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，黃祿豐，王 輝，胡安成

（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，安徽 安慶 246003）

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)行修理、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。這樣能保證所有螺栓的受力情況完全一致，不會對使用有任何影響，但是增加了返工成本[1-4]。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，但是返工過程十分復(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螺紋孔，重新設(shè)計(jì)一個(gè)單配螺栓的方式具有可行性。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)螺栓的受力一致。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35 mm，螺紋由原來的M45×3變?yōu)镸48×3，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)。

由于單配螺栓更長，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。

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993 kN，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。

通過單獨(dú)螺栓模型的仿真計(jì)算，可以看出，采用最后一組結(jié)構(gòu)，將尾部直徑Φ48 mm段的尺寸加長至160 mm，與原始螺栓剛度剛好一致。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，效果較好。

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一致，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。將前面已確定最終結(jié)構(gòu)的單配螺栓模型裝配在缸蓋總成上，進(jìn)行缸蓋螺栓總成分析，其中缸蓋、機(jī)體、缸套等采用簡易模型，但缸蓋螺栓的安裝尺寸、位置保持與實(shí)際完全一致，如圖2所示。

圖2 缸蓋螺栓總成模型

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)

考慮到總成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，接觸較多，故采用四面體單元，其中螺栓采用C3D10M二階單元，其余零件采用C3D4一階單元。單元總數(shù)131 139，載荷包括：螺栓預(yù)緊力993 kN、發(fā)動(dòng)機(jī)暴壓20 MPa。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+20 MPa燃燒暴壓工況[5-8]。

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

（1）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3.256 mm。缸蓋、機(jī)體等被連接件壓縮，最大壓縮量為0.375 mm。

圖3 缸蓋螺栓總成螺栓軸向應(yīng)變云圖

由于螺栓預(yù)緊力是基于ABAQUS中螺栓載荷定義加載的[6]，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。其中缸蓋螺栓軸向位移應(yīng)變云圖如圖4所示，單配螺栓與其中的一個(gè)原始螺栓僅差0.025 mm。

圖4 缸蓋螺栓軸向應(yīng)變云圖。

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2.867 mm相比，也僅差0.11%，進(jìn)一步證實(shí)了單獨(dú)螺栓簡易模型計(jì)算的合理性。

表3 缸蓋螺栓位移量、伸長量

（2）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，其螺栓會進(jìn)一步伸長，被連接件壓縮量會減小，但螺栓應(yīng)力會進(jìn)一步加大，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，最終可能造成缸蓋螺栓的疲勞損壞。因此，研究單配螺栓和原始螺栓在燃燒暴壓下的差異，也十分重要。

圖5 預(yù)緊力+燃燒工況下總成應(yīng)力應(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

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0.073 mm，應(yīng)力增加了15.4 MPa。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20 MPa對應(yīng)的集中力為1 608 kN，遠(yuǎn)大于單個(gè)螺栓的預(yù)緊力993 kN，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)驗(yàn)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，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

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?。唬?）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。