某型柴油機空冷器螺栓斷裂分析與解決措施

摘 要：某型柴油機在工廠試驗時出現(xiàn)柴油機空冷器螺栓斷裂事故，本文利用Pro-e對空冷器進(jìn)行實體建模，利用ANSYS對空冷器進(jìn)行有限元分析，計算出空冷器不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)在工作溫度、工作壓力、振動等作用下，空冷器螺栓的受力情況。從有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)原有的設(shè)計存在缺陷，導(dǎo)致空冷器連接螺栓工作應(yīng)力超過螺栓許用應(yīng)力，從而發(fā)生螺栓斷裂；通過對原有設(shè)計結(jié)構(gòu)的修改，降低空冷器螺栓工作應(yīng)力，保證了柴油機運行安全。

關(guān)鍵詞：空冷器；螺栓；有限元分析

引 言

某型柴油機在工廠試驗期間，發(fā)生空冷器漏氣現(xiàn)象，初步判斷認(rèn)為是柴油機氣缸蓋與空冷器之間的密封墊損壞導(dǎo)致空冷器漏氣，更換后未解決空冷器漏氣現(xiàn)象，通過進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)是由于空冷器螺栓的斷裂導(dǎo)致增壓空氣從斷裂的螺栓孔泄漏。隨后檢查了所有已完成試驗或已交付業(yè)主運行的柴油機均發(fā)現(xiàn)空冷器螺栓有斷裂的情況。

在空冷器螺栓發(fā)生斷裂后，首先對空冷器螺栓進(jìn)行理化性能分析，螺栓理化性能分析結(jié)果合格；其次對空冷器進(jìn)行有限元分析，驗證空冷器是否存在設(shè)計缺陷，導(dǎo)致在空冷器運行時，空冷器螺栓斷裂。

1 空冷器有限元分析

柴油機空冷器主要是由空冷器管板、側(cè)板、支撐板以及換熱管組成，此次主要研究空冷器側(cè)板和管板、支撐板之間的連接螺栓。

1.1 柴油機空冷器三維模型建立

利用Pro-e軟件建立空冷器三維模型，并利用ANSYS對空冷器模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，對空冷器網(wǎng)格進(jìn)行合理分布，對螺栓位置進(jìn)行細(xì)化，以提高計算精度，縮短計算時間。空冷器側(cè)板和支撐板之間采用M12-12.9級螺栓連接，空冷器管板和側(cè)板采用M12-12.9級螺栓連接。

1.2 計算邊界條件

空冷器安裝在柴油機支座上，空冷器上方安裝空冷器罩殼，為簡化計算，對于空冷器固定采用中央節(jié)點固定，不考慮罩殼等對其的加強。

1.3 空冷器載荷

空冷器在工作狀態(tài)主要承受來源于增壓空氣熱載荷和機械載荷。

1.3.1 溫度載荷

柴油機空冷器分為1級和2級兩個部分，其中1級空冷器為高溫部分，2級空冷器為低溫部分。

按照柴油機空冷器進(jìn)口空氣溫度230℃，空冷器出口溫度50℃考慮空冷器，同時考慮管板位置的水側(cè)對流情況。通過ANSYS對空冷器進(jìn)行模擬計算。

1.3.2 機械載荷

空冷器機械載荷是指空冷器承受的氣壓，水壓以及空冷器震動，在計算時考慮增壓空氣壓力為0.3MPa，冷卻水壓力為0.6MPa，震動加速度考慮5g，另外空冷器還承受M12螺栓的預(yù)緊力34.37kN。

1.4 材 料

柴油機空冷器側(cè)板、支撐板材料采用Q235A材料制造，換熱管材料采用CuNi10，管板材料采用HSn62-1，螺栓等級采用12.9級螺栓。各種20℃材料的主要特性見表1。

1.5 計算結(jié)果

利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，在計算過程中將空冷器所受的熱負(fù)載，機械負(fù)載進(jìn)行綜合考慮，空冷器的最大形變位置在空冷器前后管板位置，最大位移量為2.62mm；空冷器在工作狀態(tài)下螺栓最大應(yīng)力為1127MPa，最大應(yīng)力位置集中在空冷器接近空氣進(jìn)口的一排螺栓。

通過計算，在空冷器工作狀態(tài)下，螺栓最大應(yīng)力達(dá)到1127MPa，超過的螺栓的屈服極限1020MPa，在這種工作載荷下，螺栓會發(fā)生屈服變形，最終導(dǎo)致螺栓的斷裂，所以在該位置使用12.9級的螺栓不能滿足設(shè)計要求。

2 設(shè)計改進(jìn)

通過對空冷器的溫度分布進(jìn)行比較，空冷器進(jìn)氣口和出氣口的位置溫差較大導(dǎo)致空冷器支撐板溫度分布嚴(yán)重不均，如圖5所示，空冷器支撐板最大溫度達(dá)到230℃左右，最小溫度為50℃左右，導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力。鑒于這種狀態(tài)，我們考慮將空冷器進(jìn)氣口位置的支撐板進(jìn)行改進(jìn)，將支撐板切斷到與換熱管齊平，同時利用桿件將空冷器進(jìn)氣口側(cè)的兩排螺栓相連。

通過對改進(jìn)后的空冷器進(jìn)行有限元計算，螺栓最大應(yīng)力位置由原來的接近空冷器進(jìn)氣口位置，變?yōu)榭绽淦髦虚g部分螺栓。螺栓承受的最大應(yīng)力為814MPa，該值小于12.9級螺栓的屈服應(yīng)力1020MPa。

3 結(jié) 論

根據(jù)有限元分析結(jié)果，改進(jìn)空冷器支撐板設(shè)計。設(shè)計改進(jìn)后的空冷器在多臺柴油機進(jìn)行試驗的結(jié)果表明，空冷器螺栓斷裂問題得到徹底解決。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.