1、2021年II月第27卷第4期安慶師范大學學報(自然科學版)JournalofAnqingNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Nov.2021Vol.27No.4大功率發動機缸蓋螺栓設計匹配技術研究梅加化巳黃祿豐”，王輝2,胡安成2（1.中船動力研究院有限公司研究開發部，上海200120：2.安慶中船柴油機有限公司技術中心，安做安慶246003）摘要：針對大功率發動機某個缸蓋螺栓需要單獨設計匹配問題，采用單獨的螺栓仿真模型對比計算來優化結構，得到剛度致的單配螺栓，將其裝配到缸.蓋螺栓總成中并進行計算分析.雖終進行了螺栓伸長房的測墾與試驗驗證。結果表明，

2、通過單獨螺栓模型的對比優化計算以得到剛度一的單配螺栓：螺栓總成分析中單配螺栓的伸長量與單觸栓模型分析結果相差1.1%，單配螺栓與原始螺栓伸長量差異在0.5%以內：在預緊力和燃燒暴壓工作下，單配螺栓與原始螺栓伸長量增加值差異在3.0%以內，應力增加值差異更小，在1.0%以內。該研充可以為單配螺栓的設計提供參考。關鍵詞：設計匹配:單配螺栓：計算分析;螺栓伸長量DOI：10.13757/34-1328/n.2021.04.010中圖分類號:TK432文獻標志碼:A文章編號:1()07-4260(2021)(M-0054-05ResearchonCylinderHeadBoltDesignandMat

3、chingTechnologyofHigh-powerEngineMEIJiahua'土HUANGLufeng'2.WANGHui)HUAncheng'(1.DepartmentofResearch&Development.ChinaShipbuildingPowerEngineeringInstituteCo.Ltd.,Shanghai2(X)12().China;2.DepartmentofTechnology,AnqingChinaStateShipbuildingCorporationDieselEngineIndustryCo.Ltd.,Anqing2

4、46003,China)Abstract:Inviewoftheproblemthatacylinderheadboltneedstobedesignedandmatchedseparatelyinahigh-powerengine,asingleboltsimulationmodelisadoptedtooptimizethestructure,andaindividualmatchingboltwiththesamestiffnesscomparedwithotherboltsisobtained,whichisassemblediniolhecylinderheadboltassembl

5、yforcalculationandanalysis.Finally,theboltelongationismeasuredandverifiedbytest.Theresultsshowthattheindividualmatchingboltwiththesamestiffnesscanbeobtainedbythecomparisonandoptimalcalculationofthesingleboltmodel.Inboltassemblyanalysis,theelongationofindividualmatchingboltdiffers1.1%fromthecalculati

6、onofsingleboltmodel,andthedifferencebetweenindividualmatchingboltandoriginalboltsiswithin0.5%.Inthecaseofpre-tighteningforceandcombustionburstpressure,lhevalueaddeddifferenceofboltelongationbetweenindividualmatchingbohandoriginalbohisle)is(han3%,and(hevalueaddeddifferenceofstressislessthiw1%.Theresu

7、ltsprovidereferenceforthedesignandcomputingmethodofindividualmatchingboltinthefuture.Keywords:designedandmatched:individualmatchingbolt;calculationandanalysis:theboltelongation大功率船舶中速發動機可靠性高、壽命長，生產批量小，重要零部件價格都很高。對于生產過程中偶爾出現的一些質量問題，或者發動機服務期內的修理，往往通過對零部件進行作隊匹配以解決問題。當發動機機體上一個缸蓋螺栓的螺紋孔牙處出現缺陷、損壞等問題，一般都是對所

8、有缸蓋螺栓進行擴孔、加大螺紋，并單配缸蓋螺栓。這樣能保證所有螺檢的受力情況完全一致，不會對使用有任何影響，但收稿日期：2020-10-30基金項目：工信部高技術船的科研計劃資助項目（工信部聯裝（2012）533號2013）412號）通信作者：梅加化（I987T,9J.安徽安慶人碩士，排勵力研究院有限公司研究開發i瞬級£程師，研究方向為發動機結枸設計與計算分析。E-mail：mjhl9872006是增加了返工成本“缸蓋螺栓的螺紋孔牙問題往往需要通過對螺紋孔進一步擴孔并加深處理來解決，但是返工it程十分復雜，單配的螺栓成本又較高。因此，嘗試采用僅返工有問題的瞰孔，重新設個單配螺栓的方式具

9、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的優化計算，設計剛度完全一致的缸蓋螺栓，并通過螺栓總成分析和現場測量試驗，證明其滿足設計指標，達到實際工作要求。1缸蓋螺栓的匹配設計船舶大功率發動機為每缸一個缸蓋結構，采用4個相同的液壓螺栓預緊，均勻分布在缸蓋四角上，使各個螺栓的受力-致。根據試驗樣機機體螺栓返工后情況，將缸蓋螺栓總長加大35mm,螺紋由原來的M45X3變為M48X3,并對其進行設計優化，以保證與原螺栓剛度一致。為了節約計算時間，提高工作效率，對單配螺栓結構進行優化計算時，采用單配螺栓模型與原螺栓模型分別進行計算對比，找出最優結構。由丁

10、單配螺栓更長，只能通過增加局部螺栓半徑、長度，并減小細頸部位長度的方式來達到與原螺栓相同的剛度值，如圖1所示。-長度改變區域圖1單配螺栓模型應用ABAQUS軟件對原螺栓與單配螺栓進行有限元分析，預緊力均為993kN,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。表1螺栓長度與剛度計算值規格長度改變值/mm螺栓伸長量/mm剛度/(N-inm-')與原螺栓差異原始螺栓802.8673.4636x00.00%803.0503.2557x|O56.00%1302.8873.4396x|0?0.69%單配螺栓1402.8823.4455x10，().52%1502.8773.451

11、5xlO50.35%1602.8673.4636x00.00%通過單獨螺栓模型的仿真汁算，可以看出，采用最后一組結構，將尾部直徑D48mm段的尺寸加長至160mm,與原始螺栓剛度剛好-致。因此，采用該結構螺栓作為最終單配設計的螺栓，滿足設計需求，效果物。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模型的對比計算，使得設計的單配螺栓與原始螺栓剛度致，但是螺栓的實際受力過程較為復雜，因此，需要通過缸蓋螺栓總成結構的仿真分析來確定裝配關系、結構位置、工作載荷等的影響。將前面己確定最終結構的單配螺栓曜裝配在缶1蓋總成匕進行佃蓋螺栓總成分析，其中缶T蓋、機體、缸.套等采用簡易模型，但缸

12、蓋螺檢的安裝R寸、位置保持與實際完全致如圖2所示。缸蓋螺栓總成仿真模型的材料參數如表2所示，缸蓋為QT450,機體為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名稱材料彈性模型/(Nmm-2)泊松比強度/MPa缸蓋QT4501700000.28抗拉強度450機體QT40017()()0()0.2X抗拉強度400缸套特殊鑄鐵17()()0()0.28抗拉強度280原始螺栓30CrMoV92100000.30單配螺栓30CrMoV921()()0()0.30爪源咫倪2940螺母42CrMoAH21()()0()().30考慮到總成結構較為復雜，接觸較多，故采用四

13、面體單元，其中螺檢采用C3D10M二階單元，其余零件采用C3D4一階單元。單元總數131139,載荷包括：螺栓預緊力993kN、發動機暴壓20MPa。所有螺紋配合處采用綁定約束，接觸面摩擦系數為0.15,采用小滑移接觸對。計算工況分為預緊力工況、預緊力+20MPa燃燒暴壓工況邱。2.2有限元仿真結果分析0預緊力工況下的結果在預緊力工況下，缸蓋螺栓總成軸向的應變云圖如圖3所示，最大的變形發生在螺栓上，其軸向的最大位移為3.256mmo缸蓋、機體等被連接件壓縮，最大壓縮量為0.375mmo由于螺栓預緊力是基于ABAQUS中螺栓載荷定義加載的叫因此，螺栓的實際伸長量為螺栓最大位移減去被連接件壓縮量。

14、其中缸蓋螺栓軸向位移應變云圖如圖4所示，單配螺栓與其中的-個原始螺栓僅差0.025mm。U,U3 乂.726。00 15564-00一+1.183e4-00T9.119e-01J*6/105«-013.692e-019.782502-1.735e-014449O0-7.162e-019876e01-1.2S9C4-001.530e*00U.U3 1.70M*00 1437t>001.168e*00e.990e013.607e-019.輯9«02-1.775t-01Y46701-T.lMe-Ol9.84"(H-1.254t*00-l.S23e*00(b)U.U

15、3l>455e*00l.lS3t*009.122e-016<09,(H3.697C-01943t-02-1.728«-01-7.153e-019.W6t01,.2$ee.001.52$t*00圖3缸蓋螺栓總成螺栓軸向應變云圖圖4缸蓋螺栓軸向應變云圖。(a)單配螺栓：(b)某個原始螺栓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。與單獨螺栓模型計算的伸長量2.867mm相比，也僅差0.11%,步證實了單酒螺檢簡易計算的合理.性O表3缸蓋螺栓位移量、伸長量名稱螺栓位移量/mm被連接件壓縮量/mm螺栓伸

16、長量/mm伸長雖差異單配螺栓3.2290.3302.8990.00%原始螺栓13.2550.3502.905().21%原始螺栓23.2550.3462.9090.34%原始螺栓33.2380.0342.898().00%0預緊力+燃燒暴壓工況下的結果當螺栓在受到預緊力和燃燒暴壓載荷的工況下，其螺栓會進一步伸長，被連接件壓縮量會減小，但螺栓應力會進-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，但是在結構上還有一定的不同。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個螺栓受力不均，個別受力較大，在交變載荷燃燒暴壓的長期作用下，最終可8弛成缸蓋螺栓的疲勞損壞。因此，研

17、究單配螺栓和原始螺栓在燃燒暴壓下的差異，也十分重要。S,Mi$e$(Avg:75%)+2.480e+03+2.273e+03+2.067M03+1.86Oe03+l.653e+03+1.447e+034-1.240e+03+l.033e+03+8.266e+02,圖5預緊力+燃燒工況卜總成應力應變云圖。(a)總成應力云圖：(b)總成中螺栓軸向應變云圖缸蓋螺栓在預緊力工況、預緊力+燃燒暴壓兩種工況下的伸長量增加值和應力增加值，如表4所示。表4缸蓋螺栓在兩種工況下變化名稱伸長雖增加值/mm伸長量增加值差異應力增加值/MPa應力增加值差異單配螺栓0.0720.0%15.30.0%原始螺栓10.073

18、1.4%15.4().7%原始螺栓20.0742.8%15.4().7%原始螺栓30.0731.4%15.4().7%通過缸蓋螺栓在兩種工況下的伸長量和應力變化可以看出，當發動機工作后，缸蓋螺栓受到燃燒暴壓作用，螺栓伸長量增加了0.073mm,應力增加門5.4MPa。單配螺栓與原始螺栓伸長量增加值差異在0.3%以內；應力增加值差異更小，在0.1%以內。因此，發動機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20MPa對應的集中力為1608kN,遠大于單個螺栓的預緊力993kN,但是對螺栓伸長量和應力的增加值影響較小。3測量與試驗軟證由于船舶大功率發動機零部件尺寸很大，單獨試驗成本高

19、，也沒有必要。因此通過試驗之前對缸蓋螺栓進行安裝尺寸測量，在發動機試驗完成后再進行測量和觀察，以證明螺栓設計分析的正確性。在裝配缸蓋螺栓時，分別測量預緊力擰緊前、擰緊后螺栓在缸蓋上部的長度，以得到螺栓實際伸長量，如表5所示。表5缸蓋螺栓裝配過程測量名稱預緊前測量值/mm預緊后測量值/mm螺栓伸長量/mm伸長量差異單配螺栓117.02119.882.860.0%原始螺栓1116.81119.612.8()-2.1%原始螺栓2116.95119.902.953.1%原始螺栓3116.73119.632.901.4%通過螺栓裝配時的測量數據可以看出，螺栓伸長量與計算結果差異在0.4%以內，單配螺栓與

20、原始螺栓伸長量差異在0.5%以內。在發動機樣機運行10個小時后，將單配螺栓和其他3個原始螺栓重新松開后預緊，未發現任何螺栓松動現象。在發動機運行20個小時后，再次松開預緊，未發現任何異常。在發動機運行60個小時后，再次松開預緊，也未發現任何異常。經過發動機的性能、耐久試驗后，拆機檢查，同樣未發現該缸螺栓有任何異常。因此，在對缸蓋螺栓的測量與試驗驗證后，更加證實了該單配螺栓設計是合理的，完全滿足實際使用要求。4結論根據對大功率發動機缸蓋螺栓設計仿真分析，并結合螺栓的測量與試驗結果驗證，得到以下結論:(1)通過對單獨螺栓模型的對比計算來優化結構，設計得到了與原始螺栓剛度一致的單配螺栓，完全滿足實際

21、使用要求；(2)單獨螺栓簡易模型的伸長量計算結果與螺栓總成計算的結果基本一致，說明裝配關系、結構位置以及接觸等實際因素對螺栓伸長量影響較小；(3)通過缸蓋螺栓總成的仿真分析可以看出，工作載荷對螺栓產生的附加應力值較小，遠小于螺栓預緊力產生的應力值：(4)僅對缸蓋一個螺栓進行單獨的設計,匹配，同樣可以達到修配缸蓋所有螺栓的效果。這樣的設計匹配與計算方法值得推廣，不僅有效簡化了過程，還節約了成本。參考文獻：II楊春,鐘振前，司紅，等.汽車缸蓋摞栓斷裂原因分析J|.金屬熱處理,2016(11):175-178.(21酉淼龍.李強.程峰.發動機缸蓋螺桂力學性能試驗及計算分析皿熱加工工Z,2013(20

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