柴油機(jī)飛輪連接螺栓校核計(jì)算分析

朱樹林， 張萍， 方明， 汪萌生

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430000；2.湖州科尼物流設(shè)備有限公司，浙江湖州 313000；3.湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江湖州 313000)

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柴油機(jī)飛輪連接螺栓校核計(jì)算分析

朱樹林1， 張萍1， 方明2， 汪萌生3

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430000；2.湖州科尼物流設(shè)備有限公司，浙江湖州 313000；3.湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江湖州 313000)

飛輪和曲軸采用飛輪連接螺栓進(jìn)行聯(lián)接。由于飛輪連接螺栓是聯(lián)接飛輪和曲軸的重要部件，在柴油機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，必須避免因設(shè)計(jì)缺陷引起的事故。為了確保螺栓聯(lián)接的可靠性，采用接觸分析法對(duì)螺栓進(jìn)行了應(yīng)力校核。分析計(jì)算結(jié)果可知：螺栓的應(yīng)力最大值均位于螺母與螺桿倒圓處，飛輪轉(zhuǎn)速的變化影響著飛輪連接螺栓所受的應(yīng)力值。

飛輪連接螺栓；應(yīng)力分析；校核

0　引言

飛輪連接螺栓是聯(lián)接柴油機(jī)飛輪和曲軸的重要零件，其發(fā)揮的主要作用是通過螺栓預(yù)緊力來提供飛輪與曲軸之間的摩擦力，用以保證兩者之間沒有相對(duì)滑動(dòng)。因?yàn)樵诓裼蜋C(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，飛輪連接螺栓受力情況比較復(fù)雜，同時(shí)承受飛輪輸出扭矩和飛輪自身的重力，因此需要對(duì)飛輪連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核[1-2]。為了確保螺栓連接的可靠性,文中采用MCS.Marc軟件對(duì)螺栓在預(yù)緊力作用下，進(jìn)行螺栓的預(yù)緊力和螺栓本身強(qiáng)度的校核計(jì)算分析。

1　計(jì)算主要參數(shù)

飛輪連接螺栓校核計(jì)算的基本輸入?yún)?shù)見表1,對(duì)比參數(shù)見表2。

表1　飛輪連接螺栓基本輸入?yún)?shù)

表2　飛輪連接螺栓輸入的對(duì)比參數(shù)

2　有限元模型的建立

三維實(shí)體模型由飛輪、兩聯(lián)接軸以及兩側(cè)各12根螺栓組成，省略部分對(duì)計(jì)算結(jié)果無影響的幾何特征,如飛輪邊緣的倒角、飛輪中間去重孔倒角等，對(duì)兩段軸也進(jìn)行了一定的簡化[3]。螺紋受力狀態(tài)復(fù)雜，文中只考慮光桿螺栓,建立的幾何模型見圖1。

模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。其中飛輪外部結(jié)構(gòu)部分不是分析重點(diǎn)，因此網(wǎng)格劃分較稀疏；對(duì)于較為關(guān)心的螺栓接觸部分，網(wǎng)格劃分較密。全模型共劃分單元約95 000個(gè)，結(jié)點(diǎn)約50 000個(gè)。飛輪、曲軸、平衡塊采用一階四面體單元，螺栓采用一階六面體單元。在螺栓計(jì)算時(shí)采用的接觸分析中，飛輪與軸系法蘭、飛輪與螺栓、螺栓與軸系法蘭在工作中是相互接觸關(guān)系，其中螺栓桿的下端部分與飛輪接觸,螺栓桿的上部與軸接觸,螺栓帽與軸接觸,法蘭與飛輪接觸，各個(gè)部件接觸面劃分的網(wǎng)格之間為小滑移[4]。

3　邊界條件

模型的邊界約束情況見圖3，約束主軸頸3個(gè)方向上的位移。整個(gè)模型在運(yùn)行過程中有旋轉(zhuǎn)角速度和輸出扭矩兩個(gè)載荷，見圖4。

圖3模型的邊界約束情況圖4模型的受力情況圖

4　分析工況

由于螺栓的工作情況較為復(fù)雜,在分析過程中選取了多個(gè)典型工況對(duì)螺栓受力進(jìn)行模擬。工況情況說明見表3。

表3　工況說明

5　計(jì)算結(jié)果及結(jié)果分析

5.1飛輪連接螺栓預(yù)緊力校核結(jié)果及分析

螺栓預(yù)緊力的計(jì)算與預(yù)緊轉(zhuǎn)矩、螺紋結(jié)構(gòu)和摩擦因數(shù)等有關(guān)。螺栓預(yù)緊力矩T與螺紋的阻力矩T1和螺帽的阻力矩T2平衡。由此可得螺栓預(yù)緊力Q的計(jì)算[5]：

(1)

(2)

(3)

式中：D為螺母支承面的外徑；d0為螺栓孔直徑；μ為動(dòng)摩擦因數(shù)；ρ為動(dòng)摩擦角；λ為螺旋升角。

通過以上公式(1)—(3)計(jì)算得到不同工況下所需的飛輪連接螺栓預(yù)緊力，見表4。

表4　所需的飛輪連接螺栓預(yù)緊力

隨著額定轉(zhuǎn)速的增加(從900增加到1 000r/min)，柴油機(jī)輸出功率減小，飛輪傳遞的扭矩減小，需要的飛輪連接螺栓預(yù)緊力也減小。

5.2輪連接螺栓應(yīng)力結(jié)果

(1)額定轉(zhuǎn)速工況

900r/min時(shí)飛輪連接螺栓的應(yīng)力情況見圖5，飛輪連接螺栓最大應(yīng)力為785.2MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

同樣的方法計(jì)算出1 000r/min時(shí)飛輪連接螺栓最大應(yīng)力為

786.3MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

(2)最高轉(zhuǎn)速工況

990r/min時(shí)飛輪連接螺栓的應(yīng)力情況見圖6，飛輪連接螺栓最大應(yīng)力為786.2MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

同樣的方法計(jì)算出1 100r/min時(shí)飛輪連接螺栓最大應(yīng)力為787.5MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

由以上計(jì)算可以得出飛輪連接螺栓的應(yīng)力最大值均位于螺母與螺桿倒圓處，得到飛輪連接螺栓的最大應(yīng)力情況見表5。

表5　飛輪連接螺栓最大應(yīng)力值

6　結(jié)論

通過對(duì)比所有螺栓VonMises的應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力較大的區(qū)域都是在螺栓的同一個(gè)位置，即近螺栓帽的螺栓桿處。根據(jù)以上的結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

(1)隨著額定轉(zhuǎn)速的增加，柴油機(jī)輸出功率減小，飛輪傳遞的扭矩減小，需要的飛輪連接螺栓預(yù)緊力也減小。

(2)在額定轉(zhuǎn)速工況下，隨著額定轉(zhuǎn)速的增加(從900增加到1 000r/min)，飛輪連接螺栓最大應(yīng)力值增加，增加比率約為0.13%。

(3)在最高轉(zhuǎn)速工況下，隨著最高轉(zhuǎn)速的增加(從990增加到1 100r/min)，飛輪連接螺栓最大應(yīng)力值也增加，增加比率約為0.15%。

飛輪螺栓材料的屈服極限為835MPa,從以上校核計(jì)算分析可以得出飛輪螺栓的強(qiáng)度能夠滿足柴油機(jī)運(yùn)行的要求。

【1】張洪兵,杜建紅.有限元模型中螺栓載荷施加方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,1999(6):32-33.

【2】石秀勇,李國祥，胡玉平.發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪螺栓的三維有限元計(jì)算分析[J].中國機(jī)械工程,17(8):845-848.

【3】陳紅火.Marc有限元實(shí)例分析教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

【4】LehnhoffetalTF.MemberStiffnessandContactPressureDistributionofBoltedJoint[J].ASMEJournalofMechanicalDesign,1998,120(1):191-195.

【5】ZouWensheng,ZuoZhengxing,FengHuihua,etal.ApplicationoftheSub-modelMethodintheEngineStrengthAnalysis[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology,2001,10(3):32-36.

【6】楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1981.

CheckandAnalysisforDieselEngineFlywheelBolts

ZHUShulin1,ZHANGPing1,FANGMing2,WANGMengsheng3

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NavalUniversityofEngineering,WuhanHubei430000,China;2.HuzhouKeniLogisticsEquipmentCo.,Ltd.,HuzhouZhejiang313000,China;3.EngineeringInstitute,HuzhouUniversity,HuzhouZhejiang313000,China)

Flywheelconnectingboltsareusedtoconnectflywheelandcrankshaft.Forflywheelconnectingboltsareimportantsect1s,whenadieselengineisservedinworkingcondition,itisimportanttoavoidaccidentcausedbydesignflaws.Toensurethereliabilityofboltconnection,contactanalysismethodwasusedtocalculatethestressofbolt.Withananalysistoboltpretighteningforcecheckingresults，boltstressmaximaarelocatedontheroundingbetweennutsandbolts;thechangesofflywheelspeedaffectstheflywheelconnectingboltstressvalue.

Flywheelconnectingbolts;Stressanalysis;Inspection

2015-03-15

朱樹林(1982—)，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail：zsl@acd.cssc.net.cn。