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魏文博:280柴油机气缸盖螺栓有限元分析
280柴油机气缸盖螺栓有限元分析
魏文博
(南车成墅堰机车有限公司)
〔摘要)本文从气缸盖螺栓断裂断ロ分析入手,运用有限元对气缸盖螺栓应力应变状态和
安全系数进行分析,查找螺栓断裂的本源并加以验证,最后为避免螺栓断裂提出工艺措施。
〔关键词〕有限元柴油机气缸盖螺栓
0引言
3675kw,标定转速100o/min,爆发压
气缸盖螺栓是280柴油机连接气缸盖和机体最力13.24MPa
重要联接件之一,工作时受到循环交变载荷作用
活塞运动对气缸盖产生的推力F。为:
应力相对集中,气缸盖螺栓的断裂会引起柴油机严
Fo=Pxmd2/4?
重事故。针对目前出现的280柴油机气缸盖螺栓断
式中:
裂事故,对气缸盖螺栓进行有限元分析,以此研究
气缸压强;
气缸盖螺栓疲劳应力应变状态和安全系数校核。研
dー-气缸直径(280柴油机=280mm)
究基于16V280柴油机气缸盖螺栓规格为M48×3
气缸盖螺栓受到的推力为活塞对气缸盖的推力
材质18C2 NAWA合金钢,カ学性能”为o学与气缸盖(含气缸盖上安装的元件)本身重力
1180MPa、o,=835MPa、83=10%、ψ≥45%
(气缸盖螺栓方向)差值。
1断口分析
则气缸盖螺栓受到的轴向拉力F,为:
280柴油机气缸盖螺栓发生断裂事故,断裂发
F=F。- mg X cos(au/2)
生在螺栓下端第二个螺纹的根部,经对螺栓螺纹宏
式中
观断口形貌分析,疲劳源起始于螺纹根部,疲劳源
mーー气缸盖及气缸盖上安装的元件的质量
区和疲劳打展区很小,疲劳扩展区贝文线间距较(取=200
宽,最后瞬断区面积较大,约占整个断口面积的
对称气缸夹角(280柴油机设计Q
90%。经过化学成分分析,该断裂螺纹材质为
18Cr2Ni4WA,化学成分中含碳(C)0.19%、硅
气缸盖单个螺栓受到的轴向拉力F为
(Si)0.24%、锰(Mn)0.50%、铬(Cr)
F=F1/4………(1-3
1.52%、钨(W)0.84%、镍(Ni)4.16%、磷
(P)0.005%、硫(S)0.007%、铜(Cu)
计算得出活塞运动对气缸盖最大推力F。=
0.25%等,符合CBパm3077高级优质钢要求。试样815232N,最大轴向拉力F1=813476N,单个螺栓
经调质处理,表面和芯部组织均为回火索氏体,螺受到的最大轴向力F=20339N。
栓表面没有明显脱碳现象。经检测断裂螺栓断口处3有限元分析
抗拉强度1254MPa,屈服点111MPa,伸率3.1建立有限元模型
15.5%,缩率55%。
使用三维实体造型,然后用 Cosmos Works进
2载荷分析
行有限元分析,结合柴油机实际工作状况,便于进
在标准规定条件下,280柴油机标定功率为行螺栓下端断裂处螺纹有限元分析,在螺纹部分进
万数据
内燃机与配件
2015年第3期
行网格局部细化如图1所示?。
由螺栓安全系数图解如图3所示,可以得出最
其中螺栓划分单元数45042,节点数71857,小安全系数3.59,满足内燃机设计要求螺栓安全
螺栓材料物理性能参数见表1。
系数n>
表1螺栓材料属性参数表
性能参数
数值
密度p(kg/m3)
7.9×103
弹性模量E(Pa)
2.02x10
泊松比以
0.273
屈服强度σ,(MPa)
1118
疲劳极限σ-1(MPa)
516
图3螺栓安全系数图
4结论
1.通过对螺栓断口分析,得出该气缸盖螺栓
在材料、金相、机械性能完全符合设计和GB
T3077要求,为高应力疲劳断裂。
2.对气缸盖螺栓进行三维实体造型和 Cosmos
图1气缸螺栓网格图
Works有限元分析,得出在280柴油机正常工作状
由文献给出的结构钢疲劳极限σ-估算况下,气缸盖螺栓受到交变载荷作用,螺栓旋人机
公式
体部分螺纹接口处应力应变相对集中,容易产生疲
=0.4301+38
(1-4)劳断裂,也是此次螺栓下端从第二螺纹根部断裂原
或o-1=0.460
……(1-5)因所在。
可估算出疲劳极限σ.1=516MPa。
3.进一步加强气缸盖螺栓安装工艺检査,保
3.2有限元分析
证栽入机体的气缸盖螺栓拧紧力矩和上端四只螺母
对螺栓下端螺纹固定铰链约東,对螺栓上端面拧紧力矩一致到位。同时在柴油机检修工艺中,严
施加单个螺栓轴向载荷F,螺栓的应力应变分析如格要求更新气缸盖螺栓,避免由应力应变引起的疲
图2所示
劳断裂。
参考文献
1)杨连生.内燃机设计〔M).北京:中国农业机械出版
社,1981
2)徐守军,柴油机缸盖螺栓的三维有限元分析〔J).山
东机械,2005(5):18-2
3)赵少汴.抗疲劳设计(M).北京:机械工业出版
社,1994.
〔4)马少俊,胡本润等.金属材料疲劳极限估算的多参数
图2螺栓应力云图
经验公式〔J).机械强度,2010,32(6):993
由上图可以看出,螺栓工作时最危险点发生在
螺栓下端螺纹口处,产生局部较大应力和应变,存(5)成大先、机械设计手册(M).、北京:化学工业出版
在着明显的应力集中现象。大量实践表明,交变工
社,2003
作状态下的联接螺栓各螺牙受力不一致,第一、二
牙受力最大,且容易产生疲劳破坏。而仅次于螺纹作者简介
疲劳破环的是螺栓头部过渡处的疲劳断裂,这也是
魏文博,(1990-),甘肃会宁人,北京交通大学工学
由于应力集中作用造成的。
学士,助理工程师。
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