某型柴油機空冷器螺栓斷裂分析與解決措施

摘 要：某型柴油機在工廠試驗時出現柴油機空冷器螺栓斷裂事故，本文利用Pro-e對空冷器進行實體建模，利用ANSYS對空冷器進行有限元分析，計算出空冷器不同的設計結構在工作溫度、工作壓力、振動等作用下，空冷器螺栓的受力情況。從有限元分析結果發現原有的設計存在缺陷，導致空冷器連接螺栓工作應力超過螺栓許用應力，從而發生螺栓斷裂；通過對原有設計結構的修改，降低空冷器螺栓工作應力，保證了柴油機運行安全。

關鍵詞：空冷器；螺栓；有限元分析

引 言

某型柴油機在工廠試驗期間，發生空冷器漏氣現象，初步判斷認為是柴油機氣缸蓋與空冷器之間的密封墊損壞導致空冷器漏氣，更換后未解決空冷器漏氣現象，通過進一步檢查發現是由于空冷器螺栓的斷裂導致增壓空氣從斷裂的螺栓孔泄漏。隨后檢查了所有已完成試驗或已交付業主運行的柴油機均發現空冷器螺栓有斷裂的情況。

在空冷器螺栓發生斷裂后，首先對空冷器螺栓進行理化性能分析，螺栓理化性能分析結果合格；其次對空冷器進行有限元分析，驗證空冷器是否存在設計缺陷，導致在空冷器運行時，空冷器螺栓斷裂。

1 空冷器有限元分析

柴油機空冷器主要是由空冷器管板、側板、支撐板以及換熱管組成，此次主要研究空冷器側板和管板、支撐板之間的連接螺栓。

1.1 柴油機空冷器三維模型建立

利用Pro-e軟件建立空冷器三維模型，并利用ANSYS對空冷器模型進行劃分網格，對空冷器網格進行合理分布，對螺栓位置進行細化，以提高計算精度，縮短計算時間。空冷器側板和支撐板之間采用M12-12.9級螺栓連接，空冷器管板和側板采用M12-12.9級螺栓連接。

1.2 計算邊界條件

空冷器安裝在柴油機支座上，空冷器上方安裝空冷器罩殼，為簡化計算，對于空冷器固定采用中央節點固定，不考慮罩殼等對其的加強。

1.3 空冷器載荷

空冷器在工作狀態主要承受來源于增壓空氣熱載荷和機械載荷。

1.3.1 溫度載荷

柴油機空冷器分為1級和2級兩個部分，其中1級空冷器為高溫部分，2級空冷器為低溫部分。

按照柴油機空冷器進口空氣溫度230℃，空冷器出口溫度50℃考慮空冷器，同時考慮管板位置的水側對流情況。通過ANSYS對空冷器進行模擬計算。

1.3.2 機械載荷

空冷器機械載荷是指空冷器承受的氣壓，水壓以及空冷器震動，在計算時考慮增壓空氣壓力為0.3MPa，冷卻水壓力為0.6MPa，震動加速度考慮5g，另外空冷器還承受M12螺栓的預緊力34.37kN。

1.4 材 料

柴油機空冷器側板、支撐板材料采用Q235A材料制造，換熱管材料采用CuNi10，管板材料采用HSn62-1，螺栓等級采用12.9級螺栓。各種20℃材料的主要特性見表1。

1.5 計算結果

利用ANSYS進行有限元分析，在計算過程中將空冷器所受的熱負載，機械負載進行綜合考慮，空冷器的最大形變位置在空冷器前后管板位置，最大位移量為2.62mm；空冷器在工作狀態下螺栓最大應力為1127MPa，最大應力位置集中在空冷器接近空氣進口的一排螺栓。

通過計算，在空冷器工作狀態下，螺栓最大應力達到1127MPa，超過的螺栓的屈服極限1020MPa，在這種工作載荷下，螺栓會發生屈服變形，最終導致螺栓的斷裂，所以在該位置使用12.9級的螺栓不能滿足設計要求。

2 設計改進

通過對空冷器的溫度分布進行比較，空冷器進氣口和出氣口的位置溫差較大導致空冷器支撐板溫度分布嚴重不均，如圖5所示，空冷器支撐板最大溫度達到230℃左右，最小溫度為50℃左右，導致較大的熱應力。鑒于這種狀態，我們考慮將空冷器進氣口位置的支撐板進行改進，將支撐板切斷到與換熱管齊平，同時利用桿件將空冷器進氣口側的兩排螺栓相連。

通過對改進后的空冷器進行有限元計算，螺栓最大應力位置由原來的接近空冷器進氣口位置，變為空冷器中間部分螺栓。螺栓承受的最大應力為814MPa，該值小于12.9級螺栓的屈服應力1020MPa。

3 結 論

根據有限元分析結果，改進空冷器支撐板設計。設計改進后的空冷器在多臺柴油機進行試驗的結果表明，空冷器螺栓斷裂問題得到徹底解決。

參考文獻

[1]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.