M24發(fā)動機(jī)安裝支座螺栓故障分析

2019-11-27 瀏覽：3594

一、背景

4個(gè)發(fā)動機(jī)固定支座中原來使用一個(gè)8.8級 M24 螺栓將發(fā)動機(jī)固定客車底盤上。在客車投入運(yùn)營使用過程中，開始收到投訴螺栓偶爾發(fā)現(xiàn)松動，在很多情況下螺栓壞了。

為了防止被認(rèn)為是松動的問題，引入了穿過螺栓的開口銷，在尼龍插入螺母的正下方穿上螺紋，以防止螺母可能脫落。

結(jié)果證明這只是部分成功，但仍有投訴稱螺母繼續(xù)脫落，導(dǎo)致開口銷在某些情況下完全切斷。疲勞失效仍在繼續(xù)。

失敗的試樣如圖1、圖2和圖3所示。

在這個(gè)案例中，疲勞失效發(fā)生在螺紋尾部區(qū)域。圖2顯示了螺栓的失效部分，表明該失效可歸因于彎曲疲勞。圖3顯示了螺母的后退導(dǎo)致，開口銷被部分剪斷。

圖1 大巴底盤上的失效螺栓

圖2 螺栓失效截面表明失效可能由于彎曲疲勞

圖3 螺母后退導(dǎo)致開口銷部分剪斷

二、失效的原因
設(shè)計(jì)規(guī)定的擰緊力矩為660牛米（487磅英尺）。這個(gè)扭矩是在原型試驗(yàn)車上獲得的，但事實(shí)證明，在批產(chǎn)和后期維修時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。這部分是由于空間限制，部分是由于缺乏適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。經(jīng)過調(diào)查，實(shí)際達(dá)到的擰緊力矩接近400牛米（295磅英尺）。

圖4為整個(gè)連接示意圖

可以看到，整個(gè)連接由幾個(gè)部分組成，其中連接的一部分的材料是鋼，另一部分的材料是鋁。作用在連接處的力包括發(fā)動機(jī)重量和由于制動、加速和轉(zhuǎn)彎力引起的橫向載荷的動態(tài)軸向載荷。

圖4.連接幾個(gè)部件，其中有部件的材料是鋼，有部件材料是鋁

對連接處進(jìn)行了調(diào)查和分析。發(fā)現(xiàn)由于緊固連接的幾個(gè)部件間內(nèi)縮（擰緊過程完成后接觸表面的塑性變形），導(dǎo)致預(yù)緊力損失。

結(jié)果表明，包括擰緊過程的分散性，一定比例的緊固連接將無法提供足夠的預(yù)緊力來抵抗施加在其上的力。計(jì)算結(jié)果的預(yù)載要求圖表如圖5所示。

因此，在此類連接中，預(yù)計(jì)會發(fā)生較小的側(cè)向位移。反復(fù)的側(cè)向位移會產(chǎn)生兩種影響：

1、緊固件將承受一個(gè)有彎曲應(yīng)力施加到螺栓的力矩。

反復(fù)施加這種應(yīng)力是疲勞失效的可能原因。螺紋的尾部區(qū)域在受到彎曲應(yīng)力時(shí)容易疲勞，因?yàn)橥ǔＢ菁y在該區(qū)域成形不完美，會存在較高的應(yīng)力集中。

圖5 緊固件連接處計(jì)算分析達(dá)到的預(yù)負(fù)載表

2、研究已經(jīng)表明，重復(fù)的橫向（剪切）位移是螺紋緊固件自松的主要原因。

圖1、圖2和圖3所示的螺栓失效顯示了自我松動和疲勞兩種效應(yīng)。連接處分析分析表明，達(dá)到正確的擰緊扭矩是需要確保達(dá)到足以防止連接處相對移動的預(yù)緊力，這被認(rèn)為是問題的根本原因。然而，很明顯，在生產(chǎn)裝配和車輛維修時(shí)，始終達(dá)到660牛米（487磅英尺）的擰緊力矩是有問題的。

三、解決這些問題

為了解決指定可達(dá)到的擰緊力矩的問題，考慮到該裝置的工具和空間限制，同時(shí)確保有足夠的預(yù)緊力，決定減小螺栓的尺寸并增加螺栓的強(qiáng)度。

因此，設(shè)計(jì)變更為M16等級為12.9的法蘭螺栓。該螺栓的長度-直徑比越大，預(yù)緊力損失越小，螺栓尺寸越小，扭矩要求越低，預(yù)緊力越小。

扭矩規(guī)定為380牛米（280磅英尺），隨著扭矩的增加，預(yù)載變化預(yù)計(jì)在86和137千牛（19330和30800磅英尺）之間。所需的最小預(yù)載為78千牛（17535磅力），低于修改設(shè)計(jì)的預(yù)期預(yù)載范圍。

因此，預(yù)計(jì)不會出現(xiàn)進(jìn)一步的疲勞和螺母松動問題。預(yù)負(fù)載要求按修改后的設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)更改后的預(yù)負(fù)載表

四、結(jié)論

本文描述的客車底盤螺栓故障說明了預(yù)緊力不足可能導(dǎo)致的兩個(gè)問題。

疲勞失效是預(yù)緊力不足的常見副產(chǎn)品；在這種情況下，連接處相對運(yùn)動，由于摩擦力不足，導(dǎo)致螺栓內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，但螺栓設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮承受這種應(yīng)力。

當(dāng)螺栓的疲勞強(qiáng)度能夠承受這種應(yīng)力時(shí)，這種相對的運(yùn)動將導(dǎo)致緊固件有自我松動的趨勢。

獲得和保持足夠預(yù)負(fù)載的重要性通常是確保螺栓連接結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵因素。

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