大功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓設(shè)計(jì)匹配技術(shù)研究.docx

1、2021年II月第27卷第4期安慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofAnqingNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Nov.2021Vol.27No.4大功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓設(shè)計(jì)匹配技術(shù)研究梅加化巳黃祿豐”，王輝2,胡安成2（1.中船動(dòng)力研究院有限公司研究開發(fā)部，上海200120：2.安慶中船柴油機(jī)有限公司技術(shù)中心，安做安慶246003）摘要：針對大功率發(fā)動(dòng)機(jī)某個(gè)缸蓋螺栓需要單獨(dú)設(shè)計(jì)匹配問題，采用單獨(dú)的螺栓仿真模型對比計(jì)算來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，得到剛度致的單配螺栓，將其裝配到缸.蓋螺栓總成中并進(jìn)行計(jì)算分析.雖終進(jìn)行了螺栓伸長房的測墾與試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，

2、通過單獨(dú)螺栓模型的對比優(yōu)化計(jì)算以得到剛度一的單配螺栓：螺栓總成分析中單配螺栓的伸長量與單觸栓模型分析結(jié)果相差1.1%，單配螺栓與原始螺栓伸長量差異在0.5%以內(nèi)：在預(yù)緊力和燃燒暴壓工作下，單配螺栓與原始螺栓伸長量增加值差異在3.0%以內(nèi)，應(yīng)力增加值差異更小，在1.0%以內(nèi)。該研充可以為單配螺栓的設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)匹配:單配螺栓：計(jì)算分析;螺栓伸長量DOI：10.13757/34-1328/n.2021.04.010中圖分類號(hào):TK432文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1()07-4260(2021)(M-0054-05ResearchonCylinderHeadBoltDesignandMat

3、chingTechnologyofHigh-powerEngineMEIJiahua'土HUANGLufeng'2.WANGHui)HUAncheng'(1.DepartmentofResearch&Development.ChinaShipbuildingPowerEngineeringInstituteCo.Ltd.,Shanghai2(X)12().China;2.DepartmentofTechnology,AnqingChinaStateShipbuildingCorporationDieselEngineIndustryCo.Ltd.,Anqing2

4、46003,China)Abstract:Inviewoftheproblemthatacylinderheadboltneedstobedesignedandmatchedseparatelyinahigh-powerengine,asingleboltsimulationmodelisadoptedtooptimizethestructure,andaindividualmatchingboltwiththesamestiffnesscomparedwithotherboltsisobtained,whichisassemblediniolhecylinderheadboltassembl

5、yforcalculationandanalysis.Finally,theboltelongationismeasuredandverifiedbytest.Theresultsshowthattheindividualmatchingboltwiththesamestiffnesscanbeobtainedbythecomparisonandoptimalcalculationofthesingleboltmodel.Inboltassemblyanalysis,theelongationofindividualmatchingboltdiffers1.1%fromthecalculati

6、onofsingleboltmodel,andthedifferencebetweenindividualmatchingboltandoriginalboltsiswithin0.5%.Inthecaseofpre-tighteningforceandcombustionburstpressure,lhevalueaddeddifferenceofboltelongationbetweenindividualmatchingbohandoriginalbohisle)is(han3%,and(hevalueaddeddifferenceofstressislessthiw1%.Theresu

7、ltsprovidereferenceforthedesignandcomputingmethodofindividualmatchingboltinthefuture.Keywords:designedandmatched:individualmatchingbolt;calculationandanalysis:theboltelongation大功率船舶中速發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性高、壽命長，生產(chǎn)批量小，重要零部件價(jià)格都很高。對于生產(chǎn)過程中偶爾出現(xiàn)的一些質(zhì)量問題，或者發(fā)動(dòng)機(jī)服務(wù)期內(nèi)的修理，往往通過對零部件進(jìn)行作隊(duì)匹配以解決問題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上一個(gè)缸蓋螺栓的螺紋孔牙處出現(xiàn)缺陷、損壞等問題，一般都是對所

8、有缸蓋螺栓進(jìn)行擴(kuò)孔、加大螺紋，并單配缸蓋螺栓。這樣能保證所有螺檢的受力情況完全一致，不會(huì)對使用有任何影響，但收稿日期：2020-10-30基金項(xiàng)目：工信部高技術(shù)船的科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝（2012）533號(hào)2013）412號(hào)）通信作者：梅加化（I987T,9J.安徽安慶人碩士，排勵(lì)力研究院有限公司研究開發(fā)i瞬級(jí)£程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)枸設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。E-mail：mjhl9872006是增加了返工成本“缸蓋螺栓的螺紋孔牙問題往往需要通過對螺紋孔進(jìn)一步擴(kuò)孔并加深處理來解決，但是返工it程十分復(fù)雜，單配的螺栓成本又較高。因此，嘗試采用僅返工有問題的瞰孔，重新設(shè)個(gè)單配螺栓的方式具

9、有可行性。為滿足缸蓋螺栓的工作要求，必須使單配螺栓與其他螺栓的剛度一致。本文基于ABAQUS的優(yōu)化計(jì)算，設(shè)計(jì)剛度完全一致的缸蓋螺栓，并通過螺栓總成分析和現(xiàn)場測量試驗(yàn)，證明其滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到實(shí)際工作要求。1缸蓋螺栓的匹配設(shè)計(jì)船舶大功率發(fā)動(dòng)機(jī)為每缸一個(gè)缸蓋結(jié)構(gòu)，采用4個(gè)相同的液壓螺栓預(yù)緊，均勻分布在缸蓋四角上，使各個(gè)螺栓的受力-致。根據(jù)試驗(yàn)樣機(jī)機(jī)體螺栓返工后情況，將缸蓋螺栓總長加大35mm,螺紋由原來的M45X3變?yōu)镸48X3,并對其進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以保證與原螺栓剛度一致。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高工作效率，對單配螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，采用單配螺栓模型與原螺栓模型分別進(jìn)行計(jì)算對比，找出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。由丁

10、單配螺栓更長，只能通過增加局部螺栓半徑、長度，并減小細(xì)頸部位長度的方式來達(dá)到與原螺栓相同的剛度值，如圖1所示。-長度改變區(qū)域圖1單配螺栓模型應(yīng)用ABAQUS軟件對原螺栓與單配螺栓進(jìn)行有限元分析，預(yù)緊力均為993kN,改變單配螺栓底部螺紋長度，其與螺栓伸長量、剛度值如表1所示。表1螺栓長度與剛度計(jì)算值規(guī)格長度改變值/mm螺栓伸長量/mm剛度/(N-inm-')與原螺栓差異原始螺栓802.8673.4636x00.00%803.0503.2557x|O56.00%1302.8873.4396x|0?0.69%單配螺栓1402.8823.4455x10，().52%1502.8773.451

11、5xlO50.35%1602.8673.4636x00.00%通過單獨(dú)螺栓模型的仿真汁算，可以看出，采用最后一組結(jié)構(gòu)，將尾部直徑D48mm段的尺寸加長至160mm,與原始螺栓剛度剛好-致。因此，采用該結(jié)構(gòu)螺栓作為最終單配設(shè)計(jì)的螺栓，滿足設(shè)計(jì)需求，效果物。2缸蓋螺栓總成仿真分析2.1有限元仿真模型雖然通過缸蓋螺栓單獨(dú)模型的對比計(jì)算，使得設(shè)計(jì)的單配螺栓與原始螺栓剛度致，但是螺栓的實(shí)際受力過程較為復(fù)雜，因此，需要通過缸蓋螺栓總成結(jié)構(gòu)的仿真分析來確定裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)位置、工作載荷等的影響。將前面己確定最終結(jié)構(gòu)的單配螺栓曜裝配在缶1蓋總成匕進(jìn)行佃蓋螺栓總成分析，其中缶T蓋、機(jī)體、缸.套等采用簡易模型，但缸

12、蓋螺檢的安裝R寸、位置保持與實(shí)際完全致如圖2所示。缸蓋螺栓總成仿真模型的材料參數(shù)如表2所示，缸蓋為QT450,機(jī)體為QT400,缸.套為特殊鑄鐵，缸蓋螺栓和螺母均為合金鋼。表2缸蓋螺栓總成材料參數(shù)名稱材料彈性模型/(Nmm-2)泊松比強(qiáng)度/MPa缸蓋QT4501700000.28抗拉強(qiáng)度450機(jī)體QT40017()()0()0.2X抗拉強(qiáng)度400缸套特殊鑄鐵17()()0()0.28抗拉強(qiáng)度280原始螺栓30CrMoV92100000.30單配螺栓30CrMoV921()()0()0.30爪源咫倪2940螺母42CrMoAH21()()0()().30考慮到總成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，接觸較多，故采用四

13、面體單元，其中螺檢采用C3D10M二階單元，其余零件采用C3D4一階單元。單元總數(shù)131139,載荷包括：螺栓預(yù)緊力993kN、發(fā)動(dòng)機(jī)暴壓20MPa。所有螺紋配合處采用綁定約束，接觸面摩擦系數(shù)為0.15,采用小滑移接觸對。計(jì)算工況分為預(yù)緊力工況、預(yù)緊力+20MPa燃燒暴壓工況邱。2.2有限元仿真結(jié)果分析0預(yù)緊力工況下的結(jié)果在預(yù)緊力工況下，缸蓋螺栓總成軸向的應(yīng)變云圖如圖3所示，最大的變形發(fā)生在螺栓上，其軸向的最大位移為3.256mmo缸蓋、機(jī)體等被連接件壓縮，最大壓縮量為0.375mmo由于螺栓預(yù)緊力是基于ABAQUS中螺栓載荷定義加載的叫因此，螺栓的實(shí)際伸長量為螺栓最大位移減去被連接件壓縮量。

14、其中缸蓋螺栓軸向位移應(yīng)變云圖如圖4所示，單配螺栓與其中的-個(gè)原始螺栓僅差0.025mm。U,U3 乂.726。00 15564-00一+1.183e4-00T9.119e-01J*6/105«-013.692e-019.782502-1.735e-014449O0-7.162e-019876e01-1.2S9C4-001.530e*00U.U3 1.70M*00 1437t>001.168e*00e.990e013.607e-019.輯9«02-1.775t-01Y46701-T.lMe-Ol9.84"(H-1.254t*00-l.S23e*00(b)U.U

15、3l>455e*00l.lS3t*009.122e-016<09,(H3.697C-01943t-02-1.728«-01-7.153e-019.W6t01,.2$ee.001.52$t*00圖3缸蓋螺栓總成螺栓軸向應(yīng)變云圖圖4缸蓋螺栓軸向應(yīng)變云圖。(a)單配螺栓：(b)某個(gè)原始螺栓單配的缸蓋螺栓與原始螺栓的位移量、被連接件接觸處壓縮量如表3所示。單配螺栓與原始螺栓的伸長量基本一致，差異在0.5%以內(nèi)。與單獨(dú)螺栓模型計(jì)算的伸長量2.867mm相比，也僅差0.11%,步證實(shí)了單酒螺檢簡易計(jì)算的合理.性O(shè)表3缸蓋螺栓位移量、伸長量名稱螺栓位移量/mm被連接件壓縮量/mm螺栓伸

16、長量/mm伸長雖差異單配螺栓3.2290.3302.8990.00%原始螺栓13.2550.3502.905().21%原始螺栓23.2550.3462.9090.34%原始螺栓33.2380.0342.898().00%0預(yù)緊力+燃燒暴壓工況下的結(jié)果當(dāng)螺栓在受到預(yù)緊力和燃燒暴壓載荷的工況下，其螺栓會(huì)進(jìn)一步伸長，被連接件壓縮量會(huì)減小，但螺栓應(yīng)力會(huì)進(jìn)-步加大，如圖5所示。雖然單配螺栓與原始螺栓之間的剛度差異較小，但是在結(jié)構(gòu)上還有一定的不同。如果單配螺栓與原始螺栓在受到工作載荷后變化差異較大，使4個(gè)螺栓受力不均，個(gè)別受力較大，在交變載荷燃燒暴壓的長期作用下，最終可8弛成缸蓋螺栓的疲勞損壞。因此，研

17、究單配螺栓和原始螺栓在燃燒暴壓下的差異，也十分重要。S,Mi$e$(Avg:75%)+2.480e+03+2.273e+03+2.067M03+1.86Oe03+l.653e+03+1.447e+034-1.240e+03+l.033e+03+8.266e+02,圖5預(yù)緊力+燃燒工況卜總成應(yīng)力應(yīng)變云圖。(a)總成應(yīng)力云圖：(b)總成中螺栓軸向應(yīng)變云圖缸蓋螺栓在預(yù)緊力工況、預(yù)緊力+燃燒暴壓兩種工況下的伸長量增加值和應(yīng)力增加值，如表4所示。表4缸蓋螺栓在兩種工況下變化名稱伸長雖增加值/mm伸長量增加值差異應(yīng)力增加值/MPa應(yīng)力增加值差異單配螺栓0.0720.0%15.30.0%原始螺栓10.073

18、1.4%15.4().7%原始螺栓20.0742.8%15.4().7%原始螺栓30.0731.4%15.4().7%通過缸蓋螺栓在兩種工況下的伸長量和應(yīng)力變化可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，缸蓋螺栓受到燃燒暴壓作用，螺栓伸長量增加了0.073mm,應(yīng)力增加門5.4MPa。單配螺栓與原始螺栓伸長量增加值差異在0.3%以內(nèi)；應(yīng)力增加值差異更小，在0.1%以內(nèi)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)工作后單配螺栓與原始螺栓差異很小，滿足使用要求。燃燒暴壓20MPa對應(yīng)的集中力為1608kN,遠(yuǎn)大于單個(gè)螺栓的預(yù)緊力993kN,但是對螺栓伸長量和應(yīng)力的增加值影響較小。3測量與試驗(yàn)軟證由于船舶大功率發(fā)動(dòng)機(jī)零部件尺寸很大，單獨(dú)試驗(yàn)成本高

19、，也沒有必要。因此通過試驗(yàn)之前對缸蓋螺栓進(jìn)行安裝尺寸測量，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)完成后再進(jìn)行測量和觀察，以證明螺栓設(shè)計(jì)分析的正確性。在裝配缸蓋螺栓時(shí)，分別測量預(yù)緊力擰緊前、擰緊后螺栓在缸蓋上部的長度，以得到螺栓實(shí)際伸長量，如表5所示。表5缸蓋螺栓裝配過程測量名稱預(yù)緊前測量值/mm預(yù)緊后測量值/mm螺栓伸長量/mm伸長量差異單配螺栓117.02119.882.860.0%原始螺栓1116.81119.612.8()-2.1%原始螺栓2116.95119.902.953.1%原始螺栓3116.73119.632.901.4%通過螺栓裝配時(shí)的測量數(shù)據(jù)可以看出，螺栓伸長量與計(jì)算結(jié)果差異在0.4%以內(nèi)，單配螺栓與

20、原始螺栓伸長量差異在0.5%以內(nèi)。在發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)運(yùn)行10個(gè)小時(shí)后，將單配螺栓和其他3個(gè)原始螺栓重新松開后預(yù)緊，未發(fā)現(xiàn)任何螺栓松動(dòng)現(xiàn)象。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行20個(gè)小時(shí)后，再次松開預(yù)緊，未發(fā)現(xiàn)任何異常。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行60個(gè)小時(shí)后，再次松開預(yù)緊，也未發(fā)現(xiàn)任何異常。經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、耐久試驗(yàn)后，拆機(jī)檢查，同樣未發(fā)現(xiàn)該缸螺栓有任何異常。因此，在對缸蓋螺栓的測量與試驗(yàn)驗(yàn)證后，更加證實(shí)了該單配螺栓設(shè)計(jì)是合理的，完全滿足實(shí)際使用要求。4結(jié)論根據(jù)對大功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓設(shè)計(jì)仿真分析，并結(jié)合螺栓的測量與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，得到以下結(jié)論:(1)通過對單獨(dú)螺栓模型的對比計(jì)算來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)得到了與原始螺栓剛度一致的單配螺栓，完全滿足實(shí)際

21、使用要求；(2)單獨(dú)螺栓簡易模型的伸長量計(jì)算結(jié)果與螺栓總成計(jì)算的結(jié)果基本一致，說明裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)位置以及接觸等實(shí)際因素對螺栓伸長量影響較小；(3)通過缸蓋螺栓總成的仿真分析可以看出，工作載荷對螺栓產(chǎn)生的附加應(yīng)力值較小，遠(yuǎn)小于螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的應(yīng)力值：(4)僅對缸蓋一個(gè)螺栓進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì),匹配，同樣可以達(dá)到修配缸蓋所有螺栓的效果。這樣的設(shè)計(jì)匹配與計(jì)算方法值得推廣，不僅有效簡化了過程，還節(jié)約了成本。參考文獻(xiàn)：II楊春,鐘振前，司紅，等.汽車缸蓋摞栓斷裂原因分析J|.金屬熱處理,2016(11):175-178.(21酉淼龍.李強(qiáng).程峰.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺桂力學(xué)性能試驗(yàn)及計(jì)算分析皿熱加工工Z,2013(20

22、):78-81.13祖柄鐸，付光埼，徐玉梁,等.車用柴油機(jī)缸孔在的蓋螺栓預(yù)緊力下變形的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研%J|.內(nèi)燃機(jī)工程,201()(2):98-104.|4鄭紅梅，王成峰.劉素梅，等.烘烤工況下ITER中子屏裝螺栓預(yù)緊力研如J.低溫與超導(dǎo),2013(4):83-86.68.5蘇鐵熊，呂彩琴，米和等.接觸問題對遷桿有限元分析的影響J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào).2002.20(1):79-83.6石亦平.周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006.|7|SNYDERMD.TechniquesfbrevaluationofpreloadedboltedjointsinaPWRfor

23、fauhedevenisJ|.Transactions,2001,8:1-6.8REIDJD.HISERNR.DetailedmodelingofboltedjointedwithslippagcJ.FiniteElementinAnalysisandDesign.2005.17(9):547-562.(上接第42頁)參考文獻(xiàn)：(1楊文斌.產(chǎn)學(xué)深度融合新工科人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐J.高等工程教育研兄2020(2):54-60.|2祝成林，華玉珠.新工科建設(shè)背景下我國工程人才培養(yǎng)研究一基于文獻(xiàn)綜述視角|J|.閱江學(xué)刊,2019,11(5):94-100,123.13王晰操.韋雅楠.邢云年，等.社交網(wǎng)絡(luò)輿情知識(shí)圖港發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢研究J.情報(bào)學(xué)報(bào).2019.38(12):1329-1338.叫馮德連.“新經(jīng)管”視角的射經(jīng)類高校學(xué)科建設(shè)研究J