Колінчасті вали
Суднові двигуни внутрішнього згоряння
Остів двигуна та кривошипно-шатунний механізм
Колінчастий вал є найбільш відповідальною дорогою деталлю дизеля. Він сприймає зусилля через шатуни від поршнів і передає ці зусилля споживачеві (гребного гвинта). На колінчастий вал при роботі двигуна діють скручують і згинальні зусилля, що змінюються за величиною та напрямом. Внаслідок цього його доводиться відливати, відковувати або відштампувати зі спеціальних сортів сталі. Для виготовлення колінчастих валів використовують високосортні вуглецеві сталі. У середньооборотних напружених двигунів колінчасті вали виготовляють із легованих (нікелевих або хромнікелевих) сталей. Іноді їх виконують із високоміцного чи модифікованого чавуну.
Залежно від потужності та розмірів двигунів колінчасті вали бувають цільнокованими або складовими. Цільнокований колінчастий вал восьмициліндрового двигуна складається з рамових шийок2,розташованих на одній осі, шатунних шийок4і щік3.Рамові шийки укладені в рамові підшипники, на шатунні шийки навішені нижні головки-шатунів (рис. 1,а).
Мал. 1. Колінчасті вали: а - складовий вал восьмициліндрового дизеля, б - загальний вигляд вала шестициліндрового дизеля.
Для того щоб підвищити міцність колінчастого валу, його шийки піддають загартування і азотування. Поверхня шийок після токарної обробки ретельно шліфують. На кормовому кінці колінчастого валу встановлений фланець для кріплення маховика. Носовий кінець валу використовують для монтажу шестерні приводу навішених на дизель насосів (масляного, водяного, паливопідкачувального) та інших допоміжних механізмів.
Кількість шатунних шийокколінчастого валу завжди дорівнює числу циліндрів двигуна. Кількість рамових шийок зазвичай на 3 - 2 більше, ніж циліндрів двигуна. Усі рамові шийки лежать на осі колінчастого валу. Від цієї осі на однаковій відстані (радіус кривошипу) розташовуються шатунні шийки.
Складовий колінчастий вал дизеля 8ДР 43/61 складається з двох чотириколінчастих валів1і2і завзятого валу3.Окремі частини колінчастого валу з'єднані між собою за допомогою фланців6каліброваними болтами (рис. 1,б).
На шийці валу у кормового фланця встановлюється на шпонці 7 шестерня приводу розподільчого валу. До носового фланця валу кріпляться заспокійник крутильних коливань і провідна частина пружної муфти приводу повітродувки. Кормовий фланець завзятого валу3з'єднаний з гребним валопроводом. Зусилля упору гребного гвинта передається через гребінь5упорного валу на завзятий підшипник. На шийці біля кормового фланця завзятого валу проточені масловідбійні гребені4.Ці гребені разом із сальниковим ущільненням в торцевій кришці корпусу завзятого підшипника перешкоджають витоку олії.
Конструкція колінчастого валу повинна передбачати можливість подачі олії для змащення рамових та шатунних підшипників. Незважаючи на різне конструктивне виконання системи змащення колінчастих валів, ця схема у суднових дизелів побудована за однаковим принципом.
Олія із системи змащення дизеля по відгалуженням подається до рамових підшипників і змащує їхню поверхню. Частина олії від рамових шийок8через похилі свердління«А»в шийках і щоках9подається до шатунних шийок10.Причому до кожної шатунної шийки підведені свердління від двох сусідніх рамових шийок. У крайній носовій шийці колінчастого валу виконано поздовжнє свердління,якому підводиться олія до заспокоювача крутильних коливань і до пружної муфти приводу повітронагнітача.
У тихохідних суднових двигунах, у яких радіус кривошипу більше 500 мм, коліна валу можуть бути напівскладними або складовими.
Сталеві щоки напівскладного коліна відковують разом із шатунною шийкою, а рамові шийки виготовляють окремо (рис. 2,а).З'єднання щік з рамовими шийками виконується гарячою посадкою. Складове коліно двигуна «Бурмейстер і Вайн» виходить, коли окремо виготовлені рамові та шатунні шийки запресовуються в отвори щік (рис. 2,б).У даній конструкції рамові та шатунні шийки виконані порожнистими. Порожнини в шийках закриті заглушками2і заповнені маслом, яке в порожнину рамової шийки надходить по радіальним свердлінням1,звідки по свердлінню3у щоці потрапляє в порожнину шатунної шийки . На мастило кривошипного підшипника масло подається через отвір4.
Мал. 2. Елементи колінчастих валів: а - напівскладне коліно, б - складове коліно, в, г, д - прямокутна, овальна та кругла форма щік.
Під час роботи двигуна в результаті обертання кривошипа і нижньої головки шатуна виникає відцентрова сила інерціїFM,спрямована завжди від центру обертання, що прагне відірвати кривошип і, отже, що діє на рамові підшипники, збільшуючи їх знос.
У шести- і восьмициліндрових двигунах ці сили виявляються врівноваженими, тобто у будь-який момент на колінчастий вал діють дві сили FM (7 від різних кривошипів), але спрямовані вони в протилежні сторони.
Якщо двигун має непарну кількість циліндрів або менше чотирьох, то відцентрові сили інерції взаємно не врівноважуються. У цьому випадку колінчасті вали постачаються.противагами - масами, закріпленими на щоках коліна з боку, протилежної шатунної шийки. У двигунів «Бурмейстер і Вайн» противаги5відковуються разом із щоками коліна. При обертанні противаги виникає відцентрова силаFпр,яка дорівнює за величиною силіFM,але спрямована у зворотний бік. В результаті силаFMврівноважується та її вплив нейтралізується.
Щоки кривошипа можуть мати різну конструктивну форму. Прямокутні щоки прості у виготовленні, проте нераціональне використання матеріалу збільшує відцентрові сили, які додатково навантажують рамові підшипники (рис. 20,в). Для усунення цього недоліку і зменшення загальної маси валу кути щік часто зрізають.
Овальні щоки є найбільш раціональними щодо міцності та маси, але складні у виготовленні (рис. 2,г). д).
Фігурні щоки застосовують у напівскладних та складових кривошипах. Їх форма обумовлена необхідністю створення кільця для надійного обтиснення шийок (див. рис. 2,а,б).
У багатоциліндровому двигуні підвищення рівномірності роботи необхідно, щоб робочі ходи поршнів в окремих циліндрах чергувалися через рівні кути повороту валу або через рівні проміжки часу. Чергування робочих ходів у певній послідовності називається порядком роботи циліндрів двигуна. Порядок роботи циліндрів залежить від розташування кривошипів колінчастого валу щодо одного. Кут установки сусідніх кривошипів визначають числом тактів двигуна та кількістю його циліндрів, який дорівнює куту повороту валу за весь цикл, розділеному на число циліндрів.
Отже, кривошипи двигунаповинні бути повернені один щодо одного на кут α=360:z — у двотактного двигуна та α=720:z — у чотиритактного (z — число циліндрів). Так, у восьмициліндрового двотактного двигуна кривошипи розташовуються через 360 °: 8 = 45 °.
Послідовність (порядок) роботи циліндрів буває різною. При її виборі наскільки можна прагнуть полегшити роботу рамових підшипників. Для цього потрібно, щоб робочі ходи в циліндрах, що стоять поруч, не слідували один за одним. Це може бути, наприклад, у двотактного восьмициліндрового двигуна з порядком роботи 1 - 8 - 3 - 5 - 2 - 7 - 4 - 6 або чотиритактного шестициліндрового з дуже поширеною послідовністю 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4.
При виборі порядку роботи циліндрів прагнуть досягти найповнішої врівноваженості сил інерції деталей кривошипно-шатунного механізму.