病床是每个医院必不可少的医疗设备，并且数量众多，为防止病人发生坠床事件，医用病床普遍都安装有护栏，护栏通过螺栓与床机架固定。工作中发现某住院楼统一配置相同病床，投入使用不到一年，已发生大量护栏固定螺栓断裂事件，其结构如图一所示，该结构下螺栓发生断裂后，半截螺杆留在螺纹孔内，致使护栏无法安装。
病床护栏固定螺栓频繁断裂不是偶然事件，对螺栓受力进行分析。护栏与床机架用2根4.8级的M8螺栓连接。查机械设计手册得4.8级螺栓主要力学参数如下：
其中S为安全系数，取S=2.5
螺栓受力主要为病人摇动护栏造成的剪切力，假定病人摇动病床的力为R=500N，并且为局部摇动病床，由1根螺栓主要受力，M8螺栓有效面积A=37mm2。忽略护栏与床机架之间的摩擦力，取F=R=500N，此时该螺栓所受剪切应力为：
由以上计算得出，螺栓所受剪切应力远小于许用切应力，剪切强度满足要求。考虑到护栏受力情况为病人反复左右摇动，螺栓受力可近似为对称循环应力，由此得出造成螺栓断裂的原因为疲劳失效。疲劳失效是指一种材料在远低于正常强度情况下的往复交替和周期循环应力下，产生逐渐扩展的脆性裂纹，导致最终断裂的倾向。针对现有病床，结构无法改变，对现有护栏故障的处理方式如下：
对螺栓已断裂的护栏，用电钻将螺纹孔钻穿，通过螺栓、螺母连接的方式固定护栏，当螺栓再次断裂后，螺栓更换方便。
针对螺栓没有断裂的护栏，为防患未然，将原4.8级螺栓更换为8.8级高强螺栓，通过提高螺栓的强度来增加螺栓的使用寿命。
要解决螺栓疲劳失效断裂的问题，需提高螺栓的疲劳强度或减小螺栓所受应力，疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力。一般材料的屈服强度越高，疲劳强度也越高,要提高螺栓的使用寿命，可以选用直径更大或者强度更高的螺栓，但这些都会增加产品的成本。而钢受弯曲，拉压和扭剪时的疲劳曲线具有相似的形状，但疲劳强度要依次减小。因此从结构设计上更改病床护栏与床机架的连接，使螺栓受力由剪切力更改为拉力，使螺栓受力更合理，可以提高螺栓的疲劳强度，从而提高使用寿命。更改后的螺栓结构如图三所示，床护栏与床机架通过螺栓、螺母套件连接，螺栓断裂后方便更换。螺栓为紧连接，自身受预应力,当病人左右摇摆护栏时，使螺栓受外界拉力F，此时螺栓所受预应力减小为（剩余预应力）。综上所述，受轴向工作载荷作用的紧螺栓联接，螺栓所受总拉力应等于剩余预应力与工作拉力F之和，即
绝大多数机械零件都是在变应力条件下工作的，变应力可归纳为：对称循环变应力、脉动循环变应力和非对称循环变应力，如图四所示，图中的a、b、c图示分别对应以上三种变应力。图一结构中，护栏受左右摇摆的R力，螺栓对应受左右方向的F剪切力，可近似为图四中的a应力图，此时r=-1（r为变应力的循环特性，其值为最小应力和最大应力之比）。1.5式表示改进后结构的螺栓受力，可近似为图四中的c应力图，此时r的值为0<r<1。
材料在相同循环次数和不同循环特性下有不同的疲劳强度，但r越大，也越大。改进后的结构r值变大，螺栓疲劳强度相应变大。综上所述，图三所示的机构改进，使螺栓主要载荷力有剪切力变为拉升力，同时变应力循环特性r变大，此两项改变均可提高螺栓的疲劳强度，提高螺栓的使用寿命。
参考文献
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