Подвижные элементы преобразуют потенциальную энергию давления газа в цилиндре двигателя в механическую работу на фланце ВОМ. Конструктивно элементы движения судовых двигателей различны в зависимости от типа дизеля.
В тронковых двигателях (рис. 1, А) к подвижным элементам относятся поршень 1 с поршневым пальцем, шатун 3 с головными 2 и кривошипными 4 подшипниками, коленчатый вал 5 с рамным подшипником 6.
Рис. 1 Схема элементов движения магистрального двигателя.
1 — поршень; 2 — шатун с головным подшипником; 3 — шатун; 4 — шатун с коренным подшипником; 6 — подшипник рамы; 7 — коленчатый вал; 8 — подшипник рамы
В крейцкопфном двигателе (рис. 1, В) к подвижным элементам относятся поршень 1 со штоком 2, крейцкопф 3, шатун 5 с подшипниками головки 4 и кривошипа 6, коленчатый вал 7 с опорой рамы 8.
Поршень
Поршень – деталь двигателя, образующая камеру сгорания и выполняющая роль элемента пары трения «поршень-втулка» в наиболее неблагоприятных условиях высокого давления (до 150–180 бар) и температуры газа (до Тmax = 1900). –2 100 К), а также как элемент газораспределения в 2-тактных дизелях (рис. 2).
Рис. 2 Схема камеры сгорания дизеля
В двигателе S70MC-C максимальное усилие на поршень от давления газов составляет около 600 тонн.
Исходя из условий эксплуатации, к конструкции поршня предъявляются следующие требования:
- высокая механическая прочность;
- способность работать при высоких температурах, хороший отвод тепла и хорошие условия охлаждения;
- низкий коэффициент трения при работе в паре трения;
- хорошая адаптация элементов поршня к гильзе (для исключения попадания газа из камеры сгорания в полость под поршнем);
- удачная форма головки с точки зрения: а) смесеобразования и б) направления потоков воздуха и газов при газораспределении в 2-тактном дизеле.
Для выполнения вышеуказанных требований в крейцкопфных двигателях головки поршней 1 (рис. 3) обычно изготавливают из легированной жаропрочной стали в виде поковки с последующей механической обработкой. Материал поршневых колец 2 во всех типах двигателей — модифицированный чугун, хорошо работающий в паре трения. Юбки поршня 3 также изготовлены из чугуна. Штоки 5 передают усилия от движущих сил цилиндров на кривошипно-шатунный механизм, а также работают в паре трения с уплотнением штока Обслуживание системы отвода масла от уплотнений штока. Поэтому они должны в первую очередь удовлетворять условию механической прочности. Стержни всегда изготавливаются из конструкционной стали в виде поковки с последующей механической обработкой. Поверхность штока, работающего в паре трения, отшлифована.
Рис. 3 поршень двигателя:
А — Ч/Б K80GF; Б — MAN-B&W S80MC; С — Зульцер RTA58T
Поршни крейцкопфных двигателей охлаждаются маслом или водой. В старых конструкциях B&W при остывании масло подавалось по стрелке Е из циркуляционной маслосистемы через кольцевой канал внутри штока, а отводилось по трубке внутри штока (по стрелке L, рис. 3, А).). В современной конструкции предприятия масло для охлаждения подается по патрубку, отводящемуся через кольцевой канал (рис. 3, Б). Водяное охлаждение поршня использовалось в некоторых конструкциях Sulzer с двумя телескопическими трубками, прикрепленными к поршню.
Удачное решение проблем механических и термических напряжений головок поршней было найдено Зульцером, при использовании так называемой «сотовой» конструкции поршня с охлаждением по методу «сбивания» (рис. 3, В). Массивная головка поршня имеет множество отверстий, близких к рабочей поверхности. На начальном этапе компания использовала воду для охлаждения поршня. При остановке поршня в ВМТ при работе дизеля вода под действием сил инерции выбрасывается в эти отверстия и интенсивно охлаждает головку поршня. В двигателях серии RTA компания перешла на поршни с масляным охлаждением. Не изменяя сотовой конструкции поршня, для повышения эффективности охлаждения использовали форсунки, направляющие струи масла в каждое сотовое отверстие. Для этого пришлось увеличить давление смазочного масла.
Наиболее тяжелые условия эксплуатации у компрессионных поршневых колец, особенно у 1 кольца. Кольцо должно совершать возвратно-поступательное движение в условиях, когда оно прижато давлением газа к зеркалу цилиндра и к поверхности канавки поршня (рис. 4).
Рис. 4 Схема поршневого кольца
Максимальное значение этого давления равно давлению сгорания в цилиндре. Кроме того, тепло передается от головки поршня к втулке через кольцо. По этим причинам поршневые кольца подвержены интенсивному износу.
Для уменьшения теплоподвода к кольцу в быстроходных двигателях принято использовать тепловой барьер в виде канавки в теле головки поршня, расположенной над 1 поршневым кольцом, как показано на рисунке. Тепловой барьер также может быть выполнен в виде теплоизоляционного материала, помещаемого в корпус поршня при литье. Однако тепловые барьеры крайне редко встречаются в судовых двигателях.
В крейцкопфных двигателях старой конструкции в головке поршня обычно помещалось 5 компрессионных колец (рис. 3, А). В новых модификациях крейцкопфовых двигателей для снижения механических потерь установлены 4 компрессионных поршневых кольца (обычно 2 с правым и 2 с левым замком, маслосъемных колец нет). MAN B&W в последних конструкциях тихоходных дизелей используют поршневые кольца с увеличенной на 30% высотой, 1 поршневое кольцо с замком внахлест, все кольца имеют алюминиевое покрытие (Al-покрытие) для улучшения приработки, тип CPR («Контролируемый сброс давления») — имеют канавки на поверхности для повышения давления за кольцом, что выравнивает условия работы всех колец. В некоторых конструкциях высокофорсированных двигателей верхнее поршневое кольцо хромируется для повышения износостойкости. Хромирование также могут иметь канавки в головке поршня.В судовых двигателях используются свободно плавающие кольца без какой-либо блокировки.
Чтобы уменьшить износ верхних канавок поршневых колец, в старых конструкциях двигателей B&W использовались так называемые «противоизносные» чугунные кольца. Эти кольца разломились на 2 половинки и вдавились в канавку под первым поршневым кольцом. В современных двигателях такие решения не используются. При высоком износе канавок поршневых колец и выгорании металла на поверхности головок головки восстанавливают на береговых предприятиях методом плазменной наплавки.
Все двигатели с прямоточной системой газообмена имеют поршень с короткой юбкой (рис. 3, А, Б, В). Двигатели с петлевыми системами газообмена с нерегулируемыми газоотводами имели длинную юбку, закрывавшую выпускные окна, когда поршень находился в ВМТ, чтобы предотвратить попадание воздуха из ресивера-поглотителя в выпускной коллектор. Для двигателей Sulzer типа RD применялся «короткий» поршень с петлевой системой газообмена; для предотвращения перетока воздуха и регулирования газораспределения на вытяжном канале применялись заслонки. Обычным элементом юбки поршня являются «вбиваемые» ремни из цветного металла (медь, бронза), которые вдавлены в юбку (рис. 3 А, позиция К). Металл в ремнях играет роль противозадирной присадки, что особенно важно при езде по частям.
Поршень крепится к фланцу шпинделя болтами и гайками. В поршне с масляным охлаждением внутри штока имеется отверстие. Здесь находится патрубок для подачи или слива охлаждающего масла. В двигателях старой конструкции в нижнюю часть штока ввинчивался вал с резьбой для крепления штока к крейцкопфу (рис. 3, А). В современных двигателях тяга имеет подпятник с отверстиями для крепежа, который устанавливается на поперечину сверху и фиксируется шпильками (рис. 3, Б, В).
Головки поршней с плоскими поверхностями, как правило, применялись в 2-тактных дизелях с контурными системами газообмена. Такая форма выбрана не с точки зрения обеспечения хорошего смесеобразования, а с точки зрения управления потоком промывочного воздуха, идущим за кромками поршня при промывке цилиндра. Плоская поверхность головки поршня обеспечивает равномерное изменение температуры и отсутствие концентрации напряжений. B&W традиционно использует вогнутую головку поршня в тихоходных судовых двигателях (рис. 3, А, Б). Такая головка имеет равномерное распределение температуры, создает хорошие условия для смесеобразования при наличии нескольких «боковых» форсунок.
В двигателях с большими размерами цилиндров за последние годы компания внесла ряд принципиальных изменений в конструкцию элементов, составляющих камеру сгорания: 1) изменена форма камеры сгорания; больше всего изменилась конфигурация головки поршня – вместо вогнутой формы головка поршня теперь имеет геометрию «орос», как назвал ее строитель (рис. 5); при таком изменении конструкции значительно улучшилось тепловое состояние головки поршня — температура снизилась на 80-90°С; 2) использован поршневой очиститель, расположенный в верхней части гильзы цилиндра между крышкой и гильзой, что улучшило смазку гильзы; 3) все кольца типа КПП, верхнее поршневое кольцо с замком внахлест».
Рис. 5 Изменение конструкции камеры сгорания двигателей MAN-B&W с большим диаметром цилиндра
Это изменение конструкции стало стандартным для всех крупнокалиберных двигателей B&W.
Для стоковых дизелей, а также для крейцкопфных двигателей возможна составная конструкция поршня — головка из жаропрочной стали, юбка — из чугуна. В маломощных двигателях часто используется цельный поршень из алюминиевого сплава. Для судовых вспомогательных двигателей наиболее распространенным является чугунный поршень 3 (рис. 6).
Рис. 6-поршневой с шатуном двигатель DL-24 Daihatsu
Поршень современного судового вспомогательного дизеля ДЛ-24 фирмы Дайхатсу, показанный на рисунке, имеет три компрессионных 1 и два маслосъемных 2 кольца. Канавки двух верхних компрессионных колец хромированы. Верхнее компрессионное кольцо имеет замок внахлест, нижние — конический замок. Два верхних поршневых кольца хромированы. Масло, удаляемое маслосъемными кольцами, через отверстия в юбке за нижним кольцом частично попадает во внутреннюю полость поршня и стекает в масляный поддон. Поршневой палец 4 из высокопрочной хромомолибденовой стали имеет закаленную поверхность.
Поверхность поршневого пальца может быть закалена токами высокой частоты. В теле юбки поршня в районе «втулки» поршневого пальца устроены полости – для компенсации расширения металла в этом районе в результате нагрева поршня при работе двигателя операция. Головка поршня охлаждается маслом. Масло поступает из циркуляционной маслосистемы на смазку рамы, кривошипных и головных подшипников и через штуцер Б в верхней части шатуна 7 распыляется на нижнюю часть головки поршня и охлаждает ее.
Приведенная выше конструкция типична и используется многими дизельными компаниями, производящими среднеоборотные судовые двигатели. На рис. 7 показана конструкция поршневого дизеля 6L23/30 MAN B&W, отличающаяся от рассмотренной выше.
Рис. 7 Дизель поршневой 6L23/30
Уменьшено количество маслосъемных колец — одно кольцо вместо двух в предыдущей конструкции. Головка охлаждается не разбрызгиванием, а перекачиванием масла из системы смазки. Форма головки поршня, показанная на рисунке, образует камеру сгорания Хессельмана. Такая форма соответствует форме фонаря с центральным соплом, обеспечивает более полное использование объема воздушного заряда, обеспечивает наибольшую эффективность рабочего процесса при прочих равных условиях. Недостатком его является повышенная температура и возможное прогорание металла в центре поршня. Такая конструкция головки поршня широко используется в судовых 4-тактных дизельных двигателях.
Крейцкопф
Крестовина предназначена для вывода головки из зоны высоких температур. Благодаря крейцкопфу поршень воспринимает только осевые усилия, что повышает надежность. При этом удается решить задачу повышения надежности соединения головки, так как размеры в данном случае не ограничиваются размерами поршня. Так как крейцкопф воспринимает осевое усилие от давления газа в цилиндре, а нормальную составляющую от расширения этой силы по шатуну, то основными требованиями к конструкции крейцкопфа являются достаточная механическая прочность, жесткость траверсы (отсутствие прогиба), хорошие условия работы в парах трения.
В общем случае крейцкопф состоит из крестовины 5, башмаков с ползунами 6, подпятника 3 с втулками 4 (рис. 8).
Рис. 8 Крейцкопф и шатун с головкой двигателя L45GFCA
Ригель — стальная поковка с последующей механической обработкой. Шпильки поперечины, работающей в головном подшипнике, притерты. Ползунки могут быть стальными литыми или сварными с наполнителем из белого металла (баббит). Материалы, применяемые в судоремонте. Поверхности ползунов зачищают по пластине и на месте — по направляющим крейцкопфа. Ползунки с направляющими представляют собой пару трения — крейцкопфный подшипник.
Название «поперечный подшипник», принятое в терминологии, вполне обоснованно, четко определяет этот элемент двигателя. Очень часто в описаниях двигателей зарубежных фирм этот термин («кроссовый подшипник») используется для обозначения крейцкопфного двигателя («кроссовый подшипник»), что является незаконным и создает путаницу.
Конструкция поперечины зависит от типа головки шатуна и типа головки поперечины. При «вилочном» типе верхней головки каждый цилиндр имеет по 2 шейки и по 2 опоры головки — кормовой и носовой, а в середине поперечины имеется отверстие для прохода вала штока (рис. 8).
Вал крепится к поперечине снизу гайкой (см рис. 3, А). В современных двигателях для повышения надежности коренных подшипников применяют безвилочный шатун, вся нижняя поверхность крестовины является опорой (рис. 9). При этом значительно увеличивается площадь подшипника головки и снижается удельное давление в подшипнике. В этой конструкции шток крепится к поперечине сверху посредством подпятника «В”.
Рис. 9 Крестовина и шатун с головкой для двигателя S70MC
При 2-стороннем поперечном типе башмаки с 4 поверхностями скольжения крепятся к поперечной балке. В двигателях Sulzer и современных дизельных двигателях MAN-B&W эти ползунки могут свободно вращаться на поперечинах специальной конструкции (рис. 9). В старых моделях двигателей B&W ползунки жестко крепились к поперечине на концах, как показано на рис. 8. При односторонней траверсе может быть один ползун (рис. 10). При этом основная опорная поверхность А ползуна предназначена для восприятия нормальных усилий от прямого хода, а нормальные силы в кривошипно-шатунном механизме при работе назад воспринимаются реверсивными колодками В, которые скользят по направляющей крейцкопфа сзади. Односторонняя крейцкопф такой конструкции использовался в тихоходных двигателях Göthaverken.
Рис. 10 Односторонняя траверса
При масляном охлаждении поршней к крейцкопфу крепится колено «С» с телескопической трубкой для подвода масла, а также трубка для отвода охлаждающего масла (рис. 9). В двигателях Sulzer используется вертлюг для подачи масла. В корпусе траверсы предусмотрены отверстия для подачи смазки к головке и подшипникам траверсы и для охлаждения поршня.
В главных и вспомогательных 2-тактных крейцкопфных среднеоборотных двигателях с прямоточной промывкой клапанов типа Bolnes и Smith Bolnes, устанавливаемых на большегрузных спасательных буксирах голландской постройки, крейцкопф выполнен в виде поршня с поршнем штифт и играл роль продувочного насоса или 2-х ступенчатого подпорного агрегата в схеме последовательного комбинированного задания давления.
Шатун
Шатун передает движущие силы цилиндра на коленчатый вал. Он всегда нагружен осевой силой, определяющей сжимающие напряжения, а в конце такта выпуска 4-тактных двигателей внутреннего сгорания — напряжения в теле шатуна. Кроме того, при движении шатуна возникают силы инерции, вызывающие небольшой изгиб шатуна. При наличии значительных осевых усилий этот изгиб может привести к поломке шатуна. Поэтому конструкция шатуна требует не только механической прочности, но и достаточной продольной жесткости.
Шток ткацкого станка состоит из нижней головки 1, стержня (или корпуса) 2 и верхней головки 3 (рис. 8). Для судовых дизелей шатуны изготавливают исключительно из стали штамповкой (для двигателей малой и средней мощности), литьем или ковкой — для мощных судовых двигателей. При штамповке корпус шатуна обычно имеет в сечении двутавр. В мощных двигателях тело шатуна имеет цилиндрическую форму.
У двигателей с крейцкопфом верхняя и нижняя головки шатуна разделены. В двигателях более старых конструкций подголовник был съемным, так называемого «морского» типа. В данной конструкции имеется возможность регулировать объем компрессионной камеры прокладками под шатунный подшипник (рис. 8). Верхняя головка может быть «вилочной» (рис. 8) или «бесвилочной» (рис. 9). В большинстве случаев головки шатунов и коренные подшипники имеют втулки, заполненные белым металлом. Однако существуют конструкции с заливкой белого металла непосредственно в крышки на головке и шатунных подшипниках (двигатели B&W старой конструкции). Для смазки подшипников в теле шатуна предусмотрено сверление.
В 2-х тактных дизелях коренной подшипник традиционно считается наименее надежным элементом, что определяется трудностью доступа смазки к трущимся поверхностям. Силы веса подвижных элементов, размещенных выше, и давление газов в цилиндре. По индикаторной диаграмме характеристика процесса сгорания топлива в цилиндре дизеля постоянно прижимает штифты поперечного элемента к поверхности наполнения подшипника, отверстия нет, что препятствует протеканию масла. Для решения этой задачи обычно используют один из следующих методов:
- при доводке дизеля массы деталей и параметры рабочего процесса тщательно подбираются таким образом, чтобы при работе дизеля в процессе сжатия рабочего тела сила инерции при некотором угле поворота коленвал превысит усилие от давления сжатия так, что в нижней части коренного подшипника появится щель для доступа масла;
- шпильки коренного подшипника состоят из 2-х частей с малым эксцентриситетом, что обеспечивает доступ смазки к трущимся поверхностям при качании шатуна;
- в двигателях МАН старой конструкции к крейцкопфу крейцкопфа крепился поршневой насос, приводимый в движение качательным движением шатуна — для подачи смазки под давлением к верхнему подшипнику. В современных двигателях это решение не используется.
У тронковых двигателей верхняя головка выполнена цельной (рис. 11). В него запрессована втулка подшипника головки, в которой скользит поршневой палец. Втулки обычно изготавливают из бронзовых сплавов, выдерживающих высокие удельные давления.
Рис. 11 Шатун современного дизеля
Головной сустав может быть сферическим; такое решение иногда встречается в судовых двигателях. Нижняя головка шатуна судовых двигателей всегда разъемная с прямой или наклонной муфтой. В большинстве случаев наклонная муфта используется в двигателях большой мощности, где диаметр увеличен для уменьшения удельного давления на коренной подшипник, что при прямой муфте не позволяло бы производить разборку поршня с шатуном через гильзу цилиндра. Нижний конец шатуна обычно имеет тонкостенные стальные вкладыши коренных подшипников коленчатого вала, заполненные белым металлом. Подача смазки к головному подшипнику осуществляется от шатунного подшипника через отверстие в шатунной тяге.
Особенно важным элементом шатуна является болт шатуна. Обрыв шатуна приводит к разрушению всего двигателя. В 4-тактном двигателе шатунные болты в каждом такте в конце такта выпуска принимают на себя силу инерционных сил вышестоящих элементов движения, работающих на растяжение. В 2-тактном двигателе нет «свободных» сил инерции (нет такта выпуска), шатунные болты нагружены только силами инерции нижнего картера. Однако в аварийной ситуации (например, при износе поршня) шатунные болты 2-тактного дизеля могут работать на полную мощность. Поэтому шатунные болты во всех двигателях изготавливаются из высокопрочной легированной стали. В конструкции шатунного болта заложена идея равнопрочности — в зоне резьбы и в зонах звеньев головки шатуна болт имеет увеличенный диаметр по сравнению с отдых. Все шатунные болты плотно вставлены в отверстия затягиваемых деталей. В современных мощных двигателях гайки шатунных болтов затягивают с помощью гидроцилиндра, а при малой и средней мощности двигателя — динамометрическим ключом.
Коленчатый вал
Коленчатый вал является наиболее дорогостоящей и ответственной частью двигателя и работает в условиях больших знакопеременных динамических нагрузок, создающих переменные напряжения изгиба, сжатия, растяжения и сдвига. Эти напряжения определяются не только силами от давления газа в цилиндре и силами инерции деталей, но и упором винта, крутильными и осевыми колебаниями вала. Крутильные и осевые колебания вала, деформация корпуса корабля при изменении условий плавания. Поскольку коленчатый вал вращается в подшипниках, эти динамические усилия передаются и поглощаются подшипниками. Исходя из этих условий эксплуатации, к конструкции коленчатого вала можно предъявить основные требования: достаточная механическая прочность и хорошие условия работы подшипников при динамической нагрузке.
Конструктивные требования удовлетворяются за счет использования обычных конструкционных сталей при изготовлении коленчатых валов — использование легированной стали не дает никаких преимуществ. В практике дизельостроения встречаются коленчатые валы, отлитые из модифицированного чугуна (двигатели Коломенского тепловозостроительного завода). Надежность таких коленчатых валов ниже, но и стоимость вала гораздо меньше. В двигателях малой и средней мощности коленчатые валы изготавливают штамповкой или в виде поковки с последующей механической обработкой. В мощных двигателях коленчатые валы могут быть цельносварными, полусоставными и составными.
Цельносварные коленчатые валы иногда встречаются на современных двигателях MAN-B&W серии MC.
Их изготавливают сваркой отдельных литых стальных элементов в виде щеки с примыкающими половинками рамы и кривошипов (рис. 12).
Рис. 12 Схема сварного колена
Распространенным решением как в старых, так и в новых конструкциях является полусоставной коленчатый вал. Кривошип отливается целиком (или сгибается из одного прямого куска стали с последующей механической обработкой), шпильки рамы запрессовываются в щеку горячей прессовой посадкой. Это решение проще и дешевле по сравнению с цельносварной осью, но и менее надежно. Полностью собранные коленчатые валы использовались в ранних тихоходных крейцкопфных двигателях B&W, включая тип K-EF. И рама, и коленчатый вал были запрессованы в литые стальные щеки. Недостаток их в том, что в тяжелых случаях такие коленчатые валы могут проворачиваться в шейках.
Полусоставной коленчатый вал современного тихоходного 6-цилиндрового двигателя показан на рис. 13. Штифты рамы 2 запрессованы в цельные стальные кривошипы 1. С тыльной стороны вал имеет фланец отбора мощности 4, выкованный вместе с упорным валом. На ведущем кулачке 3 на этом валу установлена двухрядная шестерня 5 для привода распределительного вала. От носовой части двигателя отходит поршень 6 гасителя осевых колебаний и фланец для крепления шестерни цепного привода уравновешивающих масс. Если двигатель имеет шестерню распредвала (малооборотные двигатели Sulzer), на коленчатый вал вместо звезды устанавливается шестерня. Можно в 2 половинки. Маховик двигателя крепится к фланцу ВОМ. Противовесы на коленчатом валу современных тихоходных дизелей отсутствуют. Ранние низкоскоростные двигатели B&W имели противовесы, отлитые за одно целое со щекой.
Рис. 13 Коленчатый вал двигателя MAN-B&W 6S70MC.
1 — цельнометаллический кривошип; 2 — шейки рамы; 3 — скользящая гребенка; 4 — фланец отбора мощности; 5 — цепная 2-х рядная шестерня; 6 — поршень гасит осевые колебания
Как правило, коленчатый вал судового вспомогательного дизеля изготавливают цельным из стальной поковки с последующей механической обработкой. Типовая его конструкция на примере вала 6-цилиндрового 4-тактного дизеля показана на рис. 14.
Рис. 14 Коленчатый вал двигателя ДЛ-24
Фланец отбора мощности В здесь насажен на конический вал А на шпонке. К фланцу прикреплен маховик С. Шестерня D, состоящая из двух половин, установлена на фланце отбора мощности для привода распределительного вала. С носовой части дизеля устроен фланец для шестерни трансмиссии навесных насосов охлаждения и смазки. Коленчатый вал имеет отверстия для подачи смазки от подшипников рамы к подшипникам кривошипа. Коленчатые валы средне- и высокооборотных двигателей могут иметь противовесы Е, которые крепятся к щекам резьбовым соединением с болтом Г. Эти соединения представляют особый интерес для судового механика.
Противовесы часто устанавливают не для балансировки двигателя (можно балансировать двигатель в целом), а для балансировки цилиндра в отдельности и облегчения работы подшипников коленчатого вала. Аналогичное решение использовано в конструкции коленчатого вала, показанного на рис. 14 (6-цилиндровый 4-тактный двигатель полностью сбалансирован, но на кривошипы каждого цилиндра навешены противовесы Е для облегчения работы подшипников рамы).
Распределительные и вспомогательные валы
Распределительный вал служит для обеспечения своевременного открытия и закрытия клапанов цилиндров, подачи топлива, смазки цилиндров. Проверка и регулировка смазочных устройств для смазки цилиндров и сжатого воздуха (при пуске двигателя). В двигателе может быть один, а может быть и несколько распределительных валов: газораспределительный, топливоподача, маслоподача, воздухораспределение. Также могут быть установлены вспомогательные валы — для привода навесных механизмов (насосов, компрессоров, откачивающих насосов), уравновешивающих масс. В дизельных двигателях с электронным управлением распределительный вал отсутствует.
Условия работы распределительного вала определяются значительными динамическими нагрузками. Так в двигателе S70MC мощность ок. 10 тонн, чтобы открыть выпускной клапан. Максимальное усилие на поршень ТНВД составляет ок. 25 тонн. Такие динамические нагрузки предъявляют требования к материалу распределительного вала: материал должен быть достаточно прочным, но не ломким, с твердой поверхностью. Обычно распределительные валы и их кулачки изготавливаются из мягкой стали. Распределительный вал может быть интегрирован для всего дизеля или собран из отдельных элементов для каждого цилиндра. Кулачки судовых дизелей могут быть выполнены заодно с распределительным валом, но чаще их изготавливают отдельно, а затем насаживают на вал. Поверхности гребней всегда закалены (токами высокой частоты, науглероживанием или азотированием) с последующей шлифовкой.
Распределительные валы приводятся в движение от коленчатого вала с передаточным числом 1:1 в 2-тактных двигателях и 1:2 в 4-тактных двигателях, где распределительный вал вращается в 2 раза медленнее коленчатого вала. Привод распределительного вала посредством шестерни получил чрезвычайно широкое распространение в тронковых двигателях. В двигателях с крейцкопфом используется как шестеренчатый, так и цепной привод. Итак, в двигателях Fiat с нижним распределительным валом Sulzer он приводился в движение шестерней. В двигателях B&W, MAN традиционно используется цепной привод (рис. 15).
Рис. 15 Схема приводного распределительного (а) и вспомогательного валов (в) двигателя 6С70МС
Цепная операция, показанная на рисунке, включает в себя:
- — ведущие шестерни;
- — двухрядная цепь;
- — натяжное устройство;
- — промежуточное колесо с балансировочными грузиками;
- – ведомая звезда распределительного вала;
- – цепной привод ролика смазки цилиндра.
Ролик распределителя воздуха и регулятор скорости обычно приводятся в движение от распределительного вала.
В современных 4, 5, 6-цилиндровых двигателях MAN-B&W обеспечена полная балансировка.Понятие баланса. Влияние неуравновешенного двигателя на фундамент и корпус корабля по моментам от сил инерции 2-го порядка. Для этого промежуточное колесо 4 с балансирами (рис. 15) размещают со стороны кормы двигателя в отсеке привода, а такие же балансиры — с носа. Носовые балансиры приводятся от коленчатого вала вспомогательной цепной передачей.
В тихоходных двигателях MAN и Sulzer с петлевыми системами газообмена кулаки подачи топлива крепились к распределительному валу с помощью концевого устройства. Такая конструкция позволяла просто изменять моменты подачи топлива при регулировке. B&W традиционно использует горячую запрессовку кулачков газораспределения 3 и топливоподачи 4 на оси (рис. 16).
Рис. 16 Распредвал двигателя 6S70MC
Такой же способ посадки топливных и газораспределительных кулаков используется и на современных двигателях MAN-B&W. Распределительный вал 1 составной, приспособление фланцев к 6 секциям вала также горячештампованное. При таком приспособлении кулаков и фланцев при необходимости их можно развернуть на валу только с помощью гидравлического пресса (создав во внутренней полости через отверстия Г давление более 900 бар). В старых дизелях распределительный вал состоял из отдельных секций, индивидуальных для каждого цилиндра. В новых дизелях часть вала приходится на 2 цилиндра.
Показано на рис. 16 вал проходит через корпуса распределительных валов, индивидуально для каждого цилиндра (рис. 17). В каждом картере есть ручки распределения топлива и газа. Вал опирается на подвесные подшипники с тонкостенными стальными втулками, залитыми белым металлом. Смазка подшипников возможна либо от системы смазки распределительных валов, либо от общей циркуляционной системы смазки дизеля. Вал уплотнен резиновыми уплотнениями А и С (рис. 16).
Рис. 17 Корпус распределительного вала
Следует учитывать еще одну функцию распределительного вала. Топливные кулачки двигателей B&W, начиная с модели VT2BF, где компания отказалась от 2 распредвалов и перешла на 1 распредвал, и включая все современные модели низкооборотных двигателей, имеют «отрицательный» профиль. Такой профиль топливных кулаков необходим для обеспечения необходимых моментов подачи топлива на переднюю и заднюю передачи в принятой на предприятии реверсивной системе.
Судовые вспомогательные 4-тактные дизели обычно имеют один распределительный вал с приводными кулачками ТНВД, впускных и выпускных клапанов, хотя существуют и дизели с двумя валами (топливный и газораспределительный). Часто конструкция вала предусматривает установку всех кулачков и фланцев на шпонки с гайками для осевой фиксации, но возможен и «сплошной» вариант кулачков вместе с валом. Такой распределительный вал, состоящий из отдельных секций для каждого цилиндра, скрепленных болтовыми фланцами, показан на рис. 18.
Рис. 18 Распредвал двигателя 6L23/30
Движущая сила вала В обеспечивается через шестерню А. Наружные поверхности фланцев С секций вала являются шейками подшипников распределительных валов. Это решение широко используется в конструкции судовых вспомогательных дизелей, позволяет снизить удельное давление в подшипниках и повысить их надежность. При замене рассматриваемого распределительного вала необходимо учитывать, что секции вала под цилиндр имеют различное исполнение в зависимости от количества цилиндров дизеля, что необходимо учитывать при заказе запчастей. Например, на рисунке в правом нижнем углу показана нумерация участков вала для 5- и 6-цилиндровых дизелей.
