Крупные коленчатые валы являются основными передающими элементами в тяжелой технике и силовых системах, предназначенными для преобразования возвратно-поступательного движения (например, движения поршня) в вращательное движение и передачи высокого крутящего момента для работы оборудования. Их рабочая среда сложна, они должны выдерживать циклические переменные нагрузки (например, давление газа, инерционные силы, центробежные силы и т.д.), поэтому требуется высокая прочность, жесткость, износостойкость и усталостная прочность. Крупные коленчатые валы широко применяются в судостроении, строительной технике, двигателях внутреннего сгорания, генераторных установках и других областях, являясь важным показателем уровня машиностроения страны.

Классификация коленчатых валов

1. По типу конструкции:

- Цельный коленчатый вал: цельнокованный или литой, подходит для средних и малых или высокоскоростных устройств, компактная конструкция, высокая надежность.

- Составной коленчатый вал: состоит из нескольких участков шейки вала, кривошипных рычагов и других частей, соединенных термическим посадочным соединением, сваркой или болтами, применяется в сверхкрупных установках (например, дизельные двигатели судов тоннажностью в десятки тысяч тонн), облегчает производство, транспортировку и ремонт.

- Вставной коленчатый вал: на основе основного тела вставлены материалы с высокой прочностью (например, легированная сталь), сочетая стоимость и характеристики.

2. По области применения:

- Судовые коленчатые валы: для низкоскоростных мощных дизельных двигателей, огромных размеров (длина может превышать 20 метров, вес — сотни тонн).

- Коленчатые валы строительной техники: экскаваторы, горное оборудование и т.д., выдерживают высокие ударные нагрузки.

- Коленчатые валы энергетической отрасли: генераторные установки, компрессоры и т.д., с акцентом на высокую надежность и длительный срок службы.

3. По материалу и технологии:

- Кованые коленчатые валы: высокопрочная кованая сталь (например, 42CrMo, 35CrMo), подходит для условий высоких нагрузок.

- Литые коленчатые валы: шаровидный чугун (QT700-2), более низкая стоимость, подходит для средних и низких нагрузок.

Спецификации

1. Диапазон размеров:

- Длина: от нескольких метров до десятков метров (например, коленчатый вал модели 12S90ME-C длиной 23 метра).

- Диаметр: диаметр шейки вала может превышать 2 метра.

- Вес: вес одного вала от десятков до сотен тонн (например, самый тяжелый в мире коленчатый вал модели W12X92 весит 488 тонн).

2. Характеристики материала:

- Предел текучести высокопрочной легированной стали ≥800 МПа, твердость поверхности HRC 50-60.

- Глубина нитридного слоя 0,3-0,5 мм, повышающая износостойкость.

- Шероховатость поверхности: ключевые шейки вала Ra ≤0,8 мкм, обеспечивающая низкие потери на трение.

Параметры проектирования

1. Размерные параметры

- Диаметр и длина штифта кривошипа: определяются диаметром цилиндра, влияют на прочность и стабильность коленчатого вала.

- Диаметр и длина шейки вала: определяют посадку коленчатого вала с подшипниками.

- Толщина и ширина кривошипного рычага: влияют на жесткость и прочность коленчатого вала, требуют рационального проектирования.

2. Параметры прочности

- Способность выдерживать изгибающие и крутящие нагрузки: коленчатый вал должен выдерживать центробежные силы вращающейся массы, циклические изменения инерционных сил газа и возвратно-поступательных инерционных сил, поэтому требуется достаточная прочность и жесткость.

- Технологии упрочнения поверхности: такие как радиусное прокатывание, поверхностное закаливание шейки вала и др., для повышения усталостной прочности и износостойкости.

3. Точность обработки

- Круглость и цилиндричность: стандарт цилиндричности шейки вала 0~0,005 мм, предельное значение 0,05 мм.

- Шероховатость поверхности: поверхность шейки должна быть гладкой, без вмятин, трещин и других дефектов.

4. Балансировка

- Проектирование балансировочных грузов: в зависимости от количества цилиндров двигателя, их расположения и формы коленчатого вала рационально проектируются количество, размеры и расположение балансировочных грузов для уравновешивания центробежных сил вращения и их моментов.

Область применения

1. Крупные суда: низкоскоростные дизельные двигатели для привода винтов (например, контейнеровозы типа 21000 TEU).

2. Тяжелая строительная техника: горные экскаваторы, крупные бульдозеры, нефтяные буровые установки и др.

3. Энергетическое оборудование: мощные генераторные установки, компрессоры природного газа, промышленные насосные агрегаты.

4. Железнодорожные локомотивы: силовые установки дизельных локомотивов, рассчитанные на длительную работу при высоких нагрузках.

Важные характеристики

1. Сверхвысокая прочность и надежность:

- Использование технологии цельного волокнистого ковки или электрошлакового переплава, обеспечивающей непрерывность металлических волокон и отсутствие внутренних дефектов.

2. Устойчивость к усталости:

- Технологии радиусного прокатывания, поверхностного закаливания и др., значительно повышающие срок службы при усталостных нагрузках.

3. Легкость и энергосбережение:

- Полые шейки, топологическая оптимизация конструкции снижают собственный вес и повышают топливную экономичность оборудования.

4. Точная обработка:

- ЧПУ-шлифование, онлайн-контроль обеспечивают микронную точность обработки.

5. Коррозионная стойкость и долговечность:

- Поверхностные покрытия или специальные сплавы, адаптированные к суровым морским условиям, срок службы не менее 20 лет.

Описание технологии

1. Технология ковки:

- Горячая штамповка: использование гидравлического пресса мощностью в десятки тысяч тонн, формирование полной волокнистой структуры через многократное ковочное удлинение, изгиб и ковку.

- Сегментная ковка + сборка: сверхбольшие коленчатые валы изготавливаются методом сегментной ковки с последующей термической сборкой, что позволяет преодолеть ограничения оборудования.

2. Литейный процесс:

- Формовка с воздушным ударом: высокоточные песчаные формы уменьшают дефекты литья.

- Электрошлаковое переплавление: повышение чистоты и однородности материала, сопоставимо с ковкой по характеристикам.

3. Механическая обработка:

- ЧПУ токарная обработка и шлифовка с отслеживанием: обеспечение круглости и соосности шеек вала.

- Глубокое сверление: точное проектирование масляных каналов для оптимизации смазки и охлаждения.

4. Упрочняющая обработка:

- Среднечастотное индукционное закаливание: контролируемая глубина поверхностного упрочнения, повышение износостойкости.

- Комплексный процесс азотирования и радиусного прокатного прессования: комплексное улучшение усталостной и коррозионной стойкости.

5. Технологии контроля:

- Неразрушающий контроль (ультразвук, магнитопорошковый дефектоскоп) для выявления микротрещин.

- Испытательный стенд динамического балансирования моделирует реальные условия работы, регулируя до оптимального баланса.