Корабельный коленчатый вал является ключевым компонентом силовой системы судна, предназначенным для преобразования возвратно-поступательного движения поршней двигателя (например, дизельного) в вращательное движение, приводящее в движение винт или другие трансмиссионные устройства. Это важный элемент передачи мощности в системе судового движения. Его надежность напрямую влияет на безопасность плавания, эффективность передачи мощности и срок службы судна. Коленчатый вал должен обладать высокой прочностью, коррозионной стойкостью и усталостной прочностью, чтобы соответствовать строгим требованиям морской среды.

Классификация корабельных коленчатых валов

1. По конструкции:

- Цельный коленчатый вал: применяется на средних и малых судах или высокоскоростных дизельных двигателях, цельнокованный или литой, простая конструкция, удобен в обслуживании.

- Сборный коленчатый вал (полусборный/полностью сборный):

- Полусборный: колено (рычаг + шейка) цельнокованое, затем соединяется с коренным шеей методом горячей посадки, высокая жесткость, применяется на крупных низкоскоростных дизельных двигателях, является основной технологией.

- Полностью сборный: отдельные детали кованы отдельно, затем соединяются сваркой или болтами, высокая гибкость, но немного ниже прочность, часто используется в особых условиях.

2. По типу двигателя:

- Коленчатый вал низкоскоростного двигателя: низкие обороты (<300 об/мин), большие размеры и вес, например, сверхбольшие коленчатые валы для судов грузоподъемностью в тысячи тонн (длина более 20 метров, вес сотни тонн).

- Коленчатый вал среднескоростного двигателя: применяется на средних и малых судах или дизельных генераторах, более высокие обороты, относительно меньшие размеры.

Спецификации

1. Диапазон размеров:

- Диаметр: диаметр коренной шейки может достигать более 2,5 метров (для крупных низкоскоростных двигателей), радиус колена более 2 метров.

- Длина: от нескольких метров до десятков метров (например, коленчатый вал судна весом 488 тонн длиной 23,5 метра).

2. Материалы:

- Высокопрочные легированные стали (например, 42CrMo, 35CrMo), кованая сталь или шаровидный чугун (QT700-2), должны удовлетворять требованиям высокой нагрузки и коррозионной стойкости.

- Вес: вес одного коленчатого вала от нескольких десятков до сотен тонн (например, коленчатый вал модели W12X92 весит 488 тонн).

Параметры проектирования

1. Размерные параметры

- Диаметр коренной шейки: влияет на опору и несущую способность коленчатого вала, обычно составляет 0,65~0,75 диаметра цилиндра.

- Диаметр шатунной шейки: соединяется с шатуном, воспринимает усилие поршня, обычно 0,60~0,65 диаметра цилиндра.

- Радиус кривошипа: определяет ход поршня и объем двигателя, обычно 0,25~0,33 диаметра цилиндра.

- Размеры рычага кривошипа: толщина рычага 0,18~0,25 диаметра цилиндра, ширина 0,75~1,20 диаметра.

2. Выбор материала

- Распространенные материалы: чугун, кованая сталь, легированная сталь и др., выбираются в зависимости от типа двигателя и условий эксплуатации для обеспечения прочности, износостойкости и коррозионной стойкости.

3. Параметры прочности

- Прочность на изгиб и кручение: коленчатый вал должен выдерживать сложные изгибающие и крутящие нагрузки, требуются достаточная прочность и жесткость.

- Усталостная прочность: повышается за счет оптимизации радиусов закруглений, обработки поверхности и других методов.

4. Балансировка

- Конструкция балансировочных грузов: для уравновешивания центробежных и возвратно-поступательных инерционных сил на коленчатом вале устанавливаются балансировочные грузы, их количество, размеры и расположение определяются числом цилиндров и их расположением.

Требования к точности

- Шероховатость поверхности: шероховатость поверхности шеек влияет на смазку и износостойкость, значение Ra обычно 0,4~0,8 мкм.

- Круглость и цилиндричность: геометрическая точность шеек влияет на посадку подшипников и плавность работы, круглость ≤0,005 мм, цилиндричность ≤0,005 мм.

Область применения

- Крупные океанские суда: контейнеровозы, танкеры, балкеры и др., оснащены низкоскоростными мощными дизельными двигателями.

- Внутренние и прибрежные суда: средние и малые грузовые суда, рыболовные и инженерные суда, используют коленчатые валы среднескоростных дизелей.

- Морское инженерное оборудование: буровые платформы, плавучие производственно-накопительные объекты (FPSO).

- Электроэнергетика: крупные дизель-генераторные установки для судовых электростанций или наземных электростанций.

Важные характеристики

1. Сверхвысокая несущая способность: адаптирован к длительной работе судна под высокой нагрузкой, срок службы совпадает со сроком службы судна (более 20 лет).

2. Антикоррозионная защита: поверхностные покрытия или специальные материалы для защиты от коррозии морской водой и топливом.

3. Высокая надежность: пожизненное обслуживание не требуется, предотвращает серьезные риски отказов в море.

4. Точная обработка и динамическая балансировка: снижает вибрации и шум, повышает комфорт и безопасность плавания.

5. Модульная сборка: крупные коленчатые валы изготавливаются по частям, что облегчает транспортировку и монтаж.

Описание технологии

1. Ковка и литье:

- Коленчатые валы крупных низкоскоростных двигателей: применяют полусборную технологию, колено цельнокованое + горячая посадка коренной шейки; или электрошлаковое переплавление для улучшения однородности материала.

- Коленчатые валы средних и малых размеров: цельнокованые или точное литье с контролем структуры зерен для повышения прочности.

2. Механическая обработка:

- Высокоточная шлифовка: ЧПУ-токарная обработка и шлифовка с отслеживанием обеспечивают точность шейки вала.

- Обработка глубоких отверстий: точная обработка ключевых каналов, таких как масляные и балансировочные отверстия.

3. Упрочнение:

- Упрочнение методом радиусного прокатки: повышение усталостной прочности более чем на 30%.

- Поверхностное закаливание + нитрование: формирование высокотвердого поверхностного слоя, продление срока службы.

4. Технологии контроля:

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

- Испытание динамического баланса: обеспечение амплитуды вибрации при вращении ≤ 0,02 мм.