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| 有限元分析 |
某柴油机在检修时发现左主机No.3缸缸套的凸肩与机体之间漏水，经拆检发现左机机架上，机体在No.1～No.7缸汽缸套的装配台肩的角隅处，沿台肩根部的圆周方向分布着长短不一的断续裂纹。局部裂纹深度已通达水腔，从而产生缸套的凸肩与机体之间漏水。
修理方案是将原来已有裂纹并且不能承受缸盖传递过来的压力的那部分材料去除，设计并将镶台肩套以镶嵌的方式安装在缸体上，通过镶台肩套的两个台阶工作面将缸盖的压力传递到机体上。修理后镶台肩套的安装图参见图所示。因此，需要了解和校核镶台肩套的强度，以及由于进行镗孔后，由于刚度差异引起汽缸盖螺栓与机体配合前、后的应力和变形不均等影响。
根据CB/T3501—93标准要求，利用常规方法对镶台肩套等各危险的承载面进行强度有限元分析，并计算相应面在交变载荷作用下的疲劳安全系数。
镶台肩套的结构设计与工作原理如图所示，汽缸盖螺栓的预紧力通过汽缸盖传递施加到缸套上，使得缸套的台肩紧紧地压在镶台肩套的面1上，保证缸套与镶台肩套在面1处的密封，再通过镶台肩套本体力的传递到面2处，使得汽缸盖螺栓的预紧力最终传递到机体上，同时也可以保证镶台肩套与机体在面2处的密封。
为了使得镶台肩套能够正常的工作，镶台肩套的安装必须满足如下的要求。
(1)保证镶台肩套的水平圆环面3、圆环面4不与机体、缸盖进行接触，不受载荷的作用。
(2)保证镶台肩套的圆柱面5与机体紧密接触，不得有间隙存在，只有在此基础上才能保证作用在镶台肩套的水平圆环面1、圆环面2上的载荷为均匀分布。
在后面的计算中，正是假定镶台肩套的安装满足上述的要求条件下进行的，计算是以作用在镶台肩套的水平圆环面1、圆环面2上的载荷为均匀分布为前提的。
根据螺栓的工作原理可知，镶台肩套工作面1上所受最小载荷就为6根缸盖螺栓锁紧后的总预紧力通过气缸传递下来的压力，作用力的方向为垂直作用于镶台肩套的工作面1上(没有考虑缸盖等重量)。镶台肩套的工作面1上的实际受力可以根据缸盖螺栓的预紧力矩来求得。
该柴油机每个缸盖上有6根缸盖螺栓，相邻的缸盖螺栓与汽缸套轴线之间的夹角为60°，单个缸盖螺栓螺母所受的扭矩M规定为145 kg.m，相当于1 450 N.m；缸盖螺栓的外径为39 mm，螺纹为公制螺纹。通过查表可知，钢-钢无润滑动摩擦系数0.15。将上面数据代入上式中，于是可以得到单根缸盖螺栓的预紧力Fs，整个缸盖所受的总的预紧力就是镶台肩套工作面上所受最小载荷Fmin=6×Fs。
柴油机在工作时，汽缸内总是具有一定的压力，压力作用在缸盖上，通过缸盖的传递，最终作用在缸盖螺栓上，使得缸盖螺栓产生进一步的变形。根据螺栓的工作原理可知，当汽缸内的压力为最大时，螺栓的拉伸为最长，此时镶台肩套工作面上所受的载荷为最大载荷。由柴油机的参数可知，作用在缸盖上的气体压力为：
Fy=PgS。
由于螺栓的工作原理比较复杂，在此，只使用简单的叠加法来求解动态情况下的镶台肩套工作面上所受的最大载荷：Fmax=6Fs+Fy。
修理方案是否合理，各部件是否安全可靠主要是通过计算各部件在工作条件下的应力大小是否满足材料的要求以及疲劳安全系数是否符合设计的要求。因此各危险截面的应力以及疲劳安全系数，主要包括：A-A、B-B、C-C圆环面以及面1、面2，因此计算主要包括如下的内容。
①计算A-A、B-B-C-C圆环面应力及疲劳安全系数；
②计算面1、面2的压应力。疲劳安全系数计算方法采用戈塔佛肯—索德贝格方法：n=1/(σm/σs+σa/σp)。式中：σm为当量平均应力；σa为当量交变应力单幅值；σs为疲劳强度；σp为抗拉强度。镶台肩套所采用的材料是35 CrMoSi调质钢；机体是由HT24-44铸铁；缸套是合金铸铁HT30-54。
最后计算结果整理如表所示。面1处的最大压应力为:σ面1ya=Fmax/S面1≈106.955MPa。面2处的最大压应力为：σ面2ya=Fmax/S面2≈163.965MPa。
