1.2 Коленчатый вал

Коленчатый вал служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное и передачи вращающего момента потребителю мощности.

Это одна из наиболее ответственных, напряженных и дорого­стоящих деталей. Стоимость вала может достигать 30 % стоимости дизеля, а масса — до 15 % его массы.

Коленчатый вал (рисунок 1.2) состоит из кривошипов (колен) (2), свободного конца (1), конца (4) отбора мощности и жесткого соеди­нительного фланца (3).

При относительно небольших размерах и массе вал по длине является цельным. Кривошип состоит из двух рамовых шеек (8), размещенных в рамовых подшипниках (10), двух щек (7) и шатунной (кривошипной) шейки (6), соединенной с нижним кон­цом шатуна (9).

На валу размещены шестерня (5) привода вспомогательных ме­ханизмов, противовесы (11), шестерня (12) привода распределитель­ного вала, маховик, иногда — демпфер осевых колебаний вала или гаситель крутильных колебаний.

Условия работы. Коленчатый вал воспринимает, на­грузки от действия сил газов и сил инерции поступательно движу­щихся и вращающихся масс. Эти силы вызывают знакопеременные скручивающие и изгибающие моменты,износ шеек вала и подшип­ников, а также усталостные явления в местах наибольшей концен­трации напряжений (галтелях, сверлениях).

Периодически изменяющийся вращающий момент вызывает кру­тильные (вал скручивается и раскручивается), поперечные (под действием сил инерции) и осевые (вал сжимается и растягивается вдоль оси) колебания, которые при резонансе могут вызывать значительные дополнительные напряжения и привести к полом­ке вала. Дополнительные напряжения в валу возникают также при искривлении его оси вследствие неправильной укладки, неравномерного износа рамовых подшипников или деформации фундаментной рамы дизеля.

Рисунок 1.2 – Коленчатый вал

Составляющие силы Р_ш, действующей по оси ша­туна — тангенциальная Р_т и радиальная Р_р, — вызывают реакции рамовых подшипников Р_т/2 и Р_р/2. Вращающие моменты, пе­редаваемые через первую и вторую рамовые шейки, соответствен­но равны М_в и М'_в.

Реакции от сил Р_т и Р_р изгибают шатунную шейку (опасное сечение I - I), щеки кривошипа (опасное сечение II - II) и рамовые шейки (опасное сечение III - III), а вращающий момент М_в от других цилиндров скручивает шатунную и рамовые шейки. Щека дополнительно сжимается радиальной силой Р_р/2 и скручивает­ся моментом от силы Р_т/2.

Так как силы инерции Р_j в верхней мертвой точке (ВМТ) направлены вверх и разгру­жают детали движения и коленчатый вал от направленных вниз сил действия газов Р_г ,то одним из наиболее тяжелых режимов работы коленчатого вала и других деталей дизеля явля­ется режим пуска, когда максимальное давление сгорания в цилин­дре может превышать в 1,3—1,5 раза давление на номинальном ре­жиме, а силы инерции незначительны. Вместе с тем во время рабо­ты дизеля возникающие от сил Р_j моменты М_j стремятся изогнуть коленчатый вал в плоскостях их действия. Деформация вала вос­принимается рамовыми подшипниками (наибольшую нагрузку вос­принимают центральные подшипники).

К конструкции коленчатого вала предъявляют следующие основные требования: возможно большие жесткость и прочность при наименьшей массе; высокая износостойкость шеек; динамическая уравновешенность (все массы должны быть располо­жены так, чтобы не было неуравновешенных пар).

Материал для изготовления коленчатых валов: углеро­дистая сталь 35, 40, 45, 50, 35Г и 45Г (для малооборотных дизелей(МОД) и среднеоборотных дизелей(СОД) средней мощности), легированная сталь 40ХН, 40ХНВА и др. (для ВОД и мощных СОД); легированная сталь не увеличивает жесткости вала, но повышает его усталостную прочность и износостойкость.

Валы дизелей малой и средней мощности иногда изготовляют из высокопрочного модифицированного чугуна с шаровидным гра­фитом ВЧ45-5, ВЧ50-2. Преимущества чугунных валов: меньшая стоимость изготовления; возможность использования более рацио­нальных конструктивных форм (с точки зрения снижения концен­трации напряжений); меньшая чувствительность, к концентраторам напряжений (рискам, царапинам и т. п.); повышенная износо­стойкость шеек (вследствие наличия в чугуне графита и хорошей смачиваемости шеек маслом). Недостатки: пониженные жесткость и прочность, и трудность обнаружения внутренних литейных пороков.

Кривошипы. Кривошип (колено) вала изготовляют цельным (рисунок 1.3 а), полусоставным (рисунок 1.3 б) или составным (рисунок 1.3 в). В полусоставных и составных кривошипах соеди­нение отдельных частей обеспечивается горячей посадкой или хо­лодом (без шпонок или стопоров). Достаточное обжатие достигает­ся натягом 1/800—1/10000 при нагреве до 200—250 °С. Полусостав­ные и составные кривошипы применяют главным образом для ва­лов с большими диаметрами шеек в МОД.

Угол заклинивания кривошипов и порядок вспышек в цилиндрах выбирают из условий наибольшей равномерности вращающего момента, наиболее полного уравновешивания, равномерной нагрузки на рамовые подшипники, оптимального использования энергии выпускных газов для наддува, наименьших дополнительных на­пряжений от крутильных колебаний.

Для обеспечения равномерного вращения коленчатого вала вспышки в цилиндрах должны происходить через одинаковые углы поворота коленчатого вала: для четырехтактных дизелей φ= 720/i, для двухтактных φ = 360/i (где i — число цилиндров). У высокооборотных дизелей(ВОД) условие наиболее полного уравновешивания часто является решаю­щим и угол φ может быть другим. Для равномерного нагружения вала и рамовых подшипников последовательные вспышки не должны происходить в соседних цилиндрах, так как рамовый под­шипник между этими цилиндрами будет перегружен.

Рамовые и шатунные шейки обычно имеют одинаковый диаметр; у СОД и ВОД для демонтажа шатуна через цилиндр иногда диа­метр шатунной шейки уменьшают на 10—15 %. Место переходов шеек к щекам для уменьшения концентрации напряжений выпол­няют плавными с возможно большими радиусами закруглений.

Сверления в шейках могут иметь разное назначение: для уменьшения массы вала (сверления в рамовых и шатунных шейках); для уменьшения центробежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс (сверления в шатунных шейках); для подвода смазки к кривошипным подшипникам и контроля качества по­ковки вала; для искусственного уравновешивания без применения противовесов (сверления различных диаметров в некоторых шатунных шейках). В современных МОД сверления часто не делают, так как они являются концентраторами напряже­ний и существенно снижают прочность вала.

Смазывание шеек коленчатого вала — циркуляционное под дав­лением. Масло обычно подводится по отдельным патрубкам из об­щей масляной магистрали к рамовым подшипникам, а затем по сверлениям в кривошипах — к шатунным шейкам. Поступлению масла к шатунным подшипникам способствует центробежная сила от веса масла. Если кривошипы сверлений не имеют, в рамовые подшипники масло подводится по отдельным патрубкам, а в шатун­ный — от крейцкопфных подшипников по сверлению в шатуне.

Для подвода масла от рамового в шатунный подшипник часто используют косое сверление в кривошипе; при этом для непрерывного поступления масла в кривошипный под­шипник и далее по сверлению в шатуне в поршневой подшипник в рамовых и кривошипном подшипниках приходится делать неже­лательные кольцевые канавки. Для устранения этого в рамовой шейке делают входные сверления a,b (рисунок 1.3 г), а в шатун­ной шейке — выходные сверления c,d.

Рисунок 1.3 – Кривошипы коленчатого вала ;

При использовании для перемещения масла облегчающих осе­вых сверлений (большого диаметра) в шейках их торцы уплотняют заглушками 2 (рисунок 1.3 д). Однако заглушки и большое количество масла в облегчающих сверлениях увеличивают вращающие­ся массы, а на заполнение больших объемов требуется время. Для устранения этого недостатка в косых сверлениях кривошипа раз­вальцовывают латунные трубки 3 (рисунок 1.3 ё). Для ускорения подачи масла в пусковой период иногда в осевых сверлениях ра­мовых (или рамовых и шатунных) шеек устанавливают вытесните­ли 4 (рисунок 1.3 ж). В ВОД в радиальные сверления шатунных шеек часто завальцовывают короткие сепарационные трубки 1.

При вращении вала механические примеси центробежной си­лой отбрасываются к периферии и откладываются на поверхности осевого сверления шейки, а в трубку поступает чистое масло (иног­да для этого радиальное сверление располагают в плоскости, пер­пендикулярной плоскости колена вала). Радиальные сверления в шейках стремятся расположить в области минимальных давлений на шейку; в реверсивных дизелях предусматривают обычно два сверления в шатунной шейке.

Щеки кривошипа могут иметь различную конструкцию: прямо­угольную, овальную, круглую и фигурную. Наиболее рациональ­ными в отношении прочности, массы и равномерного «распределения напряжений являются овальные щеки. Однако их трудно изго­тавливать, поэтому чаще всего в судовых дизелях "применяют щеки прямоугольные со срезанными углами (рисунок 1.3 а, б, г- ж). Фигурные щеки (рисунок 1.3 в) применяют в полусоставных и со­ставных кривошипах. Их форма обусловлена необходимостью со­здания «кольца» для надежного обжатия шеек.

Конструктивные способы повышения усталостной прочности коленчатого вала:

• галтели сопряжения шеек и щек выполняют возможно больших радиусов;

• наиболее напряженные места (особенно галтели и выходы ра­диальных сверлений в шейках) тщательно обрабатывают и поли­руют;

• радиальные сверления в кривошипной шейке располагают не в плоскости кривошипа, а под углом 90 или 270°;

• применяют «перекрытие» рамовых и кривошипной шейки, «поднутрение» галтелей в щеку (рисунок 1.3 б) или в шейку;

• осевые сверления в кривошипных шейках растачивают эксцен­трично;

• внутренние полости шеек чугунных валов выполняют бочко­образными.

Противовесы. На коленчатом валу противовесы устанавливают для уравновешивания свободных сил инерции (не уравновешенных заклиниванием кривошипов) и их моментов для деталей движения, разгрузки рамовых подшипников (из-из уравновешивания цент­робежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс) и уравновешивания внутренних моментов центробежных сил, воз­никающих вследствие упругости коленчатого вала и передающихся через рамовые подшипники на остов дизеля (в ВОД противовесы крайнего кривошипа иногда выполняют функции гасителя крутильных колебаний).

К щекам кривошипа противовесы чаще всего крепят болтами, для разгрузки которых от срезающей силы применяют различные замки или шпонки. Для МОД противовесы часто отковывают или отливают заодно со щеками. Для уменьшения массы противовеса его центр тяжести должен быть расположен возможно дальше от оси вала.

Концы коленчатого вала. При выходе из картера во избежание утечки масла концы вала уплотняют специальными маслоотбойными гребнями в комбинации с лабиринтным или сальниковым уплотнением (войлочным, фетровым), либо предусматривают маслосгонную резьбу (при малых диаметрах вала у нереверсивного дизеля).

Свободный конец вала используют обычно для монтажа шестерни привода навешанных на дизель насосов (масляного, водяного, топливоподкачивающего) и других вспомогательных механизмов. Для снижения амплитуды осевых колебаний коленчатого вала иногда на его свободном конце устанавливают демпфер осевых колебаний (рисунок 1.4 а).

К торцу вала жестко прикреплен валик (3) с поршнем (2), размещенным с зазором в цилиндре (5) с крышкой (4). Цилиндр прикреплен к торцу остова дизеля. Полости по обе стороны поршня заполнены маслом из системы смазки дизеля. Осевые колебания вала вызывают перемещения поршня. При этом масло вытесняется через зазор между поршнем и цилиндром и необходимая энергия демпфирования создается вследствие гидравлического сопротивления при перетекании масла через зазор. Для отвода теплоты при работе демпфера предусмотрена циркуляция масла через входные (6) и выходные (1) отверстия, а для слива масла из кожуха демпфера — отверстие (7).

Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний на свободном конце вала (участке наибольших амплитуд колебаний) в ВОД и СОД иногда устанавливают гасители крутильных колебаний: антивибраторы и демпферы.

Антивибратор (динамический гаситель колебаний) работает без поглощения энергии, а демпфер поглощает часть энергии, подводимой возмущающим моментом.

Принцип действия антивибратора заключается в том, что к одной колеблющейся системе присоединяют вторую систему, способную колебаться относительно первой. Если на первую систему воздействуют, возмущающая сила или возмущающий момент с частотой, равной частоте свободных колебаний второй системы, то совершать колебания будет только вторая система, а первая система участвовать в колебаниях не будет, т. е. вторая система является динамическим гасителем колебаний первой системы.

Рисунок 1.4 – Гасители осевых и крутильных колебаний

В демпфере жидкостного трения (рисунок 1.4 б) энергия крутильных колебаний поглощается вязкой кремнийорганической жидкостью — силиконом. К концу коленчатого вала прикреплен корпус (8) демпфера с крышкой (11). Кольцевой маховик (9) может свободно вращаться на втулке (10). Зазор между корпусом и маховиком заполнен силиконовой жидкостью. Корпус демпфера совершает колебания вместе с валом, а кольцевой маховик стремится сохранить частоту своего вращения неизменной. На преодоление возникающего вязкостного трения жидкости затрачивается энергия колебаний и уменьшается их амплитуда. Такие демпферы обычно размещают за пределами остова дизеля для лучшего охлаждения окружающим воздухом.

На конце вала со стороны отбора мощности обычно имеются фланец для соединения с упорным валом, маховиком или фланцем генератора и шестерня (12) (рисунок 1.3 б) привода распределительного вала. Такое размещение шестерни обеспечивает правильную, спокойную и надежную работу привода распределения вследствие наименьших амплитуд крутильных колебаний на этом участке вала (вблизи узла колебаний) и постоянных зазоров в приводе при тепловом расширении коленчатого вала. Привод длинного распределительного вала, иногда располагают в средней части коленчатого вала, что уменьшает погрешности распределения от скручивания распределительного вала.