柴油发电机组连杆螺栓装配预紧力矩数据分析

　　这是一次对康明斯发动机连杆螺栓实测预紧力的数据分析，目的是找出连杆螺栓在生产线上时常出现装配拉长的原因，并通过可靠性计算，重新确定了ATLAS拧紧机的控制扭矩目标值。

　　1.引言
　　东风汽车公司引进美国康明斯发动机连杆螺栓的螺纹为M11×1.25，材料性能等级为12.9级，要求硬度范围为HRC38～44，屈服下限为1100N/mm2，抗拉强度下限为1220N/mm2。在装配线上采用瑞典ATLAS拧紧机装配连杆螺栓，采用力矩转角法拧紧，其装配工艺为拧(60±5)Nm再转(60±5)°，螺栓理论伸长0.254mm，预紧力为65.67kN，接近了连杆螺栓的屈服区。因此，在此种状态下，康明斯连杆螺栓在装配过程中拉长现象时常发生，个别甚至发生颈缩，严重影响了连杆螺栓的装配质量和速度，并直接影响到发动机的质量。经检验分析，现有的装配工艺实际施加预紧力过高是导致装配事故发生的主要原因，故而有必要重新确定连杆螺栓预紧力矩的大小。

　　2.连杆螺栓实际预紧力高于理论值的原因
　　表1为用美国GSE超声波伸长仪在柴油发电机组装配现场实测的连杆螺栓的预紧力数据。用这些数据与前面预紧力比较，可看出实测值大部分超过了理论值。

表1实测装配线上连杆螺栓预紧力数据（kN）

螺栓号	发动机号
螺栓号	9433005	9433018	9433029	9433036	9433048
1	66.66	70.84	69.90	70.13	70.44
2	70.57	72.67	69.35	71.56	68.08
3	72.06	70.33	64.91	66.96	70.36
4	69.03	69.48	67.44	68.29	71.19
5	62.59	69.23	71.23	70.18	65.94
6	74.10	69.19	71.09	66.81	69.43
7	71.86	67.71	71.29	72.67	69.39
8	70.94	70.88	70.55	67.53	70.81
9	71.97	65.30	68.42	66.94	68.96
10	67.93	67.88	69.90	71.42	70.68
11	—	70.33	72.63	69.89	68.71
12	—	67.46	69.54	66.96	72.61

　　用高精度力矩仪对ATLAS拧紧机扭矩控制精度进行检验。检验所用仪器为美国GSE2062型力矩传感器，精度为±1%；美国GSE229-D型数字式峰值指示器，精度为±5%。ATLAS拧紧机控制扭矩目标值为60Nm，监测扭矩范围为(60±5)Nm，对一组螺栓预紧扭矩检测结果如表2所示。

缸号	ATLAS联机打印值		GSE229-D实测扭矩值
缸号	1轴	2轴	1轴	2轴
1	61.0	61.5	63	61
2	60.8	61.5	63	62
3	61.3	60.8	62	63
4	61.0	61.0	63	63
5	61.3	62.0	60	62
6	61.0	61.5	63	63

　　从表2中可看出，用GSE229-D测得的实际扭矩的确高于ATLAS联机的打印值，说明ATLAS拧紧系统控制扭矩时出现系统偏差，因此有必要重新确定其控制扭矩目标值，消除系统偏差对实际扭矩的影响，使得实际扭矩符合螺栓强度的要求。
　　3.连杆螺栓联接实际预紧力可靠性分析
　　(1)连杆螺栓实际预紧力分布状态
　　以表1测得的实际预紧力数据按大小排序列于表3中，并计算其中位秩F(xi)

　　　　　(1)

　　式中，i为次序号；n为样本容量。

　　将表3中的预紧力xi对应的中位秩依次点到概率纸上，其分布函数F(xi)呈线性分布，说明实际预紧力数据是正态分布。测得概率为0.5时，预紧力为均值μs=69.29kN；概率为0.1587时，预紧力值为67.69kN，故其标准差σs=69.29-67.69=1.6kN。
　　螺栓拉伸应力σ与预紧力F′之间存在如下关系［1］

　　　　　　(2)

　　式中，d1为螺栓螺纹小径。

表3螺栓预紧力数据及中非曲直位秩

顺序号 i	xi /kN	中位秩 F(xi)	顺序号 i	xi /kN	中位秩 F(xi)	顺序号 i	xi /kN	中位秩 F(xi)	顺序号 i	xi /kN	中位秩 F(xi)
1	62.59	0.012	16	68.08	0.269	31	69.90	0.521	46	71.19	0.783
2	64.91	0.029	17	68.29	0.286	32	70.13	0.543	47	71.23	0.800
3	65.30	0.046	18	68.42	0.303	33	70.18	0.560	48	71.29	0.817
4	65.94	0.063	19	68.71	0.320	34	70.33	0.577	49	71.42	0.834
5	66.66	0.081	20	68.96	0.337	35	70.33	0.594	50	71.56	0.851
6	66.81	0.098	21	69.03	0.355	36	70.36	0.611	51	71.86	0.868
7	66.94	0.115	22	69.19	0.372	37	70.44	0.628	52	71.97	0.885
8	66.96	0.132	23	69.23	0.389	38	70.55	0.646	53	72.06	0.902
9	66.96	0.149	24	69.35	0.406	39	70.57	0.658	54	72.61	0.920
10	67.44	0.166	25	69.39	0.423	40	70.68	0.680	55	72.63	0.937
11	67.46	0.183	26	69.43	0.440	41	70.81	0.697	56	72.67	0.954
12	65.53	0.200	27	69.48	0.457	42	70.84	0.714	57	72.67	0.971
13	67.71	0.218	28	59.54	0.474	43	70.88	0.731	58	74.10	0.988
14	67.88	0.235	29	69.89	0.491	44	70.94	0.748	—	—	—
15	67.93	0.252	30	69.90	0.509	45	71.09	0.765	—	—	—