■ 王宪涛 山东省消防救援总队日照支队莒县大队

举高消防车是由发动机、液压系统、电气控制系统和检测反馈装置等组成的大型通用型特种工程车辆，其性能好、功能多、使用广泛。但在实际使用过程中可能由于各种原因导致一些部件在工作中发生断裂或变形，比如在实战处置过程中常发生回转支撑系统的失效问题，从而引起事故。因此，需要对其进行耐久性分析，并对其失效机理和失效机制建立相应的数学模型。

一、固定螺栓的基本理论

（一）回转支承的发展现状及存在形态

目前，我国的汽车行业飞速发展，城市道路建设不断加快，城市的道路交通环境也越来越复杂，这就对城市内部的车辆行驶速度提出了更高的标准和更高的指标要求，而举高消防车也是其中之一[1]。举高消防车由螺栓连接件、螺母、销座等零件组成，其主要作用是用来支撑固定不动，并能够在一定角度上改变其形位，使之能有效地与路面保持平行并能将其固定在地面上，以保证行车安全[2]。

（二）固定螺栓力学原理

固定螺栓是由螺钉、销座、法兰等组成构件通过固连的方式连接在一起的部件总称。而在实际的生产加工过程中，由于各种因素的影响导致固定支承零件的强度不足，性能不稳定，从而造成了这些零部件的使用寿命短，给人们的日常生活造成的巨大损失[3]。在进行设计的时候，要考虑到各方面的问题，才能使整个系统达到最优化的状态，所以必须要对其各个部分的结构和尺寸参数进行选择和计算，并根据要求来确定其材料的种类和规格。本研究的对象是举高脚支撑式的刚性顶住式的顶升机构。该类型的顶升机构主要有两个组成部分：一个是固定底座，另一个则为导向盘。其中两头的孔分别与十字丝杠以及滑块相配合，形成了一种具有一定刚度的整体式的顶升机构，它由内边壁及外边壁构成[4]。

（三）固定螺栓的强度与应力分布及疲劳特性

由于固定螺栓设计和制造过程中的工艺性要求较高，所以对于加工的精度和装配的可靠性要求也比较高。而在实际的生产中，因为各种原因导致固定螺栓的失效形式多种多样，主要分为三种，即应力集中现象、热疲劳以及应力循环。其中应力集中的出现是最普遍的一种失效方式，这种情况下，需要对其进行分析，以找到解决的办法并对其结构的抗裂性能及使用寿命等方面的问题加以改进。在进行高强度螺栓连接时，必须要考虑高负荷下的稳定性问题，因此本研究采用有限元方法来分析固定螺栓的性能变化。根据国内外学者对低载荷下的静态硬质合金材料的理论和实验结果的总结可以看出，当硬质金属的抗拉强度达到一定值时，其屈服应力就会下降，而当其硬度较低的时候，随着硬质合金的塑性变形量的增加而降低，并且在较低的温度范围内其塑性应变率也会逐渐上升，这就是刚性的主要原因[5]。为了能够更好地提高高载下的稳定运行，需要将软铁固化，从而使螺纹的耐磨性变好，同时也要保证有足够的韧度，这就使得设计中的要求是：在强剪切的条件下，将具有良好韧性的大块通过固化的方式固结在一起，这样就能使各部分之间的结合力得到很大的提升[6]。

（四）固定螺栓的定义及其分类

根据JTG D30—2015《公路路桥设计规范》规定，固定螺栓的作用有固定和移动两部分，其中固定是指固定在刚性连接上，而移动则是指固定在弹性结构上。由于钢制的空心硬轴的内径较大，因此为了保证构件的受力情况，需要采用变曲率的硬轴即变半径的硬轴，使其具有一定的抗弯强度。而变半径的钢制的盘式减速器的内径较小，所以我们把它称之为“变直径”，也就是俗称的“T型”，即在刚开始的时候就将工件的外径做成一个矩形，然后将工件的外径进行放大，从而使工件的应力达到最小化。

二、举高消防车回转支承固定螺栓断裂失效分析

（一）固定螺栓断裂失效分析

本文研究的对象是举高某型车的回转体，其主要是由支撑板和底板组成，其中底板的作用是固定顶盖与底板之间的密封；而顶盖与底面板的装配孔则位于台架的上部；为了保证法兰盘的刚度，则需要对底座施加一定的压力才能使其达到工作的要求。本研究中，由于台架承受着较大的载荷并且具有较高的塑性形变，因此将顶盖与立柱的设计孔都设置为实心，这样可以提高安装的可靠性以及降低安全事故的发生概率。上所述的两个部位都在固定的平面内，所以我们要做的只是计算出这三个部分的应力、变形情况下的应力及应变的大小和分布规律。

（二）固定螺栓断裂失效的影响因素

影响固定螺栓失效的因素有很多，主要包括以下几点：（1）材料参数的变化。在进行加工的时候，会受到各种外力的作用而发生变形，从而导致螺纹的应力发生变化，最终会造成固定螺栓的失效。（2）工艺性能的改变。在生产的过程中，由于温度的升高和物料的黏度增大等原因，使得原材料内部孔的位置和深度都会随之变深，进而也就对固定螺栓的耐腐蚀性产生了一定的影响。（3）结构的不稳定。因为各零件的配合间隙不同，以及各零部件的摩擦副的磨损情况也是多种多样，这些因素都有可能使其承受的最大载荷的大小出现差异，这对整个部件的使用寿命、工作可靠性及耐久性等方面的影响是很大的。（4）环境条件的影响。高温、高湿环境或者需要经常更换设备所引起的振动等都是直接的外部因素，比如水的渗入或雨水的冲刷，都是对固定件的损坏程度较大的外部因素。

（三）固定螺栓断裂失效过程

本研究的对象是某工况下的举高消防车在进行回转支承时的螺栓连接失效。根据上述过程，将其分为两个阶段，第一阶段为静态断裂，第二阶段为动态断裂。其中静态断裂的特点是：（1）由于工作面的平面尺寸较大，而两孔之间的距离较远，所以在设计时需要保证两孔间的相对位置的准确性。（2）在实际的生产加工中，因为工艺的限制或者材料的性能等因素，导致螺栓的预紧力比较低，因此采用拧紧式的松紧装置可以有效提高零件的强度和刚度，从而避免预加应力的影响。（3）当两孔间的间隙比较大且存在一定的缝隙结构时，则会造成内腔过薄，而内腔的过薄则容易使外壁的压力变大进而会使外壁的温度升高，严重的话还会引起热变形，出现塑性破裂的现象；当配合的不均匀也易产生塑性破坏，同时会使得部件的使用寿命缩短。

（四）回转支承固定螺栓断裂失效评价指标

根据上述分析结果，本文选取的指标包括：（1）材料参数。从可靠性角度，将螺栓连接的稳定性分为两个方面，一个是强度条件，另一个是刚度因素。（2）结构尺寸。螺栓的刚性主要为轴向受力，所以对其进行硬度及韧性的研究也十分重要。（3）应力水平。在一定的载荷下，承受相同的外力作用时，其相应的临界值也会发生改变，而临界值的变化情况就是我们所说的屈服极限。当螺栓的弹性达到最大，则对应的屈服强度将会提高。由于摩擦的存在以及工作环境的影响等，会导致预紧后的弹簧变形，从而使得刚度增加，因此将这两种效应结合起来，就能够防止法兰的断裂失效。

三、举高消防车回转支承固定螺栓断裂失效预防策略

（一）回转支承固定螺栓断裂失效尺寸拟定及损伤识别

为了尽可能地减少支承孔的钻孔深度，提高其刚度，所以将螺栓的外径和底板的厚度作为评定的依据之一。而在实际生产中，由于各种因素的影响使得底板的长度无法确定，因此需要对顶托盘的外径进行调整，使其达到规定的要求，才能使顶托盘的内径符合设计的标准和规范。

对固定螺栓的损伤进行识别，主要从以下几个方面入手：（1）对基体表面的裂纹形貌和位置变化情况以及内部应力分布的分析。（2）对固定螺栓的材料性能的分析，包括热处理过程中的力学指标、热膨胀系数等的分析。（3）根据参数的分析，判断是否需要更换的原因及其失效形式，并确定其型号及规格。在实际工程中，由于各种因素影响导致的结果往往是不同的，但又存在相似的现象，因此要想准确地识别出这些问题就必须要建立起一套完整的理论体系，通过大量的实验来验证其正确性。对于一些简单的失效实例，如断裂前的预紧力不足或外力作用下的变形过大，则很难用有限元方法来解决。

（二）举高消防车回转支承技术

举高消防车在工作时，需要承受来自地面、车辆、人的多重压力，这就要求有一套完整的技术体系来保障安全。而对于举高消防车来说，最重要的就是要保证其自身的稳定性和可靠性，这也是摆在每一个维修人员面前的难题。

1.采用螺栓连接的方法来实现两个方向的固定。

2.将螺母的一端与底座的内孔用砂纸抹平，然后将另一端用薄板焊接起来，再通过拧紧钢丝的方式拧紧。这样可以有效防止出现顶面较大的现象发生。

3.在安装的过程中，由于存在着各种不确定因素，导致了顶面的温度过高，从而使其性能降低，所以必须对这些影响因素加以控制[7]。

（三）举高消防车回转支承固定螺栓断裂的预防措施

影响固定支撑性能的因素很多，包括材料的强度、刚性和变形，其中受力情况最为严重。在实际的生产过程中，由于各种原因，固定支承的螺栓常常发生断裂失效的现象；还有一些是由于工艺参数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，导致无法使用。而这些问题的出现都与可靠性有关，因此对回转支承进行可靠的控制和研究十分有意义。

1.提高材料的强度和刚度，保证螺栓的刚性和防松性。

2.加强螺栓的预紧力，使其在高温高应力的环境下仍能保持较高的可靠性；采用低的松弛系数，使其具有较好的抗冲击能力，以减小自激振动引起的变形；在施工中，应尽量减少对零部件的磨损量，降低因零件的疲劳破坏而导致的失效次数，以增加部件的使用寿命。

3.选用合适的原材料进行加工，使其达到最佳的工艺参数，并通过合理的热处理方式来改善构件的力学性能。

4.严格控制焊接过程的质量水平，避免因焊缝的不均匀而造成不稳定现象。同时应注意防止出现焊缝裂纹。此外还可以采取适当的补救措施如用电弧焊等，来消除由于电弧的影响而产生的误差变化。

5.选择正确的连接方法，并做好防腐工作，以延长钢件的服役时间[8]。

（四）举高消防车回转支承固定螺栓维护

螺栓连接失效是影响整个举高消防车整体性能的主要因素，因此在进行举高消防车的设计和制造时，必须严格控制好各个部件的质量和数量。

对于举高消防车辆的上部结构，应采用密封圈密封并在螺纹处加垫片，以防止出现漏油现象。而对底板的加工，则要注意底板的厚度、外径及内径的选用以及外圆弧半径的选择等。此外还需要考虑到抗渗能力的问题、防腐层的使用寿命等。

四、结语

本文的主要研究对象是举高消防车在实际生产中的回转支撑系统的失效问题，以研究该类型的螺栓连接的可靠性和耐腐蚀性能。举高消防车是一种大型工程车辆，其承载能力大，且具有良好的自清洁功能，其在施工过程中，需要考虑的因素很多，例如材料的性能、结构的设计、安装的难易程度以及维修的方便等。要保证车辆在工作中安全行驶，就必须要确保其稳定性和可靠性。因此，对举高消防车的安全性进行研究，并对其性能开展评估，是一项非常重要的任务与挑战。