Коленчатые валы, их подшипники и антивибратор

/ Тепловоз ТЭ3 / Коленчатые валы, их подшипники и антивибратор

Коленчатый вал. Вал совместно с Шатунами превращает возвратно-поступательное движение поршней двигателя во вращательное движение. От него получают вращение все механизмы, потребляющие мощность дизеля, а также вал якоря тягового генератора. Коленчатый вал-наиболее ответственная и сложная деталь, которая определяет надежность всего двигателя. При работе двигателя коленчатый вал нагружается периодически изменяющимися силами от давления газов, моментов сил инерции поступательно-движущихся и вращающихся масс. В элементах вала возникают напряжения кручения, изгиба, растяжения и сжатия. Материал вала работает на усталость. Размеры элементов коленчатого вала (длина вала, длина коренных и шатунных шеек, размер между осями) определяют жесткость вала. Деформация коленчатого вала тем меньше, чем больше диаметр его шеек (чем больше «перекрытие» коренной и шатунной шеек) и чем меньше расстояние между осями соседних цилиндров,

или, короче говоря, деформация тем меньше, чем больше жесткость вала.

Таким образом, можно сформулировать некоторые требования, предъявляемые к валу:

минимальная деформация при минимальной массе коленчатого вала и максимальной его жесткости;

жесткость вала и опоры подшипника при работе должна обеспечивать распределение удельных нагрузок на подшипник в виде гиперболической кривой;

расположение кривошипов должно обеспечивать равномерность вращающего момента, наибольшую уравновешенность двигателя при минимальной длине коленчатого вала. Следует помнить, что конструктивные формы элементов вала зависят от выбора материала и технологичности его изготовления. Поверхностная твердость шеек должна соответствовать выбранному материалу вкладышей подшипников;

повышать усталостную прочность, применяя увеличенный радиус галтели (радиус перехода от шейки вала к щеке) и упрочняющую накатку радиуса галтели (наклеп поверхности радиуса). Чрезмерное увеличение радиусов галтелей невыгодно, так как при этом уменьшается длина рабочей части шейки и возрастают удельные нагрузки на подшипник. Для повышения усталостной прочности и поверхностной твердости применяют азотирование шеек коленчатого вала, которое увеличивает его усталостную прочность на 30%. У азотированного вала с накаткой галтелей повышается усталостная прочность на 70% (азотированный слой металла галтели должен быть срезан до накатки).

Коленчатые валы ра < шчаются числом колен, углом меж.п ними и порядком работы цилиндров. Число колен вала зависит от числа цилиндров у рядных двигателей и от пар цилиндров-у У-образных. Угол между коленами вала выбирают из условия необходимости обеспечения наиболее равномерного вращения вала двигателя. Угол между рядом расположенными кривошипами определяется такт-ностью и числом цилиндров и равен градусам поворота вала за весь цикл (для двухтактного цикла -360°, для четырехтактного -720°), разделенному на число цилиндров. На прочность коленчатого вала оказывает влияние «перекрытие» коренной и шатунной шеек. Если сумма размеров радиусов коренной и шатунной шеек больше радиуса кривошипа, значит, шейки заходят одна за другую. При этом повышается прочность коленчатого вала, так как увеличивается площадь сечения щеки в опасном месте и вместе с этим возрастает жесткость вала.

Дизель 2Д100 является двигателем с противоположно движущимися поршнями, поэтому он имеет два коленчатых вала: верхний и нижний. Коленчатые валы отлиты из модифицированного магнием высокопрочного чугуна (в. п. ч.). Литые коленчатые валы имеют низкую металлоемкость и трудоемкость. Нижний коленчатый вал дизеля 2Д100 полностью унифицирован с коленчатым валом двигателя 1 ОД 100, верхний отличается концевой частью, связанной с приводом воздуходувки. Для дизеля 2Д100 - это шестеренный привод воздуходувки типа Рут, для дизеля 1 ОД 100-это привод центробежного нагнетателя II ступени через торсионный вал, входящий своим шли-цевым концом в стальной фланец, закрепленный на торце коленчатого вала.

Коренные и шатунные шейки бывают одной длины, при этом диаметр коренной шейки больше шатунной, что имеет важное значение для снижения давления на вкладыш коренной опоры. Как верхний, так и нижний коленчатые валы имеют упорные подшипники для предохранения их от осевых перемещений.

Благодаря тому что коленчатые валы дизеля 2Д100 литые с внутренними полостями, их шейки имеют конфигурацию, усиливающую валы в опасных сечениях. В местах выхода отверстий для масла выполнены утолщения в виде бобышек, что компенсирует концентрацию напряжений. Особо большое значение для коленчатого вала имеет сопротивление усталости при изгибе и кручении, демпфирующие свойства; чувствительность к резким переходам формы, подрезам. Положительным фактором является то, что чугунные валы менее чувствительны (в отношении прочности) к качеству поверхностной обработки (риски и др.).

Дизели 2Д100 имеют 10-кривошип-ный коленчатый вал с порядком работы: 1-6-10-2-4-9-5-3-7-8 и следующими углами между кривошипами:

7№ кривошипов I-И II-III IV-V

Угол поворота коленчатого вала,

град 108 144 252 72

№ кривоши пов V-VI VI-VII VII-VIII

Угол поворота коленчатого вала,

град 180 252 36

№ криво шипов VIII -IX IX -X X -XI

Угол пово рота коленчатого вала,

град 216 252 288

В блоке дизеля коленчатый вал покоится на вкладышах из бронзы, залитой баббитом марки БК-2. Для свободного вращения шеек коренных опор в подшипнике и создания слоя смазки необходимой толщины между трущимися поверхностями во вкладышах подшипников устанавливают зазоры определенного размера (это очень важно при многоопорном вале). У дизеля 2Д100 зазор, замеренный щупом по коренным подшипникам в вертикальной плоскости между шейкой вала и нерабочей половиной вкладыша, должен быть для нижнего вала 0,15- 0,23 мм, для верхнего-0,15-0,23 мм.

Через отверстия в бугеле для нижнего и в крышке для верхнего валов и далее в кольцевые канавки в коренных вкладышах масло поступает из масляного коллектора на смазку коренных шеек и по каналам в щеках и в шатунах на охлаждение поршней. Отверстие в 12-й коренной шейке верхнего вала соединено со шпоночной канавкой в хвостовике вала под посадку шестерни привода воздуходувки и служит для прохода масла вовнутрь ступицы привода воздуходувки. Отвер-стие под масло в 1-й коренной шейке нижнего вала соединено со шпоночной канавкой переднего хвостовика вала под посадку антивибратора и служит для прохода масла в ступицу антивибратора и эластичного привода насосов.

Коренные и шатунные шейки обрабатывают с высокой точностью, а галтели (поверхности перехода шеек в щеку) накатывают роликами, как упоминалось выше; на этих поверхностях никакие дефекты не допускаются. Коленчатые валы подвергаются динамической балансировке, при этом дисбаланс не более 0,1 Н-м. Гарантия хорошей работы коленчатых валов во вкладышах коренных опор- выполнение высоких требований, предъявляемых к блоку цилиндров по соосности расточек под вкладыши коренных опор.

Подшипники коленчатого вала и вкладыши подшипника. Коленчатый вал покоится в коренных (рамовых) подшипниках, которые вварены в поперечные листы блока (бугели). Каждый коренной подшипник (блок дизеля 2Д100 имеет 12 опор вала) представляет собой сборочную единицу-опору кольцеобразной формы большой жесткости, состоящую из двух половин. Одна половина этой сборочной единицы (бугель) вварена в поперечный лист блока, другая (крышка подшипника) крепится к бугелю двумя болтами. Подшипник представляет собой единый жесткий узел-опору коленчатого вала.

В коренных подшипниках установлены вкладыши из бронзы (Бр ОЦС-3-12-5) с заливкой антифрикционного сплава марки БК-2. В основе баббита лежит свинец; олово введено в минимальном количестве для прилужива-ния. Как показала длительная эксплуатация, баббит БК-2 по сравнению с баббитом Б83 имеет в несколько раз более высокую усталостную прочность в тонком слое.

Вкладыши установлены в коренных и шатунных подшипниках с натягом. В двигателе 2Д100 для коренных вкладышей зазор «на масло», замеренный щупом между коренной шейкой и нерабочей половиной вкладыша (вкладыш, находящийся в бугеле), должен быть, как указывалось выше, 0,15-

0,23 мм. Для шатунных вкладышей диаметральный зазор «на масло» между шейками коленчатого вала и шатунными вкладышами, поставленными с натягом в нижней головке шатуна, должен быть 0,12-0,19 мм. Зазор определяют по паспортным размерам шеек коленчатого вала, шатунов и фактической толщины шатунных вкладышей. Кроме зазора «на масло», необходимо проверить зазор на расстоянии 12-15 мм от стыка вкладышей, который должен быть 0,12-0,25 мм.

По толщине различают две группы коренных вкладышей: 19~о°Ь42 и 19г§;об мм. Крышку каждой опоры тщательно пригоняют к бугелю так, чтобы размер А по «замку» (рис. 13) обеспечивал натяг 0,03-0,1 мм, а размер Б по «каблучку»-0,01-0,04 мм. Опорные поверхности торцов (впадина у крышки и выступ у бугеля) пригоняются по краске. Зазоры в подшипниках при работе дизеля, особенно в период приработки, не остаются постоянными.

При тонкостенных вкладышах монтажные и эксплуатационные зазоры практически одинаковы.

Монтажные зазоры замеряют при сборке двигателя после ремонта или изготовления Вкладыши упорного подшипника состоят из одной половины, устанавливаемой в бугель, и другой половины опорного коренного вкладыша, устанавливаемого в крышку коренного подшипника. Вкладыш бугеля имеет боковые залитые баббитом упорные поверхности, служащие для фиксирования заднего конца коленчатого вала. Упорный вкладыш своими буртами охватывает бугельную опору, зазор между буртом вала (гребнем под большую коническую шестерню) и буртами вкладыша 0,12-0,25 мм. Вкладыши, как отмечалось ранее, устанавливают в постели с натягом, который обеспечивает плотную его посадку. Плотность посадки вкладышей обеспечивается тем, что в теле блока и крышке подшипника диаметр наружной поверхности вкладыша больше диаметра отверстия постели (диаметр постели не более 242 + 0,45 мм, а диаметр вкладыша 245^о;'7о мм).

Коренные опорный и упорный вкладыши верхнего и нижнего коленчатых валов в ложе блока
Рис. 13. Коренные опорный и упорный вкладыши верхнего и нижнего коленчатых валов в ложе блока (крышка в сборе с бугелем блока): а - подшипник верхнего коленчатого вала, б - подшипник нижнего коленчатого вала; 1 - крышка подшипника верхнего коленчатого вала; 2 - стопорный штифт вкладыша; 3 - контрольный штифт крышки, 4 - вкладыш опорного подшипника; 5 - контрольный штифт вкладыша; 6 - вкладыш упорного подшипника; 7 - шпилька; 8 - крышка упорного подшипника; 9 - упорный бурт вкладыша; 10 - бугель (опора) верхнего подшипника, 11 - бугель (опора) нижнего подшипника; 12- крышка нижнего подшипника; 13 - болт; 14 - крышка упорного подшипника; 15 - упорный бурт вкладыша (со стороны генератора); 16 - стыковые торцы крышки и бугеля (опоры)

При сочленении генератора с дизелем необходимо учитывать, что после присоединения большой массы якоря генератора к нижнему коленчатому валу при помощи эластичной муфты вал будет прогибаться и между 8,9, 10 и 11-й шейками образуется ощутимый зазор (~ до 0,10- 0,12 мм), при этом наибольший будет приходиться на 10-ю опору (зазор указан в формуляре за вода-изготовителя). Зазор под шейками 8, 9, 10 и 11-й опор должен входить в общую величину зазора «на масло» и не превышать установленной нормы (0,15- 0,23 мм). Если значения этого зазора будут меньше нормы, то при работе дизеля коленчатый вал под действием давления газов может опуститься на вкладыши. Эти требования также справедливы и для упорных подшипников как верхнего, так и нижнего коленчатого вала.

Вкладыши заменяют без общей разборки дизеля следующим образом: подбирают вкладыш так, чтобы толщина его в средней части была равна толщине удаляемого вкладыша; проверяют толщину вкладыша на расстоянии 12-15 мм от торца вкладыша (от плоскости разъема вкладышей), которая должна быть меньше толщины его в средней части на 0,1-0,13 мм. Допускается шабровка вкладыша. Такой зазор в «усах» необходим для создания нормальных условий работы вкладыша.

Коренные вкладыши, включая и упорный, ставят с помощью простейшего приспособления, представляющего собой медную планку со штифтом, вводимым в масляный канал шейки или в отверстие, просверленное в упорной (11-й) шейке для этой цели. При этой операции обращают особое внимание на монтаж и демонтаж упорного вкладыша, чтобы не повредить залитые баббитом упорные торцы.

Антивибратор. При работе дизеля на шатунные шейки коленчатого вала действуют периодически изменяющиеся силы, вызывающие в нем переменные деформации кручения и изгиба. Деформации возбуждают в вале, как в упругой системе, механические крутильные колебания. Незатухающие колебания, вызванные периодически изменяющимися вращательными моментами, называются вынужденными крутильными колебаниями. Колебания вала, вызывающие относительное угловое смещение участков вала, называют крутильными колебаниями.

Колебания, продолжающиеся и после того, как вызвавшие их силы или моменты сил перестали дей-ствовать, так сказать колебания под действием сил упругости, называют собственными колебаниями.

Частота собственных колебаний зависит только от формы и размеров элементов вала и расположения масс на упругой системе. Во время работы двигателя собственные колебания затухают, остаются лишь вынужденные крутильные колебания, зависящие от вращающих моментов, сил упругости вала и сил инерции. При совпадении частот и направлений собственных и вынужденных колебаний наступает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний увеличивается до значений, вызывающих усталостную поломку вала. Такие условия, при которых частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных колебаний, называются резонансными, а частота вращения коленчатого вала-критической. Работа при критической Частоте вращения коленчатого вала опасна для дизеля, так как могут возникнуть настолько тяжелые условия, что произойдет поломка вала. Поэтому необходимо или смещать резонансные зоны за пределы рабочей частоты вращения коленчатого вала, или применять специальные устройства, снижающие амплитуды колебаний и добавочные напряжения в вале до допустимого уровня. Возможность смещения зоны резонанса ограничена, поскольку это связано с выбором схемы дизеля и размером конструктивных элементов коленчатого вала. Таким образом, необходимо применять гасители резонансных явлений.

В дизеле 2Д100 применен в качестве такого гасителя маятниковый динамический антивибратор. Он установлен на переднем конце нижнего коленчатого вала на прессовой посадке и на шпонке и состоит из ступицы, маятниковых грузов и пальцев. Стальная ступица 1 (рис. 14) имеет отверстия, в которые свободно (с зазором) вставлены 16 пальцев 2, 4, 6 и 7, ограниченные в осевом направлении стопорными планками 5. На пальцы также свободно установлены в два ряда восемь одинаковых грузов 3. На цапфе ступицы установлена на шпонке шестерня привода агрегатов.

Антивибратор:
Рис. 14. Антивибратор:

1 - ступица; 2 - палец груза шестого порядка колебаний; 3 - груз; 4 - палец груза третьего порядка колебаний; 5 - стопорная плаика; 6 - палец груза четвертого Порядка колебаний; 7 - палец груза седьмого порядка колебаний; 8 - втулка отверстия ступнцы; 9 - втулка отверстия груза; 10 - втулка отверстия ступицы

В комплект пальцев антивибратора входят четыре типа, отличающихся друг от друга только наружным диаметром. От диаметра пальца зависит настройка антивибратора на определенный порядок относительно собственной частоты крутильных колебаний коленчатых валов дизеля. Число пальцев каждого типа (одного порядка настройки) 4 шт. Для обеспечения правильной установки пальцев в отверстия ступицы на наружной цилиндрической поверхности крайних дисков ступицы против каждого отверстия выбиты цифры 3, 4, б или 7, соответствующие порядку (типу) того пальца, который должен стоять в этом отверстии; на торцах пальцев также нанесены цифры, соответствующие порядку (типу) пальца.

Крутильные колебания коленчатого вала вызывают колебания маятниковых грузов антивибратора в пределах зазоров в сочленениях грузов с пальцами и пальцев со ступицей. Колебания грузов вызывают изменение характера колебаний коленчатых валов и поэтому критические частоты вращения коленчатого вала смещаются за рабочую зону.

Поршень, поршневые кольца и шатун | Тепловоз ТЭ3 | Эластичная муфта, выпускные коробки и коллектор