Гребной вал

Гребной вал

ГРЕБНОЙ ВАЛ, вал, непосредственно несущий на себе движитель судна (гребной винт или гребное колесо). Передача вращения от главной машины судна (паровой поршневой машины, двигателя Дизеля, паровой турбины) движителю осуществляется при помощи нескольких соединенных между собой валов, совокупность которых называется линией вала. Фиг. 1 дает расположение отдельных частей, составляющих линию вала (для винтового судна): 1 - гребной вал; 2 - дейдвудный вал (в одновинтовых судах гребной вал является в то же время и дейдвудным); 3 - промежуточный вал; таких валов может быть несколько, называют их также коридорными, по месту их расположения; 4 - упорный вал; кроме того, к линии вала относится коленчатый вал поршневой машины, не показанной на фиг.; в турбинных установках без передачи коленчатый вал заменяется валом турбины, а в турбинных установках с передачей - валом, несущим большую шестерню.

Расположение отдельных частей, составляющих линию вала

Кроме перечисленных, необходимыми принадлежностями линии вала являются: 1) сальник дейдвудного вала, устраиваемый в месте прохода дейдвудного вала через переборку и препятствующий прониканию забортной воды вдоль дейдвудного вала внутрь судна; 2) опорные подшипники (фиг. 2), служащие для поддержания собственного веса валов и в то же время являющиеся направляющими опорами при передаче упорному подшипнику осевого давления, развиваемого винтом; каждый промежуточный вал обычно покоится на двух опорных подшипниках; 3) упорный подшипник, прочно соединенный при помощи особого фундамента с корпусом судна и служащий для передачи судну осевого усилия, развиваемого винтом и сообщающего судну движение.

Опорные подшипники, служащие для поддержания собственного веса валов

Линия валов должна представлять собой правильную прямую линию, т. к. всякий излом этой линии (угол между двумя жестко соединенными друг с другом валами) при вращении валопровода будет вызывать нагревание и износ подшипников.

На фиг. 3, представляющей гребной вал (который в то же время является и дейдвудным) одновинтового судна: а - гребной вал; б - чугунная дейдвудная труба, один конец которой крепится к переборке судна, а другой - к ахтерштевню судна; в - бакаутовые вкладыши, служащие подшипниками, на которых лежит дейдвудный вал; г - бронзовая облицовка (непрерывная); д - дейдвудный сальник.

Гребной вал одновинтового судна

Если облицовка не сделана непрерывной, то вал, лишенный металлической облицовки, часто защищают от действия морской воды специальной облицовкой из резины. Из характерных деталей линии вала необходимо отметить еще упорный подшипник. До появления подшипника системы Мичеля (Michell) упорными подшипниками исключительно служили или подшипники со скобами системы Модслея (фиг. 4) или (для малых судов) подшипники с кольцевыми выточками, состоящие из двух половин.

Подшипники со скобами системы Модслея

В подшипниках этих систем удельное давление допускается в пределах от 3 до 6 кг/см2, и вал имеет несколько упорных колец. Разработанный Мичелем, на основании новой теории смазки, подшипник дал возможность поднять удельное давление до 25 кг/см2, вследствие чего оказалось возможным ставить на валу только одно кольцо; конструкция подшипника весьма компактна. Сущность устройства, которое допускает такие высокие удельные давления, состоит в следующем (фиг. 5):

Сущность устройства, которое допускает такие высокие удельные давления

между подшипником L и упорным кольцом R имеются упорные подушки z, которые опираются лишь в одной точке на болты а. Когда кольцо начинает вращаться, то смазочное масло, приходя в движение, отодвигает подушки и удерживает их в наклонном положении по отношению к кольцу, причем наружные концы подушек отодвигаются от упорного кольца дальше, чем внутренние. В образующиеся между кольцом и подушками клинообразные пространства непрерывно поступают все новые количества смазки, и, таким образом, трущиеся металлические поверхности нигде не соприкасаются.

Конструкция и расчет. При определении прочных размеров валов коммерческих судов приходится пользоваться теми формулами и нормами, которые дают классификационные общества. В СССР наряду с правилами «Регистра Союза ССР» применяются правила Английского Ллойда, Германского Ллойда и Бюро Веритас. Размеры валов, определенные по правилам этих обществ, довольно близко подходят друг к другу. Для расчета по правилам Английского Ллойда служат следующие формулы. Промежуточные валы для судов с паровой поршневой машиной:

Промежуточные валы для судов с паровой поршневой машиной

где d – диаметр промежуточного вала в мм, D – диаметр цилиндра низкого давления в мм, S – ход поршня в мм, WP – рабочее давление в котлах в кг/см2, r – отношение площади поршня цилиндра низкого давления к площади поршня цилиндра высокого давления, с - коэффициент, даваемый табл. 1.

Grebnoy val 7

Диаметр коленчатого вала д. б. не меньше 1,05d; диаметр гребного вала - не меньше, чем d + P/c, где Р - диаметр винта в мм, а с - коэффициент, равный 144, если бронзовая облицовка вала непрерывная, и 100, если облицовка не является непрерывной. Диаметр упорного вала в районе между упорными кольцами должен быть не меньше 1,05d; от упорных колец к муфте диаметр упорного вала м. б. сведен путем постепенного перехода к диаметру, равному диаметру дейдвудного вала (не несущего винт) - не меньше 1,05d. Если вал подвержен действию морской воды, то его диаметр д. б. не меньше 1,075d. Для судов с паровыми турбинами диаметр промежуточных валов должен быть вычислен по следующей формуле:

Для судов с паровыми турбинами диаметр промежуточных валов

где S - максимальное число л. с. на валу, развиваемых турбиной, R - число об/мин., F -  коэффициент, для океанских судов равный 64, для речных и озерных - 58. Диаметр вала, при турбинах с зубчатой передачей д. б. не меньше 1,05d—1,1d, в зависимости от числа и расположения малых шестерен. Для судов с дизелями диаметр промежуточного вала д. б. не меньше

Для судов с дизелями диаметр промежуточного вала д. б. не меньше

где D - диаметр цилиндра в мм, S - ход поршня в мм, с - коэффициент, который берется из табл. 2 путем интерполирования в зависимости от величины коэффициента А, вычисляемого по формуле:

Grebnoy val 10

где W - полный вес махового колеса в кг, dw - диаметр махового колеса в мм, R - число об/мин., D - диаметр цилиндра в мм, S - ход поршня в мм.

Grebnoy val 11

Если ход поршня не меньше 1,2 и не больше 1,6 диаметра цилиндра, то вместо выражения Grebnoy val 12 м. б. взято выражение 0,735·D+0,273·S. Вычисление диаметра коленчатого вала дизелей производится по следующей формуле, при условии, что максимальное давление в цилиндре не выше 35 кг/см2:

Grebnoy val 13

где D - диаметр цилиндра в мм, S - ход поршня в мм, и h - расстояние в мм между внутренними кромками подшипников, на которых лежит колено вала. Значения коэффициентов А и В берутся из табл. 3.

Grebnoy val 14

Вышеприведенные формулы дают минимальные, требуемые Английским Ллойдом, размеры валов. Для судов военного флота, где конструктор не стеснен предписаниями страховых обществ, размеры валов определяются по обычным формулам сопротивления материалов. Коленчатый вал, подвергающийся одновременному действию изгиба и кручения, рассчитывается по формуле Сен-Венана (Saint-Venant):

Коленчатый вал, подвергающийся одновременному действию изгиба и кручения, рассчитывается по формуле Сен-Венана (Saint-Venant)

где Rизг. - допускаемое напряжение на изгиб, W - момент сопротивления, Мизг. и Мкр. -  соответственно изгибающий и крутящий моменты. Вместо формулы Сен-Венана, построенной на теории прочности, предполагающей, что причина разрушения тел кроется в величине наибольших деформаций сжатия или растяжения, применяется в Англии и входит в употребление в других странах формула:

Grebnoy val 16

Эта формула построена на допущении, что причиной разрушения являются возникающие в теле наибольшие деформации сдвига. Очень часто расчет ведется по формулам, учитывающим только касательные напряжения, а именно:

Grebnoy val 17

где d - диаметр вала, d1 - внутренний диаметр вала, если вал пустотелый, Mt - крутящий момент, N - число индикаторных л. с. машины, n - число об/мин., Rt - допускаемое напряжение на сдвиг, которое берется в следующих пределах: 240—320 кг/см2 (для товарных и пассажирских судов), 350—400 кг/см2 (для военных судов тяжелой постройки), 400—480 кг/см2 (для военных судов легкой постройки), 480—580 кг/см2 (для миноносцев). Расчет промежуточных валов, работающих гл. обр. на скручивание, производится по указанным выше формулам (1), (2), (3).

В случае турбинной установки под N понимается число эффективных л. с., передаваемых валом. Rt берется на 10—15% больше, чем в коленчатых валах; при турбинных установках Rt берется: 420—450 кг/см2 (для коммерческих судов), 500—650 кг/см2 (для броненосцев и крейсеров) и 750—850 кг/см2 (для миноносцев). Очень большое влияние на прочность валов имеют крутильные колебания, возникающие в валопроводе при работе машины. В случае резонанса, т. е. совпадения периода собственных колебаний валопровода с периодом действующих сил, в валах могут получиться опасные напряжения, вызывающие их поломку. Определение числа собственных колебаний валопровода и сравнение его с числом оборотов машины дают возможность определить, насколько близко лежат эти пределы. В случае их совпадения, чтобы избежать резонанса, приходится или менять число оборотов машины или изменять размеры валопровода. Крутильные колебания, возникающие в валопроводах, опасны еще и в том отношении, что вал, закручиваясь то в одном то в другом направлении, периодически меняет напряжение, что в конечном результате при соответствующих значениях напряжения может вызвать явление «усталости» материала и повести к поломке.

Гребной вал отковываются из болванок, отлитых из сименс-мартеновской стали. Чтобы обеспечить поковку от следов усадочных раковин, вес болванки, предназначаемой для вала, определяют с таким расчетом, чтобы ее прибыльная часть, составляющая 30—40% от общего веса, осталась неиспользованной; это относится к случаю, когда стальная болванка отливается обычным способом. Если же при отливке болванки будут приняты особые меры для уменьшения размеров усадочной раковины (подогрев прибыльной части, отливка с насадкой, выложенной огнеупорным кирпичом, прессование жидкой стали), то в таком случае размеры неиспользованной прибыльной части болванки соответственно уменьшаются. Размер болванки в поперечном сечении должен быть таков, чтобы была обеспечена надлежащая проковка вала; считается достаточным, если площадь сечения откованного вала составляет не более 20% от площади поперечного сечения выбранной болванки. Большие судовые гребные валы отковываются под гидравлическими или парогидравлическими прессами, причем мощность пресса в 3000 т достаточна для проковки самых больших валов. Колена в коленчатых валах располагают в поковке сначала в одной плоскости; надлежащее их взаимное расположение под разными углами, согласно чертежу, достигается путем скручивания в нагретом состоянии соединительных между отдельными коленами частей вала. Валы обрабатываются резанием на станках со всех сторон; припуск на обработку зависит от размеров вала и колеблется от 5 до 30 мм на сторону. Судовые гребные валы изготовляются из стали качества обыкновенной углеродистой с временным сопротивлением на разрыв в 40—50 кг/мм2. В некоторых случаях коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания (например, дизелей) предпочитают делать из специальной стали - никелевой или хромоникелевой, т. к. эти сорта стали являются более стойкими при работе изделия, когда возможны удары и вибрации.

По отковке валы простой углеродистой стали подвергают отжигу, причем температура нагрева должна соответствовать содержанию углерода в стали; валы из специальных сортов стали подвергаются также по отковке соответствующей составу стали термической обработке. Пробы для испытания качества металла отбирают от концов вала после отжига или окончательной термической обработки; от малых валов (весом до 10 т) пробы берут с одного конца; от валов весом свыше 10 т пробы берут с двух концов. Облицовка дейдвудного вала отливается из бронзы состава: красной меди 86%, олова 10% и цинка 4%. Облицовка насаживается на вал нагретой или под прессом и должна удерживаться трением; крепление ее к валу винтами или гужонами не допускается.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.