某型柴油机空冷器螺栓断裂分析与解决措施

摘 要：某型柴油机在工厂试验时出现柴油机空冷器螺栓断裂事故，本文利用Pro-e对空冷器进行实体建模，利用ANSYS对空冷器进行有限元分析，计算出空冷器不同的设计结构在工作温度、工作压力、振动等作用下，空冷器螺栓的受力情况。从有限元分析结果发现原有的设计存在缺陷，导致空冷器连接螺栓工作应力超过螺栓许用应力，从而发生螺栓断裂；通过对原有设计结构的修改，降低空冷器螺栓工作应力，保证了柴油机运行安全。

关键词：空冷器；螺栓；有限元分析

引 言

某型柴油机在工厂试验期间，发生空冷器漏气现象，初步判断认为是柴油机气缸盖与空冷器之间的密封垫损坏导致空冷器漏气，更换后未解决空冷器漏气现象，通过进一步检查发现是由于空冷器螺栓的断裂导致增压空气从断裂的螺栓孔泄漏。随后检查了所有已完成试验或已交付业主运行的柴油机均发现空冷器螺栓有断裂的情况。

在空冷器螺栓发生断裂后，首先对空冷器螺栓进行理化性能分析，螺栓理化性能分析结果合格；其次对空冷器进行有限元分析，验证空冷器是否存在设计缺陷，导致在空冷器运行时，空冷器螺栓断裂。

1 空冷器有限元分析

柴油机空冷器主要是由空冷器管板、侧板、支撑板以及换热管组成，此次主要研究空冷器侧板和管板、支撑板之间的连接螺栓。

1.1 柴油机空冷器三维模型建立

利用Pro-e软件建立空冷器三维模型，并利用ANSYS对空冷器模型进行划分网格，对空冷器网格进行合理分布，对螺栓位置进行细化，以提高计算精度，缩短计算时间。空冷器侧板和支撑板之间采用M12-12.9级螺栓连接，空冷器管板和侧板采用M12-12.9级螺栓连接。

1.2 计算边界条件

空冷器安装在柴油机支座上，空冷器上方安装空冷器罩壳，为简化计算，对于空冷器固定采用中央节点固定，不考虑罩壳等对其的加强。

1.3 空冷器载荷

空冷器在工作状态主要承受来源于增压空气热载荷和机械载荷。

1.3.1 温度载荷

柴油机空冷器分为1级和2级两个部分，其中1级空冷器为高温部分，2级空冷器为低温部分。

按照柴油机空冷器进口空气温度230℃，空冷器出口温度50℃考虑空冷器，同时考虑管板位置的水侧对流情况。通过ANSYS对空冷器进行模拟计算。

1.3.2 机械载荷

空冷器机械载荷是指空冷器承受的气压，水压以及空冷器震动，在计算时考虑增压空气压力为0.3MPa，冷却水压力为0.6MPa，震动加速度考虑5g，另外空冷器还承受M12螺栓的预紧力34.37kN。

1.4 材 料

柴油机空冷器侧板、支撑板材料采用Q235A材料制造，换热管材料采用CuNi10，管板材料采用HSn62-1，螺栓等级采用12.9级螺栓。各种20℃材料的主要特性见表1。

1.5 计算结果

利用ANSYS进行有限元分析，在计算过程中将空冷器所受的热负载，机械负载进行综合考虑，空冷器的最大形变位置在空冷器前后管板位置，最大位移量为2.62mm；空冷器在工作状态下螺栓最大应力为1127MPa，最大应力位置集中在空冷器接近空气进口的一排螺栓。

通过计算，在空冷器工作状态下，螺栓最大应力达到1127MPa，超过的螺栓的屈服极限1020MPa，在这种工作载荷下，螺栓会发生屈服变形，最终导致螺栓的断裂，所以在该位置使用12.9级的螺栓不能满足设计要求。

2 设计改进

通过对空冷器的温度分布进行比较，空冷器进气口和出气口的位置温差较大导致空冷器支撑板温度分布严重不均，如图5所示，空冷器支撑板最大温度达到230℃左右，最小温度为50℃左右，导致较大的热应力。鉴于这种状态，我们考虑将空冷器进气口位置的支撑板进行改进，将支撑板切断到与换热管齐平，同时利用杆件将空冷器进气口侧的两排螺栓相连。

通过对改进后的空冷器进行有限元计算，螺栓最大应力位置由原来的接近空冷器进气口位置，变为空冷器中间部分螺栓。螺栓承受的最大应力为814MPa，该值小于12.9级螺栓的屈服应力1020MPa。

3 结 论

根据有限元分析结果，改进空冷器支撑板设计。设计改进后的空冷器在多台柴油机进行试验的结果表明，空冷器螺栓断裂问题得到彻底解决。

参考文献

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

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