发动机缸盖螺栓断裂原因分析及验证
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《起 重运输机械》 ２０１６ （５）
缸 盖螺 栓为 细 长 杆 ，固 定 方 式 为 螺 栓 头 与 气 缸盖 接触 ，底 部 的螺 纹 紧 固 在 机 体 上 ，螺 栓 中部 无 固定 。气 缸 盖 、气 缸 套 采 用 环 形 止 口定 位 ，可 以相对 机 体 安 装 孔 发 生周 向 旋 转 。 国产 同 型 号 发 动机装配过程 中，气缸盖通过工艺校正板 进行准 确定位 ，气 缸 套 周 向 定 位 依 赖 于 装 配 人 员 目视 来 保 证 ，因此气缸 套 可能 出现 轴 向旋 转 。
查看 同型 号 国产 发 动 机 气 缸 图 纸 ，气 缸 套 散 热片过 孑Ｌ与缸 盖螺 栓 之 间 理论 间 隙 ０．９ ｍｍ。气 缸 套发 生周 向旋 转 时 ，其 散 热 片过 孑Ｌ与 Ｉ号 （或 ２
号 ） 缸盖 螺栓 间 隙最小 不足 ０．１ ｍｍ。 缸 盖 螺栓在 发 动 机 工 作 时 不 断 振 动 ，最 大 相
一
２９ —
１Ｏ ｂ。 ０
— １Ｏ
＋４ ６０４ ￣＋０７
０ ｏ７
Ｉ≥
Ｏ ０ Ｏ ０ Ｏ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ
２ ３ ４
频 率／Ｈｚ （ｂ）
（ａ）时间历程 （ｂ）功率谱 密度 图 ７ 空载工况第 ｌ２缸 ２号螺栓 中部 振动的时间历程
和 功 率 谱 密 度
将 台架试验 测得 的 ９００ ＭＰａ预 应 力施 加 在螺 栓 有限元模型上，其轴 向应力分布如图 ｌ０所示。进行 预应 力模态分 析 ，第一 阶频率 ７６６ Ｈｚ，接 近于测试 值 ， 振 型如 图 １１所示 ，螺栓 中部 的径 向位 移最大 。 ２．３ 气 缸装 配 分析
发 动机 １２个 气 缸呈 Ｖ形 排 列 ，单 侧 ６个 气缸 并排 布 置 ，气缸 之 问理 论 间距 １ ｆ ｉｌｍ （去 除 上 方 的 气 缸盖 ），如 图 １２所 示 。
１０。
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１０－４
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Ｉ ）２
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频率／Ｈｚ
图 ８ 第 １２缸 ２号螺栓应变功率谱密度 图
图 １１ 螺 栓一 阶 约 束模 态
气 缸 垫
对振 动 加 速 度 进 行 积 分 ，得 到 螺 栓 测 点 处 的 位 移 数值 ，１２缸 ２号 螺 栓 中部 测 点 的径 向相 对 位 移 如 图 ９所示 ，可见 螺栓 中部 相对 位移 明显 。
图 １２ 气 缸 套 与缸 盖 螺栓 位 置 图
２
３
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时 间／ｓ
图 ９ 满载Biblioteka Baidu速 ２ ３００ ｒ／ｍｉｎ，１２缸 ２号螺栓
中部 径 向相 对 位 移
台架验 证表 明 ：螺栓 在 发 动 机 工 作情 况 下激 起 了 自身 的径 向振 动 ，且螺 栓 中部 的相对 位移 最 大 。 ２．２ 螺 栓振 动模 态 仿真
对位 移在 螺 栓 中 部 ，如 果 气 缸 套 安 装 时 周 向旋 转 过大 ，螺 栓 就 可 能 与 气 缸 套 散 热 片过 孔 发 生 运 动 干 涉 ，在 螺 栓 表 面 形 成 疲 劳 源 ，最 终 引 起 疲 劳 断裂 。
３ 螺栓探伤及裂纹验证
３．１ 螺栓 无损 探伤
为验 证上 述 结 论 ，对 该 台发 动 机 的 全 部 缸 盖
缸 盖螺 栓为 细 长 杆 ，固 定 方 式 为 螺 栓 头 与 气 缸盖 接触 ，底 部 的螺 纹 紧 固 在 机 体 上 ，螺 栓 中部 无 固定 。气 缸 盖 、气 缸 套 采 用 环 形 止 口定 位 ，可 以相对 机 体 安 装 孔 发 生周 向 旋 转 。 国产 同 型 号 发 动机装配过程 中，气缸盖通过工艺校正板 进行准 确定位 ，气 缸 套 周 向 定 位 依 赖 于 装 配 人 员 目视 来 保 证 ，因此气缸 套 可能 出现 轴 向旋 转 。
查看 同型 号 国产 发 动 机 气 缸 图 纸 ，气 缸 套 散 热片过 孑Ｌ与缸 盖螺 栓 之 间 理论 间 隙 ０．９ ｍｍ。气 缸 套发 生周 向旋 转 时 ，其 散 热 片过 孑Ｌ与 Ｉ号 （或 ２
号 ） 缸盖 螺栓 间 隙最小 不足 ０．１ ｍｍ。 缸 盖 螺栓在 发 动 机 工 作 时 不 断 振 动 ，最 大 相
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１Ｏ ｂ。 ０
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Ｏ ０ Ｏ ０ Ｏ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ
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频 率／Ｈｚ （ｂ）
（ａ）时间历程 （ｂ）功率谱 密度 图 ７ 空载工况第 ｌ２缸 ２号螺栓 中部 振动的时间历程
和 功 率 谱 密 度
将 台架试验 测得 的 ９００ ＭＰａ预 应 力施 加 在螺 栓 有限元模型上，其轴 向应力分布如图 ｌ０所示。进行 预应 力模态分 析 ，第一 阶频率 ７６６ Ｈｚ，接 近于测试 值 ， 振 型如 图 １１所示 ，螺栓 中部 的径 向位 移最大 。 ２．３ 气 缸装 配 分析
发 动机 １２个 气 缸呈 Ｖ形 排 列 ，单 侧 ６个 气缸 并排 布 置 ，气缸 之 问理 论 间距 １ ｆ ｉｌｍ （去 除 上 方 的 气 缸盖 ），如 图 １２所 示 。
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Ｉ ）２
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频率／Ｈｚ
图 ８ 第 １２缸 ２号螺栓应变功率谱密度 图
图 １１ 螺 栓一 阶 约 束模 态
气 缸 垫
对振 动 加 速 度 进 行 积 分 ，得 到 螺 栓 测 点 处 的 位 移 数值 ，１２缸 ２号 螺 栓 中部 测 点 的径 向相 对 位 移 如 图 ９所示 ，可见 螺栓 中部 相对 位移 明显 。
图 １２ 气 缸 套 与缸 盖 螺栓 位 置 图
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图 ９ 满载Biblioteka Baidu速 ２ ３００ ｒ／ｍｉｎ，１２缸 ２号螺栓
中部 径 向相 对 位 移
台架验 证表 明 ：螺栓 在 发 动 机 工 作情 况 下激 起 了 自身 的径 向振 动 ，且螺 栓 中部 的相对 位移 最 大 。 ２．２ 螺 栓振 动模 态 仿真
对位 移在 螺 栓 中 部 ，如 果 气 缸 套 安 装 时 周 向旋 转 过大 ，螺 栓 就 可 能 与 气 缸 套 散 热 片过 孔 发 生 运 动 干 涉 ，在 螺 栓 表 面 形 成 疲 劳 源 ，最 终 引 起 疲 劳 断裂 。
３ 螺栓探伤及裂纹验证
３．１ 螺栓 无损 探伤
为验 证上 述 结 论 ，对 该 台发 动 机 的 全 部 缸 盖