Лекция "17 Крейцкопфы"

Крейцкопфы

Крейцкопф (в крейцкопфных малооборотных дизелях) служит для шарнирного соединения поршневого штока с шатуном и разгрузки цилиндра от боковой (нормальной) силы N. Крейцкопф состоит из по­перечины 1 (рис. 8.16а, б) с цапфами (или цапфой) 2 крейцкопфных подшипников и двух или одного ползуна 3, передающих нормальную силу на параллели.

Во время работы дизеля детали крейцкопфа подвержены меха­ническим нагрузкам (движущая сила Р и сила инерции Р. ползунов), которые стремятся изогнуть поперечину (опасное сечение I-I) и цапфы крейцкопфных подшипников (опасное сечение П-П). Концевые цапфы для ползунов также подвержены изгибу под действием сил инерции Р. ползунов и силы нормального давления N на параллели (опасное сече­ние ПИП).

К конструкции крейцкопфа предъявляют следующие основные требования: 1) высокая жесткость поперечины (для обеспечения надеж­ной работы крейцкопфных подшипников); 2) достаточная прочность; 3) высокая износостойкость цапф поперечины и трущихся поверхностей ползунов; возможность работы дизеля с демонтированным поршнем (в аварийном случае).

Материал: поперечин - углеродистая сталь 45, 50 или легирован­ная стань 30ХМА, 40ХН и др.; ползунов - кованая или литая сталь 30, 35Л; подошвы ползунов заливают баббитом.

Конструкции крейцкопфов даны на рис. 8.16. В крейцкопфе с двумя двусторонними ползунами (рис. 8.16б) к верхней головке шатуна 8 болтами 10 крепят два крейцкопфных подшипника 9, на нижние поло­вины которых опираются цапфы поперечины 6. Двусторонние ползуны 5 свободно надеты на концевые цапфы поперечины, их осевому смещению препятствуют круглые крышки 4, прикрепленные к торцам поперечины. Предохранительные шайбы 3 крепят к ползунам, они входят в кольцевые выточки крышек 4 с небольшим зазором. При таком креплении ползуны могут самоустанавливаться, поворачиваясь вокруг цапф на небольшой угол. При работе дизеля с демонтированным поршнем (в аварийном случае) шайба 3 фиксирует положение поперечины, предотвращает ее разворот под действием сил трения и перекрытие отверстия для подвода смазки к крейцкопфным подшипникам. Подошвы ползунов имеют поперечные канавки для лучшего распределения масла.

Масло к деталям крейцкопфа подводится по шарнирным трубам, прикрепленным к поперечине, поступает в осевой канал в теле попе­речины и далее по радиальным каналам идет на смазку крейцкопфных подшипников и ползунов.

Преимущества крейцкопфа с двумя ползунами: относительно не­большой износ ползунов и свободный доступ к деталям движения со стороны параллелей.

В крейцкопфном механизме с одним односторонним ползуном (рис. 8.16) к верхней головке шатуна 14 болтами 16 крепят нижнюю сплошную половину 13 крейцкопфного подшипника с тонкостенным стальным вкладышем 12, залитым антифрикционным сплавом. Две верхние половины 9 подшипника также имеют тонкостенные вклады­ши 10. Пустотелая цапфа 11 подшипника имеет поперечный паз, в ко­тором установлена и прикреплена болтами 8 изготовленная заодно с ползуном 2 поперечина 3. К поперечине шпильками 17 крепят фланец штока поршня 1. Для упрощения центровки поршня в цилиндре пре­дусмотрена возможность перемещения штока относительно опорной поверхности поперечины (до 2 мм от центра в любом направлении) за счет поворота двух эксцентричных колец 4 и 5 с делениями, в которых размещен фланец штока. Односторонний ползун 2 во время хода рас­ширения полной поверхностью башмака передает нормальную силу N на параллель 6, а во время хода сжатия, когда сила N принимает проти­воположное направление, ее действие передается двумя узкими поверх­ностями ползуна на нащечины 7 заднего хода.

Масло к верхним (ненагруженным) вкладышам крейцкопфного подшипника и к подошве ползуна подводится под давлением 7-8 МПа от кривошипного подшипника по сверлению в шатуне, нижней опоре подшипника и ползуна. К нижнему сплошному вкладышу (нагружен­ному) масло поступает от двух двухплунжерных насосов 15 (на рис. 8.16в показан один). Насосы навешены на шатун и приводятся в дей­ствие за счет его качательного движения. Высокое давление масла и сплошная нижняя половина крейцкопфного подшипника обеспечивает гидростатическую смазку (за счет масляной «подушки», приподнимаю­щей цапфу).

Преимущество крейцкопфа с односторонним ползуном - относи­тельная простота конструкции и эксплуатации. Недостатки конструк­ции: возможность перекоса штока поршня под действием сил инерции ползуна; затрудненный доступ к деталям движения со стороны парал­лелей и главное - неодинаковые условия работы на передний и задний ход. В связи с этим ограничивается продолжительная работа двигателя на задний ход.

Конструкция крейцкопфа с двумя ползунами приведена на рис. 8.18. Его преимущество заключается в том, что продолжитель­ность работы двигателя на задний ход не ограничена во времени.

Условия работы крейцкопфных подшипников в современных МОД обусловлены следующими факторами:

• вследствие больших значений движущей силы удельные давления на поверхности антифрикционного сплава подшипников близки к предельно допустимым;

• крейцкопфные подшипники раньше других элементов КШМ воспринимают нагрузки от изменения давления газов в цилиндре;

• качательное движение шатуна с относительно небольшой угловой скоростью не обеспечивает создание масляного клина. Смазка осуществляется главным образом за счет масляной плен­ки, которая разрывается при каждом изменении направления качательного движения (два раза за оборот вала). Масляная пленка может разрываться также во время пусков и реверсов дизеля из-за высокой жесткости рабочего процесса, а односто­роннее приложение нагрузки затрудняет подвод масла в нагру­женную зону подшипника;

• силы инерции столба масла в сверлениях шатуна в циркуляци­онных системах с относительно небольшими рабочими давле­ниями (0,12-0,18 МПа) могут вызывать колебания давления и оказывать заметное влияние на подачу масла к подшипникам;

• недостаточная жесткость цапф поперечины крейцкопфа (иног­да и верхней головки шатуна) приводит к их упругой деформа­ции в момент максимального давления p_z в цилиндре. В резуль­тате удельные давления на поверхности подшипника распреде­ляются неравномерно и оказываются чрезмерно высокими на внутренних краях подшипников, что вызывает интенсивное из­нашивание и повреждение антифрикционного слоя в этих зонах. В современных крейцкопфных дизелях верхнюю головку шатуна изготавливают в виде жесткой плиты 3 (рис. 8.19а, б), к которой при­крепляют нижние 2 и верхние 1 половины крейцкопфных подшипников

Для увеличения равномерности распределения удельных давле­ний по рабочей поверхности крейцкопфных подшипников и повыше­ния надежности их работы нижние половины выполняют податливы­ми за счет несимметричного расположения опорного ребра относи­тельно середины цапфы (см. рис. 8.19) или различной толщины наруж­ной и внутренней стенок нижней половины подшипника; при этом деформация цапф поперечины крейцкопфа компенсируется деформа­цией податливых опор подшипников.

Податливые опоры с несимметричным расположением ребра ме­нее эффективны по сравнению с опорами, имеющими различные тол­щины наружной и внутренней стенок. В первом случае вследствие несоосности опоры и нагрузки образуется момент, деформирующий опору так, что ее внутренний конец опускается; в результате рабочими поверхностями являются две цилиндрические поверхности, обращен­ные выпуклостями друг к другу, и нагрузка воспринимается узкой по­лосой антифрикционного сплава.

Во втором случае, при правильном соотношении толщин стенок, нижняя образующая рабочей поверхности подшипника имеет одина­ковый с цапфой знак деформации (выпуклостью вниз), и удельные дав­ления вдоль оси подшипника распределяются более равномерно на всех режимах работы дизеля.

Для снижения удельных давлений применяют одноопорные крейцкопфные подшипники со сплошной нижней половиной (см. рис. 8.19).

Для современных МОД крейцкопфные подшипники часто изго­тавливают со стальными тонкостенными вкладышами 4 (см. рис. 8.19б), залитыми антифрикционным сплавом. При необходимости вкладыши можно легко заменять, используя верхний вкладыш в качестве нижнего.

Хорошо зарекомендовали в работе крейцкопфные подшипники с ромбовидными вкладышами. Вкладыш состоит из стального основа­ния С (рис. 8.19в), на которое нанесен слой свинцовистой бронзы В с пересекающимися под углом 14° пазами, залитыми центробежным способом оловянистым или свинцовистым сплавом. После механичес­кой обработки на рабочую поверхность вкладыша гальваническим спо­собом наносят слой приработочного покрытия^ (88% свинца, осталь­ное олово и медь). Ромбовидные подшипники монтируют и демонти­руют с помощью гидравлических домкратов с контролем равномерно­сти затяга по удлинению болтов.

Практические замечания.

Чаще всего встречающиеся повреждения крейцкопфных подшип­ников сводятся к растрескиванию белого металла - появлению трещин

усталостного характера, сдавливанию заливки - заполнению или по­чти полному исчезновению масляных канавок, блокированию маслоподводящих отверстий. Подобные повреждения обычно вызываются чрезмерно высокими давлениями газов в цилиндрах в период манев­ров двигателя, когда их переводят с тяжелого топлива на дизельное. Последнее обладает лучшей способностью к воспламенению (более высокое цетановое число) и большей скоростью сгорания. В итоге дав­ление сгорания увеличивается в 1,2-1,5 раза, что, естественно, соот­ветственно увеличивает нагрузки на подшипник, сигналом превыше­ния давления является подрыв предохранительных клапанов. В этой ситуации рекомендуется избегать даже кратковременной работы на полных мощностях.

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 260 с. Стр.112-117