柴油机气缸盖螺栓断裂分析

摘要针对柴油机气缸盖螺栓装配时发生断裂,从螺栓本身和装配过程进行分析,并对原设计进行校核,找到造成螺栓断裂的4个因素,分别是机械性能、加工精度、应力集中和安装扭矩超差,同时对螺栓作了改进设计,进一步提高其安全系数。

关键词螺栓;断裂;预紧力

中图分类号TH171文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)051-0113-01

0引言

我公司在08年12月生产JD500柴油机的过程中,在线上装配时每天发生10%-20%的断裂,为此,进行了相关检查和分析,以便进行质量改进和提升。气缸盖上每缸周围有6根螺栓沿圆周均匀布置,共用2根,总共有10根螺栓;气缸盖螺栓断裂前产生变形如图1,断裂后的情况如图2。

1螺栓的分析

1.1性能分析

将失效的螺栓取样,做性能试验,结果是:失效螺栓的抗拉强度、硬度都符合要求,但其屈服强度已稍微超下限,它可能会引起螺栓拉长或断裂。

1.2金相分析

螺栓材料合金钢经高温淬火加回火后的金相要求是回火索氏体1-3级,实际通过显微镜观察失效螺栓1为回火索氏体3级,失效螺栓2也为回火索氏体3级,可以看出螺栓经热处理金相符合要求,但都处于下限。

1.3金加工分析

已断裂的螺栓因装配过或已破坏,不好检查,所以只能在未装配过的螺栓抽查,M8-6h通止规检查合格,φ16、φ8、φ6.5合格,垂直度检查时发现有超差的,有的达到0.35,有的达到0.54。它的超差会使拧紧力矩中用于克服螺纹支承面的摩擦力矩减少,从而对螺栓产生的预紧力和有效力矩增大,会引起螺栓断裂失效。

2生产过程分析

气缸盖螺栓的装配拧紧力矩要求是45-50Nm,它是用缸盖螺栓拧紧机(有4个拧紧头可同时转动),将扭矩设定为48N.m。在发生螺栓断裂后,首先对拧紧机的扭矩进行了重新校定,情况一样;再对已装好的柴油机进行复查,结果如表1,可以看出整体水平在范围之内,但有个别超出上下限,超上限有可能引起螺栓失效。

3设计校核

柴油机最高爆发压力:p=7Mpa,气缸盖底平面所受之力:Fz=πD2p/4=

3.14×672×7/4=24680N,气缸盖底平面所受之力Fz由六只气缸盖螺栓分担,则每只气缸盖螺栓所受之拉力为Fc=Fz/6 =24680/6=4113N

计算螺栓预紧力Fp,气缸盖螺栓的拧紧力矩M由两部份组成,分别是克服螺纹摩擦所需扭矩Mt和克服螺纹支承面的摩擦所需扭矩Mm

M8螺纹的平均直径dcp=7.2mm

螺纹导角ξ=arctg(s/πdcp)=arctg(1.25/3.14*7.2)=3.16°

螺纹副摩擦系数μ=0.18,牙形角β=60°

三角形螺纹的转化摩擦角ψ=arctg(μ/cosβ/2)=arctg(0.18/cos30°)=11.74°

Mt=Fp×tg(ξ+ψ)×dcp/2=Fp×tg(3.16°+11.74°)×7.2/2=0.9579Fp(N.mm)

螺栓支承面直径d1=16mm,气缸头孔直径d2=9mm

Mm=Fp×μ×(d13-d23)/3(d12-d22)=Fp×0.18×(163-93)/3(162-92)=1.1544Fp(N.mm)

M=Mt+Mm=0.9579Fp+1.1544Fp=2.1123Fp

现根据气缸盖螺栓的装配扭紧力矩要求,如按最大M=50Nm计算Fp=M/2.1123=50×1000/2.1123=23671N,如按最大M=45Nm计算Fp=M/2.1123=45×1000/2.1123=21304N,

从柴油机角度讲,为保证气缸盖的密封性,一般要求螺栓预紧力最少Fpmin=nFc=5×4113=20565N,从螺栓的屈服极限计算,考虑螺栓受拉扭复合应力,Fpmax=0.85×900×6.52×3.14/4=25372N,可以看出按45-50Nm的力矩拧紧产生的预紧力在设计的20565-25372范围之内,所以规定气缸盖螺栓的装配扭紧力矩要求是45-50Nm是合理的。

螺栓断裂前有明显缩颈,断口呈现一定的倾斜,表面为暗灰色,应属于超过屈服强度的撕裂特征;螺纹直径(根圆)约为6.647mm,螺纹尾纹退刀槽处直径为6.5mm,按理螺栓的最危险截面在螺纹的尾纹退刀槽处,说明螺纹该处存在应力集中,它也是导致螺栓断裂的一个原因。

从安全系数看,螺纹尾纹部分σ尾纹=23671/(6.52×π/4)=713N/mm2=713MPa,安全系数S=σs/σ尾纹=1080/713=1.26,偏要求的1.2-1.5的下限,而根据上面检查的数据有的只达到805/713=1.13。

4结论

造成气缸盖螺栓装配时断裂失效的因素有:

1)螺栓的安装面和螺纹中心线的垂直度超差;2)螺栓材料的机械性能σs达不到要求;3)螺栓的螺纹根部加工粗糙,存在应力集中;4)螺栓装配时有个别的拧紧力矩超一点。

同时,针对上面的分析,对螺栓进行改进:再提高螺栓的性能等级为12.9,硬度为HRC39-44,增加螺栓的安全系数。

参考文献

[1]王文斌等.机械设计手册.机械工业出版社,2006.

[2]史绍熙等.柴油机设计手册.中国农业机械出版社,1984.

推荐访问:气缸 螺栓 柴油机 断裂 分析