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        出口德國柴油發(fā)電機(jī)組安裝螺栓校核研究

        2021-09-10 07:22:44宋清林曹曉龍林建華李繼業(yè)
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年10期

        宋清林 曹曉龍 林建華 李繼業(yè)

        摘要:為了保證柴油發(fā)電機(jī)組安裝螺栓的高可靠性,需要對安裝螺栓進(jìn)行扭矩校核和選取,以出口德國柏林的柴油發(fā)電機(jī)組為研究對象,根據(jù)EN12663-1:2010[1]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)備工況,進(jìn)行有限元仿真分析,依據(jù)德國工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDI2230-2014[2],對柴油發(fā)電機(jī)組的安裝螺栓進(jìn)行了扭矩計(jì)算和強(qiáng)度校核,計(jì)算結(jié)果通過了德國DB公司的審核。

        關(guān)鍵詞: 柴油發(fā)電機(jī)組;擰緊系數(shù);安裝預(yù)緊力;擰緊力矩

        中圖分類號(hào):TB857+.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-957X(2021)10-0005-02

        0? 引言

        型號(hào)為DSG-DB-670的柴油發(fā)電機(jī)組是中車大連所公司出口德國柏林的產(chǎn)品,它的額定輸出功率670kW,柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速:1800r/min,柴油發(fā)電機(jī)組額定的輸出電壓為:3AC645V±5%,該柴油發(fā)電機(jī)組作為調(diào)車機(jī)車的牽引動(dòng)力電源系統(tǒng),具有重要的作用,為了保證柴油發(fā)電機(jī)組安裝的可靠性,需要對安裝螺栓進(jìn)行計(jì)算和校核。

        1? 柴油發(fā)電機(jī)組安裝結(jié)構(gòu)

        柴油發(fā)電機(jī)組主要由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、基礎(chǔ)支撐機(jī)構(gòu)、隔音箱框架及各輔助設(shè)備組成。柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)分別安裝在框架上如圖1所示,整個(gè)結(jié)構(gòu)為四點(diǎn)支撐。柴油發(fā)電機(jī)組重量:8000kg,柴油機(jī)+發(fā)電機(jī)重量:3600kg。

        2? 柴油發(fā)電機(jī)組靜強(qiáng)度計(jì)算

        利用有限元前處理器HyperMesh對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用2D單元-Pshell單元模擬板殼結(jié)構(gòu),3D單元-Psolid單元模擬實(shí)體結(jié)構(gòu),單元尺寸為15mm,結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域采用5mm,有限元模型總共包括387627個(gè)節(jié)點(diǎn),470965個(gè)單元。柴油發(fā)電機(jī)組主體結(jié)構(gòu)采用的材料為Q345E,通過螺栓固定在調(diào)車機(jī)車上,在固定螺栓處約束全部6個(gè)自由度。加速度載荷根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663中L類規(guī)定進(jìn)行施加,最大總激勵(lì)力矩為1800N.m,假設(shè)隔振墊振動(dòng)傳遞率為10%,則作用在基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)上力矩為180N.m。并對力矩與加速度載荷進(jìn)行組合。根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的各工況計(jì)算,最大應(yīng)力為285.44MPa,滿足材質(zhì)的使用要求。圖2和圖3分別是總體結(jié)構(gòu)的最大載荷作用下的應(yīng)力云圖和位移圖。

        3? 柴油發(fā)電機(jī)組安裝螺栓的強(qiáng)度計(jì)算

        柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)在安裝框架上使用的螺栓規(guī)格為M24×180-10.9級(jí),機(jī)械性能按照標(biāo)準(zhǔn)ISO4014[4]和VD12230中的表A11。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-2010[1],柴油發(fā)電機(jī)組安裝在車體上的加速度為橫向±1g,縱向±3g。在安裝處建立spring彈簧單元,將柴油發(fā)電機(jī)組重量分配給四點(diǎn),提取載荷,并進(jìn)行加權(quán),最終每個(gè)螺栓需承受最大橫向載荷為:

        柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)為中心對稱,且剛度較大,螺栓可以看做同心緊固及同心負(fù)荷。由于此處四個(gè)螺栓的主要作用是夾緊,柴油發(fā)電機(jī)組的垂直方向主要由橡膠減震器承受,所以只提取出橫向載荷,又由于重心偏向于柴油機(jī)側(cè),四處安裝螺栓的結(jié)構(gòu)形式以及螺栓規(guī)格是相同的,所以取較惡劣工況,偏向于柴油機(jī)側(cè)的兩處螺栓校核即可。

        3.1 擰緊系數(shù)? 按照擰緊工具(扭矩扳手),根據(jù)VDI2230[2]中表A8,在摩擦系數(shù)等級(jí)B時(shí)確定:?琢A=1.6。

        3.2 確定柔性及作用力傳遞系數(shù)? 螺栓的柔性系數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]5.1章中的5.1/3公式:

        貫穿型螺栓連接w=1,因此計(jì)算得出極限直徑為:

        根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以判斷需要使用一個(gè)變形椎體模型來計(jì)算彈力,按照公式5.1/25進(jìn)行計(jì)算:

        因此,在螺栓頭下面施工作用力時(shí)的載荷系數(shù)為:

        作用力傳遞系數(shù)n根據(jù)圖5.2/4及表5.2/1求出,由于螺栓看做同心緊固及同心負(fù)荷,因此認(rèn)為lA=0,且有:

        按照力的作用線SV1作為連接情況,查表5.2/1有:n=0.7,因此,載荷系數(shù)為:

        3.3 確定由于嵌入產(chǎn)生的預(yù)緊力損耗? 按照VDI2230[2]中表5.4/1的規(guī)定,根據(jù)現(xiàn)有的切向載荷及Rz100,螺紋及分界面分別產(chǎn)生了3?滋m和2?滋m的嵌入,螺栓頭和螺母分別支撐產(chǎn)生了3?滋m的嵌入,因此:

        3.4 最大安裝預(yù)緊力?; 柴油機(jī)的安裝螺栓最大安裝預(yù)緊力按照VDI2230[2]中的公式5.4/23計(jì)算:

        所以選用的螺栓可以承受最大工作載荷。

        3.7 墊片表面壓力? 螺栓頭支撐與墊圈之間的表面壓力使用螺栓的允許安裝預(yù)緊力及支撐面積計(jì)算:

        在安裝狀態(tài)下的表面壓力為:

        墊片的材質(zhì)為不銹鋼 Cq45,根據(jù)VDI2230中的表A9,不銹鋼Cq45的接觸面壓力為:

        根據(jù)VDI2230的公式R10/4,安全系數(shù):

        因此選用的墊片表面工作壓力符合使用要求。

        3.8 防止滑動(dòng)的安全系數(shù)SG及剪切負(fù)荷? 柴油機(jī)的安裝螺栓連接配合面的材質(zhì)是鋼-鋁合金,由此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)VDI2230中的表A6,可以算出現(xiàn)在的防滑動(dòng)摩擦系數(shù)?滋Tmin=0.12。確定所需要的最小夾緊力FKRmin。為了傳遞定義的動(dòng)態(tài)橫向載荷FKQerf,需要一個(gè)最小的夾緊力。在給定的摩擦夾緊面,有一個(gè)傳遞力的內(nèi)部接觸面,需要最小的夾緊力FKRmin可以由公式R12/1計(jì)算得出,動(dòng)態(tài)橫向載荷FKQref可以由公式R12/2計(jì)算得出。

        防止滑動(dòng)的安全系數(shù)SG可以由公式R12/4計(jì)算得出。

        因此柴油機(jī)安裝螺栓的防滑系數(shù)符合使用要求。

        如果柴油機(jī)的螺栓連接因?yàn)槲搭A(yù)見到的橫向載荷的峰值而產(chǎn)生滑動(dòng),也會(huì)對螺栓的安全性產(chǎn)生影響,受危害的橫截面中的螺栓最大剪切負(fù)荷根據(jù)公式R12/5計(jì)算得出

        根據(jù)表5.5/2規(guī)定的抗剪強(qiáng)度關(guān)系及螺栓的額定斷裂應(yīng)力Rm算出其抗剪強(qiáng)度。

        3.9 擰緊力矩? 柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)安裝的螺栓規(guī)格為M24×180-10.9,該螺栓擰緊力矩已根據(jù)VDI2230[2]標(biāo)準(zhǔn)選擇,頭部支撐區(qū)域摩擦系數(shù)為0.12,根據(jù)附表A1選取扭矩,擰緊力矩為1017N.m。

        4? 結(jié)論

        通過以出口德國柏林的柴油發(fā)電機(jī)組為研究對象,對其進(jìn)行有限元仿真分析,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)VDI2230[2]的規(guī)定,對柴油發(fā)電機(jī)組的安裝螺栓進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和校核,計(jì)算過程通過了德國DB公司的審核,也為出口歐洲的柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。

        參考文獻(xiàn):

        [1]EN12663-1::2010,鐵道應(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求 第1部分:機(jī)車和客車(及貨車的替換法)[S].

        [2]VDI 2230-2014,第一部分 高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算-單個(gè)圓柱螺栓連接[S].

        [3]ISO898-1-2013,碳鋼和合金鋼制造的緊固件機(jī)械性能第1部分螺栓、螺釘和螺柱[S].

        [4]ISO4014-2011,六角頭螺栓-產(chǎn)品等級(jí)A和B級(jí)[S].

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