發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度液力螺栓設(shè)計(jì)制造裝配問題分析

梅加化，何 平，黃祿豐，王 輝

（1.中船動(dòng)力研究院有限公司研究開發(fā)部，上海200120；2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽合肥230601；3.安慶中船柴油機(jī)有限公司技術(shù)中心，安徽安慶246003）

在日益嚴(yán)格的節(jié)能要求和排放政策的雙重壓力下，發(fā)展高效率、低排放的氣體和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成為船舶發(fā)動(dòng)機(jī)制造商提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和搶占市場(chǎng)份額的重要措施。安慶中船柴油機(jī)有限公司聯(lián)合國內(nèi)高校和研究院、AVL公司設(shè)計(jì)研發(fā)了一款具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ACD320系列船用發(fā)動(dòng)機(jī)。該系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用高度“通用化”“高強(qiáng)化”和“高清潔”的設(shè)計(jì)理念，能夠滿足中國船舶市場(chǎng)需求，而且還能達(dá)到更為嚴(yán)苛的IMO Tier III排放要求[1]。為滿足上述強(qiáng)化指標(biāo)要求，該發(fā)動(dòng)機(jī)的重要螺栓全部采用高強(qiáng)度液力螺栓，安裝預(yù)緊力控制在材料屈服強(qiáng)度的85%。目前國內(nèi)外少有對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造裝配問題的研究，國內(nèi)傳統(tǒng)螺栓的設(shè)計(jì)，預(yù)緊力均低于材料屈服強(qiáng)度的80%，一般控制在60%左右[2-3]。本文所研究的高強(qiáng)度螺栓，材料利用率較高，在設(shè)計(jì)分析過程中，需要嚴(yán)格控制好螺栓實(shí)際預(yù)緊力，結(jié)構(gòu)特征必須要考慮實(shí)際的生產(chǎn)制造、裝配誤差等因素，并結(jié)合試驗(yàn)、測(cè)量結(jié)果，最終完成高強(qiáng)度液力螺栓的設(shè)計(jì)、優(yōu)化定型。

1 高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

1.1 高強(qiáng)度螺栓的定型設(shè)計(jì)

一般的扭矩控制預(yù)緊力的螺栓，其預(yù)緊力誤差較大，相對(duì)于目標(biāo)值，其可能在0.85和1.3之間波動(dòng)[4]。角度控制擰緊是一種間接的長(zhǎng)度測(cè)量方法，受到螺距制造誤差、夾緊件變形誤差等影響。這種通過扭轉(zhuǎn)預(yù)緊的螺栓，產(chǎn)生預(yù)緊力的同時(shí)，也會(huì)使螺栓受到一定的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，而扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)于螺栓的正常工作無任何作用，反而降低了螺栓材料的利用率。ACD320系列發(fā)動(dòng)機(jī)的重要螺栓均采用10.9級(jí)高強(qiáng)度液力螺栓，材料屈服強(qiáng)度大于等于940MPa，通過液壓缸裝配來精確控制螺栓預(yù)緊力，其大小為材料屈服強(qiáng)度的85%。雙頭螺栓采用細(xì)頸結(jié)構(gòu)，中部直徑小于螺紋應(yīng)力截面直徑[4]，一端螺紋尾部帶凹槽結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 螺栓模型

1.2 螺紋尾部凹槽結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

根據(jù)VDI2230標(biāo)準(zhǔn)，螺栓的總作用力公式[5]如下所示：

其中，F(xiàn)total表示螺栓總拉力，F(xiàn)preload表示螺栓的預(yù)緊力，F(xiàn)SA表示螺栓附加載荷，單位均為N。

本文選取ACD320連桿大端螺栓，對(duì)比計(jì)算凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)螺栓應(yīng)力的影響。預(yù)緊力為0.85*屈服強(qiáng)度，附加載荷假設(shè)為0.05*屈服強(qiáng)度。螺紋連接部位采用簡(jiǎn)化模型，兩種結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算邊界條件、單元、網(wǎng)格密度等完全一致。螺紋尾部帶凹槽結(jié)構(gòu)與沒有凹槽結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如圖2和3所示，其中第一個(gè)應(yīng)力值是螺栓在總拉力下的應(yīng)力，第二個(gè)應(yīng)力是僅在預(yù)緊力作用下的應(yīng)力值，最后一個(gè)應(yīng)力幅值為前面兩個(gè)應(yīng)力之差。從應(yīng)力云圖可以看出，帶凹槽結(jié)構(gòu)螺栓在螺紋尾部的最大應(yīng)力比不帶凹槽結(jié)構(gòu)小67 MPa，應(yīng)力幅值小8MPa；在螺栓的螺紋前部，帶凹槽結(jié)構(gòu)與不帶凹槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本一致；對(duì)于被連接件的應(yīng)力，帶凹槽螺栓使得其最大應(yīng)力增加19MPa。螺栓尾部的凹槽結(jié)構(gòu)減小螺栓該處的剛度，這使得應(yīng)力更多地傳遞給被連接件。

圖2 凹槽的螺栓模型

圖3 帶凹槽的螺栓模型

1.3 螺栓螺紋的變形分析

對(duì)于大預(yù)緊力的液力螺栓，安裝方式是通過液壓缸與螺栓頭部螺紋連接，直接將螺栓拉伸至預(yù)緊力要求值，再逐步擰緊螺母。在這過程中，螺紋變形量較大，螺距被直接拉長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮螺栓與螺母之間具有足夠的間隙，選擇合適的螺紋公差，避免螺栓的螺紋拉長(zhǎng)后螺母卡死，不能擰動(dòng)。本文仍選取ACD320連桿大端螺栓M 45×3.0，螺紋部分采用軸對(duì)稱模型和三維螺旋模型[6-8]分別進(jìn)行計(jì)算分析，如圖4和圖5所示。

圖4 軸對(duì)稱模型應(yīng)變?cè)茍D

圖5 三維螺旋模型應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)圖4計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用軸對(duì)稱模型時(shí)，螺距最大的伸長(zhǎng)量為0.02 mm，整個(gè)螺栓只有軸向拉伸，沒有徑向變形量，云圖顏色梯度沿水平方向逐漸加深，這是因?yàn)檩S對(duì)稱模型的螺紋是逐段且不連續(xù)的，前端通過螺紋加載時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生任何的徑向力。而圖5中，采用三維螺旋模型時(shí)，螺紋與真實(shí)情況一致，是螺旋上升且連續(xù)的，整個(gè)螺紋變形量云圖顏色梯度方向傾斜向下，產(chǎn)生了一定的徑向變形量，螺紋在一周內(nèi)的變形量存在差異，最大的螺距伸長(zhǎng)量為0.04mm。

因此，可以看出，對(duì)于計(jì)算螺紋的變形量時(shí)，采用三維螺旋模型更為準(zhǔn)確，螺距的伸長(zhǎng)量較小。在螺紋的國家標(biāo)準(zhǔn)[8]中，僅對(duì)螺紋直徑有公差規(guī)定，而對(duì)于螺距沒有特別要求，這也與螺距變形量小相關(guān)。

2 試驗(yàn)分析

2.1 安裝預(yù)緊力誤差試驗(yàn)

對(duì)于高預(yù)緊力的螺栓，靜載時(shí)螺栓的伸長(zhǎng)量很大，具有很好的防松效果[5]。但是預(yù)緊力的安裝誤差直接會(huì)影響到實(shí)際的工作過程，設(shè)計(jì)時(shí)如不加以考慮，可能會(huì)導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力不足而松動(dòng)直至損壞[10]。連桿大端設(shè)計(jì)時(shí)，采用通孔結(jié)構(gòu)以便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量，通過有限元計(jì)算得出在85%屈服強(qiáng)度的預(yù)緊力下，螺栓伸長(zhǎng)量為0.96mm，表2為4根連桿大端螺栓重復(fù)2次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出實(shí)際加載預(yù)緊力比理論預(yù)緊力約小4.44%。這是因?yàn)楸贿B接件在受壓過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的塌陷，從而導(dǎo)致預(yù)緊力的降低。在設(shè)計(jì)液力螺栓時(shí)，特別需要考慮預(yù)緊力在實(shí)際安裝過程中會(huì)降低。

2.2 螺紋的螺距和公差對(duì)安裝的影響

采用高預(yù)緊力的高強(qiáng)度液力螺栓，螺栓伸長(zhǎng)量較大，同時(shí)螺紋有一定的變形量且不均勻，安裝時(shí)很容易出現(xiàn)螺母卡死、擰不動(dòng)的現(xiàn)象。因此，需要針對(duì)螺距和螺紋直徑公差對(duì)安裝的影響進(jìn)行測(cè)量分析，如表3所示。

選用三組螺栓進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)：第一組螺栓編號(hào)為1、2和3，螺紋直徑公差為6H/6e，螺距公差在0到0.1mm之間；第二組螺栓編號(hào)為4、5和6，螺紋直徑公差為6H/6e，螺距公差在-0.1到0之間；第三組螺栓編號(hào)為7、8和9，螺紋直徑公差為6G/6e，螺距公差在-0.05到0.05mm之間。第一組螺栓在安裝過程中，在液壓油缸還沒達(dá)到預(yù)定的壓力時(shí)，螺母已經(jīng)卡死無法繼續(xù)擰動(dòng)；第二、三組螺栓均能正常安裝。

表2 連桿大端螺栓伸長(zhǎng)量實(shí)驗(yàn)

表3 M 45×3.0螺紋直徑公差和螺距的安裝測(cè)量試驗(yàn)

通過與螺栓制造公司的溝通，發(fā)現(xiàn)螺栓制造加工的機(jī)床和刀具都已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，而螺距的公差在螺栓的國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有要求。制造廠一般是按照±0.1mm公差加工，最大可將其控制在±0.05mm，不能將螺距公差控制在-0.1/0mm范圍內(nèi)。如果選用6 d或者更小的螺紋公差，需要專門定制刀具，不適合于小批量生產(chǎn)。因此，選用第三組實(shí)驗(yàn)螺栓，螺紋直徑公差為6G/6e，通過將螺母的螺紋直徑基本偏差變?yōu)镚，是非常合適的方案。

2.3 螺栓的裝機(jī)試驗(yàn)情況

ACD320系列發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度液力螺栓有3大類型M 33×2.0、M 45×3.0和M 52×3.0，包括缸頭螺栓、連桿螺栓、連桿大端螺栓、飛輪螺栓、平衡塊螺栓等，采用類似的預(yù)緊力大小和安裝方式。通過在ACD320G/DF發(fā)動(dòng)機(jī)上500 h的性能耐久試驗(yàn)，大約1.0×107次循環(huán)試驗(yàn)，拆機(jī)對(duì)各個(gè)主要運(yùn)動(dòng)件的液力螺栓進(jìn)行檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何液力螺栓出現(xiàn)松動(dòng)情況，并且螺栓表面質(zhì)量完好如初，沒有任何損壞。這說明ACD320高強(qiáng)度液力螺栓滿足設(shè)計(jì)要求，大預(yù)緊力有很好的防松效果，同時(shí)具有較高的可靠性。

3 結(jié)論

根據(jù)前述對(duì)高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，并結(jié)合螺栓的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于高強(qiáng)度螺栓，在螺紋尾部采用凹槽結(jié)構(gòu)，可以降低該處的最大應(yīng)力，也減小了螺紋尾部的應(yīng)力幅值。與此同時(shí)，由于凹槽結(jié)構(gòu)減小了螺紋尾部的剛度，將更多的應(yīng)力傳遞給被連接件，使得被連接件的最大應(yīng)力稍有增加。

（2）采用液壓缸預(yù)緊安裝的高強(qiáng)度液力螺栓，當(dāng)預(yù)緊力較大時(shí)，螺母會(huì)對(duì)被連接件產(chǎn)生一定的壓塌，導(dǎo)致預(yù)緊力有所降低，大約降低了4.44%。因此，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)緊力為85%的材料屈服強(qiáng)度，實(shí)際上預(yù)緊力約為80%的材料屈服強(qiáng)度。

（3）高強(qiáng)度液力螺栓采用較大的預(yù)緊力時(shí)，螺紋變形量較大，裝配時(shí)容易出現(xiàn)螺母卡滯現(xiàn)象，通過采用螺栓螺距負(fù)公差設(shè)計(jì)、螺栓直徑基本偏差為d或者更小以及采用6G/6e的螺紋配合公差設(shè)計(jì)均能滿足要求；其中以6G/6e螺紋配合公差的設(shè)計(jì)方案最為合適。

（4）采用較大預(yù)緊力的高強(qiáng)度螺栓，有很好的防松效果，也具有較高的可靠性。

（5）本文研究的高強(qiáng)度液力螺栓，預(yù)緊力為0.85*材料屈服強(qiáng)度，再加上實(shí)際工作過程中的附加應(yīng)力，也沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。因此，今后有待于繼續(xù)提高預(yù)緊力，甚至超過屈服階段，進(jìn)一步研究螺栓材料在塑性階段的設(shè)計(jì)，最大限度地提高材料利用率。