陳福明， 王　奎， 劉利軍

( 中船動力研究院有限公司， 上海 200129)

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機(jī)架螺紋孔螺紋鑲套方案應(yīng)力分析

陳福明， 王奎， 劉利軍

( 中船動力研究院有限公司， 上海 200129)

摘要機(jī)架螺紋孔在加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)螺紋損傷，表面粗糙度超標(biāo)。通過將螺紋孔處擴(kuò)孔并增加鑲套的辦法可以進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)機(jī)架螺紋孔的鑲套方案，建立原設(shè)計(jì)和增加鑲套改制后的三維有限元模型，進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，研究靜載下螺紋孔的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明，增加鑲套方案改善了螺紋孔處的靜態(tài)應(yīng)力狀態(tài)，這為機(jī)架螺紋孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的參考。

關(guān)鍵詞機(jī)架螺紋孔螺紋損傷鑲套靜強(qiáng)度分析

0引言

船用柴油機(jī)機(jī)架螺紋孔在加工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)螺紋損傷，導(dǎo)致螺紋的表面粗糙度超標(biāo)，不能滿足裝配要求。工程實(shí)際中多采用增加鑲套的方案對螺紋孔螺紋損傷進(jìn)行修復(fù)[1～3]。

在本文中某型船用低速柴油機(jī)機(jī)架上缸蓋螺紋孔加工過程中，由于刀具出現(xiàn)問題導(dǎo)致螺紋孔處產(chǎn)生螺紋損傷，螺紋孔損傷情況如圖1所示?，F(xiàn)欲采用增加鑲套的方法對該螺紋孔損傷處進(jìn)行修復(fù)處理，先對機(jī)架上缸蓋螺紋孔處進(jìn)行擴(kuò)孔并加工出內(nèi)螺紋，采用有內(nèi)外螺紋的鑲套進(jìn)行裝配，其中鑲套的內(nèi)螺紋與缸蓋螺栓的螺紋嚙合，鑲套的外螺紋與加工的機(jī)架螺紋孔內(nèi)螺紋嚙合。為了保證增加鑲套的方案能滿足使用要求，本文對原設(shè)計(jì)的缸蓋螺紋孔以及增加鑲套方案的缸蓋螺紋孔進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，研究了鑲套方案對螺紋孔應(yīng)力分布的影響。

圖1　螺紋孔螺紋損傷

1計(jì)算輸入

1.1模型描述

該型船用柴油機(jī)的機(jī)架三維模型如圖2所示，該柴油機(jī)為V型，一側(cè)缸蓋螺紋孔在加工過程中出現(xiàn)加工缺陷，箭頭所示位置為缸蓋螺紋孔處出現(xiàn)螺紋損傷的位置。在進(jìn)行分析時(shí)，考慮到計(jì)算量的大小以及缸蓋螺栓的應(yīng)力影響區(qū)域范圍，計(jì)算時(shí)選取足夠的區(qū)域進(jìn)行切割，對切割邊界處施加約束進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖2　機(jī)架三維模型

本計(jì)算包含設(shè)計(jì)模型和螺紋孔增加鑲套后的改制模型，主要是分析機(jī)架螺紋處的強(qiáng)度問題，原設(shè)計(jì)模型包括缸蓋螺栓和機(jī)架螺紋孔兩部分，改制模型增加了鑲套，組件剖面圖如圖3所示。

圖3　計(jì)算模型

為了對機(jī)架螺紋孔螺紋牙處的應(yīng)力進(jìn)行對比分析，本次計(jì)算中分別對原設(shè)計(jì)模型和實(shí)際返修模型施加了相同的邊界條件。以下原設(shè)計(jì)模型稱為設(shè)計(jì)模型；實(shí)際存在缺陷、返修增加鑲套的模型稱為改制模型。

1.2材料特性

根據(jù)圖紙和相關(guān)技術(shù)文件[4]，機(jī)架的材料為30號鋼，螺栓的材料為35CrMoA。設(shè)計(jì)的鑲套材料與機(jī)架相同。材料屬性參數(shù)如表1所示。

1.3工況說明

計(jì)算模型的載荷為氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力，該螺栓采用液壓拉伸器進(jìn)行預(yù)緊，液壓拉伸器內(nèi)部M52的螺紋孔與缸蓋螺栓螺紋進(jìn)行嚙合。通過注入高壓油后將內(nèi)部抬起，相應(yīng)地將缸蓋螺栓進(jìn)行拉伸，然后旋轉(zhuǎn)缸蓋螺栓的螺母使其向下擰緊。液壓拉伸器卸載壓力后，通過缸蓋螺栓的螺母實(shí)現(xiàn)了螺栓的預(yù)緊力施加。

表1　材料屬性

液壓拉伸器的效率按照100%進(jìn)行計(jì)算，得出氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力。根據(jù)液壓拉伸器圖紙可知，拉伸器活塞油壓作用的有效面積為103.67 cm2，液壓拉伸器泵緊時(shí)，腔內(nèi)的油壓為415 bar，計(jì)算螺栓預(yù)緊力為F=P×s=430 230 N。

2計(jì)算過程及結(jié)果

2.1有限元模型及邊界條件

圖4　網(wǎng)格模型

(1) 位移邊界條件。

計(jì)算模型的邊界約束如圖4所示，對原設(shè)計(jì)模型和改制后的模型對應(yīng)的機(jī)架切面處施加固定約束，模擬機(jī)架對螺紋孔處模型的約束作用，螺紋嚙合各牙之間定義接觸關(guān)系，模擬螺紋的嚙合。

(2) 載荷邊界。

計(jì)算中僅考慮缸蓋螺栓的預(yù)緊力作用，對螺栓端面施加向上的泵緊力，泵緊力即為螺栓的總拉力430 230 N，加載時(shí)在對應(yīng)螺栓截面上施加向上的拉力來模擬缸蓋螺栓的預(yù)緊拉伸作用。

2.2計(jì)算結(jié)果

螺紋連接在第1牙處會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且多在第1牙處出現(xiàn)破壞[5～7]。本文計(jì)算的原設(shè)計(jì)模型和改制后模型機(jī)架螺紋孔的應(yīng)力結(jié)果如圖5(a)、(b)所示，箭頭方向?yàn)槁菁y牙序列增大方向。由于模型結(jié)構(gòu)的原因，在第1牙螺紋處均出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，第1牙的應(yīng)力值都偏大。原設(shè)計(jì)模型機(jī)架螺紋孔第1牙最大等效應(yīng)力為349.6 MPa，改制模型機(jī)架螺紋孔第1牙處出現(xiàn)最大等效應(yīng)力為286.2 MPa。螺紋各牙的應(yīng)力呈現(xiàn)出遞減的趨勢，應(yīng)力主要分布在前10牙。

圖5　機(jī)架螺紋孔應(yīng)力結(jié)果

改制所采用的鑲套應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，箭頭方向?yàn)槁菁y牙序列增大方向。鑲套模型包含內(nèi)螺紋和外螺紋，應(yīng)力狀態(tài)相對復(fù)雜。內(nèi)螺紋在第1牙處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力為248 MPa，內(nèi)螺紋各牙應(yīng)力呈遞減的趨勢，前5牙存在較明顯的應(yīng)力遞減，主要應(yīng)力出現(xiàn)在前10牙左右。

圖6　改制模型鑲套應(yīng)力結(jié)果

對原設(shè)計(jì)機(jī)架螺紋孔、改制模型機(jī)架螺紋孔和鑲套內(nèi)螺紋孔各牙應(yīng)力進(jìn)行總結(jié)，選取第1牙出現(xiàn)最大應(yīng)力位置的截面，該截面處各牙的平均應(yīng)力總結(jié)如表2所示。從表中可以看出，不管是改制模型還是原設(shè)計(jì)模型，第1牙處的應(yīng)力均偏大，該應(yīng)力主要由該處的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起。從第2牙開始，各牙應(yīng)力有遞減的趨勢，且前5牙應(yīng)力遞減趨勢較為明顯。第6牙到第10牙應(yīng)力趨于穩(wěn)定，遞減的趨勢不是很明顯。計(jì)算得改制模型機(jī)架螺紋孔各牙應(yīng)力平均降幅約為26.2%，增加鑲套的內(nèi)螺紋與原機(jī)架螺紋孔相比各牙等效應(yīng)力降幅約為13.0%。

表2　螺紋牙應(yīng)力結(jié)果

3結(jié)果分析

將表2中各牙的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行處理如圖7所示，其中包含原設(shè)計(jì)機(jī)架螺紋孔各牙平均應(yīng)力、改制模型機(jī)架螺紋孔各牙平均應(yīng)力和改制模型中鑲套內(nèi)螺紋孔各牙應(yīng)力結(jié)果。

從圖中可以看出，設(shè)計(jì)模型機(jī)架螺紋孔第1牙處出現(xiàn)最大等效應(yīng)力為349.6 MPa，增加鑲套方案后機(jī)架螺紋孔第1牙處出現(xiàn)最大等效應(yīng)力為286.2 MPa，等效應(yīng)力值有所降低。除第1牙應(yīng)力集中外，其余各牙的應(yīng)力有明顯的遞減趨勢。增加鑲套方案后，鑲套內(nèi)螺紋孔以及機(jī)架內(nèi)螺紋孔各牙的應(yīng)力均有所降低。對于增加的螺紋孔鑲套內(nèi)螺紋，在第1牙出現(xiàn)最大等效應(yīng)力為248 MPa，與原設(shè)計(jì)機(jī)架螺紋孔相比有所降低。

圖7　各牙應(yīng)力結(jié)果比較

4結(jié)論

機(jī)架螺紋孔處采用鑲套的修復(fù)方案，能有效地改善螺紋牙的應(yīng)力狀態(tài)。改制后機(jī)架螺紋孔以及鑲套套筒內(nèi)螺紋各牙的應(yīng)力與原設(shè)計(jì)機(jī)架螺紋孔相比，各牙的等效應(yīng)力有明顯的降低。這為機(jī)架螺紋孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

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The Strength Analysis of Bushing Mounting for Frame Thread

CHEN Fu-ming， WANG Kui， LIU Li-jun

(China Shipbuilding Power Engineering Institute Co., Ltd.， Shanghai 200129, China)

AbstractScrew damage often occurs in manufacturing the threaded hole of the frame, which exceeded surface roughness standard. It can be repaired by adding bushing mounting in the threaded hole. The finite element model for the original design and the reforming design were set up, and the static strength was analyzed, and the stress distribution of the models was studied. Results showed that adding bushing mounting can improve the static stress of the threaded hole, which provides a good reference for optimum design of the threaded hole.

KeywordsFrame threaded holeScrew damageBushing mountingStatic strength

中圖分類號G316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：陳福明(1961-)，男，研究員，長期從事船用柴油機(jī)制造技術(shù)的研究，擅長大型數(shù)控加工設(shè)備制造技術(shù)和解決疑難雜癥。