Назначение дейдвудного устройства состоит в том, чтобы обеспечить необходимую водонепроницаемость корпуса судна, а гребному валу - одну или две опоры, воспринимать статические нагрузки от веса вала и винта и динамические от работы гребного винта в условиях различного погружения.
Дейдвудные устройства морских судов подразделяются на две группы: с неметаллическими и металлическими вкладышами.
В качестве антифрикционного материала подшипника в первом случае применяется бакаут, текстолиты, древесно-слоистый пластик, резинометаллические и резиноэбонитовые сегменты, термопластические материалы (капрографит, капролон) и др.
У металлического подшипника с масляной смазкой вкладыши опорных подшипников заливаются баббитом.
При эксплуатации судна в дейдвудном устройстве возникают постоянные и переменные нагрузки под действием сил и моментов, передаваемых гребному валу от гребного винта, которые вызывают напряжения в дейдвудных подшипниках и трубах. Двигатель передает на винт крутящий момент, который не является постоянным.
Периодические изменения крутящего момента в системе двигатель- валопровод-винт вызывают крутильные колебания. При совпадении частоты возмущающих сил с частотой собственных крутильных колебаний возникают условия резонанса, при которых усилия в деталях резко возрастают.
Значительные усилия наблюдаются и в околорезонансных зонах, когда происходит частичное совпадение частот. В диапазоне 0,85-1,05 расчетной частоты вращения вала наличие запретных резонансных зон не допускается.
В процессе работы гребного винта на его лопастях возникают периодические возмущающие силы и моменты, которые воспринимаются дейдвудным устройством и передаются корпусу судна через его подшипники. Данные усилия возникают в результате изменения за один оборот винта его упора и тангенциальной силы сопротивления вращению каждой лопасти. При этом могут создаться условия, при которых частота возникающих усилий на винте совпадает с частотой собственных изгибающих колебаний валопровода, что приведет к резонансным колебаниям гребного вала и высоким напряжениям в его основных участках.
Суммарный изгибающий момент складывается из момента от массы винта, гидродинамического изгибающего момента и момента от инерционных усилий при изгибающих колебаниях валопровода.
Гидродинамическая неуравновешенность гребного винта возникает из-за различия по шагу каждой лопасти или при работе частично погруженного винта. При изготовлении лопастей их шаг отличается незначительно, но в процессе эксплуатации при поломке или деформации отдельных лопастей возникающие при этом силы могут привести к опасной для дейдвудных опор вибрации. При балластных переходах вследствие разницы упора создается дополнительный изгибающий момент, что приводит к значительной гидродинамической неуравновешенности и как следствие к повышенной вибрации корпуса судна.
Нагрузка от массы гребного вала и винта воспринимается дейдвудными подшипниками, которые также воспринимают построечную статическую неуравновешенность гребного винта. Максимальная часть нагрузки приходится на кормовой дейдвудный подшипник и его кормовую часть. В процессе эксплуатации могут возникнуть дополнительные нагрузки на дейдвудное устройство при ударе гребных винтов о посторонние предметы.
Дейдвудное устройство одинаково для всех судов независимо от их размерений и назначения и состоит из дейдвудной трубы, внутри которой находятся подшипники, и из уплотнительного устройства, предотвращающего проникновение забортной воды внутрь судна. На рис. 1 показано дейдвудное устройство одновинтового судна с неметаллическими подшипниками, наиболее широко распространенное на морском флоте. Носовой конец дейдвудной трубы 4 фланцем 11 прочно крепится к ахтерпиковой переборке 12, а кормовой конец вводится в яблоко ахтерштевня 3, уплотняется резиновыми кольцами 15 и затягивается накидной гайкой 16 со специальным стопором 2. Уплотнительная резина устанавливается между ограничительным буртом 14 дейдвудной трубы и яблоком ахтерштевня с носовой стороны и накидной гайкой и яблоком ахтерштевня с другой стороны для предотвращения проникновения забортной воды в пространство между дейдвудной трубой и яблоком ахтерштевня.
В районе выхода дейдвудной трубы внутрь судна ставится сальниковое уплотнение, которое включает набивку 9, установленную между валом и трубой, и нажимную втулку 10. К сальнику имеется доступ со стороны машинного отделения или тоннеля гребного вала. В средней части дейдвудную трубу поддерживают флоры 13, которые могут быть приварены к трубе или опираться на подвижную опору, как показано на рис. 1.
Внутри дейдвудной трубы установлены кормовая дейдвудная втулка 5 и носовая 7 с набранными в них бакаутовыми планками или его заменителем 6 и 8 по схемам "в бочку", реже "ласточкин хвост". От проворачивания дейдвудные втулки крепятся к трубе стопорными винтами, продольному смещению планок кормового подшипника препятствует кольцо 1.
Для обеспечения надежной смазки и охлаждения подшипники принудительно прокачивают забортной водой, для чего в наборе из планок подшипника у их стыков предусмотрены канавки для свободного прохода воды. В наборе бакаута нижние планки имеют торцовое расположение волокон, верхние - продольное (см. рис. 1, разрез А-А), так как нижние воспринимают большие удельные нагрузки. Между нижними и верхними планками из бакаута установлены латунные упорные планки 18, с помощью которых исключается их проворачивание в дейдвудной втулке. Для предохранения гребного вала от коррозионного воздействия забортной воды в районе дейдвудной трубы он имеет бронзовую облицовку 17 или защищен специальным покрытием.
В дейдвудные трубы монтируются подшипники - они воспринимают усилия от винта и валопровода. Для изготовления дейдвудных труб применяется сталь, реже серый чугун марки СЧ 18-36. Они могут изготовляться вварными или вкладными. В первом случае труба соединяется сваркой с яблоком ахтерштевня, флорами набора корпуса судна и ахтерпиковой переборкой, во втором - заводится в корпус судна с кормы или носа и крепится. Вкладные трубы изготовляются литыми, сварно-литыми или ковано-сварными. Соединение дейдвудной трубы с яблоком ахтерштевня по длине в подавляющем большинстве цилиндрическое, а в отдельных случаях - коническое. Толщина стенки дейдвудной трубы должна быть не менее (0,1-0,15) dr, где dr - диаметр гребного вала по облицовке.
В целом яблоко ахтерштевня, дейдвудная труба, корпус и усиленная ахтерпиковая переборка должны представлять собой единую хорошо скрепленную жесткую конструкцию. Недостаточная жесткость этого узла, отсутствие жесткой связи трубы с флорами набора, наличие ослабленных посадок в соединениях дейдвудной трубы с яблоком ахтерштевня не обеспечивают надежной и безаварийной работы дейдвудных устройств, способствуют усилению вибрации кормовой части судна.
Уплотнительные сальники являются важным узлом в дейдвудном устройстве. Опыт эксплуатации дейдвудных устройств крупнотоннажных судов показывает, что наиболее надежны в эксплуатации такие конструкции, которые обеспечивают не только жесткость узла, но и надежное сальниковое уплотнение, препятствующее попаданию забортной воды внутрь корпуса судна.
При этом предпочтение должно быть отдано таким сальниковым устройствам, которые размещают в себе как основной, так и вспомогательный сальник, дающий возможность его перебивки на плаву без дифферентовки. Сальниковое устройство может быть установлено в носовой части дейдвудной трубы, как показано на рис. 1, либо иметь выносной корпус.
Рис. 2. Сальники гребных валов
Выносной сальник дейдвудного устройства (рис. 2, а) состоит из корпуса 4, который крепится к фланцу ахтерпиковой переборки при помощи шпилек 7. Внутри корпуса сальника находится набивка 3, которая уплотняется нажимной втулкой 6 с помощью гаек 5. Вспомогательный сальник может быть уплотнен специальным латунным кольцом 1, осевое перемещение которого обеспечивается одновременным повертыванием трех латунных винтов 2.
Конструкция выносного отдельно закрепляемого сальника нерациональна, так как перегружает дейдвудное устройство и сам сальник дополнительными нагрузками из-за нарушения центровки осевой сальниковой набивки и вала.
Широкое распространение на судах получила конструкция сальника, показанная на рис. 2, б. Отдельная сальниковая втулка 5 вместе с набивкой 4 полностью утоплена в дейдвудную трубу 3, благодаря чему увеличивается жесткость уплотнения и улучшается работа сальникового узла. Равномерное поджатие сальника осуществляется вращением одной из шести ходовых шестерен 1, связанных между собой зубчатым колесом 2.
В рассмотренной конструкции, как и во многих других, не предусматриваются вспомогательные сальники и, следовательно, исключается возможность перебивки сальника на плаву без дифферентовки судна. В этом случае представляет интерес уплотнение "Пневмостоп" (рис. 3) ледокола типа "Киев", которое устанавливается в кормовой части сальниковой коробки.
В корпус 1 носовой дейдвудной втулки вставляется до упора водораспределительное кольцо 2, которое уплотняется двумя резиновыми кольцами 5 и стопорится винтами 9. Водораспределительное кольцо имеет проточку для размещения в нем резинового кольца 3 (пневмостопа) с бронзовым внутренним кольцом жесткости 4.
Пневмостоп закрепляется крышкой 8 и болтами 7, после которых расположено пространство для набивки сальника. При необходимости прекращения доступа воды в корпус нужно подать воздух под давлением по каналу 6 в теле дейдвудной втулки внутрь фигурного резинового кольца пневмостопа, которое обожмет вал. При нормальной работе зазор между пневмостопом и гребным валом находится в пределах 3-3,5 мм, благодаря чему исключается их контакт.
Вал гребной , представляет один или несколько соединенных в одну линию валов, передающих движение от паровой машины, турбины или другого судового двигателя к гребному винту или гребным колесам (см.).
Линия Вала большого военного судна состоит из следующих главных частей: коленчатый Вал машины или шпинделя паровой турбины, промежуточные Валы, упорный Вал, дейдвудный Вал и, наконец, гребной или концевой Вал.
Иногда некоторые из перечисленных частей (например, дейдвудный Вал и концевой) соединяются в один общий Вал, а при короткой линии отсутствуют промежуточные Валы.
Каждая из частей Вала имеет специальное назначение и к каждой из них предъявляются свои требования.
I. Коленчатый Вал составляет неотъемлемую часть паровой машины, на которую передается работа цилиндров.
В многоцилиндровых машинах он состоит обыкновенно из нескольких кусков, соединенных между собою фланцевыми муфтами. Каждый кусок вала имеет одно, два или три колена и отковывается для судовых машин военного флота в целом виде.
Для облегчения веса, коленчатый Вал делается пустотелыми; отношение диаметра внутреннего высверленного отверстия к диаметру Вала обыкновенно берется равным половине.
Во избежание продолжительного вывода корабля из строя в случае поломки коленчатого Вала, при самой постройке судна заготовляется запасная часть этого Вала, и все его части конструируются по возможности взаимозаменяемыми.
Исключение делается для машин большой мощности, у которых поломки Вала, изготовляемых при современном состоянии техники, бывают крайне редки.
Шейки Вала вращаются в рамовых подшипниках машины, пушечного металла, залитых антифрикционным металлом, шейку же мотыля обхватывает подшипник нижней головки шатуна той же конструкции. Принимая на себя все удары от сил инерции движущихся масс паровой машины и составляя существеннейшую часть последней, коленчатый Вал требует при проектировании самого внимательного расчета. Для расчета коленчатого Вала существует ряд эмпирических формул; таковы, например, формулы английского Ллойда и бюро Веритас, приводимые в справочных изданиях и специальных технических источниках.
В этих формулах диаметр Вала определяется в зависимости от числа и величины цилиндров машины, длины хода поршня, давления пара в котлах и некоторых других данных, характеризующих мощность машины. Хотя практические формулы и дают хорошие результаты, но необходимо точно проверить коленчатый Вал на сложный крутящий и изгибающий моменты по теоретической формуле:
где: d - диаметр Вала в дм., f - допускаемое напряжение материала в английском фн. на кв. дм., T1 - крутящий момент и M - изгибающий момент.
Все напряжения в материале, как для изгиба и кручения Вала, так на смятие и работу трения в подшипниках, в виду особо тщательного изготовления всех этих частей и стремления облегчить вес механизмов, принимаются при проектировании машин военного флота гораздо большими, чем для судов коммерческого флота.
В паровых турбинах коленчатый Вал отсутствует, - его заменяют, так. наз., шпинделя роторов турбин.
I. Промежуточный Вал служит для соединения коленчатого Вала машины или шпинделя паровой турбины с упорным или дейдвудным Валом. Промежуточный Вал также избегают делать длинными, дабы их можно было вынуть из машинного отделения, не снимая громоздких частей механизмов. Поэтому часто промежуточных Валов бывает несколько; они покоятся на промежуточных подшипниках, иногда называемых "коридорными", вследствие нахождения их в коридоре гребного Вала.
Так как промежуточный Вал не подвергаются ударам и хорошо поддерживаются промежуточными подшипниками, то диаметр их рассчитывается только на кручение и делается обыкновенно меньшего, чем другие Валы того же судна, размера.
Подшипники делаются подобно рамовым при турбинных и быстроходных вообще установках, или же просто чугунными, залитыми антифрикционным металлом в своей нижней половине.
На промежуточном Вале или на фланце коленчатого устанавливается червячное колесо поворотного привода, служащего для проворачивания вручную всей линии Вала во время бездействия машин. Вал полагается проворачивать в кампании ежедневно.
Упорный Вал, это один из промежуточных Валов, только с особым назначением. Он несет на себе несколько колец, составляющих одно целое с телом Вала и входящих в соответствующие впадины упорного подшипника.
Эти кольца воспринимают упорное давление винта, сообщающее движение судну (см. Винт гребной).
Число колец рассчитывается так, чтобы дать достаточную поверхность для воспринятия упорного давления, не прибегая к чрезмерному увеличению диаметра колец.
Необходимые требования:
1) точная пригонка колец упорного Вала к кольцам упорного подшипника, дабы давление воспринималось всеми кольцами одновременно и
2) правильное расположение поддерживающих Вала промежуточных подшипников, дабы избежать его провеса, нарушающего правильную работу упорных колец.
Упорные подшипники, принятые в нашем флоте, в большинстве случаев бывают системы Модзлея со съёмными подковообразными кольцами, для облегчения пригонки их и ремонта; но в небольших установках применяются и подшипники обыкновенного закрытого типа с впадинами для колец упорного Вала. Недостаток последних - недоступность для осмотра во время работы и трудность пригонки.
Корпус упорного подшипника делается обыкновенно чугунный или литой стали.
Подковообразные скобы - пушечного металла, пустотелые, чугунные или литые стальные; в последних двух случаях они обязательно облицовываются антифрикционным металлом, кроме того, делается всегда охлаждение колец водой. Судовой фундамент под упорный подшипник делается, возможно, жестким и соединяется надлежащим образом с корпусом судна. В турбинных установках упорные подшипники находятся непосредственно у самых турбин и потому специальных упорных Валов для них не требуется; но для разобщения линии Вала от турбин на одном из промежуточных Валов делают специальное кольцо и подшипник для него, который удерживает Вал в надлежащем положении при свободном вращении его от хода судна после разобщения этого Вала от турбин.
Одно кольцо сравнительного малого диаметра оказывается в этом случае достаточным в виду того, что Вал никакой работы не передает и лишь свободно вращается.
III. Дейдвудный Вал проходит через корпус судна в т. наз. дейдвудной трубе (см.) и на всей длине бакаутовой набивки этой трубы облицовывается насаженными на него в горячем состоянии втулками пушечного металла, во избежание ржавления, т. к. ему приходится работать с водяной смазкой; если же дейдвудная труба делается со специальной нагнетательной смазкой, то Вал не облицовывается.
Часть Вала между облицовками покрывается или специальным каучуковым составом (Виллениуса), предохраняющим эту часть от разъедания, или медью. При установке на судно дейдвудные Валы вводят через дейдвудную трубу, отверстие которой слишком мало для прохода фланца; поэтому муфта Вала делается насадной в горячем состоянии или со специальным кольцом на шпонках.
К внутреннему концу дейдвудного Вала обыкновенно приспособляют тормоз, на случай необходимости остановить Вал во время хода судна, например, для разобщения или сообщения линии Вала с двигателем.
IV. Концевой Вал, - последняя, кормовая часть линии Вала, одним фланцем соединяющаяся с дейдвудный Вал; на другой, конический конец этого Вала насаживается гребной винт, укрепляемый шпонками и гайкой, навинченной на нарезанный конец Вала.
У самого винта концевой Вал поддерживается наружным кронштейном, прикрепленным к корпусу судна и снабженным, подобно дейдвудной трубе, втулкой с бакаутовым набивкой, почему часть Вала, входящая в эту втулку, также облицовывается пушечным металлом.
Концевой Вал, как и коленчатый Вал, рассчитывается на сложный крутящий и изгибающий моменты в виду того, что он обыкновенно делается значительной длины и, как наружная часть, легко подвергается ударам.
В турбинных установках, где в виду большого числа оборотов гребных винтов, концевой Вал бывают сравнительного малого диаметра при значительной длине, они проверяются еще подсчетом на возможность разрушения от центробежной силы, на так называемое "критическое число оборотов".
При недостаточном диаметре может получиться провес вала и его поломка, как результат развившейся с возрастанием числа оборотов центробежной силы.
Как концевой Вал, так и дейдвудный делаются в настоящее время пустотелыми; отверстия Вала заделываются плотно пробками на резьбе.
При изготовлении всей линии Вала обращается самое серьезное внимание на качество стали и на их выделку. Требуется, чтобы площадь сечения болванки была, по крайней мере, в 5 раз больше площади сечения готовой отковки. При испытании пробных планок сталь должна давать сопротивление на разрыв от 27 до 30 тн. на 1 кв. дм. и удлинение свыше 30% на 2 дм. длины.
После проковки Вала тщательно отжигаются, при обточке в металле не допускается никаких пороков; диаметр Вала по всей длине его д. быть один и тот же, а высверленное отверстие вполне концентрично с наружной окружностью Вала. Фланцы Вала д. быть строго перпендикулярны к его оси.
При сборке Валов на судне и во время их службы обращается самое серьезное внимание на то, чтобы вся линия Вала была строго прямая и Валы лежали плотно на своих подшипниках.
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.
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.
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.
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.
В подшипниках этих систем удельное давление допускается в пределах от 3 до 6 кг/см 2 , и вал имеет несколько упорных колец. Разработанный Мичелем, на основании новой теории смазки, подшипник дал возможность поднять удельное давление до 25 кг/см 2 , 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):
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:
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/см 2 , r – отношение площади поршня цилиндра низкого давления к площади поршня цилиндра высокого давления, с - коэффициент, даваемый табл. 1.
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:
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
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:
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.
Если ход поршня не меньше 1,2 и не больше 1,6 диаметра цилиндра, то вместо выражения 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/см 2:
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.
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):
где R изг. - допускаемое напряжение на изгиб, W - момент сопротивления, М изг. и М кр. - 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:
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:
где d - диаметр вала, d 1 - внутренний диаметр вала, если вал пустотелый, M t - крутящий момент, N - число индикаторных л. с. машины, n - число об/мин., R t - допускаемое напряжение на сдвиг, которое берется в следующих пределах: 240-320 кг/см 2 (для товарных и пассажирских судов), 350-400 кг/см 2 (для военных судов тяжелой постройки), 400-480 кг/см 2 (для военных судов легкой постройки), 480-580 кг/см 2 (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. R t берется на 10-15% больше, чем в коленчатых валах; при турбинных установках R t берется: 420-450 кг/см 2 (для коммерческих судов), 500-650 кг/см 2 (для броненосцев и крейсеров) и 750-850 кг/см 2 (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/мм 2 . 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.
Валопровод является одним из важнейших элементов пропульсивного комплекса. Основное назначение валопровода - передача механической энергии от главного двигателя к движителю и передача развиваемого движителем упора корпусу судна.
Промежуточный вал
В соответствии с Правилами классификации и постройки судов внутреннего плавания Российского Речного Регистра (далее - ПСВП) диаметр промежуточного вала d пр. должен быть не менее :
где R m = 570 МПа - временное сопротивление материала вала (сталь 45Х),
k = 130 - промежуточный вал с коваными фланцами;
С EW = 1,05 - коэффициент усиления;
P = 700 кВт - расчетная мощность, передаваемая валом;
n = 174 мин -1 - частота вращения промежуточного вала.
d i - диаметр осевого отверстия вала.
d r - наружный диаметр вала.
Для дальнейших расчетов принимаем диаметр промежуточного вала d пр = 170 мм
Упорный вал
Диаметр упорного вала считаем по той же формуле, что и диаметр промежуточного вала. Для упорного вала в подшипниках качения(3.2.2, с.34) k=142. Таким образом получаем:
Для дальнейших расчётов принимается d уп = 185 мм.
Гребной вал
В соответствии с ПСВП диаметр гребного вала определяется по той же формуле, что и диаметр промежуточного :
где k = 160 - гребной вал длиной более 4 диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта.
Для дальнейших расчетов принимаем диаметр гребного вала d гр = 205 мм.
В соответствии с пунктом 3.5.1. ПСВП конус гребного вала под гребной винт должен выполняться с конусностью не более 1:12.
Для защиты вала от коррозии выбирается бронзовая облицовка. В соответствии с пунктом 3.3.3. ПСВП толщина бронзовой облицовки должна быть не менее :
где d гр = 205 мм - действительный диаметр гребного вала.
Толщина бронзовой облицовки принимается равной s = 14 мм.
Толщина облицовки между подшипниками может быть:
S"=0,75 . 14=10,5 мм. Принимаем 11 мм.
Толщина соединительных фланцев промежуточного и внутреннего конца гребного вала должна быть не менее наибольшей из величин:
0,2 . d пр =0,2 . 170=34 мм
где: d пр - диаметр промежуточного вала;
R мв - временное сопротивление материала вала, МПа;
R мб - временное сопротивление материала болта, МПа;
i - число болтов в соединении;
D - диаметр центровой окружности соединительных болтов, мм.
Принимаю d Б =35 мм.
Принимаю для соединения 8 болтов с резьбой М35.
Конусность валов 1:10, таким образом, соединения валов с муфтой можно выполнить с концевыми гайками.
Элементы валопровода
Упорный подшипник
Выбирается подшипник упорный с диаметром упорной шейки 400 мм.
Максимальный упор Р max = 200 кН.
Опорные подшипники
В качестве опорных подшипников используются подшипники скольжения с фитильно-кольцевой системой смазки. Подшипник подбирается по диаметру промежуточного вала d пр = 170 мм согласно ОСТ 5.4153-75.
Согласно ПСВП, максимальное расстояние между смежными подшипниками :
где k 1 = 450 коэффициент для подшипников скольжения.
d r = d пр = 170мм - диаметр вала.
Минимальное расстояние между смежными подшипниками:
Так как расстояние от упорного подшипника до дейдвудного подшипника не превышает 6000 мм, то принимаем к установке один опорный подшипник скольжения по ОСТ 5.4153-75.
Расчет тормозного устройства
Согласно ПСВП, в составе каждого валопровода должно быть тормозное или стопорящее устройство, предотвращающее вращение валов в случае выхода из строя главного двигателя.
Скорость буксировки принимаем v = 3 м/с.
При буксировке судна с выключенным главным двигателем гребной винт под действием набегающего потока создает вращающий момент:
где k m = 0,027 - коэффициент момента,
с = 1 т/м 3 - плотность воды,
D B = 2,408 м - диаметр гребного винта,
ш = 0,25 - коэффициент попутного потока.
Диаметр тормоза, исходя из момента:
где р = 7500 кПа - допустимое удельное давление,
f = 0,4 - коэффициент трения (сталь-феррадо),
k = 0,11- отношение ширины бугеля к диаметру тормоза,
б = 100 0 =1,7 рад - угол обхвата тормозной колодки.
Так как тормозное устройство устанавливается на фланцевом соединении гребного и промежуточного валов, то принимаем диаметр тормоза равным диаметру фланца.
D T = D Ф = 0,62 м.
Сила трения:
Усилие затяжки (по формуле Эйлера):
где б = 1,7 рад - угол обхвата фрикционной колодки.
Для сжатия колодок применяем винт с резьбой М30.
Шаг резьбы s = 3,5 мм.
Средний диаметр принимаем d ср = 0,9d = 0,9 30 = 27 мм.
Угол подъема винтовой линии:
Угол трения резьбы:
где в = 60 0 = 1,05 рад - угол профиля резьбы,
м = 0,25 - коэффициент трения
Момент затяжки:
Усилие затяжки:
L-длина рычага, м
P з? 0.735кН для 1 чел.
Конструкция тормоза показана на рисунке 1.
Рис. 1
Проверка валопровода на критическую частоту вращения
Для определения критической частоты вращения гребного вала при поперечных колебаниях валопровод условно заменяется двухопорной балкой с одним свешивающимся концом. Расчетная схема балки показана на рисунке 2.
Рис. 2
l1 = 11,27 м, l2 = 1,38 м.
Вес гребного винта.
1 - обтекатель; 2 - лопасть гребного винта; 3 - ступица гребного винта; 4 - кронштейн; 5 - гребной вал; 6 - дейдвудное устройство; 7 - промежуточный вал; 8 - опорный подшипник; 9 - тормоз; 10 - упорный подшипник; 11 - упорный вал; 12 - вал главного двигателя.
Основными элементами валопровода являются:
Гребной вал;
Промежуточные валы;
Главный упорный подшипник;
Опорные подшипники;
Дейдвудное устройство.
ДЕЙДВУДНЫе ТРУБы И ОБЛИЦОВКи
В качестве дейдвудных подшипников применяют подшипники скольжения с водяной или масляной смазкой, устанавливаемые в дейдвудной трубе. Дейдвудная труба крепится носовым концом к последней ахтерпиковой переборке, а другим - к кормовой оконечности корпуса, например в отверстии мортиры.
В настоящее время в судостроении широко применяют два конструктивных типа неметаллических подшипников с охлаждением и смазкой водой: наборные из отдельных вкладышей и монолитные в виде цилиндрических втулок.
Для изготовления втулок дейдвудных подшипников, работающих в морской воде, используют коррозионно-стойкие материалы: латуни ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40МцЗЖ, ЛЦ16К4, бронзы БрА9Мц2Л, БрОЮЦ2 и ряд других латуней и бронз. В качестве антифрикционного материала для вкладышей неметаллических подшипников применяют бакаут, текстолит, резину, ДСП, полиамиды; для металлических подшипников - баббит. Характеристики неметаллических материалов приведены в табл. 6.2. Бакаутом называют древесину гваякового (железного) дерева.
Судовые движители.
Движителем наз. такое судовое устройство, которое, используя работу двигателя, создает в воде упор – силу, способную двигать судно в заданном направлении.
Движители делятся на:
Лопастные - гребные винты, крыльчатые движители, гребные колеса;
Водометные.
Гребной винт (рис.7) имеет от 3 до 6 лопастей, установленных радиально на ступице. Поверхности лопастей, обращенные в нос судна наз. засасывающими , обращенные в корму-нагнетающими. Различают винты правого и левого вращения. Для повышения эффективности гребных винтов применяют направляющие насадки и пропульсивные наделки на руль. Направляющие насадки бывают неподвижными и поворотными, применяются на больших и малых судах. Пропульсивная наделка на руль упорядочивает поток воды за ступицей и повышает КПД винта, а также улучшает условия руля.
Рис.7 Винт
Винт регулируемого шага (ВРШ) имеет лопасти, поворачивающиеся вокруг их вертикальной оси. Их можно устанавливать под любым углом, образуя шаг,необходимый для данного режима работы судна. ВРШ позволяет не только использовать двигатель судна в разных условиях эксплуатации, но и удерживать его на месте, не выключая двигатель.
Рис. 10. Винт регулируемого шага ,
/ - ползун; 2-шатун; 3 - кривошипный диск; 4 - шток; 5-поршень! 6-золотниковый регулятор; 7 -привод управления; 8 - масляный насос; 9 - электродвигатель; 10 - масляная цистерна.
По способу соединения лопастей со ступицей различают гребные винты цельные и со съемными лопастями. Широкое распространение получили гребные винты регулируемого шага (ВРШ), у которых шаг лопастей можно изменять путем их поворота на ходу судна. Число лопастей гребных винтов современных транспортных судов изменяется в пределах от трех до шести, редко - более.
Диаметр гребных винтов современных судов большого водоизмещения достигает 10 м и более.
Крыльчатый движитель представляет собой диск, вмонтированный заподлицо с днищевой обшивкой и приводящийся во вращение вокруг вертикальной оси судовым двигателем. По окружности диска перпендикулярно к нему расположены 4-8 погруженных в воду лопастей, каждая из которых вращается вместе с диском, а также вокруг своей оси.
Водометные движители
Водометный катер «Мурена»
На катере предусмотрена установка одноступенчатого водометного движителя. Основными его деталями являются: водозаборник с защитной решеткой на входе и фланцем для крепления движителя к транцу катера; четырехлопастной ротор, имеющий дисковое отношение A/Ad = 0,8, диаметр 189 и шаг 190 мм; сопло с вмонтированным в него спрямляющим аппаратом; реверсивно-рулевое устройство и гребной вал с подшипниками и дейдвудным уплотнением.
1 - гребной вал; 2 - крышка корпуса дейдвудного подшипника; 3 - сальник Ø 20X42X11; 4 - гайка М8, 10 шт.; 5 - шайба 8, 10 шт.; 6 - прокладка; 7 - подшипник № 46205; 8 - пресс-масленка; 9 - сальник Ø 25X47X11, 2 шт.; 10 - корпус дейдвудного подшипника; 11 - водозаборник; 12 - корпус смотрового лючка; 13 - гайка-барашек М10, 2 шт.; 14 - крышка лючка; металл, пенопласт, стеклопластик; 15 - статор (кольцо с фланцем); 16 - болт М8X70, 6 шт.; 17 - шплинт 2,5X45; 18 - гайка-обтекатель; 19 - реверсивно-рулевое устройство; 20 - резино-металлический подшипник; 21 - винт М4X12; 22 - гайка М24X1; 23 - стопорная шайба; 24 - сопло - спрямляющий аппарат; 25 - ротор; 26 - шпонка Б 8X50; сталь 2X13; 27 - заполнитель - пенопласт; 28 - приформовка, стеклопластик; 29 - винт М6Х12, 8 шт.; 30 - полоса защитной решетки 3Х18; 31 - планка 4X20X150, 2 шт.; 32 - штуцер - водозаборник системы охлаждения двигателя; 33 - штуцер вентиляции ротора; 34,35 - фланцы; 36 - ступица спрямляющего аппарата; 37 - лопатка спрямляющего аппарата; 38 - насадка реверсивно-рулевого устройства; 39 - шпилька М8X24; 40 - обтекатель.
Судовые устройства.
Служат для обеспечения необходимых эксплуатационных и навигационных качеств судна. К основным судовым устройствам, которыми оборудуют почти все суда, относятся: рулевое,якорное, швартовное, кранцевое, шлюпочное, грузовое, буксирное, леерное, тентовое и др.
Рулевое и подруливающее устройство.
Рулевое устройство, в состав которого входят руль и привод руля, предназначено для управления судном.
Руль состоит из пера и баллера. Перо - это плоский или двухслойный обтекаемый щит с внутренними подкрепляющими ребрами. Баллер - это стержень, при помощи которого поворачивают перо руля. Различают: обыкновенные рули, балансирные рули, полубалансирные рули.
Рис.12 Рулевое устройство с электрическим приводом:
а - расположение рулевого устройства.
1 - рулевая машина; 2 - рулевой штырь; 3 - полубалансирный руль; 4 - баллер руля.
b - секторная рулевая передача с электрическим приводом.
1 - ручной штурвальный привод (аварийный привод); 2 - румпель; 3 - редуктор;
4 - рулевой сектор; 5 - двигатель; 6 - пружина; 7 - баллер руля;
8 - профильный фигурный руль; 9 - сегмент червячного колеса и тормоза; 10 - червяк.
Рис.13 Рулевое устройство с гидравлическим приводом:
а - схема гидропривода рулевого устройства типа Атлас с телемоторами;
b - поршень гидравлической рулевой машины.
1 - подключение к бортовой сети; 2 - кабельные соединения; 3 - запасная канистра;
4 - рулевой насос; 5 - рулевая колонка с датчиком телемотора; 6 - индикаторный прибор;
7 - приемник телемоторов; 8 - двигатель; 9 - гидравлическая рулевая машина;
10 - баллер руля; 11 - датчик указателя положения руля.
Рис. 7.14. Схема рулевого устройства
1,2- втулки баллера; 3 - компенсирующее кольцо; 4 - упорный подшипник баллера; 5 - бугель; б - масленка; 7 - гельмпортова труба; 8 - резиновое кольцо; 9 - уплотнение ра; 10 - пятка ахтерштевня; 11 - упор; 12 - штырь; 13- облицовка штыря; 14 - втулка бронзовая; 15 - баллер; 16 - перо руля; 17 - рулевая машина
Привод руля состоит из механизмов и устройств, предназначенных для перекладки руля на борт. В их число входят рулевая машина, рулевой привод. Рулевую машину обычно размещают в специальном румпельном отделении. Передача на руль усилий. Развиваемых в рулевой машине, осуществляется с помощью рулевого привода . Различают румпельный, секторный и винтовой приводы.
Привод управления рулевой машины (рулевая передача) служит для передачи команд из рулевой рубки на рулевую машину.
Дополнительные средства управления:
Носовой руль;
Активный руль;
Поворотная насадка;
Подруливающее устройство.
Рулевая машина состоит из следующих основных конструктивных узлов: привода к баллеру (румпель, гидравлические цилиндры, плунжеры, ползуны); насосов постоянной или переменной производительности; электроприводов насосов; аварийного привода; системы управления и масляного трубопровода с ручным насосом, арматурой и баками.
Рис. 17.1. Привод к баллеру руля рулевой машины в четырехцилиндровом
Исполнении
Цилиндры (рис. 17.2) небольших рулевых машин изготовляют цельными, а больших размеров (для упрощения получения заготовки и обработки) - сварными либо собранными из двух частей: цилиндра и донышка.
Рис. 17.2. Цилиндр
Рис. 17.3. Плунжер
Рис. 17.4. Румпель
Основные детали должны обладать высокой прочностью, иметь большую точность взаимного расположения, высокую точность и шероховатость рабочих поверхностей.
Цилиндры, состоящие из двух частей, обрабатывают в следующем порядке. Вначале обрабатывают каждую часть в отдельности с припуском на дальнейшую механическую обработку и торцы под сварку. Чтобы получить высокую точность соосности и параллельности, расточку ведут двух пар цилиндров с проверкой индикатором их установки по поверхности сопряжения с направляющими балками с точностью 0,01 мм. При этом вначале растачивают поверхности первой пары цилиндров, а затем, не изменяя установку шпинделя по вертикали, - второй пары цилиндров одной рулевой машины.
Якорное устройство.
Служит для обеспечения надежной стоянки в море, на рейде и в других местах, удаленных от берега, путем крепления за грунт с помощью якоря и якорной цепи. В его состав входят: якоря (рис.9), якорные цепи (рис.9), якорные машины, якорные клюзы и стопоры.
Рис.9 Якорь, якорная цепь
Якоря различают на становые и вспомогательные .
Основными частями любого якоря являются веретено и рога (лапы).
Якорная цепь служит для крепления якоря к корпусу судна.
Якорными машинами для подъема якоря служат лебедки с горизонтальной осью вращения барабана- брашпили - или с вертикальной осью вращения барабана- шпили.
Рис. 7.13 Схема якорного устройства
1 - якорь; 2 - якорная ниша; 3 - труба якорного клюза; 4 - палубный клюз; 5 - якорная Цепь; б - винтовой стопор; 7 - брашпиль; 8 - труба в цепной ящик; 9 - цепной ящик; 10- зашивка цепного ящика; 11 - привод отдачи коренного конца якорной цепи; 12 - глаголь-гак
Якорно-швартовные шпили бывают одноголовые и двухголовые с вертикальным расположением швартовного барабана и цепной звездочки. Двухпалубные шпили изготовляют в виде отдельных узлов: головки с баллером, привода с редуктором и ручного привода тормоза,- из которых они собираются на стенде и на судне. Однопалубные шпили более компактны - у них отсутствует баллер; все узлы и детали располагаются в одной плоскости, что позволяет изготовлять их в агрегатном виде.
Двухпалубный одноголовый с электрическим приводом якорно-швартовный шпиль (рис. 18.1) включает в себя головку шпиля, состоящую из швартовного барабана 2, надетого на баллер на двух шпонках, и цепную звездочку 3,
. 
Рис. 18.1. Якорно-швартовный двухпалубный шпиль с электрическим
приводом
.
Стопоры предназначены для крепления якорных цепей и удержания якоря в клюзе в походном положении.
Швартовное и кранцевое устройства.
Швартовное устройство служит для обеспечения надежной стоянки судна у пирса или около другого плавучего сооружения (судна, бочки).
В состав входят:
-кнехты- стальные или чугунные тумбы для крепления швартовов на судне;
-клюзы- стальные или чугунные отливки с овальным отверстием в фальшборте для направления швартова к швартовному кнехту;
Лебедки (рис.10) или шпили (рис.11) (паровые, электрические, гидравлические)- предназначены для подтягивания судна к пирсу после закрепления на нем швартовов. Лебедки бывают простые и автоматические.
Чтобы предотвратить повреждения борта при швартовке к причалу, особенно при швартовке судов друг к другу в открытом море на волнении, на судах предусматривают кранцевое устройство - мягкие или деревянные подушки, вываливаемые за борт или закрепленные постоянно на борту в местах, наиболее подверженных ударам.
Спасательные средства.
Спасательные средства - это совокупность предусмотренных на судне средств спасания пассажиров и экипажа, включающая:
§ шлюпочное устройство , предназначено для спасения людей в случаи гибели судна, а также для сообщения с берегом и другими судами. В состав входят: спасательные шлюпки (рис.12), плоты, капсулы , рабочие шлюпки, разъездные катера, шлюпбалки ;
§ спасательные плоты ;
§ плавучие приборы и спасательные средства индивидуального пользования.
Рис.12 спасательные шлюпки.
Грузовые устройства.
Предназначены для выполнения погрузочно-разгрузочных работ судовыми средствами. В состав грузовых устройств на сухогрузных судах входят стрелы или краны, закрытия грузовых люков и средства внутритрюмной механизации.
Рис. 23 Грузовые мачты: а) – одиночная; б) – Л-образная; в) – П-образная
Буксирные устройства буксирных судов.
Буксирное устройство , устанавливаемое на буксирных и спасательных судах, предназначено для буксировки несамоходных судов и плавсредств, а также самоходных судов, потерявших возможность двигаться своим ходом.
В состав входят:
Буксирная лебедка,
Гак, или направляющий блок,
Буксирная дуга,
буксирный клюз и ограничители буксирного троса.
Специальные устройства (например, передачи грузов, рыбопромысловые, научно-исследовательские и т.п.).
Арматура судовых трубопроводов служит для пуска и выключения системы, разобщения отдельных ее участков, регулирования количества и давления рабочей среды, изменения направления ее движения. Арматуру разделяют на краны, клапаны, клинкеты , захлопки и заслонки.
