陈福明， 王　奎， 刘利军

( 中船动力研究院有限公司， 上海 200129)



机架螺纹孔螺纹镶套方案应力分析

陈福明， 王奎， 刘利军

( 中船动力研究院有限公司， 上海 200129)

摘要机架螺纹孔在加工过程中经常出现螺纹损伤，表面粗糙度超标。通过将螺纹孔处扩孔并增加镶套的办法可以进行修复。根据机架螺纹孔的镶套方案，建立原设计和增加镶套改制后的三维有限元模型，进行静强度计算，研究静载下螺纹孔的应力分布情况。结果表明，增加镶套方案改善了螺纹孔处的静态应力状态，这为机架螺纹孔的优化设计提供了很好的参考。

关键词机架螺纹孔螺纹损伤镶套静强度分析

0引言

船用柴油机机架螺纹孔在加工过程中，经常出现螺纹损伤，导致螺纹的表面粗糙度超标，不能满足装配要求。工程实际中多采用增加镶套的方案对螺纹孔螺纹损伤进行修复[1～3]。

在本文中某型船用低速柴油机机架上缸盖螺纹孔加工过程中，由于刀具出现问题导致螺纹孔处产生螺纹损伤，螺纹孔损伤情况如图1所示。现欲采用增加镶套的方法对该螺纹孔损伤处进行修复处理，先对机架上缸盖螺纹孔处进行扩孔并加工出内螺纹，采用有内外螺纹的镶套进行装配，其中镶套的内螺纹与缸盖螺栓的螺纹啮合，镶套的外螺纹与加工的机架螺纹孔内螺纹啮合。为了保证增加镶套的方案能满足使用要求，本文对原设计的缸盖螺纹孔以及增加镶套方案的缸盖螺纹孔进行了静强度分析，研究了镶套方案对螺纹孔应力分布的影响。

图1　螺纹孔螺纹损伤

1计算输入

1.1模型描述

该型船用柴油机的机架三维模型如图2所示，该柴油机为V型，一侧缸盖螺纹孔在加工过程中出现加工缺陷，箭头所示位置为缸盖螺纹孔处出现螺纹损伤的位置。在进行分析时，考虑到计算量的大小以及缸盖螺栓的应力影响区域范围，计算时选取足够的区域进行切割，对切割边界处施加约束进行强度分析。

图2　机架三维模型

本计算包含设计模型和螺纹孔增加镶套后的改制模型，主要是分析机架螺纹处的强度问题，原设计模型包括缸盖螺栓和机架螺纹孔两部分，改制模型增加了镶套，组件剖面图如图3所示。

图3　计算模型

为了对机架螺纹孔螺纹牙处的应力进行对比分析，本次计算中分别对原设计模型和实际返修模型施加了相同的边界条件。以下原设计模型称为设计模型；实际存在缺陷、返修增加镶套的模型称为改制模型。

1.2材料特性

根据图纸和相关技术文件[4]，机架的材料为30号钢，螺栓的材料为35CrMoA。设计的镶套材料与机架相同。材料属性参数如表1所示。

1.3工况说明

计算模型的载荷为气缸盖螺栓的预紧力，该螺栓采用液压拉伸器进行预紧，液压拉伸器内部M52的螺纹孔与缸盖螺栓螺纹进行啮合。通过注入高压油后将内部抬起，相应地将缸盖螺栓进行拉伸，然后旋转缸盖螺栓的螺母使其向下拧紧。液压拉伸器卸载压力后，通过缸盖螺栓的螺母实现了螺栓的预紧力施加。

表1　材料属性

液压拉伸器的效率按照100%进行计算，得出气缸盖螺栓的预紧力。根据液压拉伸器图纸可知，拉伸器活塞油压作用的有效面积为103.67 cm2，液压拉伸器泵紧时，腔内的油压为415 bar，计算螺栓预紧力为F=P×s=430 230 N。

2计算过程及结果

2.1有限元模型及边界条件

图4　网格模型

(1) 位移边界条件。

计算模型的边界约束如图4所示，对原设计模型和改制后的模型对应的机架切面处施加固定约束，模拟机架对螺纹孔处模型的约束作用，螺纹啮合各牙之间定义接触关系，模拟螺纹的啮合。

(2) 载荷边界。

计算中仅考虑缸盖螺栓的预紧力作用，对螺栓端面施加向上的泵紧力，泵紧力即为螺栓的总拉力430 230 N，加载时在对应螺栓截面上施加向上的拉力来模拟缸盖螺栓的预紧拉伸作用。

2.2计算结果

螺纹连接在第1牙处会出现应力集中现象，并且多在第1牙处出现破坏[5～7]。本文计算的原设计模型和改制后模型机架螺纹孔的应力结果如图5(a)、(b)所示，箭头方向为螺纹牙序列增大方向。由于模型结构的原因，在第1牙螺纹处均出现一定的应力集中现象，第1牙的应力值都偏大。原设计模型机架螺纹孔第1牙最大等效应力为349.6 MPa，改制模型机架螺纹孔第1牙处出现最大等效应力为286.2 MPa。螺纹各牙的应力呈现出递减的趋势，应力主要分布在前10牙。

图5　机架螺纹孔应力结果

改制所采用的镶套应力结果如图6所示，箭头方向为螺纹牙序列增大方向。镶套模型包含内螺纹和外螺纹，应力状态相对复杂。内螺纹在第1牙处出现应力集中，最大等效应力为248 MPa，内螺纹各牙应力呈递减的趋势，前5牙存在较明显的应力递减，主要应力出现在前10牙左右。

图6　改制模型镶套应力结果

对原设计机架螺纹孔、改制模型机架螺纹孔和镶套内螺纹孔各牙应力进行总结，选取第1牙出现最大应力位置的截面，该截面处各牙的平均应力总结如表2所示。从表中可以看出，不管是改制模型还是原设计模型，第1牙处的应力均偏大，该应力主要由该处的结构特点引起。从第2牙开始，各牙应力有递减的趋势，且前5牙应力递减趋势较为明显。第6牙到第10牙应力趋于稳定，递减的趋势不是很明显。计算得改制模型机架螺纹孔各牙应力平均降幅约为26.2%，增加镶套的内螺纹与原机架螺纹孔相比各牙等效应力降幅约为13.0%。

表2　螺纹牙应力结果

3结果分析

将表2中各牙的应力结果进行处理如图7所示，其中包含原设计机架螺纹孔各牙平均应力、改制模型机架螺纹孔各牙平均应力和改制模型中镶套内螺纹孔各牙应力结果。

从图中可以看出，设计模型机架螺纹孔第1牙处出现最大等效应力为349.6 MPa，增加镶套方案后机架螺纹孔第1牙处出现最大等效应力为286.2 MPa，等效应力值有所降低。除第1牙应力集中外，其余各牙的应力有明显的递减趋势。增加镶套方案后，镶套内螺纹孔以及机架内螺纹孔各牙的应力均有所降低。对于增加的螺纹孔镶套内螺纹，在第1牙出现最大等效应力为248 MPa，与原设计机架螺纹孔相比有所降低。

图7　各牙应力结果比较

4结论

机架螺纹孔处采用镶套的修复方案，能有效地改善螺纹牙的应力状态。改制后机架螺纹孔以及镶套套筒内螺纹各牙的应力与原设计机架螺纹孔相比，各牙的等效应力有明显的降低。这为机架螺纹孔的优化设计提供了参考。

参考文献

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The Strength Analysis of Bushing Mounting for Frame Thread

CHEN Fu-ming， WANG Kui， LIU Li-jun

(China Shipbuilding Power Engineering Institute Co., Ltd.， Shanghai 200129, China)

AbstractScrew damage often occurs in manufacturing the threaded hole of the frame, which exceeded surface roughness standard. It can be repaired by adding bushing mounting in the threaded hole. The finite element model for the original design and the reforming design were set up, and the static strength was analyzed, and the stress distribution of the models was studied. Results showed that adding bushing mounting can improve the static stress of the threaded hole, which provides a good reference for optimum design of the threaded hole.

KeywordsFrame threaded holeScrew damageBushing mountingStatic strength

中图分类号G316

文献标志码A

作者简介：陈福明(1961-)，男，研究员，长期从事船用柴油机制造技术的研究，擅长大型数控加工设备制造技术和解决疑难杂症。