Раскепы коленчатых валов судовых дизелей

Дизель, будучи универсальной машиной, обладает непрерывностью действия. Непрерывность обеспечивается вращающимся валом, с выходного фланца которого снимается энергия в виде крутящего момента. Последовательное преобразование химической энергии топлива в тепловую и механическую заставляет поршень двигаться прямолинейно. Трансформация прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала осуществляется кривошипно-шатунным механизмом (КШМ). Суммирование отдаваемой двигателем энергии производится, прежде всего, за счет увеличения числа цилиндров. Последовательно соединенные между собой кривошипы (по морской терминологии мотыли) всех цилиндров образуют коленчатый вал двигателя.

Валы в общем виде – детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания насаженных на них вращающихся масс (шестерен, червяков, противовесов, маховиков и т. п.). Простые прямые валы имеют цилиндрическую форму и вращаются в специальных опорах. Опорные части валов называются шейками или цапфами. В старину концевые шейки назывались шипами. От них произошли названия подшипников и кривошипов. Из-за насаженных на них передаточных деталей валы подвержены действию кроме крутящих еще и изгибающих моментов.

Коленчатые валы – особые валы, совмещающие в себе функции обычных валов с функцией преобразователя одного вида движения в другой. Базовыми элементами коленвала являются рамовая шейка, шатунная шейка и щека. Валом в прямом смысле этого слова у коленвала являются только рамовые шейки, соединенные между собой коленами. Колено – комбинация из двух щек и шатунной шейки. В готовом виде коленвал представляет собой сложную пространственную фигуру, мотыли которой равномерно расположены по окружности.

При едином принципе построения коленвалы обладают достаточно большим разнообразием технологического и конструктивного исполнения. В частности, валы бывают кованые, штампованные и литые, цельные, полусоставные и составные. Шейки полусоставных и составных валов соединяются со щеками методом бесшпоночной прессовой посадки. Переходы от шеек к щекам выполняются в виде плавных закруглений, называемых галтелями. Подача масла на смазку шатунных (иногда и головных) подшипников двигателей осуществляется через сверления в коленчатых валах. Галтели, места прессовой посадки шеек в щеки и выходные отверстия масляных каналов являются концентраторами напряжений. Это те места, в которых зарождаются усталостные трещины, в конечном итоге приводящие к повреждению валов.

Коленчатый вал нагружается силами давления газов или сжимаемого воздуха, силами инерции поступательного и вращательно движущихся масс. Кроме того, он испытывает крутильные и продольные колебания, вызываемые переменными моментами сил вращающихся деталей. В результате воздействия указанных сил и моментов все базовые элементы и коленвал в целом испытывают деформации и связанные с ними напряжения смятия, сжатия, растяжения, кручения и изгиба. Чаще всего деформации накладываются одна на другую, и элементы подвергаются сложным напряжениям. На рамовые шейки, в основном, воздействуют крутящие моменты и в незначительной степени изгибающие. Шатунные шейки нагружаются переменными крутящими, изгибающими моментами и силами давления газов, вызывающими смятие поверхностей. Щеки – соединительные звенья между шейками – испытывают наиболее сложные напряжения. Они нагружаются переменными изгибающими и крутящими моментами, а также сжимающими или растягивающими силами. Общая нагрузка каждого колена получается сложной и точному расчету не поддается [1].

Работоспособность коленвалов определяется двумя ее критериями – прочностью и жесткостью. Прочность – способность детали противостоять разрушению от воздействия внешних сил. Зависит она, прежде всего, от размеров детали и механических свойств материала. Форма деталей задается технологией изготовления, условиями эксплуатации и назначением машины. Зачастую размеры деталей бывают больше необходимых величин, так как они диктуются не прочностью, а жесткостью деталей.

Жесткость – способность деталей сопротивляться изменению формы. Чаще всего и больше всего изменение формы происходит при воздействии на деталь изгибающей силы. Жесткость валов – понятие относительное. При одних условиях нагружения жесткость оказывается необходимой и достаточной, при других – или недостаточной или чрезмерной, о чем будет подробнее сказано ниже. Так как деформации такой сложной детали, как коленвал, в работе должны быть минимальными, то старый принцип – коленвал никогда не может быть излишне жестким – до сих пор остается в силе. При недостаточной жесткости валы под действием поперечных сил будут, имея достаточную прочность, переменно изгибаться и вызовут тем самым усталость металла.

Усталость – это разрушение деталей машин от комплекса переменных напряжений. Напряжения при этом бывают значительно меньшей величины, чем при статическом действии сил. Характеристикой усталости является предел выносливости металла. Предел выносливости – максимальное напряжение, при котором металл выдерживает произвольно большое или заданное число циклов нагружения. Для стали задаваемое число циклов – 10⁷ или 10⁸.

Из определения выносливости следует, что число циклов, равное суммарному числу оборотов двигателя, является сроком службы детали, изготовленной их данного материала. Уменьшая или увеличивая предел выносливости можно соответственно увеличивать или уменьшать срок службы детали.

Ресурс коленчатых валов малооборотных дизелей по примерным нормам должен составлять 120000 часов, среднеоборотных – 80000 часов, а высокооборотных 50000 часов. За это время валы должны совершить порядка 10⁸ или 10⁹ циклов (оборотов), что превышает нормы испытаний стальных образцов на выносливость. А это значит, что валы, выдержавшие такое число знакопеременных нагрузок, испытывали достаточно низкие, приемлемые для эксплуатации максимальные напряжения.

Коленчатые валы – дорогостоящие детали. Они должны отрабатывать без поломок весь срок службы двигателей. Однако, опыт эксплуатации показывает, что поломки валов все-таки случаются, хотя не так часто, как других подвижных деталей. Статистика свидетельствует, что самый распространенный и самый опасный вид повреждения валов, приводящий к поломке, – усталостные трещины. Семьдесят процентов поломок коленвалов происходит по щекам, 20 % – по шатуным шейкам и 10 % – по рамовым. Наиболее часто поломки начинаются с появления трещин в зонах концентрации напряжений – в местах перехода шеек в щеки, в галтелях и у краев масляных отверстий. Трещины в щеках возникают в галтелях около середины длинной стороны щеки, а вызывают их переменные изгибающие моменты. Статистика подтверждает, что в 75 % случаев поломки коленчатых валов происходят вследствие искривления их осей [2].

Незначительные (можно сказать нормальные) искривления валов возникают вследствие допускаемой при изготовлении несоосности шеек, не- совпадения осей рамовых шеек с осями их опор и из-за воздействия противовесов. С такими изгибами коленвалы благополучно отрабатывают установленный им срок службы. Но в эксплуатации часто возникает ряд обстоятельств, увеличивающих искривление валов. К ним относятся: неправильная укладка вала, неточная центровка коленвала с промежуточным валом, неравномерный износ нижних вкладышей рамовых подшипников, деформация рамы двигателя, вызываемая ослаблением клиньев под ней неравномерным затягом анкерных связей, или прогибом корпуса судна. Образование и развитие трещин резко возрастает при наличии царапин, подрезов, задиров на поверхности шеек, некачественной термообработке поверхности шеек, работе двигателя в зоне критических оборотов, работе судна во льдах (ударах винта об лед).

Прямых методов контроля над величинами напряжений в элементах коленвалов до сих пор не существует. Единственным косвенным способом контроля такого рода является контроль за изгибом коленвала по расхождению его щек. Способ этот получил название «замер раскепа». Раскеп – старинное русское слово, означающее развал, расщеп, раскол, расхождение. С технической точки зрения раскеп – это разность расстояний между щеками мотыля в двух его диаметрально противоположных положениях. При изгибе вращающегося вала расстояние между щеками мотылей изменяется, а величина этого изменения будет характеризовать степень изгиба оси коленвала. Зависимость между расхождением щек (раскепом) и изгибом вала определяется экспериментальным или опытным путем для каждого типа двигателей на заводе-изготовителе и вносится в инструкцию по эксплуатации.

Раскепы могут сниматься при любых положениях мотыля, но для практических целей достаточно замеров в четырех положениях – ВМТ, НМТ, ЛБ, ПБ. Разность замеров в ВМТ и НМТ называется вертикальным раскепом, а в положениях ЛБ и ПБ – горизонтальным. Если середина коленчатого вала при снятии вертикального раскепа окажется прогнутой вниз, то при нахождении шатунной шейки в ВМТ щеки мотыля разойдутся, а в положении НМТ сойдутся (см. рис.1).

Рис. 1. Положительный раскеп коленчатого вала

В том случае, когда концевые части вала окажутся ниже его середины, щеки уже разойдутся при нижнем положении мотыля, а при верхнем – сойдутся, т. е. расхождение щек будет противоположным. Отсюда следует, что расхождение щек зависит от направления деформации вала. Если расстояние между щеками в ВМТ больше, чем в НМТ, и ось вала прогнута выпуклостью вниз, то такой раскеп принято считать положительным – , где . Если же расстояние между щеками в НМТ больше, чем в ВМТ, то вал прогнется выпуклостью вверх, и раскеп в этом случае будет минусовым – где (см. рис. 2) [3].

Рис. 2. Отрицательный раскеп коленчатого вала.

Аналогичная зависимость будет и при замерах в горизонтальной плоскости. При этом раскеп считается положительным, если расстояние между щеками на ЛБ будет больше расстояния на ПБ.

Существует мнемоническое правило определения и запоминания знака раскепа. Изогнутую ось вала можно представить в виде сосуда, чаши. Чаша может находиться в нормальном или опрокинутом положении. Вал изогнут выпуклостью вниз, чаша – в нормальном положении и может быть заполнена жидкостью, знак раскепа – плюс. Вал изогнут выпуклостью вверх, чаша опрокинута и жидкость из нее выливается, знак раскепа – минус.

Замеры раскепа производятся с точностью до 0, 01 мм прибором, называемым раскепомером или раскепницей, основной частью которого является индикатор часового типа. Несмотря на некоторые конструктивные различия раскепомеры представляют собой набор стержней, заканчивающихся с обеих сторон заостренными наконечниками. Один наконечник является подпружиненным, подвижным и связан с подвижным стержнем индикатора. Второй наконечник через набор стержней крепится к корпусу прибора неподвижно. Набором стержней устанавливается необходимая длина прибора в зависимости от размеров двигателя, т. е. от номинального расстояния между щеками мотыля. Лицевая сторона индикатора имеет два циферблата – большой и малый. Большой разбит на 100 делений, и цена каждого деления – 0, 01 мм. При полном обороте стрелки этого циферблата стержень передвигается на 1 мм. Малый циферблат имеет 10 делений с ценой деления 1 мм. Большой циферблат – вращающийся, поэтому при любом отклонении стрелки под нее можно подвести нулевую отметку. Большая стрелка может отклоняться в обе стороны. Обычно ее отклонение по часовой стрелке происходит при увеличении расстояния между измеряемыми поверхностями и имеет знак плюс (+) индикатора. Отклонение стрелки в обратном направлении связано с уменьшением измеряемого расстояния и имеет знак минус (–) индикатора. Знаки (направления) отклонения стрелки индикатора имеют важное значение для правильности замеров и их не следует отождествлять со знаками раскепа. Знаки раскепа вытекают из соотношения показаний индикатора.

Иногда к обратной стороне индикатора крепится грузик, который при замерах удерживает индикатор горизонтально лицевой стороной вверх.

Для измерения прибор устанавливают наконечниками в специально накерненные отверстия на внутренних сторонах щек. Длину стержней прибора следует подобрать так, чтобы до установки между щеками она превышала измеряемое расстояние на 3, 0–3, 5 мм. После установки прибора в рабочее положение можно рукой аккуратно провернуть индикатор вокруг его оси на 1–2 оборота, чтобы наконечники точно нашли свое место в углублениях щек.

После этого под стрелку большого циферблата подводится нулевая отметка. Прибор готов к производству замеров. При проворачивании коленвала прибор должен держаться только за счет натяга пружины и трогать его при снятии показания нельзя. Грузик всегда будет располагать индикатор так, что с него легко можно считывать показания [3].

Замеры раскепов при снятых механизмах «движения» производят точно в НМТ, ЛБ, ВМТ, ПБ. При навешенных механизмах «движения» шатун при положении мотыля в НМТ препятствует установке раскепомера на штатное место. Поэтому мотыль переводят за НМТ на угол порядка 15º с таким расчетом, чтобы можно было установить прибор в накерненные метки. При замерах коленвал проворачивается почти на полный оборот и раскепомер за 15º до НМТ снова может прикоснуться к шатуну. В этом положении снимается еще один замер. Таким образом, в НМТ производится два замера, а окончательный результат принимается как алгебраическая полусумма двух показаний.

Результаты замеров заносятся в таблицу:

Порядок расположения мотылей в таблице должен быть не таким, как при замерах (НМТ – ЛБ – ВМТ – ПБ – НМТ), а удобный для правильного подсчета раскепов – ВМТ – НМТ – Δ _в – ЛБ – ПБ – Δ _г. Поменяв местами ВМТ и НМТ, ЛБ и ПБ, можно ошибочно отнять показания в НМТ от показаний в ВМТ и показания ПБ от показаний на ЛБ, что меняет знак раскепа на противоположный. А это значит, что направление изгиба вала будет принято неправильным. При подсчете раскепов производятся не арифметические, а алгебраические действия с обязательным учетом знаков показаний индикатора. Путаница со знаками также приводит к неправильным подсчетам раскепов. При правильном вычитании знаки показаний индикатора трансформируются в соответствующие знаки раскепов.

Для некоторых двигателей иностранной постройки принят иной порядок определения знаков раскепа. Знаки вертикального раскепа обычно принимаются такими же, как и по российским правилам, а знаки горизонтального – прямо противоположными. Указание по этому поводу всегда отражается в инструкции по эксплуатации двигателя. Если замеры с постройки производились не по российским правилам, то во избежание путаницы и в дальнейшем следует придерживаться иностранных правил. По тем и другим правилам истинное направление изгиба вала и абсолютные величины раскепов будут одинаковыми.

Фирма МАН–Б и В для длинноходовых двигателей рекомендует производить правильность проведения замеров раскепов. Смысл проверки заключается в следующем. Сумма показаний индикатора с учетом знаков в вертикальной плоскости (ВМТ+НМТ) для каждого цилиндра должна быть примерно равна сумме показаний в горизонтальной плоскости (ЛБ+ПБ).

В нашем случае получается:

При правильных замерах разность по цилиндрам не должна превышать величины 0, 02 мм. Большая разность (+0, 04 мм цилиндра №6) свидетельствует об ошибочном считывании показаний индикатора или о его неисправности (заедании подвижного наконечника и т. п.). Для выяснения причины выполняется еще один замер. Если все операции повторного замера выполнены безукоризненно, а разность цифр по колонкам остается неизменной, то это свидетельствует (вероятнее всего) об эллиптичности или несоосности рамовых шеек данного цилиндра.

При увеличении хода поршня S увеличивается и радиус мотыля R (S=2R), т. е. длина щек. Это значит, что при одинаковой кривизне вала расхождения щек (а соответственно и раскеп) при большей их длине будут больше. Эта зависимость стала основой для построения номограммы раскепов коленчатых валов. В номограмме для удобства по оси ординат отложены двойной радиус мотыля (двойная длина щек), т. е. ход поршня, а по оси абсцисс – величины раскепов. Все поле номограммы разбито тремя лучами, исходящими из начала координат, на 4 зоны:

1) состояние укладки вала хорошее;

2) состояние укладки вала удовлетворительное;

3) состояние укладки допускается в эксплуатации, переукладка рекомендуется;

4) состояние укладки неудовлетворительное, переукладка обязательна [4].

Пользуются номограммой следующим образом. По оси абсцисс откладывают абсолютную величину раскепа и проводят вертикальную прямую. По оси ординат откладывают ход поршня и проводят горизонтальную прямую. Точка пересечения прямых окажется в одной из четырех зон. Ее расположение укажет на допустимость или неприемлемость раскепа данного цилиндра. Направление изгиба вала определяется знаком раскепа (плюс – изгиб выпуклостью вниз, минус – изгиб в обратном направлении).

Для современных длинноходовых двигателей удобнее задавать величины раскепов в табличной форме, что чаще всего и делается. Имея табличные данные всегда можно построить и номограмму.

При прочих равных условиях расхождение щек мотыля зависит от сил, прижимающих рамовые шейки к постелям. В работающем двигателе движущая сила (сумма сил давления газов и сил инерции), выбирая все слабины, неточности, несоосности, преодолевая жесткость вала, заставляет все рамовые шейки плотно ложиться на вкладыши. При замерах раскепа вал прижимается к постелям только силой собственного веса и веса деталей «движения». Вес вала с деталями «движения» для мощных двигателей в десятки раз, а для быстроходных и в сотни раз меньше действующей силы. Небольшие по размерам коленчатые валы с небольшим весом имеют для рабочих условий необходимую и достаточную жесткость, а при замерах раскепов эта жесткость оказывается чрезмерной. Малый вес такого вала не может равномерно прижать все рамовые шейки к их опорам. В случае просадки одного или нескольких рамовых подшипников вал не будет деформироваться при замерах раскепа. Шейки, под которыми просели опоры, касаться их не будут, а замеры расхождения щек покажут хороший результат. В работе же такой вал подвергнется усиленным изгибам. Чтобы этого не случалось, прибегают к замерам так называемого жесткого раскепа. Жесткий раскеп снимается по тому же принципу и тем же прибором, что и упругий раскеп. Но при этом в каждом из четырех положений необходимо к весу вала прилагать дополнительное усилие, чтобы обе рамовые шейки оказались прижатыми к постелям. Прижатие осуществляется крышками рамовых подшипников, под которые подкладывают прессшпан или паронит толщиной несколько большей величины масляного зазора. Показания прибора будут двоякие – до обжатия шеек и после. Соответственно и раскепы окажутся разными – упругий до обжатия, и жесткий после обжатия подшипников. В зачет, естественно, должен приниматься только жесткий раскеп, а упругий может служить показателем прилегаемости шеек к опорам [5].

Перед замерами раскепов двигателей с толстостенными вкладышами рекомендуется каждый раз проверять прилегание рамовых шеек к вкладышам путем замера щупом толщиной 0, 03 мм зазора между ними. Закусывание кончика щупа свидетельствует о нормальном прилегании вала к опорам. Если все шейки вала лежат на постелях, то снимается упругий раскеп. При свободном прохождении щупа по всей длине вкладыша и даже при закусывании щупа где-то в средней части вкладыша хотя бы одного подшипника, необходимо производить замеры жестких раскепов мотылей всего вала.

Актуальным жесткий раскеп стал с применением тонкостенных вкладышей. Плотность посадки таких вкладышей определяется их натягом в постелях. Поле допусков натягов и масляных зазоров в подшипниках с такими вкладышами достаточно велико, что предопределяет увеличенную неравномерность положения вкладышей по высоте. Проверка же прилегания шеек щупом исключена во избежание повреждения гальванического слоя. Поэтому в современных двигателях, и прежде всего в среднеоборотных и высокооборотных, практически всегда замеряются только жесткие раскепы.

Для облегчения работы по укладке коленвалов был предложен графический метод построения их изломанных осей на основании замеров раскепов. Конечным результатом построения является определение тех подшипников, которые необходимо опустить (вышабрить нижние вкладыши) и толщину слоя снимаемого баббита. Построение облегчает прибор изломоизобразитель, конструкцию которого разработал Г. А. Меграбов. Как способ, так и прибор имеют больше теоретическое, чем практическое значение. Они могут найти применение только при укладке тяжелых валов, что позволит избежать их многократных подъемов. Широкого распространения на СРЗ и судах и метод и прибор не получили из-за большого объема графических работ, не обладающих высокой точностью, и потому что, в основном, пригодны для двигателей с толстостенными вкладышами.

Следует всегда помнить, что раскепы всего лишь способ контроля за изгибом коленвала. Раскеп отражает изменение изгибов коленвала в зависимости от условий эксплуатации. В технической литературе прошлых лет увеличение раскепов объяснялось, в основном, тем, что это происходит вследствие износа нижних вкладышей рамовых подшипников. Существовала даже строгая рекомендация устанавливать увеличенной толщины нижний вкладыш выходного рамового подшипника, если на конце вала был посажен маховик. Считалось, что этот подшипник будет усиленно изнашиваться, знак раскепа быстро изменится с минусового на плюсовой, а абсолютное его значение будет находиться в допустимых пределах, и тем самым будет увеличен срок работы коленвала до замены вкладыша [4].

Несомненно, износ вкладышей играет определенную роль в изменении раскепов, но основная причина их изменения кроется в изменении положения опор коленвала, являющихся составной частью цельной рамы двигателя. Рама снизу крепится болтами (через клинья) к судовому фундаменту, а сверху соединена болтами с моноблоком двигателя или анкерными связями со станиной. Корпус судна постоянно деформируется от разных вариантов загрузки, при плавании в штормовых условиях, при посадке на мель. Изгибы корпуса, общие или местные, приводят к искривлению рамы (к изменению положения постелей рамовых подшипников) главного двигателя даже при плотном ее соединении с судовым фундаментом. Рамы дизель-генераторов деформируются, в основном, от местных изгибов корпуса. Усугубляют деформации рамы ослабление затяга фундаментных болтов и болтов крепления моноблока, износ клиньев, неравномерная затяжка анкерных связей. Эта сложная зависимость деформации коленвала от деформации рамы двигателя и корпуса судна в конечном итоге проявляется в виде изменения раскепа. Поэтому в условиях нормальной эксплуатации раскеп должен замеряться через определенные промежутки времени, а в случае выявления вышеперечисленных ненормальностей – немедленно.

Понимание взаимосвязи между жесткостью, выносливостью и усталостью детали дает возможность в некоторых сложных случаях изгиба коленвала принимать неординарные, но обоснованные решения, позволяющие найти правильный выход из сложного положения.

Примером может служить случай с одним из судов ДВМП типа «Пионер», на котором в качестве главного установлен двигатель К6Z57/80.

Раскепы этого двигателя по нормам того времени должны были составлять: при хорошей укладке – 0, 07 мм, при удовлетворительной – 0, 10 мм, допустимой в эксплуатации – 0, 20 мм. При посадке судна на каменистый грунт днище вместе с набором корпуса было сильно повреждено в районе кормовой части главного двигателя (ГД). Раскеп кормового цилиндра ГД с 0, 12 мм увеличился до 0, 35 мм. Судно было отбуксировано на ремонт в Японию.

Предполагалось, что после замены поврежденного днища и набора рама двигателя станет в прежнее положение, и раскеп войдет в допустимые пределы. Предположение базировалось на опыте подобного рода ремонтов. Однако, предположение не оправдалось, вероятно, из-за необычной деформации корпуса вследствие сварочных напряжений большого количества замененных элементов набора. После спуска на воду в балластном состоянии судна раскеп составлял 0, 30 мм. Без груза малым ходом судно дошло до базового порта. По ряду неблагоприятных обстоятельств восстановить излом коленвала до допустимого состояния путем замены клиньев под рамой двигателя не представлялось возможным. Техническое руководство пароходства приняло решение эксплуатировать судно. Решение обосновывалось следующими соображениями. Запредельный раскеп – показатель увеличенного изгиба вала и при том только одного цилиндра. Увеличенный изгиб в работе двигателя приведет к уменьшению предела выносливости, т. е. к увеличению циклически повторяющихся изгибающих напряжений в одном колене вала. При этом вал останется вполне работоспособным, но усталость металла может наступить раньше установленного времени, т. е. срок его службы может сократиться. Для уменьшения негативных последствий работы с таким валом двигатель следует нагружать не более чем это необходимо для обеспечения среднего хода судна. Не исключается и вариант улучшения раскепа за счет изменения изгиба корпуса в лучшую сторону.

При пробной загрузке распределение груза по трюмам было подобрано так, что раскеп уменьшился почти до нормальной величины, но трюма оказались полупустыми. В балластном состоянии раскеп снова выходил за допустимые пределы, и балластные переходы совершались малыми и лишь изредка средними ходами. В последующих рейсах загрузка варьировалась в зависимости от рода перевозимого груза и с учетом улучшения раскепа. После двух с половиной лет такой эксплуатации судна раскеп в балласте восстановился до величины 0, 12–0, 15 мм. В дальнейшем осуществлялись полные загрузки, и судно, а вместе с ним и главный двигатель, благополучно отработали положенный нормативный срок. Изменение деформации корпуса в лучшую сторону можно объяснить естественной релаксацией сварочных напряжений элементов набора, чему в немалой степени способствовали многократные перегибы корпуса при разных вариантах загрузки судна.

С течением времени отношение к абсолютной величине раскепов менялось. Накопление, анализ и обобщение опыта эксплуатации коленвалов свидетельствовали о том, что требования к изгибам во время работы явно завышены. Анализ номограмм, приводимых в нормативных документах (ПТЭ) и технической литературе показывает, что требования к абсолютным величинам раскепов за последние 50 лет уменьшились практически в 2 раза, причем без ущерба для состояния коленвалов и без уменьшения срока их службы. Коленвалы в указанный промежуток времени ломались, но как показывает статистика, основной причиной их поломок были упущения при изготовлении.

А те поломки валов, которые случались вследствие усталостной прочности, начинались с образования микротрещин в районах концентрации напряжений.

В свою очередь микротрещины явились следствием некачественного использования, обслуживания, а иногда ремонта валов и рамовых подшипников.

Основная задача механиков-эксплуатационников по предупреждению поломок валов заключается не только в поддержании раскепов в заданных пределах, но и в том, чтобы поддерживать чистоту и состояние всех шеек в норме.

ЦЕНТРОВКА «ДВИЖЕНИЯ» КРЕЙЦКОПФНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

При отклонении шатуна тронкового двигателя от вертикали появляется нормальная сила (N_норм.), прижимающая поршень к цилиндровой втулке. Нормальная сила переменна по направлению и величине. Она всегда направлена в сторону, противоположную отклонению шатуна. Величина нормальной силы зависит от переменного давления газов или переменного давления сжимаемого воздуха и угла отклонения шатуна от вертикали. Максимальный угол отклонения шатуна определяется отношением R/L (радиуса мотыля к длине шатуна) и для построенного двигателя остается величиной постоянной.

Так как давление газов всегда больше давления воздуха, то в двухтактном двигателе N_норм. при нисходящемдвижении поршня всегда больше, чем при обратном его движении.

Плотный контакт поршня со втулкой во время его возвратно-поступательного движения создает дополнительные силы трения, которые снижают мощность, экономичность двигателя и приводят к увеличенному неравномерному износу тронка и втулки. Для уменьшения удельного давления поршня на втулку, что равносильно уменьшению износа обеих деталей, увеличивают длину тронка.

Изменение направления действия нормальной силы вызывает перекладку поршня в районах мертвых точек, что приводит к ударам тронка о втулку, создавая тем самым условия для эрозийного разъедания втулки со стороны охлаждения.

Все силы, действующие в цилиндре, в первом приближении определяются его диаметром. При диаметре более 300 мм негативное воздействие нормальной силы становится столь значительным, что вынуждает отказаться от простой тронковой конструкции двигателя и перейти на более сложную крейцкопфную.

Основным положительным качеством крейцкопфного двигателя является вынос в нем нормальной силы за пределы цилиндра, что в принципе позволяет поршню во всем диапазоне его движения не касаться втулки. Оправдывает усложнение крейцкопфного двигателя и то, что в нем полости цилиндров отделены от картера [1].

Под термином «движение» понимают совокупность деталей двигателя, участвующих в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала. Применительно к крейцкопфному дизелю «движение» будет состоять из поршня, штока, крейцкопфа, ползуна, шатуна и шатунной шейки коленвала. Все эти детали связаны между собой частью гибко, а частью – жестко. Поршень со штоком, крейцкопф с ползуном, шток с крейцкопфом соединены друг с другом жестко, неподвижно, а крейцкопф с шатуном и шатун с коленвалом – гибко, подвижно, посредством головных и шатунного подшипников. Составной частью «движения», хотя и косвенной, можно считать параллели (или одну параллель с накладками), которые являются опорами скользящего по ним ползуна.

Поршень сам не может при возвратно-поступательном движении сохранять соосность со втулкой цилиндра. Эту роль выполняют за него другие детали «движения». Чтобы поршень не касался втулки, все детали «движения» должны быть изготовлены и соединены между собой с необходимой точностью. Точность изготовления и правильность сборки выявляются при выполнении так называемой центровки. Центровка – это комплекс работ, связанных с проверкой и устранением погрешностей в относительном положении деталей механизма «движения». При неудовлетворительной центровке, при наличии перекосов деталей нарушается правильность их взаимного положения, что отрицательно влияет на положение поршня во втулке.

Центровка в широком понимании этого слова представляет собой комплекс работ, выполняемых в три этапа. Первые два этапа – проверка на плите или станке каждой детали отдельно и проверка теми же способами спаренных деталей на соосность, параллельность, плоскостность, перпендикулярность, прямолинейность – могут быть выполнены и выполняются только в заводских условиях. Третий этап – проверка механизма «движения» в собранном виде всегда производится не в цехе, а на судне, на двигателе. В эксплуатации крейцкопфных дизелей чаще всего возникает необходимость именно в проверке собранного, уже работающего механизма «движения». А так как никакими нормативными документами четко не определяется понятие «центровка», то чаще всего под ней понимают именно этот последний этап работ. Иногда вместо слова «центровка» применяют другой термин – «привалка» поршня. И этот термин имеет право на существование, так как он достаточно точно отражает сущность выполняемых работ. В дальнейших рассуждениях мы будем применять понятие «центровка» как комплекс работ по проверке относительного положения деталей смонтированного механизма «движения».

Центровка – сложный, трудоемкий процесс, занимающий много времени. По классическим канонам при центровке положение поршня определяется расчетом на основании 96 замеров зазоров в каждом цилиндре. Замеры должны производиться в шести положениях поршня. Для восьмицилиндрового двигателя количество замеров составит 768. У большинства эксплуатируемых двигателей в силу их конструктивных особенностей произвести примерно половину рекомендованных замеров (в первую очередь из подпоршневых полостей) вообще не представляется возможным. Но самое главное, в проведении такого большого количества замеров нет никакой производственной необходимости. Поэтому на судоремонтных заводах и судах наибольшее распространение получил упрощенный способ центровки механизма «движения». Суть его заключается в следующем. Вместо расчетов на основе большого количества замеров производится визуальный анализ положения поршня во втулке путем сравнения зазоров между поршнем и втулкой и соответствующих зазоров между ползунами и параллелями. (Для простоты и наглядности в дальнейшем будем рассматривать только односторонний ползун и соответствующую ему одну параллель с накладками). Для такого анализа достаточно произвести замеры зазоров (и только в доступных местах) в одном, максимум в двух положениях поршня по ходу двигателя. Количество замеров при этом будет минимальным, а погрешность в определении центровки – вполне приемлемой для нормальной работы двигателя. Для этого способа нужна наглядность, и она обеспечивается изображением двух эскизов одного над другим – положения поршня во втулке и положение ползуна между параллелью и накладками (см. рис.3).

Наилучшей можно считать такую центровку, при которой теоретическая ось поршня в любом его положении будет совпадать с теоретической осью втулки. А это значит, что все зазоры между поршнем и втулкой, как по высоте, так и по окружности будут одинаковы. Наихудшей, неприемлемой центровка станет тогда, когда зазор между втулкой и поршнем в каком-либо месте по окружности достигнет нулевого значения. А потому любой минимальный зазор, отличный от нуля (0, 05 мм), можно считать достаточным для удовлетворительной центровки. Но при работе двигателя поршень с таким зазором в ряде случаев все-таки будет касаться втулки. Поэтому для страховки зазор выбирается большей величины. На практике удовлетворительной считают такую центровку, когда минимальный зазор составляет 0, 1 мм.

Ранее упоминалось, что поршень может сохранять примерную соосность с втулкой только при помощи других деталей механизма «движения», прежде всего ползуна. Положение поршня во втулке процентов на 80 зависит от ползуна. Ползун, жестко соединенный с поршнем через крейцкопф и шток, удерживает его от соприкосновения со втулкой. Сам же ползун имеет полную свободу движения только по вертикали. В горизонтальной плоскости эта свобода ограничена параллелью и накладками. Любое отклонение ползуна в пределах его ограниченной свободы в горизонтальной плоскости вызовет практически такое же отклонение поршня во втулке. Если зазор между ползуном и параллелью окажется больше зазора между поршнем и втулкой (зазоры рассматриваются в соответственных местах по окружности как лежащие на одной вертикали), то поршень при работе двигателя начнет касаться втулки, чего в эксплуатации допускать нельзя. Отсюда следует, что зазоры (лежащие на одной вертикали) между ползуном и параллелью (накладками) всегда должны быть меньше зазоров между поршнем и втулкой.

Проверка центровки производится в одном-двух положениях поршня. За первое положение обычно принимается 30° за ВМТ по ходу двигателя. Замер зазоров между поршнем и втулкой выполняется сверху в четырех точках по окружности – нос, корма, ЛБ, ПБ. Снизу зазоры не замеряются, так как выполнить это почти всегда невозможно (особенно при коротком тронке). При наличии четырех параллелей зазоры замеряются снизу между всеми ползунами и параллелями и их носовыми и кормовыми накладками. При наличии одной параллели замеры выполняются тоже только снизу с обеих сторон и торцов ползуна. Так как ползун всегда имеет какие-то незначительные перекосы в разных направлениях по отношению к параллели и накладкам, то средние величины зазоров сверху и снизу ползуна получаются примерно одинаковыми, а, следовательно, зазоры сверху можно принимать равными зазорам снизу.

Любое современное судно как в балласте, так и в грузу имеет хоть небольшой, но дифферент на корму. Поршень, имеющий вес в сотни, а то и тысячи килоньютонов и жестко связанный с ползуном, прижимает последний к кормовой накладке параллели. Это значит, что при замерах зазор между торцом ползуна и кормовой накладкой будет равен нулю. При положении в ВМТ (или НМТ) сила веса деталей «движения» направлена вниз по вертикали. При движении поршня от ВМТ к НМТ появляется нормальная сила, воспринимаемая параллелью через ползун. В положении поршня 30° за ВМТ эта сила, зависящая от веса поршня, жестко связанных с ним деталей и угла отклонения шатуна от вертикали, достигает такого значения, при котором ползун уже плотно прилегает к параллели. Плотное прилегание ползуна будет продолжаться до 30° до НМТ. При движении поршня снизу вверх ползун в том же диапазоне (30° после НМТ – 30° до ВМТ) будет прижиматься уже к накладкам, т. к. нормальная сила будет действовать в противоположном направлении [6].

Принимая во внимание вышеизложенное, прижимать ползун домкратом, как это рекомендуется в некоторых литературных источниках, нет никакой необходимости. В диапазоне 30° после ВМТ – 30° до НМТ при замерах зазор между ползуном и параллелью (накладками) всегда будет равен нулю.

Результаты замеров изображаются двумя эскизами в таком виде:

Рис. 3. Места замера зазоров

Приемлемость или неприемлемость центровки определяется путем сопоставления попарно соответствующих зазоров верхнего эскиза и нижнего – нос–нос; корма – корма; ЛБ–ЛБ; ПБ–ПБ.

Из эскизов следует:

Замеры с кормы.

Зазор между поршнем и втулкой – 0, 6 мм. Зазор между ползуном и накладкой равен нулю. Это значит, что прижатый к накладке ползун не позволит поршню больше отклониться в сторону кормы и зазор между поршнем и втулкой меньшим 0, 6 мм уже не будет. Центровка в этом месте хорошая.

Замеры с левого борта.

Ползун прижат к параллели (зазор равен нулю). При правом вращении двигателя правого исполнения зазор между поршнем и втулкой, равный 0, 20 мм, меньшим уже не будет. Центровка в этом месте замеров удовлетворительная.

Замеры с носа.

В эксплуатации при изменении дифферента судна с кормы на нос (штормовые условия плавания) ползун, увлекаемый весом комплекса поршень – шток – крейцкопф должен выбрать зазор 0, 25 мм и прижаться к носовой накладке.

На такую же величину переместится в нос и жестко связанный с ним поршень. А так как зазор между поршнем и втулкой составляет всего 0, 20 мм, то поршень плотно ляжет на втулку. Центровка в этом месте неудовлетворительная.

Замеры с правого борта.

При движении поршня от НМТ к ВМТ нормальная сила будет стремиться отжать ползун от параллели и прижать его к накладкам. При крене судна на ПБ, что может иметь место как при нормальной погоде, так и в штормовых условиях, ползун обязательно ляжет на накладки, выбрав зазор 0, 20 мм. На такую же величину отклонится и поршень. При этом между ним и втулкой с ПБ останется зазор, равный 0, 40 мм (0, 60–0, 20). Центровка в этом месте хорошая.

Общая центровка данного поршня оказалась неудовлетворительной – в одном месте по окружности поршень в работе будет касаться поверхности втулки.

Если возникает сомнение в правильности замеров и позволяет время для выполнения дополнительной работы, желательно произвести замеры еще в одном положении поршня – 30° за НМТ по ходу двигателя.

Замеров в этих двух положениях поршня, как показывает опыт проведения данного вида работ, вполне достаточно для точного определения приемлемости или неприемлемости центровки.

Ведущие двигателестроительные фирмы также не настаивают на проведении большого количества замеров. Исключение составляет рекомендация фирмы Б и В для двигателей постройки 50–70 годов 20 столетия, имевших нежесткую конструкцию остова, из-за чего постоянно происходило искажение положения параллелей и блоков цилиндров, нарушавшее нормальную центровку «движения». Для этих двигателей фирма рекомендовала выполнять все замеры в шести положениях поршня, но для расчетов принимать замеры только четырех положений.

Фирма МАН для двигателей типа KZ и KSZ требует производить замеры только в двух положениях поршня – 30° за ВМТ и 30° до НМТ. При этом минимальные рекомендуемые зазоры должны составлять между поршнем и втулкой: нос – 0, 15 мм, корма – 0, 30 мм, ЛБ (сторона распределения) – 0, 20 мм, ПБ (сторона выхлопа) – 0, 45 мм, т.е. зазоры с кормы и стороны выхлопа должны быть в два раза больше, чем с противоположных сторон, и это с точки зрения конструктивного исполнения двигателей вполне объяснимо. Соответствующий суммарный зазор между ползуном и торцевыми накладками (нос–корма) должен быть равен 0, 20–0, 25 мм, а суммарный между ползуном и ходовыми накладками – 0, 13–0, 18 мм.

Двигатели более поздней постройки типов LMC, LMC/MCE, SMC фирмы МАН–Б и В являются прямоточными длинноходовыми и для лучшей центровки поршня имеют по два двухсторонних самоустанавливающихся (плавающих) ползуна. Фактически у них на каждый цилиндр имеется по 4 ползуна, опирающихся на 4 параллели. Перемещение крейцкопфа (а вместе с ним и поршня) в направлении нос–корма ограничивается торцовыми накладками.

Проверку зазоров фирма рекомендует проводить только в одном положении поршня – 45° после НМТ. При этом зазоры между поршнем и втулкой должны замеряться длинным щупом из подпоршневой полости. Положение поршня для замеров выбрано не случайно. Если при 30° до или после мертвых точек ползун только начинает плотно прилегать к параллели, то при 45° он уже обязательно будет прижат к ней весом деталей. В то же время поршень будет находиться на незначительном удалении от своего самого нижнего положения, что позволяет произвести замеры снизу, из подпоршневой полости. А это в свою очередь упрощает центровку, так как отпадает необходимость в демонтаже цилиндровой крышки и связанных с ним сопутствующих работ.

Плавающая конструкция ползунов позволяет поршню при движении в определенной мере самоустанавливаться в плоскости вращения, а при доводке соосности поршня со втулкой на неработающем двигателе намного упрощает работу. Однако, такая конструкция усложняет устройство крейцкопфного узла и требует проведения работ по замерам зазоров при нулевом дифференте судна.

При положительных результатах процесс центровки на том и заканчивается. При неудовлетворительном положении поршня необходимо, естественно, выяснить причину ненормальности и устранить ее. Для выяснения причины необходимо рассмотреть взаимодействие между собой всех деталей, входящих в комплекс «движения». Схематически «движение» одного цилиндра при положении поршня в ВМТ выглядит следующим образом:

Рис. 4. Схема соединений деталей «движения»

Как уже указывалось выше, все эти детали связаны между собой жестко или гибко. И каждая деталь может оказывать определенное влияние на положение поршня во втулке. Места соединений деталей между собой помечены на эскизе крестиками. При идеальном сочленении всех деталей линия, соединяющая центр днища поршня и центр мотылевой шейки коленвала, будет представлять собой идеальную, непрерывную прямую. При ненормальном соединении деталей в местах, отмеченных крестиками, прямая линия получит изломы, что приведет к отклонению поршня от нормального положения. Следовательно, причину ненормального положения поршня надо искать в местах соединения деталей, в местах вероятного излома общей оси.

В процессе ремонта судна на СРЗ центровка «движения» производится поэтапно в следующем порядке. В цехе производится сборка поршня со штоком и крейцкопфа с ползуном. Точность сборки поршня со штоком проверяется на станке путем замера биения их боковых и торцовых поверхностей. Тем самым проверяется и при необходимости доводится до допустимых величин соосность поршня и штока. На поверочной плите проверяется соосность шеек головных подшипников между собой и рабочей поверхностью ползуна, соосность рабочей поверхности ползуна с отверстием под шток и перпендикулярность оси отверстия под шток с осью шеек головных подшипников. При необходимости, естественно, соосности доводятся до допустимых величин. На плите же проверяется соосность расточки головных и шатунного подшипников. Нижние вкладыши головных подшипников растачиваются или подбираются строго одной и той же толщины. После этого указанные узлы доставляются на судно и монтируются на двигателе [6].

При монтаже обязательно производят точные замеры зазоров в головных и шатунного подшипниках. При столь тщательной сборке узлов «движения» положение поршня во втулке обычно оказывается если не хорошим, то во всяком случае удовлетворительным. Соосность цилиндровой втулки и блока в ремонте проверяется в тех редких случаях, когда в этом возникает серьезное подозрение. Обычно оси вновь устанавливаемых втулок не совпадают с осями блоков на величину, меньше допустимой. Редко в ремонте подвергаются проверке и параллели. При качественном построечном монтаже они многие годы работают безупречно.

При обнаружении недопустимой центровки в эксплуатации (по истечении некоторого времени работы двигателя после ремонта) порядок поиска причины должен быть таким. Сначала проверяются зазоры в головных и шатунном подшипниках. При не изменившихся после ремонта зазорах и отсутствии признаков повреждения вкладышей подшипников можно считать, что в этих местах излома общей оси «движения» нет, что эти соединения не влияют на расцентровку. Затем демонтируется поршень в сборе со штоком. Нормальное состояние деталей крепления (шплинтов, болтов, гаек) штока к поршню является показателем того, что и это соединение не является причиной ненормальной центровки (при условии, конечно, что после ремонта шток не отсоединяли от поршня). Следующая ступень поиска – проверка крепления ползуна к крейцкопфу и прилегание ползуна к параллели и накладкам.

Наиболее вероятными местами нарушения центровки являются посадочное место штока в крейцкопф и узел ползун – параллель (с накладками). Забоина на посадочной поверхности штока или попадание грязи на эту поверхность могут привести к отклонению поршня в ту или иную сторону. Износ параллели или баббитовой заливки ползуна, ненормальности накладок являются причиной наибольших изменений положения поршня во втулке.

Способ устранения недопустимой центровки зависит от нескольких факторов (места соединения деталей, характера и причины излома общей оси «движения», конструктивных особенностей двигателя), и в каждом конкретном случае принимается свой, наиболее оптимальный вариант ремонта.

Подавляющее большинство малооборотных крейцкопфных двигателей имеют жесткую конструкцию остова (за исключением двигателей фирмы Б и В постройки 50–70 годов 20 века), что является предпосылкой надежной работы всей цилиндропоршневой группы и «движения».

Если при постройке или ремонте все этапы центровки выполнены качественно, то вероятность появления внезапной расцентровки в эксплуатации очень мала. Она может возникнуть при повреждении головных или шатунного подшипников (подплавление или выплавление соответственно нижнего и верхних вкладышей), при небрежном монтаже штока в крейцкопф (о чем уже упоминалось раньше), при замене поршня в судовых условиях. Опыт показыва-ет, что каждый третий поршень, замененный в судовых условиях, сочленяется со старым штоком несоосно. Несоосность эта, конечно, ухудшает центровку поршня, но обычно зазоры остаются в допустимых пределах.

И в заключение необходимо обратить внимание на сальник поршневого штока. При обнаружении расцентровки, близкой к предельно допустимой величине, следует проверить зазоры между штоком и сальником и принять соответствующие меры, предупреждающие задир штока.