Руководство по ремонту гребного вала и винта

Н. Мухин, Б. Е. Синильщиков «Катера и яхты» №2 (72) март-апрель 1978г

Причины поломок вала. Гребные или промежуточные валы ломаются относительно редко, гораздо чаще происходит их изгиб.  

Естественно, что лопнувший вал не ремонтируют, а заменяют, но во всех случаях необходимо проанализировать характер поломки и выя­вить ее причину. Важно, чтобы по­ломка по той же причине не повто­рилась при дальнейшей эксплуата­ции установки с новым валом.

Если вал сломался при ударе о подводное препятствие и при этом его скрутило, причем угол закрутки достигает величины φ = (0,3/0,5)l/d, где l — длина, a d — диаметр вала (см), то причина поломки или в от­сутствии предохранительной муфты или в неправильном выборе ее срез­ного элемента — он слишком прочен.

Может произойти поломка вала без заметного скручивания, а иногда и без видимых внешних причин, при­чем излом проходит под углом при­мерно 45° к оси вала и имеет зерни­стую структуру. В таких случаях при­чиной излома, как правило, является трещина, проходящая в районе шпо­ночных пазов или уступов.

Возникновение же трещин объяс­няется действием усталостных напря­жений, появляющихся, когда вал пе­редает помимо основного постоян­ного крутящего момента от двига­теля к винту еще какие-то дополни­тельные моменты, периодически ме­няющие направление.

Такие знакопеременные нагрузки возникают, например,

• из-за нерав­номерной работы двигателя (чем меньше число цилиндров, тем не­равномерность больше) или пере­боев в работе одного из цилиндров;
• из-за неравномерного износа или низкого качества изготовления зубчатых передач;
• из-за  неправильной установки карданных шарниров;
• из-за появления сил, периоди­чески действующих на каждую из ло­пастей при пересечении ею следа от кронштейна или дейдвуда либо при прохождении вблизи днища и у кронштейна;
• из-за плохой центровки или из­гиба вала.

При правильно выполненной уста­новке гребного вала относительно корпуса катера и его выступающих частей и правильной установке кар­данных валов дополнительные на­пряжения, появляющиеся в валах от знакопеременных нагрузок, как пра­вило, невелики и не могут служить причиной поломки. Поломка вала в этом случае (особенно если диаметр вала выбран минимально допусти­мым) может произойти только при возникновении резонансных крутиль­ных колебаний. В том случае, когда собственная частота колебаний си­стемы двигатель — вал—винт совпа­дает с частотами знакопеременных нагрузок, напряжения в валах и ам­плитуда их колебаний резко увеличи­вается, возникает резонанс. Внешни­ми признаками возникновения кру­тильных резонансных колебаний яв­ляются: увеличение шумности; появление металлических стуков в шлицевых и шпоночных соединениях, особенно при наличии у них люфтов; усиление шума в зубчатом зацеп­лении.

В любительских условиях для пре­дохранения валов от поломок из-за возникновения крутильных колебаний целесообразно увеличивать диамет­ры шеек валов в местах крепления муфт и винта, т. е. усиливать те мес­та, где чаще всего возникают уста­лостные разрушения. Очень полезна установка упругих муфт (см. «КЯ» № 66), особенно на промежуточном валу. Целесообразно также исполь­зовать штатное сцепление автомо­бильных двигателей, которое осна­щено эффективным упругим гасите­лем крутильных колебаний. При мон­таже гребного винта расстояния до днища корпуса катера или дейдвуда и кронштейнами следует делать воз­можно большими.

При эксплуатации катера следует избегать даже кратковременной ра­боты двигателя на больших нагрузках при перебоях в одном или не­скольких его цилиндрах, с погнутым валом либо винтом, так как при этом амплитуда крутильных колебаний резко увеличивается.

Правка вала. Правку погнутых гребных или промежуточных валов лучше всего производить в токарном станке (рис 1) или в простейшем приспособлении (рис. 2).

Вынуть гребной вал для проверки и ремонта во многих случаях уда­ется на плаву, если, конечно, не погнут кронштейн опорного подшип­ника. Для этого обычно сначала снимается перо руля, затем муфта (или полумуфта) отсоединяется от редук­тора, вал сдвигается до упора в кор­пус сальника дейдвуда, муфта спрес­совывается с конца вала и вынима­ется шпонка. После этого на конец вала и корпус сальника надевается резиновая перчатка (мешок из про­резиненной ткани, два-три полиэтиле­новых пакета), которая плотно при­матывается изолентой к корпусу саль­ника. Теперь вал с гребным винтом может быть вынут в Корину, причем дейдвуд оказывается герметично за­крытым. Эту операцию лучше прово­дить на мелком месте или с низких мостков.

 

Рис. 1. Правка гребного вала на токарном станке, 7 —индикатор; 2 — брусок (медь, алюминий).

 

Рис. 2: Приспособление для правки гребного вала.       

1 — гребной вал; 2 — винт MI6; 3 — поперечина, сталь fi = 15/20; 4 — полоса fi = 3/4; 5 — призма; 6 —штанга; пруток диаметром не менее 1,3 диаметра вала или труба диаметром не менее 1,5 диаметра вала; 7 —винт стопорный; 8 —труба; 9 — призма приварить к трубе 8; 10 — штангенциркуль.

 

Рис. 3. Правка гребных винтов.

1 — винт; 2— рычаг, сталь листовая fi=10 MM. При толщине лопасти до 5 мм l=600 мм, b=60 мм; при толщине до 8—10 мм l = 1000 мм, b = 80 мм; 3 — подкладная планка (медь, алюминий); 4 — кувалда тяжелая; 5 — кувалда легкая; 6—наковальня

 

Рис. 4. Приспособление для проверки шага лопастей винта.

1 — втулка; 2— гайка барашковая; 3 — шпиль­ка М8; 4 — шаговый шаблон; 5—винт; 6 —оправка

Вынутый вал с винтом устанавли­вается в центрах токарного станка или на призмы приспособления, которые должны располагаться в райо­не заднего опорного подшипника и шейки муфты, крепящей его к ре­верс-редуктору.

При правке вала на токарном станке измерение его биения лучше всего производить при помощи индикатора 1 (см. рис. 1), укрепляя его на салазках продольного суппорта. Можно определить биение и по но­ниусу поперечного суппорта, после­довательно подводя зажатый в рез­цедержатель брусок 2.

Часто концы валов имеют резь­бовые шейки для крепления гребно­го винта и муфты, которые могут быть погнуты при затягивании гайки. Следует иметь в виду, что нас инте­ресует биение вала относительно его опорных шеек, а не центровых от­верстий, расположенных в резьбовых концах. Поэтому биение прежде все­го необходимо проверить в районе шеек заднего опорного подшипника А и фланца полумуфты, В. При этом биение опорных шеек более 0,2 мм указывает на чрезмерный прогиб резьбовых концов вала.

Править этот прогиб нужно, не снимая вал со станка, упором брус­ка 2 в шейки. При этом перемещение суппорта на первом этапе задается равным прогибу шеек Апр max, ко­торый равен половине биения. Далее вновь проверяется биение, опреде­ляется новое значение прогиба, и последующее перемещение суппор­та задается большим на величину этого нового прогиба. Операция по­вторяется до тех пор, пока биение не уменьшится до 0,1—0,2 мм.

В тех случаях, когда биение шей­ки А связано в основном с сильным изгибом самого вала, производится первоначальная правка вала; далее при необходимости выполняется пра­вка его резьбовых концов и только после этого — окончательная правка вала.

Перед окончательной правкой определяют местоположение и на­правление максимального прогиба вала. При правке вала следует иметь в виду, что из-за его относительно большой длины величина прогиба уп­ругих деформаций может достигать величины 10—20 мм. Для того чтобы выправить вал, его необходимо де­формировать на величину прогиба в области упругих деформаций (назо­вем его Δупр) плюс величина макси­мального прогиба вала  Δпр max.

Именно из-за того, что Δпр max, как правило, намного меньше, чем Δупр, обычно не удается выправить вал при помощи ударов — рихтовкой: слабые удары не приводят к цели, а слишком сильные сразу же и на­много прогибают вал в другую сто­рону. При помощи ударов удается выправить только короткие валы (l/d = 5/8), у которых Δупр мень­ше Δпр max.

Предварительную оценку величи­ны прогиба вала в области упругих деформаций, т. е. до появления деформаций остаточных, можно про­извести по формуле

Δупр=l²/k*d_в

где k — коэффициент (k = 500 для обычных сталей и k = 400 для леги­рованных); l — расстояние между опорами, см; d_в — диаметр вала, см.

Чтобы сократить время правки вала, целесообразно на первом же этапе задать перемещение суппорта чуть меньше величины Дувр. Вначале брусок мягкого металла 2 (см. рис. 1) подводится к валу в месте макси­мального прогиба и со стороны «вы­пуклости»; показания нониуса запи­сываются. Далее производится прав­ка перемещением суппорта вперед на расстояние 0,9Δуп, после чего суппорт возвращается в нулевое по­ложение (с обязательной выборкой люфта). Если после этого не появился зазор между валом и бруском, опе­рация повторяется, но величина пе­ремещения суппорта увеличивается на величину максимального прогиба вала. После того как при возвраще­нии суппорта на нулевую отметку появился зазор, каждое последую­щее перемещение суппорта при пра­вке делается больше предыдущего на величину максимального прогиба вала  Δпр max за вычетом величины этого зазора.

После этого вал еще раз прове­ряется обязательно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Бие­ние валов диаметром 25—35 мм в районе муфты, винта, опорной шейки и дейдвудного сальника не должно превышать 0,15—0,3 мм, в остальных местах—0,3—0,5 мм (меньшие циф­ры относятся к коротким валам с длиной менее 1200 мм). При необхо­димости правка повторяется с уче­том того, что положение места мак­симального прогиба может быть другим.

В тех случаях, когда основной из­гиб вала произошел в районе зад­него опорного подшипника, целесо­образно весь вал до шейки опорного подшипника вставить в шпиндель, а правку производить упором в сту­пицу винта. Попытка произвести пра­вку без гребного винта приведет к изгибу посадочного конуса под винт связи с чем после напрессовки винта снова возникнет некоторый прогиб вала. В связи с тем, что вы­лет вала в этом случае невелик и же­сткость вала достаточно высока, пер­воначальное перемещение суппорта можно принять равным прогибу вала. Чтобы исключить возможность по­вреждений поверхности вала кула­чками патрона, вал рекомендуется обернуть медной или алюминиевой полосой.

Правка вала в приспособлении (см. рис. 2) происходит благодаря усилию, развиваемому винтом 2. Величина прогиба измеряется по изме­нению расстояний между валами при помощи штангенциркуля.

Необходимо учитывать, что одно­временно с валом изгибается и шта­нга, поэтому величину суммарного прогиба в области упругих деформа­ций вала можно определить по зави­симости (аналогичной ранее приве­денной):

 

где dm — диаметр штанги, см.

В остальном методика правки ана­логична рассмотренной выше.

Другими видами ремонта вала яв­ляются восстановление резьбы (как правило, при помощи наплавки с по­следующей механической обработ­кой) и изношенной шейки сальника (лучше всего — при помощи уста­новки втулки из нержавеющей стали на эпоксидном клее).

Ремонт гребного винта. Характер­ные повреждения гребных винтов — это загиб, частичное или полное обла­мывание лопасти, появление трещин и т. п. Причиной подобных повреж­дений чаще всего являются удары лопастей о твердые предметы, од­нако нередки случаи обламывания лопастей без видимых внешних при­чин: по аналогии с гребными валами такие поломки объясняются появле­нием усталостных трещин из-за дей­ствия на лопасть знакопеременных нагрузок.

Слишком малое расстояние меж­ду краем лопасти и днищем катера, расположение винта за плохо обтекаемым дейдвудом и кронштейном, чрезмерный наклон вала, работа валопровода в условиях крутильных колебаний и т. п. — приводят к появ­лению знакопеременных нагрузок, действующих на лопасть. В принципе, при правильно выбранной толщине лопасти знакопеременные нагрузки могут привести к ее обламыванию только в сочетании с действием дру­гих факторов, таких, как коррозия или кавитационная эрозия, появление внутренних напряжений при ремонте путем правки лопасти в холодном состоянии или заварке трещин без последующего отжига и т. д. Таким образом, технология ремонта греб­ного винта оказывает существен­ное влияние на его дальнейшую ра­ботоспособность.

Холодная правка латунных лопа­стей возможна лишь при загибе их на угол не более 30°. Гибку лучше всего производить при помощи двух-трех рычагов длиной до 1 м, имею­щих на концах прорези глубиной 6—8 см, надеваемые на кромку вин­та (рис. 3). Можно воспользоваться тисками, универсальным съемником для подшипников или любым прессом.

При правке ударами с целью уменьшения местных деформаций лопасти лучше пользоваться свинцо­вой кувалдой. При правке стальной кувалдой на лопасть нужно наложить пластину из свинца, отожженной ме­ди или алюминия. Правку производят на наковальне или любом тяжелом предмете, одерживая противополож­ный край лопасти тяжелой кувалдой.

При загибе лопасти больше чем на 30° правку необходимо вести с нагревом. (Удается и холодной правкой выправить лопасть, загнутую на 90°, а иногда и более, однако при этом дальнейшая работоспособность отремонтированной лопасти оказы­вается весьма малой.) Температура нагрева для латуни ЛМЦЖ 55-3-1 равна 550—700°С, для ЛАМЦЖ 67-5-2-2 — 600—750°С; при этом сле­дует иметь в виду, что при недоста­точном нагреве условия правки бу­дут лишь незначительно отличаться от выполнения ее без нагрева. Наг­рев лучше всего производить в гор­не или в печи; обеспечить плавный и равномерный нагрев при помощи ацетиленовых горелок обычно не удается.

После правки нужно обязательно произвести отжиг винта для снятия термических напряжений. Отжиг производят сначала медленным (не более 100° С в час) нагревом до тем­пературы 350—400°С для латуни ЛМЦЖ 55-3-1 и 500—550°С — для ЛАМЦЖ 67-5-2-2, а затем еще более медленным охлаждением вместе с печью (скорость охлаждения не вы­ше 50° С в час).

Очень часто при ремонте винтов приходится выполнять сварочные ра­боты. Лучше всего, если есть возможность применить аргонно-дуговую сварку, однако удовлетвори­тельные результаты получаются и при обычной газовой сварке. Горелка при этом должна быть отрегулиро­вана на окислительное пламя (отно­шение О2/С2Н2 = 1,2 -т- 1,3) для пре­дотвращения появления в пламени свободного водорода, вызывающего резкое снижение прочности сварного шва. В качестве присадки при сварке латуни лучше всего применять про­волоку из алюминиевых бронз. Поле сварки также целесообразно произвести отжиг; для латуни ЛМЦЖ 55-3-1 допускается замена отжига проколачиванием шва в холодном состоянии до появления заметных вмя­тин по всей его поверхности.

Стальные винты, особенно, если они изготовлены из нержавеющих сталей аустенитного класса 1-18 (например, 1Х18Н107), значительно ме­нее чувствительны к остаточным на­пряжениям после гибки и сварки; применение отжига для них не обя­зательно.

Из-за малой пластичности алюми­ниевых сплавов холодную правку и гибку при ремонте отлитых из них винтов не применяют. Основным спо­собом ремонта в данном случае яв­ляется аргоно-дуговая сварка или обычная газовая сварка с примене­нием специальных флюсов (АФ-4А). Присадочный материал должен быть идентичен основному металлу винта. После сварки желательно винт на­греть до температуры 300—350°С и медленно охладить для снятия оста­точных напряжений.

В процессе ремонта следует об­ратить особое внимание на восста­новление первоначального шага ло­пасти. Напомним, что средний шаг лопасти определяется как среднее арифметическое значений шагов на пяти относительных радиусах R/CSD = 0,3; 0,5; 0,7; 0,8; 9,95: Кон­троль шага лучше всего вести по фактической величине шага недеформированной лопасти того же вин­та. При этом различия в шагах в каж­дом из сечений не должны быть бо­лее 2—5°/о, а в среднем шаге более 1,5—4% (здесь и далее меньшие значения относятся к глиссирующим катерам).

Существуют различные приспо­собления для измерения шага. При ремонте удобно пользоваться про­стейшим приспособлением (рис. 4), состоящим из оправки 6, имеющей коническую поверхность под отвер­стие в винте, и двух цилиндрических поверхностей (эта же оправка в даль­нейшем может быть использована для балансировки винта). По меньшей цилиндрической шейке свободно пе­ремещается втулка 1, к которой при­варена шпилька 3, имеющая длину, несколько превышающую радиус винта. На шпильке двумя гайками-ба­рашками крепится шаговый шаблон 4 из мягкой жести или алюминия. Шаблон изгибается приблизительно по проверяемому радиусу подво­дится до упора в нагнетающую по­верхность неповрежденной лопасти и фиксируется гайками-барашками. Затем, приподнимая втулку 1, шаблон подводят поочередно к другим ло­пастям, проверяя зазор между ним и лопастью. Далее шаблон перемещается на другое сечение лопасти и шаг проверяется на другом радиусе; шаблст, естественно, при этом дол­жен быть изогнут по новому радиусу. Для винтов диаметром 300—400 мм зазор между лопастью и шаблоном не должен  превышать 0,5—1,5 мм.

Если погнуты все лопасти винта, то вначале целесообразно выправить одну из них, наименее поврежден­ную, и уже по ней подгонять шаги остальных лопастей. При правке пер­вой лопасти необходимо выдержать средний шаг лопасти и распределе­ние шага вдоль радиуса (если, ко­нечно, они известны).

Обычно считается, что фактиче­ский шаг лопасти не должен отли­чаться от расчетного более чем на 1,5—4%, однако эта рекомендация приемлема для гребных винтов, экс­плуатирующихся с судовыми дизеля­ми, работающими по внешней харак­теристике. Для конвертированных ав­томобильных двигателей работа по внешней характеристике не допу­скается, поэтому можно увеличить допустимое отличие действительного шага от расчетного до 10%. Откло­нение значений местного шага по се­чениям лопасти от закона распреде­ления шага вдоль радиуса не должно превышать 5—10%. Однако следует иметь в виду, что отклонение вели­чин местного шага на одних и тех же радиусах у разных лопастей должны быть значительно меньше (во избе­жание появления чрезмерной вибра­ции вала); это учтено в приведенных выше допусках на зазоры между шаговым шаблоном и лопастью. Крайне нежелательно увеличение шага в районе ступицы, приводящее к ухудшению антикавитационных свойств винта и увеличивающее ве­роятность подсоса воздуха.

После выполнения сварочных ра­бот обычно возникает необходимость в опиловке шва с целью сохранения предусмотренной чертежом толщи­ны лопасти. Небольшое изменение толщины практически не сказывается на тяге, развиваемой винтом, но мо­жет заметно ухудшить антикавитационные свойства винта. По этой при­чине допускаемое отклонение по тол­щине лопасти на водоизмещающих судах должно быть ограничено пре­делами от +20% до —10%, а для быстроходных глиссирующих — от +8% до —4%. (Меньшее значение отрицательного допуска объясняется опасностью чрезмерного снижения прочности лопасти.)

Лопасти винтов обычно имеют на­клон в корму на угол 10—15°. После правки может оказаться, что эти углы у разных лопастей различны. Обна­ружить это можно при вращении вин­та на оправке или, положив винт сту­пицей на ровную поверхность, заме­ром расстояний до входящей и вы­ходящей кромок на концевых радиу­сах. Разница в наклоне лопастей прак­тически не оказывает влияния на упор винта, но нарушает динамиче­скую уравновешенность и, следова­тельно, приводит к появлению ви­брации. Поэтому существует реко­мендация ограничить линейное от­клонение конца лопасти величиной 1,5—3,0% диаметра винта.

Окончательной операцией являет­ся балансировка винта. Лишний вес лопасти удаляется опиловкой всей ее поверхности. Величина допустимого момента дисбаланса для винтов диа­метром 300—400 мм — 50—200 г/см.

Потерявшая герметичность по­лиэтиленовая канистра может продолжить свою службу в каче­стве контейнера для хранения якорного или швартовного каната. Необходимо лишь в одной из ее боковых стенок сделать вырез для укладки внутрь тщательно разобранной бухты каната. Конец троса выводится через бывшую горловину.

Идея не нова. Напомним, на­пример, что на старинных парус­никах бухты марсафалов, кото­рые всегда должны быть готовы к отдаче, укладывались в бочки. Впоследствии растительные кана­ты были заменены стальными и вместо бочек пришлось исполь­зовать барабаны лебедок и вьюшки.