内燃机车柴油机连杆螺钉液压式拉伸机设计.pdf

设计与制造 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 机械 研究 与应用 内燃机车柴油机连杆螺钉液压式拉伸机设计 徐万鹏 ， 曹仁涛 ， 连潇 1 ． 兰州铁路局嘉峪关机务段 ， 甘肃 嘉峪关7 3 5 1 0 0； 2 ． 兰州交通大学 机 电工程学院， 甘 肃 兰州7 3 0 0 7 0 3 ． 陇 东学院 机械 工程学院 ， 甘肃 庆 阳7 4 5 0 0 0 摘要 内燃机车柴油机连杆螺钉在加工完成后成品交验前， 要求进行预拉伸试验， 在连杆螺钉拉伸现状调研和先进 的拉伸技术分析基础上， 综合应用机械设计理论知识， 完成以液压 系统为动力源的内燃机车柴油机连杆螺钉 拉伸机设计。该项设计实现了连杆螺钉拉伸及伸长量的精确控制， 是一项实用的新型设计， 可在内燃机车制 造厂、 配件厂及机务检修车间等场合推广使用。 关键词 内燃机车； 连杆螺钉； 液压； 拉伸机 中图分类号 T H1 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 41 4 2 0 1 2 0 6 - 0 1 2 6 - 0 4 De s i g n o f h y d r a u l i c d r a wi n g ma c h i n e f o r t h e l i n k a g e s c r e w for d i e s e l e n g i n e i n l o c o mo t i v e Xu W a np e n g ， Ca o Re n-t a o ， Li a n Xi a o 1 ．L a n z h o u r a i l w a y a d mi n i s t r a t i o n o f J i a y u g u a n l o c o m o t i v e d e p o t ， J i a y u g u a n G a n s u 7 3 5 1 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f m e c h a t r o n i c e n g i n e e r i n g ， L a n z h o u J i a o t o n g u n i v e r s i t y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 7 0 ，C h i n a ； 3 ． M e c h a n i c a l e n g i nee r i n g s c h o o l ， L o n g d o n g u n i v e r s i t y ，Q i n g y a n g C ． a n z u 7 4 5 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I t n e e d s p r e d r a w i n g t e s t a f t e r c o mp l e t i n g t h e p r o c e s s i n g p r o d u c t s a n d b e f o r e a c c e p t i n g t o u s e f o r t h e l i n k a g e s c r e w o f d i e s e l e n g i n e i n l o c o mo t i v e ，Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f c u r r e n t s i t u a t i o n i n v e s t i g a t i o n l i n k s c r e w s d r a wi n g a n d a d v a n c e d d r a w i n g t e c h n o l o g y，t h e t h e o r y k n o w l e d g e o f ma c h i n e d e s i g n i s c o mp r e h e n s i v e i n u s e d， t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c d r a wi n g ma c h i n e f o r t h e l i n k a g e s c r e w o n d i e s e l e n g i n e i n l o c o mo t i v e u s i n g t h e h y d r a u l i c s y s t e m a s p o w e r s o u r c e i s c o mp l e t e d ．T h i s d e s i g n i s a n e w t y p e o f p r a c t i c a l d e s i g n a n d c a n c o mp l e t e t h e d r a w i n g o f l i n k a g e s c r e w s a n d i s a b l e t o c o n t r o l t h e l e n g t h e x a c t l y ．I t i s a p r a c t i c a l d e s i g n o f t h i s n e w t y p e ， wh i c h c a n b e u s e d i n d i e s e l l o c o mo t i v e ma n u f a c t u r i n g p l a n t s ，p a ns f a c t o ry a n d ma i n t e n a n c e wo r k s h o p s p r a c t i c a l l y ． Ke y wo r d sd i e s e l l o c o mo t i v e；l i n k a g e s c r e w；h y d r a u l i c ；d r a w i n g ma c h i n e 1 引 言 连杆螺栓是 内燃机车柴油机关键零件之一 ， 该零 件质量直接影响机车的安全运行 ， 连杆螺钉可将连杆 盖与连杆体连接成一体。由于连杆大端承受连杆组 的往复惯性力， 连杆回转离心力及因连杆瓦润滑间隙 增大而附加的冲击力等载荷， 因此要求连杆大端与连 杆盖紧固后 ， 在超速和抱缸等最大受力工况下 ， 连杆 盖与连杆大端的结合面不致松脱 ， 以确保工作可靠 。 连杆螺钉在加工完成后成 品交验前及装配前要 求进行预拉伸试验 在拉长 0 ． 6 6 0 ． 0 2 m m后保证完 全弹性 回复。本课题就是以液压为动力源 ， 设计在大 批量生产 情况下该工序实用新型设备。设 计应保证 拉伸试验过程中液压系统状态稳定； 机械结构合理， 并满足力学和精度要求； 实现拉伸量精确控制。 目前我国内燃机车制造厂、 机车配件车间、 机务 段检修车间普遍采用人力手工等简易拉伸方法， 存在 生产效率低、 拉伸平稳性差、 不能精确控制伸长量等 缺点。在这种情况下 ， 拉伸机的设计就非常具有实用 价值 。不但能够替换人力劳动 ， 而且使拉伸质量和生 产效率都有很大的改善。在现场对于活塞 、 连杆破损 及曲轴连杆颈烧损的故障的分析中发现， 大部分故障 是 由于连杆螺钉松脱或断裂引起 的。而造成连杆螺 钉松脱或断裂的原因有两种 ①连杆螺钉质量不合 格 ； ②连杆螺钉预紧力超 限。 连杆螺钉的质量至关重要 ， 如果某个螺钉不满足 使用要求 ， 造成松脱或断裂 ， 个别螺栓的损坏将造成 其它螺栓的相继损坏。将会引起活塞 、 连杆破损及 曲 轴连杆颈烧等故障发生 。因此连杆螺栓在加工完成 后成品交验前 ， 及装配前必须进行预拉伸试验。 2 方案确定 2 ． 1 内燃机车连杆螺钉工作条件及零件要求 内燃机车柴油机连杆螺钉如图 1 所示。由于设 计， 加工或组装不当， 如螺钉松动， 预紧力不足或不 匀， 表面有毛细裂纹或划痕， 螺纹精度不高或齿跟存 在尖角等， 将导致连杆螺栓折断和连杆盖脱落等重大 事故 。因此对连杆 螺栓 的设 计 ， 材 料 ， 制造 ， 检验 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 1 2 作者简介 徐万鹏 1 9 8 5 一 ， 男 ， 甘肃庆阳人 ， 助理工程师， 研究方 向 机械设计制造及 自动化 。 1 2 6 机械研究与应用 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 设计与制造 及组装等均有严格 的要求。 图 1 连杆螺钉示意图 2 ． 2 液压拉伸机总体方案确定 目前 ， 对连杆螺钉的拉伸方法有定扭矩扳手预紧 法和直接控制伸长量法 。若采用液压马达或定扭矩 扳手进行螺钉 的拧紧 ， 在理想状态下 ， 因摩擦 系数 为一定值 ， 可以用控 制力矩 M 的方法得 到螺钉一定 的伸长量。而在实际 的生产 中， 螺钉材料的特性 、 润 滑条件、 拧紧速度、 螺纹状态、 螺纹与支撑面状态等因 素均会影响摩擦系数 ， 从而控制伸长量的准确性大 幅度降低 。而采用直接控制伸长量又不易实现。 根据机械系统设计原则和连杆螺钉预拉伸试验 的工作要求， 现确定液压拉伸机动力传递 ， 液压缸活 塞杆的往复运动推动棘轮扳手旋转， 将连杆螺钉在拉 伸套中拧紧得到伸长量， 并用百分表进行精确测 量 J 。结构如图 2所示。 ⋯9／ 一百 图2 液压拉伸机结构图 1 ． 工作 台2 ． 法 兰3 ． 液压缸总成4 ． 拉伸套夹 具座5 ． 拉伸 套6 ． 连杆螺钉7 ． 测量系统8 ． 双 向棘轮扳手9 ． 支撑系统 3 液压系统的设计 液压传动系统设计是整个拉伸机设计的一部分 ， 它除了符合主机动作循环和静动态性能等方面要求 外， 还应当满足结构简单、 工作安全可靠、 效率高、 寿 命长、 经济性好、 使用维护方便等条件。 3 ． 1 明确设计要求、 执行元件工况分析 液压拉伸机在工作时先进行螺钉在拉伸套中的 拧紧过程 ， 测量完成之后 ， 再进行反方 向从拉伸套 中 拧出的过程。在一个螺钉完整的拉伸试验过程中， 系 统的工作循环流程如 图3所示。 图3 系统工作循环流程图 连杆螺钉在拉伸套中伸长 0 ． 6 6 0 ． 0 2 ra m所需的 扭矩为 ，， n 3 1 3 P [ t g 等 ] 。 上 ， l一 式 中 为力矩 ； P T 为拉伸时所需的力； d 为螺纹直 径 ； 为螺纹升角 ； 为螺纹摩擦角 ； 为螺母 与支撑 面问的摩擦系数 ， 一般取为 0 ． 2 ； D 为螺母 接触 面的 外径 ； d 为连杆大头的螺钉孔直径。 为考虑安全系数和对理论计算结果圆整， 最后确 定为连杆拉伸试验所需扭矩为2 0 0 0 N m， 并以此为 系统动力设计依据。 3 ． 2 液压动力系统的设计与优化 根据拉伸机的设计任务和工况分析， 在该系统中 执行元件 的负载变化大， 且运动速度要求相对稳定 ， 在该系统 中的调速 回路采用调速 阀进行调速 。由于 系统要求工进后快速退回， 以提高工作效率， 因此采 用单 向阀与调速阀进行并联 ， 起到单向调速的作用。 在拉伸机的工作过程中， 液压缸活塞杆做往复运 动 ， 采用行程开关控制的二位二通电磁换向阀进行液 流的方向控制， 保证良好的工进和快退 。 在连杆螺钉的批量拉伸试验中， 当完成一个零件 的拉伸后 ， 液压执行元件 液压缸 需要短 时间停止 工作 ， 为了避免频繁启闭驱动电动机 ， 设计卸荷 回路 ， 采用电磁溢流阀进行卸荷 ， 使泵在很小的输 出功率下 运转 ， 从而降低系统发热 ， 延长电机和液压泵的使用 寿命 。液压系统原理 图如图 4所示。 图 4 液 压系统原 理图 1 ． 油箱2 ． 过滤器3 ． 齿轮泵4 ． 电磁溢 流阀5 ． 二位二通 电 磁换向阀6 ． 单 向阀7 ． 调速 阀8 ． 二位二通电磁换 向阀 9 ． 液压缸 1 2 7 设计与制造 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 机械研究与应用 3 ． 3 液压 系统主参数的确定和液压元件选择 工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据 ， 它的大小影响执行元件 的尺寸和成本乃至整个系统 的性能 。初选液压缸的工作压力为 4 MP a ， 其它液压 元件的选型参数 如表 1 所示。 表 1 液压元件的选型 4 液压缸的设计 4 ． 1 液压缸的运动与动力传递 目标 液压拉伸机的工作过程如图 2所示 ， 液压缸活塞 杆需要做往复伸缩运动推拉双向棘轮扳手 ， 并且由于 双向棘轮扳手做回转运动， 液压缸也要跟随做径向方 向的摆动。因此 ， 在此拉伸机中采用单活塞双作用液 压缸 ， 液压缸缸底进行铰接 J 。 液压缸的动力输出为推力和拉力 ， 液压缸活塞杆 要求输 出的最大推力和拉力为 1 7 8 3 8 N。安全系数 5 1 ． 8 ， 则 设 计 最 小 负 载应 按 工 作 最 大 推 拉 力 为 3 2 1 0 8 N进行设计‘ 。 4 ． 2 液压缸的主要参数确定 分别确定为 p 4 MP a ； D1 2 5 ra m； d 6 3 mm。液 压缸在推拉双 向棘轮扳手时， 设计棘轮扳手一次推拉 过程转过的角度为 3 0 。 ， 因此活塞杆完成一次推拉的 最小行程为 S 1 5 0 x 2 x s i n l 5 。 7 7 ． 6 5 m m 确定活塞杆的行程为 1 2 5 mm。 4 ． 3 缸筒的结构设计 该液压缸缸筒毛坯材料选用加工工艺性较好的 H T 2 5 0 ， o r 2 4 0 MP a 。则壁厚应满足 6≥籍 6 ．2 5 m m 选定缸筒的壁厚为 1 0 m m可满足要求 J 。 缸筒与缸底盖、 缸前端盖的连接采用 6个 M 8的 螺栓进行法兰连接 ， 其结构简单 ， 加工 和拆装都很 方 便 ， 连接可靠 ， 避免了焊接造成 的缸体变形。缸筒内 壁进行珩磨 。缸筒的结构简图如图 5所示。 l 2 8 图5 缸筒的结构简图 4 ． 4 活塞杆的结构设计 该液压缸工作环境比较 良好， 工况相对稳定， 无 腐蚀性污染 ， 因此 ， 活塞杆 的材料选 用 3 5 C r Mo ， 屈服 强度为 8 5 0 MP a ， 调质处理硬度 H B 2 5 5～ 3 0 2 。活 塞杆与前端螺纹采用圆弧过度 ， 避免应力集中现象发 生 ， 以提高活塞杆的整体强度 ， 活塞杆与活塞采用螺 纹连接。在活塞杆的尾部 留有一段 2 8的圆柱 ， 能 够减小端部液压缸有效作用面积 ， 可使活塞杆组件在 靠近缸底时实现运动缓冲 ⋯。 5 双向棘轮扳手的设计 5 ． 1 双向棘轮扳手的运动与动力传递目标 双向棘轮扳手的主要任务是将液压缸活塞杆的 直线往复运动最终转换成连杆螺钉的旋转运动， 并传 递一定的扭矩 ， 在连杆螺钉被拧紧和拧松 的两个过程 中双向棘轮扳手要有快速换向， 实现反方向作用。在 扳手的使用时要求运行平稳 ， 操作简单 ， 在不影响拉 伸质量的情况下提高工作效率 。 分析液压拉伸机执行件工况中可知 ， 扳手棘轮输 出的扭矩为连杆螺钉拉伸时所需 的扭矩 2 0 0 0 N 1 3 “1 ， 初定扳手的旋转半径为 1 5 0 m m。扳手所手柄所需推 力为 F M／1 5 02 0 0 0 x 1 0 。 ／ 1 5 01 3 3 3 3 N 5 ． 2 棘轮棘爪的设计 双向棘轮扳手棘轮棘爪的结构如图6所示 ， 棘轮 的厚度 6 2 0 ram。能够正反两个方 向工作依靠棘轮 和棘爪来实现。棘轮在棘爪的推动下 ， 沿同一方 向转 过一定的角度 ， 而当棘爪连同扳手体返回时棘轮静止 不动， 如此反复操作， 最终将螺钉拧紧或拧出。 棘轮与棘爪的接触面的法线通过棘爪转动的圆 心， 这样将使棘轮的齿面受力均匀， 运动平稳。棘轮 中间所开六方孔是为了将与直接拧螺钉六方的六方 套筒配合， 这样就可以方便六方套筒的更换； 同时也 可以通过更换六方套筒 ， 使得双 向棘轮扳手能用于不 同形状的螺钉。棘爪的后端将安装换向旋扭， 依靠换 机械研究与应用 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 设计与制造 向旋扭中弹簧的推力保 证棘爪 的某一个爪紧贴 于棘 轮上 ， 实现棘轮作用 。 -q 图6 棘轮棘爪的结构图 棘轮是将棘爪在齿面上的作用力转换成扭矩直 接输出的零件， 它不但形状复杂， 而且要求有足够的 强度和耐磨性。因此棘 轮棘爪 的材料选择能承受 高 强度 、 耐磨性好的 3 8 C r S i ， [ 丁 ] 3 9 2 MP a 。淬火处理 ， 硬度为 5 6～ 6 2 H R C， 并且采用数控线切割加工成形。 棘轮轮齿所受的剪力 F A 7 - 6 z ， 则 7 - F ／ b l 51 9 4 8 ／8． 0 52 01 0～ 3 22． 7MP a。 由于 r ／ ／ ／ ／ ／ ／ 空 l 一 ／ f f ’ o 号 l l 蜃 n e ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ X ／／／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 一 一 y 3 8 四 研 圃 图7 拉伸套结构简图 7 结论 本课题经过对连杆螺钉预拉伸试验技术分析 ， 完 成拉伸机方案设计 、 以及液压动力系统设计 、 机械传 动部分设计 、 测量系统设计等 。基本原理是通过单活 塞双作用液压缸与双向棘轮扳手组合 ， 将连杆螺钉在 拉伸套中不断拧紧， 预紧力不断增大 ， 杆部得到持续 拉伸， 同时利用测量表对伸长量实施精确动态测量控 制。该专业机器设备， 试验环境与实际工况一致， 实 现了连杆螺钉的柔性拉伸、 面保护和量值监控， 有效 地实现了设计 目的。 参考文献 [ 1 ] 刘达德 ， 朱志英． 东风 4型内燃 机车结构和原理 上册[ M] ． 北 京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 王 刚．机务检修 中柴油机连杆螺 钉预紧方法 的探讨 [ J ] ．内 燃机车 ， 2 0 0 6 6 2 0 2 1 ． 【 3 ] 廖林清． 机械设计方法学[ M] ． 重庆 重庆大学出版社， 1 9 9 6 ． [ 4 ] 朱怀忠 ， 王恩海． 液压与气动技术 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 张存兴， 张铁华． 液压传动与气压传动[ M] ． 武汉 华中科技大 学 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 6 ] 张利平． 液压气动技术速查手册[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 4． [ 7 ] 胡建钢． 机 械系统设计 [ M] ． 武汉 水利电力出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 8 ] 周开勤． 机械零件手册[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 1 ． [ 9 』 赵应樾． 常用液压缸及其修理[ M] ． 上海 上海交通大学出版社， 1 9 9 6 ． [ 1 O ] 机械工业研究院． 液压气动密封件 上 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 。 l ⋯1 ． 。 n l ⋯．一 i i I - ’ 1 ．- 。 - ‘ l l I ．“ ， J “ I i - 。 1 ” I I I i | 1- ㈨ - _ l 一 ’ I i - 。 ． 1。 I I i ⋯ | _ “ n l 一’ I i ⋯-。 I I i ⋯ 。 ‘ i S 1 l “ n l ⋯ - ⋯ | _ 。 “ I I i 。 ‘ I I i l _ ． ‘ l - _ l ⋯ I h q II 值 ，皇 ll 兰州理工大学首家通过 G J B质量体系认证 2 0 1 2年 1 0月 1 0日， 兰州理工大学通过北京军友诚信质量认证有限公 司 G J B 9 0 0 1 B 一 2 0 0 9武器装备质量管 理体 系第三方认证 ， 这是在甘高校首 家通过 G J B质量体 系认证 ， 完善 了军品科研任务的基础条件。作 为省属 高校 兰州理工大学这几年积极承担武器装备的科技研发 ， 满足 国防和军队军工产品的各方需求， 兰州理工大学 经北京军友诚信质量认证有限公司的辅导培训， 经过半年的准备， 于l 0月1 0日 取得 了G J B武器装备质量体系 证书。兰州理工大学是省 内高校第一 家取得 国军标认证的单位 ， 为下一步武器装备科研 生产许 可申请打下了 基础。 本刊辑 1 2 9 ．