李勋，张志伟，李江南

超高压液压工具在大缸径发动机装配中的应用

李勋1,2，张志伟1,2，李江南1,2

（1.内燃机可靠性国家重点试验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

在大缸径发动机结构中，由于高爆压、高升功率的发动机的开发越来越多，发动机各部件连接所需的摩擦力越来越大，相应的所需螺栓连接的轴力也越来越大，普通螺栓由于消耗在螺纹、支撑面、法兰等的能量较大，实际得到的轴力也较小。液压拉伸结构螺栓能够起到较大的连接轴力的需求，在大缸径发动机的主轴承螺栓、主轴承侧拉螺栓及缸盖螺栓中应用越来越广泛，甚至在连杆螺栓中也开始出现应用，安装这种螺栓也需要专用的液压工具。在曲轴和飞轮的连接中，由于需要更大的传递扭矩，过盈配合结构的轮毂和曲轴应用在大缸径发动机中，而安装这种过盈结构，也需要液压工具。文章从发动机实例介绍说明这两种超高压液压工具在大缸径发动机装配中的应用。

发动机；装配；液压工具；螺栓；轮毂；液压拉伸器

引言

大缸径四冲程发动机高爆压、高升功率的发动机的开发越来越多，发动机各部件连接螺栓紧固轴力越来越大，普通螺栓由于消耗在螺纹、支撑面、法兰等的能量较大，实际得到的轴力也较小。液压拉伸结构螺栓由于直接被拉伸、直接作用于螺栓的轴力而没有过多损失，对支撑面破坏小、对螺纹破坏小，可以通过液压拉伸器直接获得较大的轴力，在大缸径发动机上的应用越来越广泛。液压拉伸工具是专用于某一结构的液压螺母设计，通过超高压液压电动泵的驱动，实现液压油打入拉伸器，拉伸螺母，实现螺母的拉伸到位。

在曲轴和轮毂的连接中，通过过盈配合可以传递更大的扭矩，而通过设计合理的配合间隙、倾斜角度及摩擦副油道，使用专用的液压工具可以方便进行安装和拆卸，液压工具安装时需要通过轴向液压推进器的推进和径向打入液压油建立的径向压力，通过两个液压泵建立的压力的相互配合，实现轮毂向曲轴的安装。

超高压液压工具主要厂家有德国SCHAAF公司，德国ITH公司等，主要产品在高端工具，国内有常州爱普等，产品主要分布在中低端工具，液压泵压力主要有700bar、1600 bar、2500bar、3000bar和4000bar等级别。

1 液压拉伸器原理简介

超高压液压系统拉伸螺栓，拉伸螺母通过油缸连接螺柱，直接对螺栓施加外力，使被施加外力的螺栓在弹性变形区内被拉长，从而使螺母以零扭矩紧固，液压拉伸器通过液压系统提供高压动力源。

液压拉伸器结构见图1所示，当液压泵将液压油泵入拉伸器油缸中时，活塞和油缸之间将迫使有相对运动，此时支撑环主要是支撑住拉伸器整体，而拉伸头则将螺母拉伸至指定位置，从而实现拉伸器的拉伸，通过控制液压油的压力，则可以精确控制螺母的轴力[1]。

图1 液压拉伸器结构

以下公式中，螺栓拉伸轴力F等于液压油压力p和活塞油缸截面积的乘积。

式中：

：螺栓拉伸轴力（N）

：液压油压力（Pa）

：液压拉伸器活塞油缸截面积（mm2）

液压拉伸器工作过程如下：

初始位置：将液压螺栓拉伸器旋入螺栓，当开始增大液压压力后，油缸里的活塞开始上升，推动拉头向上移动，开始拉伸螺栓。

伸长和压缩：当液压压力增加时，轴向拉伸力将拉长螺栓，这时螺母因螺栓的伸长而上升，与法兰接触面脱离开来，根据弹性变形的原理，同样大小的反向预紧力将会压缩法兰，当达到要求的预紧力时，停止加压。

拧紧螺母：当达到要求的预紧力后，可用拨棍拧紧螺母，此时，轴向预紧力被保留在螺栓里，泄压后可取下液压螺栓拉伸器。

图2 液压拉伸器结构

螺栓拉伸器的优点总结如下：

（1）可消除扭转载荷的产生，节省日后维护成本，创造经济效益。螺栓的用途是将两个原件紧密地连接在一起，螺栓轴向预紧力是唯一起作用的力，其他任何形式的应力都会对该用途起破坏作用。例如使用力矩扳手时（液压、电动、气动、力矩倍增器），由于螺母与螺纹、螺母与支撑表面之间会产生摩擦，从而伴随产生扭转载荷，这将削弱螺栓紧固的效果和部件的耐用性，因为扭矩载荷是螺栓产生材料疲劳及日后发生自燃松动的主要原因。当使用拉伸器来产生轴向预紧力时，可消除扭转载荷的产生，从而节省日后维护成本。

（2）最大程度的精确性。使用液压拉伸器精度较高，因为它能产生纯粹的轴向预紧力，与理论值相比，轴向预紧力不超过4%的误差。由于不受螺纹润滑效果和摩擦大小的影响，使用轴向拉伸技术能确保轴向预紧力无限接近但不会超过螺栓的屈服极限，从而保证了紧固的质量。同时可以在拉伸过程中，同时测量螺栓的伸长量，达到精确的控制。

（3）大大增加螺栓连接的质量和安全性。纯粹的轴向预紧力可被准确计算和控制，而该轴向预紧力比力矩扳手产生的合成力（即轴向载荷与扭转载荷的合成）更强大，更能紧密及安全地锁紧相关元件。

（4）不需要再考虑摩擦系数的影响。使用力矩扳手（液压、电动、气动、力矩倍增器）拧紧螺栓时，需要将扳手、螺母、螺纹、工件表面之间的摩擦系数考虑在内，以便计算出所需轴向预紧力并据此确定扭矩的大小。根据不同的材料和表面光洁度，该摩擦系数的差异很大，通常会在=0.08到0.35之间[2]，而且该摩擦系数在很多场合下是难以确定的，这会导致计算结果有很大偏差。比如，选择=0.08与选择=0.35相比较，其最终计算得出的两个所需轴向预紧力会有400%的差别。与之相比，使用液压螺栓拉伸器，不需要再考虑摩擦系数的影响，因为它的工作过程没有摩擦，只有轴向拉伸，因而最终得到的预紧力精度是很高的。

（5）使真正的同步拉伸得以实现。由于液压螺栓拉伸器轴向拉伸的特点，使真正的同步拉伸得以实现，同步拉伸有以下明显的优点，每个螺栓受力均匀，预紧效果完全一致，消除零件的不同间隙，加强紧固程度和法兰的密封性能。

（6）不会损坏法兰等原件。力矩扳手（液压、电动、气动、力矩倍增器）工作时，会在工件表面转动以拧紧或拧松螺栓，这时会摩擦工件表面而令工件磨损。力矩扳手的反力支撑臂对工件造成损伤会更大。例如液压扳手，其支撑臂可对工件施加最大达数十吨的力，对工件破坏力较大。

（7）容易拆卸。即使螺栓使用时间较长，也能很容易地进行拆卸及重复使用，便于设备日后的检修与维护。

2 轮毂安装液压推进器简介

在发动机曲轴和轮毂结构中，曲轴头部安装轮毂位置一般设计为有一定楔形角度的结构，同时在相配合的轮毂上设计对应角度的楔形结构，并在轮毂上设计螺旋油道，以在安装时起到径向油压的均匀、快速、充分的建立，而安装轮毂至曲轴的过程即是通过轮毂径向和轴向的相互配合的作用力，将轮毂安装到位，总体自动安装系统见图3所示，其主要工作过程是：

图3 液压拉伸器结构

曲轴（或者轮毂）径向油道连接超高压油泵，高压油泵将液压油打入油道，通过高压液压油的压力将轮毂和曲轴之间形成油腔空隙，同时当轴与轮毂有相互移动时可以消除轴与轮毂之间的磨损；将轮毂安装液压推进器安装在曲轴端部，液压推进器可以产生沿曲轴轴向的位移，推动轮毂在曲轴上的移动，但此安装过程并不是一次安装到位的，是需要径向油压和轴向液压推进器共同作用的结果。其安装压力过程如图4所示，液压推进器和轮毂径向压力依次作用，将轮毂安装到位。将轮毂安装到位后只拆掉径向油压工具，油压推进器还需要进行一定时间的保压（拆掉推进器连接液压泵，关闭推进器阀门），以确保安装后不出现轮毂和曲轴的相对滑移，通常保压时间为12-24小时。

图4 轴向和径向两个液压泵泵压过程

3 螺栓拉伸器应用

螺栓拉伸器已普遍应用于大缸径发动机的装配中，典型应用工位有气缸盖螺栓、主轴承螺栓、主轴承侧拉螺栓和连杆螺栓等。

以下以某机型大缸径发动机拉伸器为例，介绍在发动机液压拉伸螺母上的应用。见图5，在直列6缸发动机的紧固中，以在紧固过程中对整机变形影响最小为标准，制定液压螺栓的紧固顺序。

在主轴承液压螺栓紧固中，紧固顺序从飞轮端开始往前，顺序各个轴承处两个主轴承螺栓同时紧固。

在主轴承辅助液压螺栓中，先进行A侧辅助螺栓的顺序紧固，再进行B侧辅助螺栓顺序紧固。

在缸盖液压螺栓紧固中，参考主轴承辅助螺栓的顺序，按要求紧固。

图5 螺栓紧固顺序

在主轴承螺栓紧固中，一般会通过实时测量螺栓伸长量来判断螺栓紧固是否安装合格，由于不同厂家、不同批次、不同长度、不同截面积的螺栓可能一致性有差异，一般其伸长量须经过现场实际测量最终确定。

液压拉伸器在弹性范围内螺栓的加载，伸长量和所受载荷之间的关系可用胡克定律来精确描述[2]。

胡克定律如下：

式中：

△l——变形量（m）；

FN——拉伸力（N）；

l——长度（m）；

E——材料弹性模量（Pa）；

A——截面积（m2）。

测量螺栓伸长量一般有两种方式，一种是传感器内置在拉伸器内部，一种是传感器外置在拉伸器外部。下图6是拉伸器设计时将伸长量传感器内置，直接测量螺栓头部相对于拉伸器本体的伸长量。

图6 传感器内置式拉伸器

下图为一种外置测量螺栓伸长量的方式，将传感器固定在从机体伸出的支架上，测量旋在螺栓上的拉伸器的位移，即得出螺栓伸长量。

图7 传感器外置式拉伸器

4 轮毂安装液压推进器应用

轮毂安装液压推进器使用在发动机轮毂和曲轴的安装中，实现轮毂在曲轴上的安装。径向轮毂和曲轴之间的压力通过在轮毂上的液压油道建立径向压力，其接口在轮毂上有专门油道接口；而轴向则通过液压推进器进行轮毂向曲轴方向的位移安装。

图8 轮毂安装液压推进器在发动机轮毂安装的应用

使用某些公司开发的螺栓装配质量控制系统，可以检测和记录拉伸过程中的压力-伸长量曲线，并且满足拉伸规范及系统出现错误时会自动关闭。工具通过液压油管和快速接头进行连接。液压单元有一个液压回路，与两个压力发生器并联，用于快速增压，PLC控制硬件，该过程由高精度的压力传感器进行控制。自动控制程序调节液压压力并控制阀门，确保安全性和重复的准确性。

图9 轮毂安装液压推进器安装在发动机上图示

压力接头是轴与轮毂之间的特殊的锥形压力连接件，压力连接是用来连接尺寸过大的连接件，这就是如何通过圆周产生均匀的接头压力，从而传递交变和冲击扭矩，使用压力接头时，轴和轮毂略微呈锥形（锥角1°到5°）。

轮毂通过液压推进器推到轴上，同时接头中产生的径向压力使轮毂膨胀，轮毂被推到轴上，直到配合区域彼此相连。然后通过一个油孔加油，使轮毂膨胀，这就是将轮毂最终推到一起的方式。释放压力后，轮毂和轴彼此压在一起。

通过自动拉伸，液压推进器最初以低压安装到轮毂上。同时，液压推进器通过装配过程中仍存在的自由行程移动，形成轴与轮毂的连接。然后开始连接，径向压力增加，直到轮毂膨胀，在轻微的轴向压力下，轮毂被少量的推到轴上。

径向压力和轴向压力分阶段增加，路径被持续监测。重复程序，直到达到最终行程。当轮毂到达轴上的最终位置时，拉伸过程结束。

关于自动拆卸，首先液压推进器放在轮毂上，系统也会监测推进器是否拉伸到足够长的距离，使得连接时有足够的返回路径。径向压力缓慢增加，当轮毂浮动时，径向压力不断增加，这表明压力连接已经释放。此外，浮动是由液压推进器的行程变化显示出来的，这一改变也会触发连接的浮动。径向和轴向压力通过预设的下降率同时衰减，轮毂和轴完全分离，则拆卸过程结束。

5 结束语

液压拉伸工具在大缸径发动机螺栓安装和轮毂安装上的应用越来越广泛，通过液压工具的使用，提高了安装精度、加快了安装时间、保证了安装质量，同时对连接件的影响较小，是一种非常好的连接方式。

[1] 李文华,潇然,张河新.螺栓拉伸器的原理及应用[J].哈尔滨轴承, 2006(03):22-23.

[2] 刘继国.液压拉伸器在压力容器法兰紧固中的应用[J].化工管理, 2017,06(6):241-242.

Application of Ultra-high Pressure Hydraulic Tools in Assembly of Large-bore Engines

Li Xun1,2, Zhang Zhiwei1,2, Li Jiangnan1,2

（1.National Key Laboratory for Internal Combustion Engine Reliability, Shandong Weifang 261061; 2.Weichai Power Co. Ltd., Shandong Weifang 261061）

In the large diameter cylinder engine structure, due to high pressure, high power engine development more and more, the engine friction is more and more needed for the connection of different parts, corresponding the axial force of bolt connection required also more and more big, the ordinary bolt due to consumption in the energy of the screw, bearing surface and flange is larger, the actual axial force is lesser also. Hydraulic tensile structure bolts can play a larger connection axial force demand, in the large cylinder diameter engine main bearing bolts, main bearing side pull bolts and cylinder head bolts are more and more widely used, even in connecting rod bolts also began to appear in the application, the installation of this bolt also need special hydraulic tools. In connection with crankshaft and flywheel, due to the need for greater transmission torque, interference fit structure of the hub and crankshaft used in large bore engines, and the installation of this interference structure, also need hydraulic tools. This paper introduces the application of these two kinds of ultra-high pressure hydraulic tools in the assembly of large-bore engine.

The internal combustion engine; Assembly; Hydraulic tools; Bolt; Wheel hub; Hydraulic tensioner

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.045

U464

A

1671-7988(2021)02-138-05

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李勋（1986-），男，山东济宁人，中级工程师，就职于潍柴动力股份有限公司，主要研究方向为发动机装试工艺。