藍(lán)仁義，劉文元

（1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537000；2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南寧 530216）

0 概述

螺栓連接廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，有工業(yè)之米之稱，傳統(tǒng)的螺紋聯(lián)接在靜載荷作用且工作溫度變化不大的情況下，螺紋間松脫力矩小于自鎖力矩，一般不需要采取防松措施阻止螺栓松脫，發(fā)動(dòng)機(jī)采用螺紋聯(lián)接的零件部在高溫、振動(dòng)、沖擊等變化因素影響時(shí)，會(huì)存在螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力逐漸衰減、松動(dòng)、斷裂等潛在失效情況，導(dǎo)致導(dǎo)響、漏油、漏氣、漏水等故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能并存在嚴(yán)重的安全隱患，因此，可靠的高溫防松技術(shù)是確保發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要因素，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)已成為車輛螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)方向之一。

某大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家在新產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)系列的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管、渦輪增壓器緊固螺栓松脫，導(dǎo)致密封部位的墊片出現(xiàn)燒蝕漏氣等故障，如圖1所示。

圖1 排氣歧管出口法蘭漏氣

為了解決此問(wèn)題，通過(guò)增加螺栓長(zhǎng)度并在螺栓與被連接件之間增加一個(gè)金屬套以降低螺栓的工作溫度，使螺栓工作在彈性變形區(qū)間，可以有效提升抗松馳能力，但長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)作下螺栓仍會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)松脫；施必牢螺紋防松是在內(nèi)螺紋的牙底加工出30°楔形斜面，在相同的軸向載荷條件下，通過(guò)改變外螺紋牙尖接觸點(diǎn)的法向力方向，使螺紋接觸的法向力比普通紋大而產(chǎn)生較大的摩擦力來(lái)達(dá)到良好的防松效果，施必牢螺紋的連接方法需要在被連接件上同步采用30°楔形斜面螺紋，對(duì)螺紋精度及一致性要求高，且裝配復(fù)雜。

楔形防松墊圈是通過(guò)兩片完全相同的外側(cè)帶有方向性的放射狀的密集小齒面，內(nèi)側(cè)為較大的斜齒面，在螺紋緊固時(shí)小齒面嵌入緊固件和被聯(lián)接件表面，放射狀小齒的齒尖方向與螺栓擰緊方向相反，在螺栓松脫時(shí)可以嚙合住螺栓使其只能沿兩墊片楔形表面之間產(chǎn)生位形，由于相互嚙合的內(nèi)側(cè)斜齒面角度“α”大于螺紋升角“β”，使墊圈沿厚度方向擴(kuò)張的距離大于軸向位移，螺栓被拉長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生更大的軸力來(lái)阻止螺栓的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)[1]，但此方案裝配復(fù)雜、成本高，且沒(méi)有針對(duì)高溫下使用的墊圈產(chǎn)品，本文在楔形防松墊圈結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種全新的自鎖結(jié)構(gòu)的螺栓連接方案，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)及裝配工藝，具有成本低，防松效果好等特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案零件結(jié)構(gòu)主要由1-螺栓與2-墊片兩部分組成，螺栓的法蘭面上設(shè)計(jì)有與墊片上端面相配合的大斜齒形，墊片的下端面設(shè)計(jì)有放射狀密集的細(xì)齒，根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)溫度場(chǎng)試驗(yàn)[2]的測(cè)試結(jié)構(gòu)，排氣歧管表面的溫度在481℃～631℃之間，螺栓與墊片均采用耐熱合金結(jié)構(gòu)鋼（25Cr2MoVA或0Cr15Ni25Ti2Mo等）制造，材料性能見(jiàn)表1，墊片采用滲碳工藝使其表面硬度達(dá)到600 HV以上，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 25Cr2MoVA/0Cr15Ni25Ti2Mo耐熱性能[3]

圖2 螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，螺栓通過(guò)法蘭面的大斜齒形帶動(dòng)墊片旋轉(zhuǎn)，墊片下端面的放射狀密集細(xì)齒的齒尖方向與螺栓擰緊方向相反，在螺栓擰緊過(guò)程中齒尖相對(duì)于工件表面滑動(dòng)，當(dāng)螺栓擰緊到一定力矩時(shí)，由于經(jīng)滲碳處理墊片表面硬度遠(yuǎn)大于工件的表面硬度，螺栓的軸向夾緊力通過(guò)墊片的下端面作用于工件，使墊片的放射狀密集細(xì)齒楔入工件表面，產(chǎn)生與墊片下端面放射狀密集細(xì)齒相配合的壓痕，增大了墊片下端面與工件表面的摩擦系數(shù)。

當(dāng)螺栓擰松時(shí)，由于墊片下端面與工件表面的摩擦系數(shù)增大，且螺栓擰松時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向與墊片下端面的齒尖方向相同，工件上與墊片下端面配合的放射狀密集細(xì)齒壓痕形成的摩擦力產(chǎn)生的力矩大于螺栓擰緊時(shí)的力矩即可以阻止墊圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由圖3的結(jié)構(gòu)可知，螺栓與墊片的嚙合的大斜齒形面夾角“α”大于螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的螺紋升角“β”，墊圈沿厚度方向擴(kuò)張的距離大于沿螺栓軸向可產(chǎn)生的位移，螺栓被拉長(zhǎng)，產(chǎn)生更大的軸力，想要擰松螺栓，必須施加一個(gè)力矩，使螺栓拉長(zhǎng)量大于螺栓法蘭與墊片配合大斜齒面斜邊與齒面斜角正弦值的乘積，方可擰松螺栓。

圖3 防松原理圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 裝配工藝性優(yōu)化

為了減少裝配步驟，提高裝配效率，本設(shè)計(jì)方案在生產(chǎn)時(shí)先將栓螺與墊片熱處理，裝配在一起后再滾絲處理的工藝流程，由于滾絲后螺紋大徑大于墊片的孔徑，可以解決楔形墊片在裝配過(guò)程中漏裝、丟失等問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)成本地圖計(jì)算，相對(duì)于現(xiàn)有裝機(jī)兩種結(jié)構(gòu)，其裝配效率由改進(jìn)前的366 s減少為改進(jìn)后的174 s，效率提升110%，如表2所示。

表2 成本地圖裝配效率對(duì)比分析2.2 擰緊力矩試驗(yàn)

試驗(yàn)方案為M8的防松螺栓，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，根據(jù)高強(qiáng)度螺栓擰緊力矩的推薦值在30N·m～50N·m之間，按力矩間隔值5N·m取5組力矩值測(cè)試螺栓擰緊時(shí)墊片對(duì)工件表面的壓痕情況，如表3所示。

表3 壓痕測(cè)試

由圖5可知，通過(guò)對(duì)螺栓施加不同擰緊力矩，墊片下端面密齒對(duì)工件的壓痕深度由淺到深，其中力矩值為35 N·m與40 N·m時(shí)工件表面壓痕清晰，力矩為30 N·m的時(shí)工件表面壓痕較淺，力矩值為45 N·m與50 N·m時(shí)工作表面壓痕模糊混亂，應(yīng)是螺栓擰緊時(shí)力矩過(guò)大使墊片下端齒面產(chǎn)生滑移，破壞了工件表面壓痕，可能會(huì)導(dǎo)致墊圈與工作接觸面的摩擦系數(shù)變差，不能達(dá)到防松效果，故根據(jù)壓痕測(cè)試綜合考慮螺栓擰緊力矩要求，對(duì)強(qiáng)度為10.9級(jí)的M8自鎖螺栓采用45 N·m的擰緊力矩在原來(lái)出現(xiàn)連接部位漏氣故障的機(jī)型上進(jìn)行搭載試驗(yàn)。

圖5 可靠性試驗(yàn)拆檢-排氣管密封面

2.2 可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)的前已完成兩種（65 mm與35 mm）長(zhǎng)度的M8自鎖螺栓的樣件試制，分別搭載在《YC4A175-T300（A51E00） 500 h故障閉環(huán)可靠性試驗(yàn)》[4]，《 YK800FOSOO2-500 h活塞開裂故障閉環(huán)可靠性試驗(yàn)》[5]兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，試驗(yàn)完成拆檢如圖4、5、6所示，排氣管與缸蓋結(jié)合面密封位置無(wú)漏氣熏黑痕跡，墊片兩面也沒(méi)有燒蝕與漏氣痕跡，新設(shè)計(jì)的自鎖螺栓方案通過(guò)500 h可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，可靠性后拆檢測(cè)檢測(cè)螺栓的力矩均 在（50～60）N·m不 等，力矩增大的原因主要是擰緊螺栓后防松墊圈會(huì)在排氣管與螺栓表面形成壓痕，使墊片下端面的摩擦系數(shù)增加阻止了墊片在螺栓拆卸時(shí)跟隨螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺栓擰松時(shí)必須通過(guò)螺栓整體的伸長(zhǎng)來(lái)克服α＞β角引起的阻力，符合設(shè)計(jì)之初對(duì)零件防松結(jié)構(gòu)的預(yù)想。

圖4 可靠性試驗(yàn)拆檢-氣缸蓋密封面

圖6 可靠性試驗(yàn)拆檢-密封墊片正反面

3 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)介紹了一種基于楔形防松墊圈結(jié)構(gòu)原理開發(fā)的高溫螺栓防松螺栓的開發(fā)及驗(yàn)證過(guò)程，通過(guò)分析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上排氣歧管、渦輪增壓器及EGR連接螺栓螺的使用工況，選用合適的耐高溫合金結(jié)構(gòu)鋼，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)采用精益設(shè)計(jì)的成本地圖分析方法，優(yōu)化了零件裝配效率，搭載在不同系列的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行500 h可靠性試驗(yàn)并順利通過(guò)考核，證明此方案在解決排氣管、EGR、渦輪增壓器等高溫件的聯(lián)接密封是有效的，為擴(kuò)大驗(yàn)證范圍，目前已完成13個(gè)機(jī)型小批量裝機(jī)投放，累計(jì)裝機(jī)數(shù)量達(dá)20萬(wàn)支，并進(jìn)行了持續(xù)1年的市場(chǎng)跟蹤，暫未收到關(guān)于此零件引起的質(zhì)量故障反饋，進(jìn)一步說(shuō)明此設(shè)計(jì)方案對(duì)解決發(fā)動(dòng)機(jī)高溫件的連接密封是可靠的。