超高壓液壓工具在大缸徑發動機裝配中的應用

李勛，張志偉，李江南

超高壓液壓工具在大缸徑發動機裝配中的應用

李勛1,2，張志偉1,2，李江南1,2

（1.內燃機可靠性國家重點試驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

在大缸徑發動機結構中，由于高爆壓、高升功率的發動機的開發越來越多，發動機各部件連接所需的摩擦力越來越大，相應的所需螺栓連接的軸力也越來越大，普通螺栓由于消耗在螺紋、支撐面、法蘭等的能量較大，實際得到的軸力也較小。液壓拉伸結構螺栓能夠起到較大的連接軸力的需求，在大缸徑發動機的主軸承螺栓、主軸承側拉螺栓及缸蓋螺栓中應用越來越廣泛，甚至在連桿螺栓中也開始出現應用，安裝這種螺栓也需要專用的液壓工具。在曲軸和飛輪的連接中，由于需要更大的傳遞扭矩，過盈配合結構的輪轂和曲軸應用在大缸徑發動機中，而安裝這種過盈結構，也需要液壓工具。文章從發動機實例介紹說明這兩種超高壓液壓工具在大缸徑發動機裝配中的應用。

發動機；裝配；液壓工具；螺栓；輪轂；液壓拉伸器

引言

大缸徑四沖程發動機高爆壓、高升功率的發動機的開發越來越多，發動機各部件連接螺栓緊固軸力越來越大，普通螺栓由于消耗在螺紋、支撐面、法蘭等的能量較大，實際得到的軸力也較小。液壓拉伸結構螺栓由于直接被拉伸、直接作用于螺栓的軸力而沒有過多損失，對支撐面破壞小、對螺紋破壞小，可以通過液壓拉伸器直接獲得較大的軸力，在大缸徑發動機上的應用越來越廣泛。液壓拉伸工具是專用于某一結構的液壓螺母設計，通過超高壓液壓電動泵的驅動，實現液壓油打入拉伸器，拉伸螺母，實現螺母的拉伸到位。

在曲軸和輪轂的連接中，通過過盈配合可以傳遞更大的扭矩，而通過設計合理的配合間隙、傾斜角度及摩擦副油道，使用專用的液壓工具可以方便進行安裝和拆卸，液壓工具安裝時需要通過軸向液壓推進器的推進和徑向打入液壓油建立的徑向壓力，通過兩個液壓泵建立的壓力的相互配合，實現輪轂向曲軸的安裝。

超高壓液壓工具主要廠家有德國SCHAAF公司，德國ITH公司等，主要產品在高端工具，國內有常州愛普等，產品主要分布在中低端工具，液壓泵壓力主要有700bar、1600 bar、2500bar、3000bar和4000bar等級別。

1 液壓拉伸器原理簡介

超高壓液壓系統拉伸螺栓，拉伸螺母通過油缸連接螺柱，直接對螺栓施加外力，使被施加外力的螺栓在彈性變形區內被拉長，從而使螺母以零扭矩緊固，液壓拉伸器通過液壓系統提供高壓動力源。

液壓拉伸器結構見圖1所示，當液壓泵將液壓油泵入拉伸器油缸中時，活塞和油缸之間將迫使有相對運動，此時支撐環主要是支撐住拉伸器整體，而拉伸頭則將螺母拉伸至指定位置，從而實現拉伸器的拉伸，通過控制液壓油的壓力，則可以精確控制螺母的軸力[1]。

圖1 液壓拉伸器結構

以下公式中，螺栓拉伸軸力F等于液壓油壓力p和活塞油缸截面積的乘積。

式中：

：螺栓拉伸軸力（N）

：液壓油壓力（Pa）

：液壓拉伸器活塞油缸截面積（mm2）

液壓拉伸器工作過程如下：

初始位置：將液壓螺栓拉伸器旋入螺栓，當開始增大液壓壓力后，油缸里的活塞開始上升，推動拉頭向上移動，開始拉伸螺栓。

伸長和壓縮：當液壓壓力增加時，軸向拉伸力將拉長螺栓，這時螺母因螺栓的伸長而上升，與法蘭接觸面脫離開來，根據彈性變形的原理，同樣大小的反向預緊力將會壓縮法蘭，當達到要求的預緊力時，停止加壓。

擰緊螺母：當達到要求的預緊力后，可用撥棍擰緊螺母，此時，軸向預緊力被保留在螺栓里，泄壓后可取下液壓螺栓拉伸器。

圖2 液壓拉伸器結構

螺栓拉伸器的優點總結如下：

（1）可消除扭轉載荷的產生，節省日后維護成本，創造經濟效益。螺栓的用途是將兩個原件緊密地連接在一起，螺栓軸向預緊力是唯一起作用的力，其他任何形式的應力都會對該用途起破壞作用。例如使用力矩扳手時（液壓、電動、氣動、力矩倍增器），由于螺母與螺紋、螺母與支撐表面之間會產生摩擦，從而伴隨產生扭轉載荷，這將削弱螺栓緊固的效果和部件的耐用性，因為扭矩載荷是螺栓產生材料疲勞及日后發生自燃松動的主要原因。當使用拉伸器來產生軸向預緊力時，可消除扭轉載荷的產生，從而節省日后維護成本。

（2）最大程度的精確性。使用液壓拉伸器精度較高，因為它能產生純粹的軸向預緊力，與理論值相比，軸向預緊力不超過4%的誤差。由于不受螺紋潤滑效果和摩擦大小的影響，使用軸向拉伸技術能確保軸向預緊力無限接近但不會超過螺栓的屈服極限，從而保證了緊固的質量。同時可以在拉伸過程中，同時測量螺栓的伸長量，達到精確的控制。

（3）大大增加螺栓連接的質量和安全性。純粹的軸向預緊力可被準確計算和控制，而該軸向預緊力比力矩扳手產生的合成力（即軸向載荷與扭轉載荷的合成）更強大，更能緊密及安全地鎖緊相關元件。

（4）不需要再考慮摩擦系數的影響。使用力矩扳手（液壓、電動、氣動、力矩倍增器）擰緊螺栓時，需要將扳手、螺母、螺紋、工件表面之間的摩擦系數考慮在內，以便計算出所需軸向預緊力并據此確定扭矩的大小。根據不同的材料和表面光潔度，該摩擦系數的差異很大，通常會在=0.08到0.35之間[2]，而且該摩擦系數在很多場合下是難以確定的，這會導致計算結果有很大偏差。比如，選擇=0.08與選擇=0.35相比較，其最終計算得出的兩個所需軸向預緊力會有400%的差別。與之相比，使用液壓螺栓拉伸器，不需要再考慮摩擦系數的影響，因為它的工作過程沒有摩擦，只有軸向拉伸，因而最終得到的預緊力精度是很高的。

（5）使真正的同步拉伸得以實現。由于液壓螺栓拉伸器軸向拉伸的特點，使真正的同步拉伸得以實現，同步拉伸有以下明顯的優點，每個螺栓受力均勻，預緊效果完全一致，消除零件的不同間隙，加強緊固程度和法蘭的密封性能。

（6）不會損壞法蘭等原件。力矩扳手（液壓、電動、氣動、力矩倍增器）工作時，會在工件表面轉動以擰緊或擰松螺栓，這時會摩擦工件表面而令工件磨損。力矩扳手的反力支撐臂對工件造成損傷會更大。例如液壓扳手，其支撐臂可對工件施加最大達數十噸的力，對工件破壞力較大。

（7）容易拆卸。即使螺栓使用時間較長，也能很容易地進行拆卸及重復使用，便于設備日后的檢修與維護。

2 輪轂安裝液壓推進器簡介

在發動機曲軸和輪轂結構中，曲軸頭部安裝輪轂位置一般設計為有一定楔形角度的結構，同時在相配合的輪轂上設計對應角度的楔形結構，并在輪轂上設計螺旋油道，以在安裝時起到徑向油壓的均勻、快速、充分的建立，而安裝輪轂至曲軸的過程即是通過輪轂徑向和軸向的相互配合的作用力，將輪轂安裝到位，總體自動安裝系統見圖3所示，其主要工作過程是：

圖3 液壓拉伸器結構

曲軸（或者輪轂）徑向油道連接超高壓油泵，高壓油泵將液壓油打入油道，通過高壓液壓油的壓力將輪轂和曲軸之間形成油腔空隙，同時當軸與輪轂有相互移動時可以消除軸與輪轂之間的磨損；將輪轂安裝液壓推進器安裝在曲軸端部，液壓推進器可以產生沿曲軸軸向的位移，推動輪轂在曲軸上的移動，但此安裝過程并不是一次安裝到位的，是需要徑向油壓和軸向液壓推進器共同作用的結果。其安裝壓力過程如圖4所示，液壓推進器和輪轂徑向壓力依次作用，將輪轂安裝到位。將輪轂安裝到位后只拆掉徑向油壓工具，油壓推進器還需要進行一定時間的保壓（拆掉推進器連接液壓泵，關閉推進器閥門），以確保安裝后不出現輪轂和曲軸的相對滑移，通常保壓時間為12-24小時。

圖4 軸向和徑向兩個液壓泵泵壓過程

3 螺栓拉伸器應用

螺栓拉伸器已普遍應用于大缸徑發動機的裝配中，典型應用工位有氣缸蓋螺栓、主軸承螺栓、主軸承側拉螺栓和連桿螺栓等。

以下以某機型大缸徑發動機拉伸器為例，介紹在發動機液壓拉伸螺母上的應用。見圖5，在直列6缸發動機的緊固中，以在緊固過程中對整機變形影響最小為標準，制定液壓螺栓的緊固順序。

在主軸承液壓螺栓緊固中，緊固順序從飛輪端開始往前，順序各個軸承處兩個主軸承螺栓同時緊固。

在主軸承輔助液壓螺栓中，先進行A側輔助螺栓的順序緊固，再進行B側輔助螺栓順序緊固。

在缸蓋液壓螺栓緊固中，參考主軸承輔助螺栓的順序，按要求緊固。

圖5 螺栓緊固順序

在主軸承螺栓緊固中，一般會通過實時測量螺栓伸長量來判斷螺栓緊固是否安裝合格，由于不同廠家、不同批次、不同長度、不同截面積的螺栓可能一致性有差異，一般其伸長量須經過現場實際測量最終確定。

液壓拉伸器在彈性范圍內螺栓的加載，伸長量和所受載荷之間的關系可用胡克定律來精確描述[2]。

胡克定律如下：

式中：

△l——變形量（m）；

FN——拉伸力（N）；

l——長度（m）；

E——材料彈性模量（Pa）；

A——截面積（m2）。

測量螺栓伸長量一般有兩種方式，一種是傳感器內置在拉伸器內部，一種是傳感器外置在拉伸器外部。下圖6是拉伸器設計時將伸長量傳感器內置，直接測量螺栓頭部相對于拉伸器本體的伸長量。

圖6 傳感器內置式拉伸器

下圖為一種外置測量螺栓伸長量的方式，將傳感器固定在從機體伸出的支架上，測量旋在螺栓上的拉伸器的位移，即得出螺栓伸長量。

圖7 傳感器外置式拉伸器

4 輪轂安裝液壓推進器應用

輪轂安裝液壓推進器使用在發動機輪轂和曲軸的安裝中，實現輪轂在曲軸上的安裝。徑向輪轂和曲軸之間的壓力通過在輪轂上的液壓油道建立徑向壓力，其接口在輪轂上有專門油道接口；而軸向則通過液壓推進器進行輪轂向曲軸方向的位移安裝。

圖8 輪轂安裝液壓推進器在發動機輪轂安裝的應用

使用某些公司開發的螺栓裝配質量控制系統，可以檢測和記錄拉伸過程中的壓力-伸長量曲線，并且滿足拉伸規范及系統出現錯誤時會自動關閉。工具通過液壓油管和快速接頭進行連接。液壓單元有一個液壓回路，與兩個壓力發生器并聯，用于快速增壓，PLC控制硬件，該過程由高精度的壓力傳感器進行控制。自動控制程序調節液壓壓力并控制閥門，確保安全性和重復的準確性。

圖9 輪轂安裝液壓推進器安裝在發動機上圖示

壓力接頭是軸與輪轂之間的特殊的錐形壓力連接件，壓力連接是用來連接尺寸過大的連接件，這就是如何通過圓周產生均勻的接頭壓力，從而傳遞交變和沖擊扭矩，使用壓力接頭時，軸和輪轂略微呈錐形（錐角1°到5°）。

輪轂通過液壓推進器推到軸上，同時接頭中產生的徑向壓力使輪轂膨脹，輪轂被推到軸上，直到配合區域彼此相連。然后通過一個油孔加油，使輪轂膨脹，這就是將輪轂最終推到一起的方式。釋放壓力后，輪轂和軸彼此壓在一起。

通過自動拉伸，液壓推進器最初以低壓安裝到輪轂上。同時，液壓推進器通過裝配過程中仍存在的自由行程移動，形成軸與輪轂的連接。然后開始連接，徑向壓力增加，直到輪轂膨脹，在輕微的軸向壓力下，輪轂被少量的推到軸上。

徑向壓力和軸向壓力分階段增加，路徑被持續監測。重復程序，直到達到最終行程。當輪轂到達軸上的最終位置時，拉伸過程結束。

關于自動拆卸，首先液壓推進器放在輪轂上，系統也會監測推進器是否拉伸到足夠長的距離，使得連接時有足夠的返回路徑。徑向壓力緩慢增加，當輪轂浮動時，徑向壓力不斷增加，這表明壓力連接已經釋放。此外，浮動是由液壓推進器的行程變化顯示出來的，這一改變也會觸發連接的浮動。徑向和軸向壓力通過預設的下降率同時衰減，輪轂和軸完全分離，則拆卸過程結束。

5 結束語

液壓拉伸工具在大缸徑發動機螺栓安裝和輪轂安裝上的應用越來越廣泛，通過液壓工具的使用，提高了安裝精度、加快了安裝時間、保證了安裝質量，同時對連接件的影響較小，是一種非常好的連接方式。

[1] 李文華,瀟然,張河新.螺栓拉伸器的原理及應用[J].哈爾濱軸承, 2006(03):22-23.

[2] 劉繼國.液壓拉伸器在壓力容器法蘭緊固中的應用[J].化工管理, 2017,06(6):241-242.

Application of Ultra-high Pressure Hydraulic Tools in Assembly of Large-bore Engines

Li Xun1,2, Zhang Zhiwei1,2, Li Jiangnan1,2

（1.National Key Laboratory for Internal Combustion Engine Reliability, Shandong Weifang 261061; 2.Weichai Power Co. Ltd., Shandong Weifang 261061）

In the large diameter cylinder engine structure, due to high pressure, high power engine development more and more, the engine friction is more and more needed for the connection of different parts, corresponding the axial force of bolt connection required also more and more big, the ordinary bolt due to consumption in the energy of the screw, bearing surface and flange is larger, the actual axial force is lesser also. Hydraulic tensile structure bolts can play a larger connection axial force demand, in the large cylinder diameter engine main bearing bolts, main bearing side pull bolts and cylinder head bolts are more and more widely used, even in connecting rod bolts also began to appear in the application, the installation of this bolt also need special hydraulic tools. In connection with crankshaft and flywheel, due to the need for greater transmission torque, interference fit structure of the hub and crankshaft used in large bore engines, and the installation of this interference structure, also need hydraulic tools. This paper introduces the application of these two kinds of ultra-high pressure hydraulic tools in the assembly of large-bore engine.

The internal combustion engine; Assembly; Hydraulic tools; Bolt; Wheel hub; Hydraulic tensioner

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.045

U464

A

1671-7988(2021)02-138-05

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李勛（1986-），男，山東濟寧人，中級工程師，就職于濰柴動力股份有限公司，主要研究方向為發動機裝試工藝。