Выбор материалов валов

Правилами РРР и РМРС предусматривается использование сталей с временным сопротивлением R_m от 400 до 760 для углеродистых сталей (800 для легированных сталей) МПа. Промежуточные, упорные и гребные валы изготавливаются из стали с временным сопротивлением от 430 до 690 МПа. Применение сталей с другими характеристиками является в каждом случае предметом специального рассмотрения Регистром.

Материалом для валов служат углеродистые стали 35, 40, 45 (категория прочности КМ) и легированные стали 40Х, 36Х2Н1МФА (категория прочности КТ).

Заготовки валов судового валопровода получают ковкой с характеристиками по ГОСТ 8536, при диаметрах менее 120 мм валы допускается изготавливать из проката. Если валы передают значительные крутящие моменты, то их изготовляют с внутренним сверлением (для облегчения вала, устранения возможных дефектов металла, лучших условий термообработки). Внутренние поверхности валов покрывают суриком и ставят заглушки (кроме валов с ВРШ).

При выборе марки стали необходимо учитывать, что валы должны обладать не только достаточной прочностью, но и жесткостью.

Расчет диаметров валов и конструктивных элементов

Валопровода

В соответствии с принятым или рекомендуемым в задании типом передачи мощности разрабатывают её схему с указанием расположения основных элементов от главного двигателя до гребного винта.

На конструктивной схеме валопровода должны быть показаны основные его части: опора в кронштейне, дейдвудная труба, опорные и упорный подшипники, фланцевые и муфтовые соединения, тормоза, а также размеры тех пролетов, для которых в дальнейшем валопровод рассчитывают на продольную устойчивость и критическую частоту вращения от поперечных колебаний. Расчёт валопроводов речных судов выполняется по Правилам Российского Речного Регистра (РРР), а морских – Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС). Расчёт начинают с определения диаметра промежуточного вала, независимо от того, предусмотрена его установка на судне или нет, затем рассчитывают диаметры гребного и упорного валов, толщину облицовки, учитывая возможность плавания во льдах.

По правилам РРР диаметры промежуточного, упорного или гребного валов, мм, должны быть не менее, определяемых по формуле

где - временное сопротивление материала вала, МПа;формула применяется при = 400…600 МПа, если > 600 МПа, то в формулу подставляют = 600 МПа; k – коэффициент, равный:

= 130 - для промежуточных валов с коваными фланцами или фланцевыми бесшпоночными муфтами;

= 140 - для промежуточных валов со шпоночными муфтами;

= 142 - для упорных валов в подшипниках качения;

= 160 - для гребных валов при длине менее четырёх диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта;

=150 - для гребных валов при длине более четырёх диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта;

- коэффициент усиления, равный: 1,0 - для судов без ледового усиления; 1,05- при плавании в битом льду; 1,07 – для ледоколов и судов ледового плавания; P - расчётная мощность, передаваемая валом, кВт; n – расчётная частота вращения вала, мин ; d _c - диаметр осевого отверстия вала, мм. Если этот диаметр меньше или равен 0,4 d _г , то можно принять d _c= 0; d _г -действительный диаметр гребного вала, мм.

В случае, если вал не имеет сплошной облицовки или другой эффективной защиты от коррозии, то участки гребного вала, имеющие контакт с водой, должны иметь наружный диаметр на 5% больше определенного по приведенной формуле.

При расчёте упорного подшипника принимают где - упор комплекса (если винт в насадке). Расчётный упор не должен превосходить допустимого значения для упорного подшипника.

Правила РМРС рекомендуют следующую формулу для определения диаметра промежуточного вала, мм:

Здесь F - коэффициент, зависящий от типа механической установки и принимаемый:

F = 95 - для механических установок с ротативными механизмами или с ДВС, оборудованными гидравлическими или электромагнитными муфтами;

F = 100 - для других типов механических установок с ДВС;

P – расчётная мощность на промежуточном валу, кВт;

n − расчётная частота вращения промежуточного вала, мин .

РМРС рекомендует выполнять диаметр упорного вала выносного подшипника скольжения на расстоянии одного диаметра упорного вала в обе стороны от гребня вала, а для подшипников качения в пределах корпуса подшипника не менее 1,1 диаметра промежуточного вала.

Расчётный диаметр гребного вала, мм,

где k - коэффициент, определяемый конструкцией вала. Для участка вала от большого основания конуса или наружного фланца гребного вала до носовой кромки ближайшего к движителю подшипника (но во всех случаях не менее 2,5 ):

k = 1,22 для бесшпоночного соединения гребного винта с валом или в случае соединения винта с фланцем, откованным заодно с валом;

k = 1,26 для шпоночного соединения гребного винта с валом;

k = 1,15 для участка вала от носовой кромки кормового дейдвудного подшипника или кормового кронштейнового подшипника в нос до носового торца носового уплотнения дейдвудной трубы для всех типов исполнения.

Значение k увеличивается на 2 %, если гребной вал выполнен с водяной смазкой и без сплошной облицовки. По согласованию РМРС допускается уменьшение в случае их поверхностного упрочнения. При изготовлении промежуточных, упорных и гребных валов с временным сопротивлением > 400 МПа их диаметр может быть уменьшен. Уменьшенный диаметр определяется по формуле

,

где d - расчётный диаметр вала, мм; - уменьшенный диаметр вала, мм; - временное сопротивление материала вала.

Во всех случаях временное сопротивление в формуле должно приниматься не более 800 МПа для промежуточного и упорного валов и 600 МПа для гребного вала.

Диаметры валов ледоколов и судов с ледовыми усилениями увеличиваются на величину, указанную в табл. 5.2.5 раздела 5 «Валопроводы» Правил РМРС.

Если в валу выполняется осевое отверстие, его диаметр не должен превышать 0,4 расчётного диаметра вала.

Гребные валы должны быть надежно защищены от соприкосновения с забортной водой.

Облицовки гребных валов должны изготовляться из сплавов, обладающих высокой коррозионной стойкостью к морской воде.

Толщина бронзовой облицовки гребного вала S, мм, должна быть не менее толщины, определяемой по формуле

,

где - диаметр гребного вала под облицовкой, мм. Толщина облицовки между подшипниками может быть снижена на 25%.

Для соединения фланцев валов используют плотно пригнанные цилиндрические болты. Диаметр болтов, мм, должен быть не менее

где - диаметр промежуточного вала, мм; - временное сопротивление материала болта, МПа, которое следует принимать в диапазоне ≤1,7 , но не более 1000 МПа, i - число болтов в соединении; D - диаметр центровой окружности соединительных болтов, мм.

Как правило, 50% от общего числа цилиндрических болтов фланцевых соединений валопровода, но не менее трёх должны быть плотно пригнанными. Применение только проходных болтов возможно лишь по согласованию с Регистром.

Толщина соединительных фланцев промежуточных валов должна быть не менее .

Опорные подшипники валопровода располагают таким образом, чтобы их фундаменты опирались на жесткие узлы корпуса судна. Количество опорных подшипников принимают такое, чтобы каждый промежуточный вал опирался на один или два подшипника. Если вал опирается на один подшипник, то для облегчения его прицентровки и монтажа устанавливают один или два монтажных подшипника.

Согласно рекомендациям РРР ориентировочное значение максимально допустимого расстояния, мм, между смежными подшипниками при частоте вращения вала n ≤ 350 мин составляет

,

где - коэффициент, = 450 для подшипников скольжения, смазываемых маслом; = 300 для дейдвудных и кронштейновых подшипников с водяной смазкой (капролоновые, резинометаллические).

При n > 350 мин расстояние, мм, между серединами смежных подшипников принимают из условия

где - коэффициент: = 8400 для подшипников скольжения, смазываемых маслом; = 5200 резиновых или пластмассовых подшипников скольжения с водяной смазкой.

Минимальное расстояние между подшипниками можно приближенно определить по формуле, мм,

.

В соответствии с Правилами РМРС длина пролета L, м, между соседними подшипниками промежуточных валов выбирают в диапазоне

,

где d - диаметр вала, м; а – коэффициент, принимаемый для полых валов равным , здесь – степень расточки вала, – диаметр отверстия; λ – коэффициент, численное значение которого зависит от частоты вращения вала: при n ≤ 500 мин^-1 λ = 14; если n >500 мин^-1, то λ = 300/ .

Принятые на практике расстояния между опорными подшипниками не превышают для валов диаметром 60 мм - 2,5 м; 80 мм - 3 м; 100 мм - 4 м. Конструктивные значения длин валов назначаются в зависимости от общей протяженности валопровода и технологических возможностей изготовления, установки и ремонта составляющих валов.

Все окончательно принятые линейные размеры элементов валопровода должны соответствовать ГОСТ 6636.

При окончательном назначении длины промежуточных валов необходимо предусмотреть возможность их взаимозаменяемости. Каждый такой вал необходимо опирать на один или на два опорных подшипника.

Как правило, в дейдвудной трубе гребной вал должен опираться на два подшипника. В дейдвудных трубах длиной менее 4,5 диаметров вала в случае применения подшипников скольжения из резины или пластмассы с водяной смазкой, и 3-х диаметров вала в случае применения подшипников скольжения, смазываемых маслом, допускается установка одного кормового подшипника.

Длина подшипников дейдвудного устройства назначается в зависимости от типа антифрикционного материала по табл.1.

Таблица 1