曲軸支撐剛度對(duì)主軸承螺栓載荷分布的影響

孫軍，胡玉平，倪培相（.天潤曲軸股份有限公司研究所，文登64400；.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南5006）

曲軸支撐剛度對(duì)主軸承螺栓載荷分布的影響

孫軍1，胡玉平2，倪培相1
（1.天潤曲軸股份有限公司研究所，文登264400；2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

某發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作過程中發(fā)生主軸承螺栓松動(dòng)及斷裂現(xiàn)象，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致曲軸斷裂。運(yùn)用GT-CRANK軟件分析主軸承壁剛度對(duì)主軸承負(fù)荷的影響，確定曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而確定螺栓斷裂原因。結(jié)果表明，各個(gè)主軸承壁剛度的差異影響各個(gè)主軸承負(fù)荷的大小及分配；當(dāng)主軸承螺栓擰緊力矩不足且一致性較差時(shí)，第2主軸承螺栓因承受的載荷最大而最容易出現(xiàn)松動(dòng)或斷裂。

曲軸 支承剛度 主軸承螺栓 負(fù)荷

1　引言

柴油機(jī)螺栓的失效分析以及相應(yīng)的質(zhì)量改進(jìn)和控制措施對(duì)保證柴油機(jī)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，提高柴油機(jī)的產(chǎn)量，確保柴油機(jī)的可靠型、安全性和經(jīng)濟(jì)性，都具有重要的意義［1，2］。

某發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作過程中發(fā)生主軸承螺栓松動(dòng)及斷裂現(xiàn)象，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致曲軸斷裂。本文利用GT-CRANK分析主軸承壁剛度對(duì)主軸承負(fù)荷的影響，并進(jìn)行機(jī)體組的約束模態(tài)分析，以評(píng)估機(jī)體振動(dòng)對(duì)主軸承壁的影響，最終確定了主軸承螺栓的斷裂原因。

2　模型建立和剛度計(jì)算

為了分析主軸承壁剛度對(duì)主軸承負(fù)荷的影響，建立了軸系三維梁彎曲準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算模型，如圖1所示。該模型中考慮了曲軸各個(gè)半拐、各個(gè)主軸承壁以及安裝支架的剛度。該型號(hào)柴油機(jī)的主要參數(shù)見表1。

軸系扭振動(dòng)力學(xué)計(jì)算需要軸系各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。軸系彎曲動(dòng)力學(xué)計(jì)算采用三維梁準(zhǔn)靜態(tài)方法，需要準(zhǔn)確確定三維梁的質(zhì)量及剛度。通過對(duì)曲軸半個(gè)曲拐進(jìn)行有限元計(jì)算，可準(zhǔn)確確定動(dòng)力學(xué)計(jì)算所需各種剛度的大小。在利用有限元確定曲軸半拐剛度時(shí)，確保約束、載荷、材料數(shù)據(jù)、提取剛度的方法正確之外，還要保證網(wǎng)格質(zhì)量及大小適當(dāng)［3］。

圖1　軸系動(dòng)力學(xué)模型

表1　柴油機(jī)軸系動(dòng)力學(xué)計(jì)算所需的主要參數(shù)

在機(jī)體上安裝支架聯(lián)接處以及飛輪殼聯(lián)接處施加固定約束，沿+X、-X及-Y方向在每個(gè)主軸承孔內(nèi)壁上分別單獨(dú)施加120°余弦分布的壓力，計(jì)算軸承孔的平均變形量，從而確定各個(gè)主軸承壁的剛度。

在安裝支架與底盤聯(lián)接處施加固定約束，在安裝支架與機(jī)體聯(lián)接處施加單位載荷，計(jì)算其平均位移，確定X、Y、Z三個(gè)方向的剛度。

在飛輪殼安裝支撐與底盤聯(lián)接處施加固定約束，在飛輪殼與機(jī)體聯(lián)接螺栓孔處施加單位載荷，計(jì)算其平均位移，確定X、Y、Z三個(gè)方向的剛度。

3　分析與討論

3.1主軸承壁剛度未降低的情況

在各主軸承壁剛度未發(fā)生變化的情況下，原機(jī)各主軸承負(fù)荷隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖2所示。由該圖可見，第2檔主軸承負(fù)荷的最大值明顯高于其他主軸承負(fù)荷的最大值，因此，第2檔主軸承蓋上的螺栓所承受的載荷最大，這主要是因?yàn)榈?檔主軸承壁的支撐剛度明顯低于其他主軸承壁的支撐剛度。

圖3為主軸承壁剛度未降低時(shí)原機(jī)的第2檔主軸承的軸承負(fù)荷圖，可見圖中的最大主軸承負(fù)荷為102.4 kN，作用在92.4°位置處。

圖2　原機(jī)主軸承負(fù)荷變化曲線

3.2單個(gè)主軸承壁剛度降低的情況

圖4～圖10分別為第1檔～第7檔主軸承壁剛度分別單獨(dú)減低25%時(shí)各主軸承負(fù)荷隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖可見，某主軸承壁剛度的減低將使本檔主軸承負(fù)荷減小，卻造成了相鄰主軸承負(fù)荷增大。若第1檔主軸承壁剛度減低，將進(jìn)一步增大第2檔主軸承的負(fù)荷，第2檔主軸承螺栓所承受的載荷也隨之增大。

圖11～圖15分別為第1、第2、第3、第4、第5檔主軸承剛度單獨(dú)降低25%、50%、75%時(shí)軸承負(fù)荷的變化。由圖可知，單個(gè)主軸承壁剛度降低50%時(shí)將造成軸承負(fù)荷最大增加10%～15%左右；單個(gè)主軸承壁剛度降低75%時(shí)將造成軸承負(fù)荷最大增加30%～35%左右。

圖3　原機(jī)第2檔主軸承的軸承負(fù)荷圖

圖4　第1檔主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

圖5　第2檔主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

圖6　第3檔主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

圖7　第4檔主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

圖8　第5檔主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

3.3兩個(gè)主軸承壁剛度同時(shí)降低的情況

圖9　第6檔主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

圖10　第7檔主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

圖11　第1檔主軸承剛度降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖16～圖19分別為第1與第2檔、第2與第3檔、第3與第4檔、第1與第3檔主軸承剛度同時(shí)降低25%、50%、75%時(shí)軸承負(fù)荷的變化。由圖可知，兩個(gè)主軸承壁剛度降低50%時(shí)將造成軸承負(fù)荷最大增加10%～20%左右；兩個(gè)主軸承壁剛度降低75%時(shí)將造成軸承負(fù)荷最大增加30%～40%左右；在第1檔與第3檔主軸承壁剛度降低時(shí)，第2主軸承負(fù)荷最大。

3.4所有主軸承壁剛度降低25%的情況

圖12　第2檔主軸承剛度降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖13　第3檔主軸承剛度降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖14　第4檔主軸承剛度降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖20為所有主軸承壁剛度均減低25%時(shí)，各主軸承負(fù)荷隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖可見，各主軸承壁剛度整體降低25%不會(huì)造成軸承負(fù)荷的分配發(fā)生明顯變化。在實(shí)際使用過程中，由于各主軸承所承受的載荷不完全相同，以及各主軸承螺栓擰緊情況存在差異，各主軸承壁剛度整體統(tǒng)一變化的可能性較小。

4　結(jié)論

（1）各主軸承壁剛度的差異性影響各個(gè)主軸承負(fù)荷的大小及分配。

（2）因第1檔主軸承壁沿氣缸軸線方向的支撐剛度明顯低于其他主軸承壁，第2檔主軸承螺栓承受的載荷最大。

圖15　第5檔主軸承剛度降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖16　第1檔、第2檔主軸承剛度同時(shí)降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖17　第2檔、第3檔主軸承剛度同時(shí)降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

（3）某個(gè)主軸承壁剛度的降低將會(huì)造成其相鄰主軸承負(fù)荷增大。

（4）當(dāng)主軸承螺栓擰緊力矩不足，且一致性較差時(shí)，第2檔主軸承螺栓因承受的載荷最大而最容易出現(xiàn)松動(dòng)或斷裂。

圖18　第3檔、第4檔主軸承剛度同時(shí)降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖19　第1檔、第3檔主軸承剛度同時(shí)降低時(shí)軸承負(fù)荷的變化

圖20　所有主軸承壁剛度降低25%時(shí)主軸承負(fù)荷變化曲線

［1］林湖，朱正德，陳強(qiáng)努等.螺栓裝配技術(shù)中扭矩法與轉(zhuǎn)角法比較研究［J］.汽車工藝與材料，2003 （9）：41-44.

［2］于洪.螺紋聯(lián)接預(yù)緊力控制及其工藝參數(shù)的確定［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2005（5）：29-34.

［3］熊云奇，張瓊敏，濮進(jìn)等.發(fā)動(dòng)機(jī)重要螺栓裝配工藝研究［J］.汽車科技，2003（5）：28-30.

The Impactof the CrankshaftSupportStiffness to theMain Bearing Bolt Load Distribution

Sun Jun1，Hu Yuping2，NiPeixiang1
（1.TianRun CrankshaftCo.，Ltd.，Wendeng264400，China；2.SchoolofEnergy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

A engine that during normaloperation，the occurrence ofmain bearing bolts loosening and breakage，and sometimeseven lead to the crankshaft fracture.Apply GT-CRANK software toanalyze impact of themain bearingwallstiffness to themain bearing load，determine the stress distribution of the crankshaft in the engine actual work process，and to determine the bolt fracture cause.The results show that the respective main bearing wall stiffness differences affect the size and distribution of the respective main bearing load.when themain bearing bolt tightening torque is insufficient and the consistency is poor，the secondmain bearingboltswithstand the largest loadmostprone to looseningor fracture.

crankshaft，bearing stiffness，main bearing bolts，load

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.009

來稿日期：2016-01-16

孫軍（1974-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)研發(fā)。