柴油机螺栓扭矩载荷特性分析与紧固规范研究.pdf

第31卷增刊
铁道机车车辆
2011年10月
RAILWAY LOCOMOTIVE CAR
Oct
文章编号:1008-7842(2011)S0-0286-03
柴油机螺栓扭矩載荷特性分析与紧固规范硏究
陈泽忠,张忠伟,姚亮宇,刘宇强
(中国北方发动机研究所,山西大同037036)
摘要在柴油机常规装配条件下,采用应变电测的方法,对螺栓连接的扭矩载荷特性进行试验分析,获得了比较
稳定的螺纹副摩擦系数值,最大偏差在5%以内,满足工程需求,实现了螺栓迕接扭矩载荷特性的"精确”计算;在此
基础上,应用螺栓与被连接件刚度求解方法,给出了螺栓转角紧間时控制角度的计算方法,实现了螺栓紧固规范的
计算和预测。
关键词柴油机;螺栓;扭矩载荷特性;摩擦系数;转角法
中图分类号:TK123.3+2文献标志码:A
随着柴油机的不断强化,升功率和最高燃烧压力的确定载荷下的扭矩数值影响非常大,最大偏差可以达到
增长,螺栓连接的紧固力矩不断增大,且载荷均匀性与100%,其原因是扭矩系数随螺栓的等级、螺纹副表面加
控制的精确程度也不断提高。在传统的柴油机研发过工质量以及润滑形式等因素的不确定性,导致螺纹副间
程中,螺栓的扭矩载荷特性(扭矩与载荷之间的对应关摩擦系数的波动。
系)以及应用转角法进行预紧力控制的角度等一般是通
从式(2)中可以看出,螺栓与被连接件的结构要素
过试验来确定,这在一定程度上延缓了柴油机的研发周
且确定,其扭矩载荷特性仅取决于螺栓头部端面与支
期
承面间的摩擦系数和螺纹副间的摩擦系数,因此可以通
通过螺栓的扭矩载荷特性分析,探索一种螺栓预紧过螺栓的扭矩、载荷、扭矩系数以及摩擦系数之间对应
扭矩与载荷之间满足工程设计要求且比较精确的计算关系的分析,获取摩擦系数的变化规律。
分析方法,在此基础上获得转角法紧固时控制角度的计
柴油机装配过程中,螺栓头部端面与支承面间以及
算方法,以满足预测设计的需求。
螺纹副间一般采用机油润滑。假设螺栓头部端面与支
螺栓连接的扭矩载荷特性分析
承面间的摩擦系数和螺纹副间的摩擦系数具有相同的
螺栓连接的扭矩载荷特性是拧紧力矩M与载荷P数值,即(=f。
的关系,螺栓的拧紧力矩M是螺纹副间的摩擦阻力矩
通过应变电测的方法,获得大量的螺栓连接扭矩载
M」和螺栓头部端面与被连接件支承面间的摩擦阻力矩荷特性试验数据,经统计分析,螺纹连接摩擦副间摩擦
M2两部分之和,即:
系数的数值基本上接近0.12,按照常规柴油机强力螺
M=M,+M
(1)栓装配方法,螺栓扭矩系数偏差在5%以内,满足工程
M=Px「(D-G)
3(d-d)
tan(+g)?=KPa(2
需求
表1和表2分别列举了M16X1.5和M20×1.5两
式中P为螺栓载荷;K为螺栓扭矩系数;∫为螺栓头部组试验数据,并计算出相应的摩擦系数。
端面与支承面间的摩擦系数;D为螺栓与垫圈接触部
分的最大外径;d。为垫圈孔的内径;d为螺纹公称直径
表1MI6×1.5螺栓的扭矩載荷特性试验数据
(大径);d1为螺纹小径;d2为螺纹中径;ψ为螺纹升角
M16×1.5扭矩/(N?m)载荷/kN扭矩系数摩擦系数
219
90.4660
0.1513
0.1124
= arctan(s/rd2);s为螺距;q.为螺纹副当量摩擦角
89.34290.1560
0.1163
go= arctan.155f;f为螺纹副间的摩擦系数。
89.22880.1569
0.1171
式(2)中的扭矩系数K是表征螺栓扭矩与载荷间
91.0464
0.1173
线性关系的一个关键参数,多数文献中给出的参考取值
0.1738
范围为0.1~0.2,可以看出,取不同的扭矩系数值,对
平均值
230.67
89.9283
0.1603
0.1199
陈泽忠(1965-)男,浙江义ウ人,研究员(收稿日期:2011-06-22)
万方数据
增刊
柴油机螺栓扭矩载荷特性分析与紧固规范研究
表2M20×1.5螺栓的扭矩载荷特性实验数据
力矩的作用是消除螺栓载荷与转角之间的非线性段,达
M20×1.5扭/(N?m)载荷/kN扭矩系数摩擦系数
釗螺栓与被连接件的紧密贴合,与螺纹直径、螺栓连接
531
175.00
0.1517
0.1176
493
0,1543
0,1196
的刚度等因素有关,其取值一般为总紧固力的10%
171,84
0.1554
0.1207
30%,P1按式(2)中P计算
162.53
在确定螺栓总载荷的情况下,与转角对应的螺栓载
0.1657
荷为:
平均值
162.63
0.1576
0.1225
图1和图2分别是在上述两组试验数据基础上,通
螺栓的刚度:
过计算得到的螺栓扭矩系数K和相应的摩擦系数值及
5)
其对应关系。
式中E为螺栓材料弹性模数;A。为螺栓最小截面面
积;L。为螺栓连接的有效长度
0.13
第个被连接件的刚度
0.12
0.10
0,1560.15690.15720.16680.1738
式中E为被连接件材料弹性模数;A;为被连接件的有
螺栓扭矩系数κK
效承载面积;L为被连接件的有效长度
图1MI6X1.5螺栓壓擦系数
设螺栓变形为δ。,其余被连接件的变形为,则螺
随扭矩系数的变化关系
栓与被连接件之间有如下关系:
0.14
(Σ
螺纹连接的总变形
ど6=a+6=P(と+と
0.10
0.15430.15540.15660.1620.]65
螺栓的转角:
螺栓扭矩系数K
图2M20×1,5螺栓摩掾系数
e=360
636P/1
∑乙)
随扭矩系数的变化关系
S
应用式(9)可以准确计算出转角法紧固的螺栓转
转角法紧固时控制角度的计算方法
角。通常为了提高螺栓装配工艺性,可以对初始拧紧力
转角法紧固分为两步,即初始拧紧力矩十转角,螺矩对应的螺栓载荷P1进行调整,使初始拧紧力矩取为
栓总载荷也相应地分为两部分,有
易于控制的整数,同时通过数值修约使转角θ成30°(六
P=P+P
(3)角头螺栓半方)的整数倍。
其中第1部分P1为初始拧紧力矩对应的螺栓载荷,第3结论与建议
2部分P2为转角对应的螺栓载荷
(1)在机油润滑的柴油机螺栓常规装配情况下,螺
图3为转角法紧固力与转角的对应关系,初始拧紧纹副间摩擦系数的数值基本上接近0.12,最大偏差在
5%以内,可以满足工程需求;
2)螺栓与被连接件的结构要素确定后,可以获得
餐鑒
比较准确的螺栓扭矩系数;
(3)应用刚度求解的方法,可以在柴油机设计过程
中将转角法紧固的螺栓转角计算出来,不需要通过试验
来确定,在预测设计过程缩短了研发周期
有效控角度
参考