某型柴油機(jī)機(jī)身螺栓孔撕裂修復(fù)研究

0 引言

某型中速柴油機(jī)依靠安裝于柴油機(jī)側(cè)面相應(yīng)數(shù)量的機(jī)腳支架與船體的螺栓連接進(jìn)行固定，而機(jī)腳支架與柴油機(jī)是通過(guò)機(jī)腳螺栓進(jìn)行剛性固定的，所以機(jī)腳螺栓在柴油機(jī)的固定連接中起著非常重要的作用

。柴油機(jī)作為船用主動(dòng)力裝備，工作時(shí)會(huì)因各種周期作用力激發(fā)多種形態(tài)的振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)對(duì)柴油機(jī)連接件的可靠性和壽命造成極大影響，所以除了減輕柴油機(jī)振動(dòng)外，如何增強(qiáng)連接件的可靠性以及如何快速的對(duì)損壞的連接件經(jīng)行修復(fù)也是生產(chǎn)過(guò)程中亟待解決的問題。

1 技術(shù)問題

某型中速柴油機(jī)船返廠進(jìn)行W6級(jí)維修時(shí)，發(fā)現(xiàn)右巡航柴油機(jī)(M562010002)B1缸下一顆機(jī)腳螺栓出現(xiàn)斷裂，且螺栓成一定角度斷裂在機(jī)身內(nèi)。經(jīng)售后人員反饋，故障發(fā)生前柴油機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)異常振動(dòng)或參數(shù)報(bào)警，柴油機(jī)累計(jì)運(yùn)行11817小時(shí)。斷裂螺栓為GB/T5782-2013-M16X60-10.9級(jí)。

螺栓取出后，發(fā)現(xiàn)孔位存在二次加工的痕跡，原螺栓孔無(wú)法完全觀測(cè)到鉆孔底部，遮擋物疑似后期焊補(bǔ)，且螺栓歪斜后的底部痕跡較光滑(見圖2)。若螺栓受異常外力斷裂在機(jī)身內(nèi)形成傷痕，原螺栓孔應(yīng)完全可見。

2 修復(fù)方案

2.1 斷裂情況分析

1)螺栓斷裂原因分析

斷裂螺栓的有效旋入深度l=60mm，機(jī)腳支架厚度為35mm，實(shí)際螺栓旋入機(jī)身長(zhǎng)度為25mm，螺栓斷裂位置即螺栓與機(jī)身截面相交的位置。機(jī)腳螺栓一是起到連接機(jī)身與機(jī)腳的作用，二是起到承擔(dān)機(jī)身總重的作用。因此該位置螺栓受到拉應(yīng)力和彎曲力的交互作用，斷裂位置也是應(yīng)力最集中的位置，是整段螺栓的薄弱環(huán)節(jié)

。對(duì)斷裂機(jī)腳螺栓的材質(zhì)化學(xué)成分、硬度、金相組織、斷口理化特性進(jìn)行分析。斷裂螺栓的化學(xué)成分滿足10.9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。硬度要求：32HRC-39HRC，實(shí)測(cè)： 36HRC，符合10.9級(jí)螺栓標(biāo)準(zhǔn)。組織實(shí)測(cè)為回火索氏體，無(wú)脫碳、折疊等缺陷，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。斷口分析顯示宏觀無(wú)明顯塑性變形，斷裂起裂于一側(cè)螺紋根部，斷口平齊，瞬斷區(qū)較小，為單向彎曲疲勞斷裂。

2)機(jī)身受傷螺孔分析

輸出端扭振振幅許用值 0.45°

2.2 修復(fù)方案

2.2.1 螺栓孔修復(fù)方案

綜合上述分析，排除常規(guī)的襄套修復(fù)方法，采用補(bǔ)充打孔加修復(fù)機(jī)身缺損的方案：

綜觀已有文獻(xiàn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)側(cè)重于從微觀層面，而對(duì)宏觀層面的探討的相關(guān)研究則較少。同時(shí)也較少結(jié)合地方實(shí)際及具體行業(yè)開展實(shí)證分析，從而導(dǎo)致其對(duì)策性研究缺少針對(duì)性與靈活性。這是該領(lǐng)域值得進(jìn)一步展開研究與探索的研究重點(diǎn)。

從圖中可以看到，體系溫度的波動(dòng)范圍一般，在后期波動(dòng)的幅度沒有前期大，說(shuō)明體系在隨著分子動(dòng)力學(xué)模擬的過(guò)程中，系統(tǒng)的溫度波動(dòng)逐漸變小，體系的不穩(wěn)定性減弱。

方案一：補(bǔ)充加工新孔，采用GB/T5782-2013-M16X60-10.9螺栓(原螺栓)

方案二：補(bǔ)充加工新孔，采用GB/T70.1-2008-M16X60-10.9內(nèi)六角螺栓(螺栓由外六角變?yōu)閮?nèi)六角)

由于受左側(cè)機(jī)身橫向螺栓孔及右側(cè)柴油機(jī)防爆閥的限制，綜合考慮壁厚等因素，方案一與方案二機(jī)身與機(jī)腳均選取同一位置進(jìn)行補(bǔ)充打孔(如圖1)。

1)在機(jī)身表面補(bǔ)充加工M16機(jī)腳螺栓孔，原機(jī)身螺栓孔用鑄造填補(bǔ)膠填補(bǔ)。

“啊！”胖子忽然跳起來(lái)，一驚一乍又嚇了我們一跳?！拔叶耍　彼桓滨囗?shù)谋砬榇舐曅?，“不就是女生尿尿的姿?shì)嗎？切，直說(shuō)不就得了！”

許用彈性振動(dòng)扭矩 17.4 kNm

2)圖紙要求該螺栓孔鉆深41mm，攻深27mm(螺紋長(zhǎng)度)。由于機(jī)身背部為原螺栓孔預(yù)留的筋體寬度有限，調(diào)整螺栓孔后為了盡量避免打穿機(jī)身，將鉆深調(diào)整為32mm，攻深為27mm，鉆孔角度與原螺栓孔一致。

課程檢查評(píng)價(jià)方式應(yīng)既能準(zhǔn)確、真實(shí)地反映學(xué)生掌握知識(shí)和能力的程度，又能體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的態(tài)度，因而針對(duì)職業(yè)崗位典型工作任務(wù)難易度的不同，設(shè)置任務(wù)權(quán)重作為檢查評(píng)價(jià)的比重。檢查評(píng)價(jià)方式應(yīng)盡可能多樣化、趣味性，調(diào)動(dòng)學(xué)生完成工作任務(wù)時(shí)的興趣。

4)按照新孔位補(bǔ)充打孔后，方案一與方案二的干涉情況如下：

方案一：

外六角螺栓安裝后不會(huì)與機(jī)腳定位銷孔干涉。螺栓頭外圍半徑為13.5mm，銷孔毛坯與螺栓墊片外圍最短距離為1.5mm。

螺栓頭及墊片與原螺栓搭口干涉，新裝配的螺栓頭及墊片向下侵入搭口處的最大距離約為5.2mm。

方案二：

內(nèi)六角螺栓及墊片不會(huì)與機(jī)腳定位銷孔干涉(如圖2)。銷孔毛坯與螺栓墊片外圍最短距離為3mm。

改進(jìn)后的彈力繃帶小手套和普通彈力繃帶小手套應(yīng)用方式基本相同,除了不同類型的繃帶小手套有不同的拆除和固定方式外,改進(jìn)后的彈力繃帶小手套最大的特點(diǎn)是能夠?qū)⒅c(diǎn)固定在患兒的大拇指部位,這樣即使是患兒移動(dòng)腕關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié),也不會(huì)輕易出現(xiàn)留置針移動(dòng)、脫落、卷邊等現(xiàn)象。此外,護(hù)理人員也加強(qiáng)了對(duì)患兒的巡視和檢查,并觀察患兒固定位置皮膚是否出現(xiàn)了異樣情況。

螺栓頭及墊片與原螺栓搭口干涉(如圖3)，新裝配的螺栓頭及墊片向下侵入搭口處的最大距離約為4mm。

綜合上述分析，由于裝配機(jī)腳螺栓時(shí)力矩較大必須安裝力矩套筒，方案一裝配時(shí)需要給螺栓套筒預(yù)留更多空間，即需要打磨掉更多的機(jī)腳銷孔壁厚。方案二由于采用內(nèi)六角螺栓則對(duì)機(jī)腳銷孔毛坯及原螺栓搭扣的影響更小。為保證機(jī)腳銷孔壁厚，采用方案二對(duì)機(jī)身、機(jī)腳、墊片進(jìn)行補(bǔ)充加工。

3 方案可形性分析

②水權(quán)關(guān)系不清，水權(quán)管理機(jī)制缺位，造成水資源濫用。上游用水大量擠占下游用水，源流用水大量擠占干流用水，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水大量擠占自然生態(tài)用水，無(wú)節(jié)制的水土資源開發(fā)利用難以得到有效的制止。

某型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)型式為20缸V型，并且曲軸兩側(cè)分別掛載減振器及曲軸齒輪等。機(jī)腳螺栓斷裂位置恰在B1缸，即輸出端第一缸，受重力影響曲軸兩端呈現(xiàn)下墜趨勢(shì)，因此該擋機(jī)腳是整機(jī)單側(cè)3組機(jī)腳中受力最大的一組。同時(shí)，輸出端也是整機(jī)扭振振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)慣量最為集中復(fù)雜的地方

。因此補(bǔ)充打孔后的仿真計(jì)算難點(diǎn)在于邊界條件中振動(dòng)加速度和扭振慣量的選取，若振動(dòng)加速度和扭振慣量取值錯(cuò)誤，很可能造成后續(xù)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)腳螺栓產(chǎn)生瞬斷，形成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

仿真分析采用對(duì)比的方式進(jìn)行，對(duì)原機(jī)身、機(jī)腳孔位與改造后的機(jī)身、機(jī)腳孔位進(jìn)行應(yīng)力分析對(duì)比。建模計(jì)算的主要邊界條件和設(shè)計(jì)變量如下：

1)重力

節(jié)點(diǎn)功能主要是進(jìn)行CO2及溫度的采集,節(jié)點(diǎn)是由微控制器模塊MCU(Microcontroller Unit)、電源(source)、無(wú)線通信模塊RF(Radio Freqency)和傳感器模塊(sensor)組成,其中MCU采用極低功耗的stm8系列單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集器處理單元的核心,并根據(jù)需求構(gòu)建了外圍電路;通信模塊采用基于WIA-PA技術(shù)的無(wú)線模塊,此模塊由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

B1檔機(jī)腳所承擔(dān)的機(jī)身重量約為1.3t，考慮到輸出端實(shí)船連接軸系，取2.0t(20000N)進(jìn)行計(jì)算。

3)原機(jī)腳螺栓的螺帽搭口由加工墊片代替，墊片外徑與螺栓頭最大外徑一致(24mm)。機(jī)腳板安裝墊片位置處銑平，墊片焊接在機(jī)腳板上，保證安裝后墊片厚度加機(jī)腳板厚為35mm。原機(jī)腳螺栓孔將螺帽搭口銑平后進(jìn)行悶堵(悶塞過(guò)盈配合進(jìn)行悶堵)。

由于此項(xiàng)數(shù)據(jù)較為重要，在另一臺(tái)完全相同的機(jī)型上與斷裂螺栓同位置布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，將機(jī)器加載至超負(fù)荷(110%工況)，實(shí)測(cè)得出該點(diǎn)的X、Y、Z方向振動(dòng)加速度

。取最大值224.63m/s2進(jìn)行計(jì)算。

取相應(yīng)原材料及其對(duì)應(yīng)的泊松比、密度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。機(jī)身(QT500)、機(jī)腳(QT400)、螺栓(合金鋼，GB/T70.1-2008-M16X60-10.9)。

3)振動(dòng)加速度

全域旅游時(shí)代背景下，“+旅游”模式能夠充分發(fā)揮旅游產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)能力，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供發(fā)展更好的平臺(tái)，形成經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新局面。修水縣應(yīng)圍繞打造“國(guó)家全域旅游示范區(qū)”的總體目標(biāo)，大力推動(dòng)“+旅游”發(fā)展戰(zhàn)略方向，依據(jù)其優(yōu)越的自然環(huán)境和社會(huì)歷史人文背景，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，探尋鄉(xiāng)村旅居、水域風(fēng)光、休閑度假、宗教傳承、文化影響等多元化的旅游發(fā)展方向，創(chuàng)建“+旅游”模式，形成全域旅游新局。

UG軟件創(chuàng)建有限元分析主要步驟為創(chuàng)建有限元模型、創(chuàng)建仿真模型、后處理三個(gè)步驟。本次分析的使用UG高級(jí)仿真模塊中的3D網(wǎng)格建模分析，主要難度在于創(chuàng)建仿真模型中的設(shè)置邊界約束條件和定義設(shè)計(jì)變量。

2)材質(zhì)及規(guī)格

4)扭振慣量

經(jīng)過(guò)對(duì)該點(diǎn)的實(shí)際分析，取以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

曲軸扭振許用應(yīng)力 41.3 MPa

原螺栓成一定角度斷裂在機(jī)身螺栓孔內(nèi)，斷裂后已侵入橫向螺栓的螺帽孔內(nèi)，在機(jī)身內(nèi)部造成較大區(qū)域的損傷。若采用常規(guī)的螺孔襄套的修復(fù)方法

，襄套外圓過(guò)大，約1/4的螺套外表面將侵入橫向螺栓的螺帽孔內(nèi)，不僅無(wú)法有效緊固，還會(huì)導(dǎo)致橫向螺栓裝配受阻。

主動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1.64 kgm

從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 16.7 kgm

扭轉(zhuǎn)剛度 1.8 MN·m/rad

馬云：我做教育的一方面原因，是在師范大學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)，從事過(guò)教師職業(yè)，一直熱愛這個(gè)職業(yè)，另一方面的原因，是我見過(guò)世界上的各種人，有很壞的人、很好的人，也有很了不起的人，看到了許多挫折，明白了許多道理。這讓我知道教育的作用有多大，讓我知道，教育最終是要讓自己做最好的自己。

小組合作學(xué)習(xí)是小學(xué)語(yǔ)文課堂教學(xué)中的重要教學(xué)模式之一，在將學(xué)生合理分組后，由教師分配學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生以小組為單位，對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行交流、討論，探尋問題的解決方式，最后將學(xué)習(xí)成果進(jìn)行展示，教師和學(xué)生共同進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。在小學(xué)語(yǔ)文課堂教學(xué)中，小組合作學(xué)習(xí)的開展，有助于強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知，鍛煉學(xué)生的主動(dòng)探究能力，對(duì)于學(xué)生全面發(fā)展具有重要意義。

許用阻尼振動(dòng)扭矩 1.78 kNm/bar

無(wú)論是哪種情況的運(yùn)維項(xiàng)目，在正式檢修前的現(xiàn)場(chǎng)勘察都是做好現(xiàn)場(chǎng)安全管理的前提。根據(jù)具體的運(yùn)維內(nèi)容要求，來(lái)進(jìn)行相關(guān)專業(yè)工作人員的工作組織，到運(yùn)維單位去了解相關(guān)情況，例如設(shè)備、技術(shù)、生產(chǎn)和安全等方面的相關(guān)事宜，對(duì)設(shè)備性能、運(yùn)行、故障以及安全等方面的明細(xì)要詳細(xì)的列出，在勘察現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的邊界區(qū)域、聯(lián)絡(luò)人員、聯(lián)絡(luò)信息等進(jìn)行充分的明確。

阻尼系數(shù) 1800 Nms/rad

5)螺栓緊固力矩

10.9級(jí)螺栓因從內(nèi)六角改為外六角，螺栓頭與機(jī)腳的接觸面積減小約11%，因此，螺栓擰緊力矩由原200N/m提高至250N/m。

建模分析第一步首先進(jìn)行有限元模型的創(chuàng)建，即網(wǎng)格劃分。在UG高級(jí)仿真分析模塊中包括零維網(wǎng)格、一維網(wǎng)格、二維網(wǎng)格、三維網(wǎng)格和連接網(wǎng)格5種類型，每種類型都適用于一定的對(duì)象，本次分析采用三維網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完畢后對(duì)有限元模型進(jìn)行檢查，確保沒有出現(xiàn)劃分失敗的網(wǎng)格。

建模分析第二步創(chuàng)建仿真模型。首先確定零部件的約束類型，約束主要是指分析部件受到其他部件的外部作用。根據(jù)機(jī)腳與機(jī)體的實(shí)際裝配關(guān)系選取正確的約束類型。載荷與材料的設(shè)定按上文描述設(shè)定。建模分析第三步分析求解與后處理。完成前兩個(gè)步驟后，即可對(duì)零部件進(jìn)行有限元分析求解和后處理。UG高級(jí)仿真模塊提供了強(qiáng)大的后處理功能，能對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示和動(dòng)畫模擬，提供輸出等值線圖、云圖、動(dòng)態(tài)模擬仿真和數(shù)據(jù)輸出等功能。

“師者，所以傳道授業(yè)解惑也”，這句話是對(duì)教師職業(yè)的恰當(dāng)表述。作為教師，我們有自己的工作范圍，不能代替學(xué)生學(xué)習(xí)成長(zhǎng)，不能代替學(xué)生克服困難承受壓力。我們能做的只是很好的引導(dǎo)，充滿智慧的引領(lǐng)。通過(guò)對(duì)日常教育教學(xué)的反思，讓我對(duì)引導(dǎo)教學(xué)有了一些認(rèn)識(shí)。

@夜來(lái)香：1000萬(wàn)的房子你要收30萬(wàn)？這30萬(wàn)的價(jià)值體現(xiàn)在哪里？他們做的事情值5000嗎？他們店面和員工西裝電瓶車都要買房人買單嗎？這種就是三年不開張，開張吃三年。

根據(jù)上述主要邊界條件對(duì)螺孔應(yīng)力進(jìn)行分析對(duì)比，按照實(shí)物建模后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化，并錄入上述邊界條件開始計(jì)算應(yīng)力，由于上述邊界條件基本按柴油機(jī)運(yùn)行最嚴(yán)苛的狀態(tài)選取，故計(jì)算結(jié)果可與材料本身的機(jī)械性能進(jìn)行對(duì)比，來(lái)判斷方案整體的安全裕度。

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算可知：

圖4、圖5分別對(duì)原螺栓孔狀態(tài)下的機(jī)身螺栓孔及機(jī)腳螺栓孔進(jìn)行了仿真受力分析，可以看出原狀態(tài)下機(jī)腳螺栓孔最大受力265MPa、平均為21.7 MPa；機(jī)身螺栓孔最大受力140MPa、平均20.6MPa。

圖6、圖7分別對(duì)補(bǔ)充加工螺栓孔狀態(tài)下的新機(jī)身螺栓孔及新機(jī)腳螺栓孔進(jìn)行了仿真受力分析，可以看出新狀態(tài)下機(jī)腳螺栓孔最大受力270MPa、平均為24.7 MPa；機(jī)身螺栓孔最大受力101MPa、平均21.8MPa。

綜上，新加工孔后機(jī)身螺栓孔及機(jī)腳螺栓孔所受應(yīng)力略大于原狀態(tài)孔位，機(jī)腳螺栓孔平均應(yīng)力比原狀態(tài)大3MPa，機(jī)身螺栓孔平均應(yīng)力比原狀態(tài)大1.2MPa。機(jī)身材料QT500的抗拉強(qiáng)度為500MPa、機(jī)腳材料QT400抗拉強(qiáng)度為400MPa。即便取瞬時(shí)最大應(yīng)力，機(jī)腳螺栓孔仍有32.5%的安全裕度，原狀態(tài)為33.75%安全裕度。機(jī)身螺栓孔仍有79.8%的安全裕度，原狀態(tài)為72%安全裕度。新加工后的機(jī)身螺栓孔及機(jī)腳螺栓孔超負(fù)荷情況下所受盈利的安全裕度均高于原設(shè)計(jì)要求的≥25%安全裕度。因此，按照方案二新加工孔位后，應(yīng)力安全裕度較大，可以保證柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性。

4 驗(yàn)證結(jié)論

按方案二對(duì)機(jī)身及機(jī)腳板進(jìn)行返修后，復(fù)裝柴油機(jī)并在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行500小時(shí)耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)每8小時(shí)循環(huán)一次，其中100%工況每循環(huán)運(yùn)行6小時(shí)、110%超負(fù)荷工況每循環(huán)運(yùn)行1小時(shí)。試驗(yàn)前在機(jī)身各檔機(jī)腳螺栓孔周圍布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

驗(yàn)證試驗(yàn)期間柴油機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常、振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常(新打孔處最大振動(dòng)加速度為236.32 m/s

)。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)新打孔處的螺栓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)螺栓無(wú)松動(dòng)且拆卸正常。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，返修方案合理可行。

[1]高霄漢，汪玉，杜志鵬 一種柴油機(jī)機(jī)腳螺栓連接結(jié)構(gòu)沖擊極限載荷快速計(jì)算方法[J].振動(dòng)與沖擊, 2015, 34(18): 200-204.

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