柴油機飛輪連接螺栓校核計算分析

朱樹林， 張萍， 方明， 汪萌生

(1.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430000；2.湖州科尼物流設備有限公司，浙江湖州 313000；3.湖州師范學院工學院，浙江湖州 313000)

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柴油機飛輪連接螺栓校核計算分析

朱樹林1， 張萍1， 方明2， 汪萌生3

(1.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430000；2.湖州科尼物流設備有限公司，浙江湖州 313000；3.湖州師范學院工學院，浙江湖州 313000)

飛輪和曲軸采用飛輪連接螺栓進行聯接。由于飛輪連接螺栓是聯接飛輪和曲軸的重要部件，在柴油機處于工作狀態時，必須避免因設計缺陷引起的事故。為了確保螺栓聯接的可靠性，采用接觸分析法對螺栓進行了應力校核。分析計算結果可知：螺栓的應力最大值均位于螺母與螺桿倒圓處，飛輪轉速的變化影響著飛輪連接螺栓所受的應力值。

飛輪連接螺栓；應力分析；校核

0　引言

飛輪連接螺栓是聯接柴油機飛輪和曲軸的重要零件，其發揮的主要作用是通過螺栓預緊力來提供飛輪與曲軸之間的摩擦力，用以保證兩者之間沒有相對滑動。因為在柴油機處于工作狀態時，飛輪連接螺栓受力情況比較復雜，同時承受飛輪輸出扭矩和飛輪自身的重力，因此需要對飛輪連接螺栓進行強度校核[1-2]。為了確保螺栓連接的可靠性,文中采用MCS.Marc軟件對螺栓在預緊力作用下，進行螺栓的預緊力和螺栓本身強度的校核計算分析。

1　計算主要參數

飛輪連接螺栓校核計算的基本輸入參數見表1,對比參數見表2。

表1　飛輪連接螺栓基本輸入參數

表2　飛輪連接螺栓輸入的對比參數

2　有限元模型的建立

三維實體模型由飛輪、兩聯接軸以及兩側各12根螺栓組成，省略部分對計算結果無影響的幾何特征,如飛輪邊緣的倒角、飛輪中間去重孔倒角等，對兩段軸也進行了一定的簡化[3]。螺紋受力狀態復雜，文中只考慮光桿螺栓,建立的幾何模型見圖1。

模型的網格劃分如圖2所示。其中飛輪外部結構部分不是分析重點，因此網格劃分較稀疏；對于較為關心的螺栓接觸部分，網格劃分較密。全模型共劃分單元約95 000個，結點約50 000個。飛輪、曲軸、平衡塊采用一階四面體單元，螺栓采用一階六面體單元。在螺栓計算時采用的接觸分析中，飛輪與軸系法蘭、飛輪與螺栓、螺栓與軸系法蘭在工作中是相互接觸關系，其中螺栓桿的下端部分與飛輪接觸,螺栓桿的上部與軸接觸,螺栓帽與軸接觸,法蘭與飛輪接觸，各個部件接觸面劃分的網格之間為小滑移[4]。

3　邊界條件

模型的邊界約束情況見圖3，約束主軸頸3個方向上的位移。整個模型在運行過程中有旋轉角速度和輸出扭矩兩個載荷，見圖4。

圖3模型的邊界約束情況圖4模型的受力情況圖

4　分析工況

由于螺栓的工作情況較為復雜,在分析過程中選取了多個典型工況對螺栓受力進行模擬。工況情況說明見表3。

表3　工況說明

5　計算結果及結果分析

5.1飛輪連接螺栓預緊力校核結果及分析

螺栓預緊力的計算與預緊轉矩、螺紋結構和摩擦因數等有關。螺栓預緊力矩T與螺紋的阻力矩T1和螺帽的阻力矩T2平衡。由此可得螺栓預緊力Q的計算[5]：

(1)

(2)

(3)

式中：D為螺母支承面的外徑；d0為螺栓孔直徑；μ為動摩擦因數；ρ為動摩擦角；λ為螺旋升角。

通過以上公式(1)—(3)計算得到不同工況下所需的飛輪連接螺栓預緊力，見表4。

表4　所需的飛輪連接螺栓預緊力

隨著額定轉速的增加(從900增加到1 000r/min)，柴油機輸出功率減小，飛輪傳遞的扭矩減小，需要的飛輪連接螺栓預緊力也減小。

5.2輪連接螺栓應力結果

(1)額定轉速工況

900r/min時飛輪連接螺栓的應力情況見圖5，飛輪連接螺栓最大應力為785.2MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

同樣的方法計算出1 000r/min時飛輪連接螺栓最大應力為

786.3MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

(2)最高轉速工況

990r/min時飛輪連接螺栓的應力情況見圖6，飛輪連接螺栓最大應力為786.2MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

同樣的方法計算出1 100r/min時飛輪連接螺栓最大應力為787.5MPa，位于飛輪螺母與螺桿之間的倒圓位置。

由以上計算可以得出飛輪連接螺栓的應力最大值均位于螺母與螺桿倒圓處，得到飛輪連接螺栓的最大應力情況見表5。

表5　飛輪連接螺栓最大應力值

6　結論

通過對比所有螺栓VonMises的應力云圖可以發現：應力較大的區域都是在螺栓的同一個位置，即近螺栓帽的螺栓桿處。根據以上的結果可以得到如下結論：

(1)隨著額定轉速的增加，柴油機輸出功率減小，飛輪傳遞的扭矩減小，需要的飛輪連接螺栓預緊力也減小。

(2)在額定轉速工況下，隨著額定轉速的增加(從900增加到1 000r/min)，飛輪連接螺栓最大應力值增加，增加比率約為0.13%。

(3)在最高轉速工況下，隨著最高轉速的增加(從990增加到1 100r/min)，飛輪連接螺栓最大應力值也增加，增加比率約為0.15%。

飛輪螺栓材料的屈服極限為835MPa,從以上校核計算分析可以得出飛輪螺栓的強度能夠滿足柴油機運行的要求。

【1】張洪兵,杜建紅.有限元模型中螺栓載荷施加方法研究[J].機械設計與制造,1999(6):32-33.

【2】石秀勇,李國祥，胡玉平.發動機飛輪螺栓的三維有限元計算分析[J].中國機械工程,17(8):845-848.

【3】陳紅火.Marc有限元實例分析教程[M].北京:機械工業出版社,2002.

【4】LehnhoffetalTF.MemberStiffnessandContactPressureDistributionofBoltedJoint[J].ASMEJournalofMechanicalDesign,1998,120(1):191-195.

【5】ZouWensheng,ZuoZhengxing,FengHuihua,etal.ApplicationoftheSub-modelMethodintheEngineStrengthAnalysis[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology,2001,10(3):32-36.

【6】楊連生.內燃機設計[M].北京:中國農業機械出版社,1981.

CheckandAnalysisforDieselEngineFlywheelBolts

ZHUShulin1,ZHANGPing1,FANGMing2,WANGMengsheng3

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NavalUniversityofEngineering,WuhanHubei430000,China;2.HuzhouKeniLogisticsEquipmentCo.,Ltd.,HuzhouZhejiang313000,China;3.EngineeringInstitute,HuzhouUniversity,HuzhouZhejiang313000,China)

Flywheelconnectingboltsareusedtoconnectflywheelandcrankshaft.Forflywheelconnectingboltsareimportantsect1s,whenadieselengineisservedinworkingcondition,itisimportanttoavoidaccidentcausedbydesignflaws.Toensurethereliabilityofboltconnection,contactanalysismethodwasusedtocalculatethestressofbolt.Withananalysistoboltpretighteningforcecheckingresults，boltstressmaximaarelocatedontheroundingbetweennutsandbolts;thechangesofflywheelspeedaffectstheflywheelconnectingboltstressvalue.

Flywheelconnectingbolts;Stressanalysis;Inspection

2015-03-15

朱樹林(1982—)，工學學士，工程師，研究方向為內燃機設計。E-mail：zsl@acd.cssc.net.cn。