出口德国柴油发电机组安装螺栓校核研究

宋清林 曹晓龙 林建华 李继业

摘要：为了保证柴油发电机组安装螺栓的高可靠性，需要对安装螺栓进行扭矩校核和选取，以出口德国柏林的柴油发电机组为研究对象，根据EN12663-1：2010[1]标准规定的设备工况，进行有限元仿真分析，依据德国工程师协会标准VDI2230-2014[2]，对柴油发电机组的安装螺栓进行了扭矩计算和强度校核，计算结果通过了德国DB公司的审核。

关键词： 柴油发电机组;拧紧系数;安装预紧力;拧紧力矩

中图分类号：TB857+.3                                 文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0005-02

0  引言

型號为DSG-DB-670的柴油发电机组是中车大连所公司出口德国柏林的产品，它的额定输出功率670kW，柴油机额定转速：1800r/min，柴油发电机组额定的输出电压为：3AC645V±5%，该柴油发电机组作为调车机车的牵引动力电源系统，具有重要的作用，为了保证柴油发电机组安装的可靠性，需要对安装螺栓进行计算和校核。

1  柴油发电机组安装结构

柴油发电机组主要由柴油机、发电机、基础支撑机构、隔音箱框架及各辅助设备组成。柴油机和发电机分别安装在框架上如图1所示，整个结构为四点支撑。柴油发电机组重量：8000kg，柴油机+发电机重量：3600kg。

2  柴油发电机组静强度计算

利用有限元前处理器HyperMesh对模型进行网格划分，采用2D单元-Pshell单元模拟板壳结构，3D单元-Psolid单元模拟实体结构，单元尺寸为15mm，结构复杂区域采用5mm，有限元模型总共包括387627个节点，470965个单元。柴油发电机组主体结构采用的材料为Q345E，通过螺栓固定在调车机车上，在固定螺栓处约束全部6个自由度。加速度载荷根据标准EN12663中L类规定进行施加，最大总激励力矩为1800N.m，假设隔振垫振动传递率为10%，则作用在基础支撑结构上力矩为180N.m。并对力矩与加速度载荷进行组合。根据柴油发电机组的各工况计算，最大应力为285.44MPa，满足材质的使用要求。图2和图3分别是总体结构的最大载荷作用下的应力云图和位移图。

3  柴油发电机组安装螺栓的强度计算

柴油机和发电机在安装框架上使用的螺栓规格为M24×180-10.9级，机械性能按照标准ISO4014[4]和VD12230中的表A11。根据标准EN12663-2010[1]，柴油发电机组安装在车体上的加速度为横向±1g，纵向±3g。在安装处建立spring弹簧单元，将柴油发电机组重量分配给四点，提取载荷，并进行加权，最终每个螺栓需承受最大横向载荷为：

柴油发电机组的结构为中心对称，且刚度较大，螺栓可以看做同心紧固及同心负荷。由于此处四个螺栓的主要作用是夹紧，柴油发电机组的垂直方向主要由橡胶减震器承受，所以只提取出横向载荷，又由于重心偏向于柴油机侧，四处安装螺栓的结构形式以及螺栓规格是相同的，所以取较恶劣工况，偏向于柴油机侧的两处螺栓校核即可。

3.1 拧紧系数  按照拧紧工具（扭矩扳手），根据VDI2230[2]中表A8，在摩擦系数等级B时确定：？琢A=1.6。

3.2 确定柔性及作用力传递系数  螺栓的柔性系数根据标准[2]5.1章中的5.1/3公式：

贯穿型螺栓连接w=1，因此计算得出极限直径为：

根据以上计算结果可以判断需要使用一个变形椎体模型来计算弹力，按照公式5.1/25进行计算：

因此，在螺栓头下面施工作用力时的载荷系数为：

作用力传递系数n根据图5.2/4及表5.2/1求出，由于螺栓看做同心紧固及同心负荷，因此认为lA=0，且有：

按照力的作用线SV1作为连接情况，查表5.2/1有：n=0.7，因此，载荷系数为：

3.3 确定由于嵌入产生的预紧力损耗  按照VDI2230[2]中表5.4/1的规定，根据现有的切向载荷及Rz100，螺纹及分界面分别产生了3？滋m和2？滋m的嵌入，螺栓头和螺母分别支撑产生了3？滋m的嵌入，因此：

3.4 最大安装预紧力 ; 柴油机的安装螺栓最大安装预紧力按照VDI2230[2]中的公式5.4/23计算：

所以选用的螺栓可以承受最大工作载荷。

3.7 垫片表面压力  螺栓头支撑与垫圈之间的表面压力使用螺栓的允许安装预紧力及支撑面积计算：

在安装状态下的表面压力为：

垫片的材质为不锈钢 Cq45，根据VDI2230中的表A9，不锈钢Cq45的接触面压力为：

根据VDI2230的公式R10/4，安全系数：

因此选用的垫片表面工作压力符合使用要求。

3.8 防止滑动的安全系数SG及剪切负荷  柴油机的安装螺栓连接配合面的材质是钢-铝合金，由此根据标准VDI2230中的表A6，可以算出现在的防滑动摩擦系数？滋Tmin=0.12。确定所需要的最小夹紧力FKRmin。为了传递定义的动态横向载荷FKQerf，需要一个最小的夹紧力。在给定的摩擦夹紧面，有一个传递力的内部接触面，需要最小的夹紧力FKRmin可以由公式R12/1计算得出，动态横向载荷FKQref可以由公式R12/2计算得出。

防止滑动的安全系数SG可以由公式R12/4计算得出。

因此柴油机安装螺栓的防滑系数符合使用要求。

如果柴油机的螺栓连接因为未预见到的横向载荷的峰值而产生滑动，也会对螺栓的安全性产生影响，受危害的横截面中的螺栓最大剪切负荷根据公式R12/5计算得出

根据表5.5/2规定的抗剪强度关系及螺栓的额定断裂应力Rm算出其抗剪强度。

3.9 拧紧力矩  柴油机和发电机安装的螺栓规格为M24×180-10.9，该螺栓拧紧力矩已根据VDI2230[2]标准选择，头部支撑区域摩擦系数为0.12，根据附表A1选取扭矩，拧紧力矩为1017N.m。

4  结论

通过以出口德国柏林的柴油发电机组为研究对象，对其进行有限元仿真分析，依据标准VDI2230[2]的规定，对柴油发电机组的安装螺栓进行详细的计算和校核，计算过程通过了德国DB公司的审核，也为出口欧洲的柴油发电机组设计人员提供一定的参考。

参考文献：

[1]EN12663-1：：2010，铁道应用-铁道车辆车体的结构要求 第1部分：机车和客车（及货车的替换法）[S].

[2]VDI 2230-2014，第一部分 高强度螺栓连接的系统计算-单个圆柱螺栓连接[S].

[3]ISO898-1-2013，碳钢和合金钢制造的紧固件机械性能第1部分螺栓、螺钉和螺柱[S].

[4]ISO4014-2011，六角头螺栓-产品等级A和B级[S].