；“直接水韧处理入水的温度难控制、质量不稳定”[3]，等等类似报道，无一不反映出“水韧处理完全可能急剧增大铸件内应力——甚至于催生铸件破坏”的事实情况。

由此笔者以为：对载人特种设备关重件执行“水韧处理”，在没有详细充分论证的条件下，倘若控制不当，就完全可能将构件内应力增加到材料强度极限（这就根本不能满足GB8408规定极限应力条件下的5倍安全系数），而其具体内应力数值，除了构件破坏性检测验证外，对私营企业来说，很难找到简便易行的测量检验方法，可见“水韧处理”这个热处理方式对于构件强度安全的不确定性影响极大。

按照游乐设备行业内部关于“单一失效点”概念描述，如图1所示“焊缝I”“焊缝II”“支撑臂杆”都显然都包含了“单一失效点”要素。

焊缝与熔合区是残余应力比较集中的地方，焊接接头中部σ1达到Q345的屈服强度（即），同时对应的材料抗拉强度[4]。当焊接达到如此高的应力值后，如果没有充分的处理办法保障其残余应力大幅度下降的话，构件的实际最大应力，满足（>）条件，依据“GB8408”的“4.5.2 应力计算”方法（=1.59），得知，“焊缝I”、“焊缝II”等处的安全系数S1.59，远小于（GB8408的[S]）规定要求。

图1中所示“支撑臂杆”为QTD1050-6铸铁件，局部壁厚分别为20mm、30mm、40mm不等，计算得出，铸件残余内应力可达=80MPa以上[5]。由于该设计未考虑铸件残余应力和铸件毛坯表面质量影响系数，设定的计算应力（即S=3.5 GB8408）。当叠加铸件残余内应力和0.65倍的表面质量影响系数后，实际最大应力，此时对应的安全系数仅=1.94，远小于GB8408规定3.5倍安全系数。

探伤检查，仅仅能检查判断“内应力已经突破局部材料强度极限而已经发生开裂（即裂纹）的实际情况”，对实际残余内应力数值的检查无能为力——哪怕是局部残余内应力已经达到材料极限临近值，只要是还没有出现微裂纹情况，探伤检查对此都无法识别，这极不利于计算零件所承载最大实际应力数值的真实情况。由此，即使设计计算安全系数达到了3.5～5倍，但由于上述残余内应力的存在，构件实际安全性远没有達到规定的安全保障条件。

《特种设备安全监察条例》解说中明确提到了“游乐设施设计应遵循安全第一原则和审慎保守原则”[6]：安全第一原则，主要体现为：设计产品的任何经济或技术性能指标都应绝对服从安全指标要求，不允许游乐设施设计存在任何涉及人身安全方面的不确定性，对于可能影响乘客人身安全的主要受力部件、机械或电气系统或部件，必须留有足够的安全冗余，绝不能有导致设备严重损坏或造成人员严重伤害的不可检测的单一失效点或潜在的单一失效点。

审慎保守原则，主要体现为：采用成熟技术优于采用新开发技术，开发的全新游乐设施产品或新技术用于游乐设施，必须经过严格论证、多程序和多种方法检验与试验，以及足够的时间考验，重要设计就繁不就简（对于重要产品、部件或较大的不确定性，应通过不同方法计算或从不同角度进行分析并增加计算项目，不应只采取单一方法进行计算分析或消除不确定性），考虑安全系数影响因素就多不就少，载荷或载荷组合选取就重不就轻，选取材料强度值就低不就高等等。

当前国内现状，游乐设备新产品开发设计，一方面受利益驱动，同时受“人身安全高压红线”控制。如果在设计阶段不能做到严格严谨审慎保守、不能确实保障人身安全，由此设计制造出来的游乐设备，一旦流入游乐市场，将埋下重大安全隐患，极易导致灾害性事故发生。

根据前述系列分析得出结论：图1所示载人游乐设备（载人机器人）想要达到成功开发，需要经过的设计论证过程路途还很漫长。

参考文献

[1]胡祖尧，邓宏运，章舟.高锰钢铸造生产及应用实例[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]新疆钢铁研究所.Mn13铸件水韧处理质量控制[J].新疆钢铁，1995（3）.

[3]丁建生，等.高锰钢耐磨铸件铸态余热水韧处理工艺研究[J].铸造技术，2009（2）：151-153.

[4]上田幸雄，等.焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序[M].罗宇，译.成都：四川大学出版社，2008.

[5]刘晓婷.铸造应力的特性与测算[J].西安航空学院学报，2012（5）：47-49.

[6]全国索道与游乐设施标准化技术委员会编.游乐设施实用手册[S]，2015，5.