李勛，張志偉，李江南

超高壓液壓工具在大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用

李勛1,2，張志偉1,2，李江南1,2

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

在大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，由于高爆壓、高升功率的發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)越來越多，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件連接所需的摩擦力越來越大，相應(yīng)的所需螺栓連接的軸力也越來越大，普通螺栓由于消耗在螺紋、支撐面、法蘭等的能量較大，實(shí)際得到的軸力也較小。液壓拉伸結(jié)構(gòu)螺栓能夠起到較大的連接軸力的需求，在大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承螺栓、主軸承側(cè)拉螺栓及缸蓋螺栓中應(yīng)用越來越廣泛，甚至在連桿螺栓中也開始出現(xiàn)應(yīng)用，安裝這種螺栓也需要專用的液壓工具。在曲軸和飛輪的連接中，由于需要更大的傳遞扭矩，過盈配合結(jié)構(gòu)的輪轂和曲軸應(yīng)用在大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)中，而安裝這種過盈結(jié)構(gòu)，也需要液壓工具。文章從發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例介紹說明這兩種超高壓液壓工具在大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)；裝配；液壓工具；螺栓；輪轂；液壓拉伸器

引言

大缸徑四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)高爆壓、高升功率的發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)越來越多，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件連接螺栓緊固軸力越來越大，普通螺栓由于消耗在螺紋、支撐面、法蘭等的能量較大，實(shí)際得到的軸力也較小。液壓拉伸結(jié)構(gòu)螺栓由于直接被拉伸、直接作用于螺栓的軸力而沒有過多損失，對(duì)支撐面破壞小、對(duì)螺紋破壞小，可以通過液壓拉伸器直接獲得較大的軸力，在大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。液壓拉伸工具是專用于某一結(jié)構(gòu)的液壓螺母設(shè)計(jì)，通過超高壓液壓電動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓油打入拉伸器，拉伸螺母，實(shí)現(xiàn)螺母的拉伸到位。

在曲軸和輪轂的連接中，通過過盈配合可以傳遞更大的扭矩，而通過設(shè)計(jì)合理的配合間隙、傾斜角度及摩擦副油道，使用專用的液壓工具可以方便進(jìn)行安裝和拆卸，液壓工具安裝時(shí)需要通過軸向液壓推進(jìn)器的推進(jìn)和徑向打入液壓油建立的徑向壓力，通過兩個(gè)液壓泵建立的壓力的相互配合，實(shí)現(xiàn)輪轂向曲軸的安裝。

超高壓液壓工具主要廠家有德國SCHAAF公司，德國ITH公司等，主要產(chǎn)品在高端工具，國內(nèi)有常州愛普等，產(chǎn)品主要分布在中低端工具，液壓泵壓力主要有700bar、1600 bar、2500bar、3000bar和4000bar等級(jí)別。

1 液壓拉伸器原理簡介

超高壓液壓系統(tǒng)拉伸螺栓，拉伸螺母通過油缸連接螺柱，直接對(duì)螺栓施加外力，使被施加外力的螺栓在彈性變形區(qū)內(nèi)被拉長，從而使螺母以零扭矩緊固，液壓拉伸器通過液壓系統(tǒng)提供高壓動(dòng)力源。

液壓拉伸器結(jié)構(gòu)見圖1所示，當(dāng)液壓泵將液壓油泵入拉伸器油缸中時(shí)，活塞和油缸之間將迫使有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)支撐環(huán)主要是支撐住拉伸器整體，而拉伸頭則將螺母拉伸至指定位置，從而實(shí)現(xiàn)拉伸器的拉伸，通過控制液壓油的壓力，則可以精確控制螺母的軸力[1]。

圖1 液壓拉伸器結(jié)構(gòu)

以下公式中，螺栓拉伸軸力F等于液壓油壓力p和活塞油缸截面積的乘積。

式中：

：螺栓拉伸軸力（N）

：液壓油壓力（Pa）

：液壓拉伸器活塞油缸截面積（mm2）

液壓拉伸器工作過程如下：

初始位置：將液壓螺栓拉伸器旋入螺栓，當(dāng)開始增大液壓壓力后，油缸里的活塞開始上升，推動(dòng)拉頭向上移動(dòng)，開始拉伸螺栓。

伸長和壓縮：當(dāng)液壓壓力增加時(shí)，軸向拉伸力將拉長螺栓，這時(shí)螺母因螺栓的伸長而上升，與法蘭接觸面脫離開來，根據(jù)彈性變形的原理，同樣大小的反向預(yù)緊力將會(huì)壓縮法蘭，當(dāng)達(dá)到要求的預(yù)緊力時(shí)，停止加壓。

擰緊螺母：當(dāng)達(dá)到要求的預(yù)緊力后，可用撥棍擰緊螺母，此時(shí)，軸向預(yù)緊力被保留在螺栓里，泄壓后可取下液壓螺栓拉伸器。

圖2 液壓拉伸器結(jié)構(gòu)

螺栓拉伸器的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）可消除扭轉(zhuǎn)載荷的產(chǎn)生，節(jié)省日后維護(hù)成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。螺栓的用途是將兩個(gè)原件緊密地連接在一起，螺栓軸向預(yù)緊力是唯一起作用的力，其他任何形式的應(yīng)力都會(huì)對(duì)該用途起破壞作用。例如使用力矩扳手時(shí)（液壓、電動(dòng)、氣動(dòng)、力矩倍增器），由于螺母與螺紋、螺母與支撐表面之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，從而伴隨產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷，這將削弱螺栓緊固的效果和部件的耐用性，因?yàn)榕ぞ剌d荷是螺栓產(chǎn)生材料疲勞及日后發(fā)生自燃松動(dòng)的主要原因。當(dāng)使用拉伸器來產(chǎn)生軸向預(yù)緊力時(shí)，可消除扭轉(zhuǎn)載荷的產(chǎn)生，從而節(jié)省日后維護(hù)成本。

（2）最大程度的精確性。使用液壓拉伸器精度較高，因?yàn)樗墚a(chǎn)生純粹的軸向預(yù)緊力，與理論值相比，軸向預(yù)緊力不超過4%的誤差。由于不受螺紋潤滑效果和摩擦大小的影響，使用軸向拉伸技術(shù)能確保軸向預(yù)緊力無限接近但不會(huì)超過螺栓的屈服極限，從而保證了緊固的質(zhì)量。同時(shí)可以在拉伸過程中，同時(shí)測量螺栓的伸長量，達(dá)到精確的控制。

（3）大大增加螺栓連接的質(zhì)量和安全性。純粹的軸向預(yù)緊力可被準(zhǔn)確計(jì)算和控制，而該軸向預(yù)緊力比力矩扳手產(chǎn)生的合成力（即軸向載荷與扭轉(zhuǎn)載荷的合成）更強(qiáng)大，更能緊密及安全地鎖緊相關(guān)元件。

（4）不需要再考慮摩擦系數(shù)的影響。使用力矩扳手（液壓、電動(dòng)、氣動(dòng)、力矩倍增器）擰緊螺栓時(shí)，需要將扳手、螺母、螺紋、工件表面之間的摩擦系數(shù)考慮在內(nèi)，以便計(jì)算出所需軸向預(yù)緊力并據(jù)此確定扭矩的大小。根據(jù)不同的材料和表面光潔度，該摩擦系數(shù)的差異很大，通常會(huì)在=0.08到0.35之間[2]，而且該摩擦系數(shù)在很多場合下是難以確定的，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有很大偏差。比如，選擇=0.08與選擇=0.35相比較，其最終計(jì)算得出的兩個(gè)所需軸向預(yù)緊力會(huì)有400%的差別。與之相比，使用液壓螺栓拉伸器，不需要再考慮摩擦系數(shù)的影響，因?yàn)樗墓ぷ鬟^程沒有摩擦，只有軸向拉伸，因而最終得到的預(yù)緊力精度是很高的。

（5）使真正的同步拉伸得以實(shí)現(xiàn)。由于液壓螺栓拉伸器軸向拉伸的特點(diǎn)，使真正的同步拉伸得以實(shí)現(xiàn)，同步拉伸有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)螺栓受力均勻，預(yù)緊效果完全一致，消除零件的不同間隙，加強(qiáng)緊固程度和法蘭的密封性能。

（6）不會(huì)損壞法蘭等原件。力矩扳手（液壓、電動(dòng)、氣動(dòng)、力矩倍增器）工作時(shí)，會(huì)在工件表面轉(zhuǎn)動(dòng)以擰緊或擰松螺栓，這時(shí)會(huì)摩擦工件表面而令工件磨損。力矩扳手的反力支撐臂對(duì)工件造成損傷會(huì)更大。例如液壓扳手，其支撐臂可對(duì)工件施加最大達(dá)數(shù)十噸的力，對(duì)工件破壞力較大。

（7）容易拆卸。即使螺栓使用時(shí)間較長，也能很容易地進(jìn)行拆卸及重復(fù)使用，便于設(shè)備日后的檢修與維護(hù)。

2 輪轂安裝液壓推進(jìn)器簡介

在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和輪轂結(jié)構(gòu)中，曲軸頭部安裝輪轂位置一般設(shè)計(jì)為有一定楔形角度的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在相配合的輪轂上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)角度的楔形結(jié)構(gòu)，并在輪轂上設(shè)計(jì)螺旋油道，以在安裝時(shí)起到徑向油壓的均勻、快速、充分的建立，而安裝輪轂至曲軸的過程即是通過輪轂徑向和軸向的相互配合的作用力，將輪轂安裝到位，總體自動(dòng)安裝系統(tǒng)見圖3所示，其主要工作過程是：

圖3 液壓拉伸器結(jié)構(gòu)

曲軸（或者輪轂）徑向油道連接超高壓油泵，高壓油泵將液壓油打入油道，通過高壓液壓油的壓力將輪轂和曲軸之間形成油腔空隙，同時(shí)當(dāng)軸與輪轂有相互移動(dòng)時(shí)可以消除軸與輪轂之間的磨損；將輪轂安裝液壓推進(jìn)器安裝在曲軸端部，液壓推進(jìn)器可以產(chǎn)生沿曲軸軸向的位移，推動(dòng)輪轂在曲軸上的移動(dòng)，但此安裝過程并不是一次安裝到位的，是需要徑向油壓和軸向液壓推進(jìn)器共同作用的結(jié)果。其安裝壓力過程如圖4所示，液壓推進(jìn)器和輪轂徑向壓力依次作用，將輪轂安裝到位。將輪轂安裝到位后只拆掉徑向油壓工具，油壓推進(jìn)器還需要進(jìn)行一定時(shí)間的保壓（拆掉推進(jìn)器連接液壓泵，關(guān)閉推進(jìn)器閥門），以確保安裝后不出現(xiàn)輪轂和曲軸的相對(duì)滑移，通常保壓時(shí)間為12-24小時(shí)。

圖4 軸向和徑向兩個(gè)液壓泵泵壓過程

3 螺栓拉伸器應(yīng)用

螺栓拉伸器已普遍應(yīng)用于大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配中，典型應(yīng)用工位有氣缸蓋螺栓、主軸承螺栓、主軸承側(cè)拉螺栓和連桿螺栓等。

以下以某機(jī)型大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)拉伸器為例，介紹在發(fā)動(dòng)機(jī)液壓拉伸螺母上的應(yīng)用。見圖5，在直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的緊固中，以在緊固過程中對(duì)整機(jī)變形影響最小為標(biāo)準(zhǔn)，制定液壓螺栓的緊固順序。

在主軸承液壓螺栓緊固中，緊固順序從飛輪端開始往前，順序各個(gè)軸承處兩個(gè)主軸承螺栓同時(shí)緊固。

在主軸承輔助液壓螺栓中，先進(jìn)行A側(cè)輔助螺栓的順序緊固，再進(jìn)行B側(cè)輔助螺栓順序緊固。

在缸蓋液壓螺栓緊固中，參考主軸承輔助螺栓的順序，按要求緊固。

圖5 螺栓緊固順序

在主軸承螺栓緊固中，一般會(huì)通過實(shí)時(shí)測量螺栓伸長量來判斷螺栓緊固是否安裝合格，由于不同廠家、不同批次、不同長度、不同截面積的螺栓可能一致性有差異，一般其伸長量須經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測量最終確定。

液壓拉伸器在彈性范圍內(nèi)螺栓的加載，伸長量和所受載荷之間的關(guān)系可用胡克定律來精確描述[2]。

胡克定律如下：

式中：

△l——變形量（m）；

FN——拉伸力（N）；

l——長度（m）；

E——材料彈性模量（Pa）；

A——截面積（m2）。

測量螺栓伸長量一般有兩種方式，一種是傳感器內(nèi)置在拉伸器內(nèi)部，一種是傳感器外置在拉伸器外部。下圖6是拉伸器設(shè)計(jì)時(shí)將伸長量傳感器內(nèi)置，直接測量螺栓頭部相對(duì)于拉伸器本體的伸長量。

圖6 傳感器內(nèi)置式拉伸器

下圖為一種外置測量螺栓伸長量的方式，將傳感器固定在從機(jī)體伸出的支架上，測量旋在螺栓上的拉伸器的位移，即得出螺栓伸長量。

圖7 傳感器外置式拉伸器

4 輪轂安裝液壓推進(jìn)器應(yīng)用

輪轂安裝液壓推進(jìn)器使用在發(fā)動(dòng)機(jī)輪轂和曲軸的安裝中，實(shí)現(xiàn)輪轂在曲軸上的安裝。徑向輪轂和曲軸之間的壓力通過在輪轂上的液壓油道建立徑向壓力，其接口在輪轂上有專門油道接口；而軸向則通過液壓推進(jìn)器進(jìn)行輪轂向曲軸方向的位移安裝。

圖8 輪轂安裝液壓推進(jìn)器在發(fā)動(dòng)機(jī)輪轂安裝的應(yīng)用

使用某些公司開發(fā)的螺栓裝配質(zhì)量控制系統(tǒng)，可以檢測和記錄拉伸過程中的壓力-伸長量曲線，并且滿足拉伸規(guī)范及系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。工具通過液壓油管和快速接頭進(jìn)行連接。液壓單元有一個(gè)液壓回路，與兩個(gè)壓力發(fā)生器并聯(lián)，用于快速增壓，PLC控制硬件，該過程由高精度的壓力傳感器進(jìn)行控制。自動(dòng)控制程序調(diào)節(jié)液壓壓力并控制閥門，確保安全性和重復(fù)的準(zhǔn)確性。

圖9 輪轂安裝液壓推進(jìn)器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上圖示

壓力接頭是軸與輪轂之間的特殊的錐形壓力連接件，壓力連接是用來連接尺寸過大的連接件，這就是如何通過圓周產(chǎn)生均勻的接頭壓力，從而傳遞交變和沖擊扭矩，使用壓力接頭時(shí)，軸和輪轂略微呈錐形（錐角1°到5°）。

輪轂通過液壓推進(jìn)器推到軸上，同時(shí)接頭中產(chǎn)生的徑向壓力使輪轂膨脹，輪轂被推到軸上，直到配合區(qū)域彼此相連。然后通過一個(gè)油孔加油，使輪轂膨脹，這就是將輪轂最終推到一起的方式。釋放壓力后，輪轂和軸彼此壓在一起。

通過自動(dòng)拉伸，液壓推進(jìn)器最初以低壓安裝到輪轂上。同時(shí)，液壓推進(jìn)器通過裝配過程中仍存在的自由行程移動(dòng)，形成軸與輪轂的連接。然后開始連接，徑向壓力增加，直到輪轂膨脹，在輕微的軸向壓力下，輪轂被少量的推到軸上。

徑向壓力和軸向壓力分階段增加，路徑被持續(xù)監(jiān)測。重復(fù)程序，直到達(dá)到最終行程。當(dāng)輪轂到達(dá)軸上的最終位置時(shí)，拉伸過程結(jié)束。

關(guān)于自動(dòng)拆卸，首先液壓推進(jìn)器放在輪轂上，系統(tǒng)也會(huì)監(jiān)測推進(jìn)器是否拉伸到足夠長的距離，使得連接時(shí)有足夠的返回路徑。徑向壓力緩慢增加，當(dāng)輪轂浮動(dòng)時(shí)，徑向壓力不斷增加，這表明壓力連接已經(jīng)釋放。此外，浮動(dòng)是由液壓推進(jìn)器的行程變化顯示出來的，這一改變也會(huì)觸發(fā)連接的浮動(dòng)。徑向和軸向壓力通過預(yù)設(shè)的下降率同時(shí)衰減，輪轂和軸完全分離，則拆卸過程結(jié)束。

5 結(jié)束語

液壓拉伸工具在大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓安裝和輪轂安裝上的應(yīng)用越來越廣泛，通過液壓工具的使用，提高了安裝精度、加快了安裝時(shí)間、保證了安裝質(zhì)量，同時(shí)對(duì)連接件的影響較小，是一種非常好的連接方式。

[1] 李文華,瀟然,張河新.螺栓拉伸器的原理及應(yīng)用[J].哈爾濱軸承, 2006(03):22-23.

[2] 劉繼國.液壓拉伸器在壓力容器法蘭緊固中的應(yīng)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

U464

A

1671-7988(2021)02-138-05

李勛（1986-），男，山東濟(jì)寧人，中級(jí)工程師，就職于濰柴動(dòng)力股份有限公司，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)裝試工藝。