3.1.2. Главные передачи. Механические передачи

Механические редукторные передачи являются основным видом механических передач, применяемых в судовых условиях. Зубчатые редукторы являются неотъемлемой частью судовых паро- и газотурбинных установок (за исключением судов с электродвижением и, в некоторых случаях, неводоизмещающих судов с воздушными винтами в качестве главного движителя). На судах с ДЭУ широкое распространение, благодаря хорошим массогабаритным показателям, получили дизель-редукторные агрегаты, в состав которых входят один или несколько ВОД или СОД и механический редуктор.

Основными преимуществами зубчатых механических передач являются относительно малые потери мощности, компактность (особенно при небольших передаточных отношениях) и высокая надежность. Зубчатые передачи, понижающие частоту вращения вала двигателя, называются редукторами, повышающие частоту вращения вала – мультипликаторами.

При большой разнице частот вращений главного двигателя и движителя, характерных для турбинных установок, передаточные числа находятся в диапазоне . Однако приприменение одноступенчатой передачи становится невозможным, так как зубчатое колесо получается слишком больших размеров. В таких случаях передача выполняется двухступенчатой. При этом общее передаточное число равно произведению передаточных чисел каждой ступени:

,

где: и – передаточные числа первой и второй ступеней редуктора; и – радиусы начальных окружностей колеса и шестерни первой ступени редуктора, соответственно; и – радиусы начальных окружностей колеса и шестерни второй ступени редуктора, соответственно.

Конструкции редукторных передач весьма разнообразны. Они могут выполняться: с прямым, косозубым или шевронным зацеплением: быть одно- и многоступенчатыми; выполняться с цилиндрическими и коническими шестернями и колесами; с внешним зацеплением (переборные редукторы), внутренним зацеплением, планетарным зацеплением (планетарные редукторы) и комбинированные (планетарно-переборные).

На рис. 3.1.1. показаны схемы одно- и двухступенчатого редукторов. Зубчатое колесо, передающее момент от двигателя, называется шестерней; зубчатое колесо, воспринимающее момент от шестерни – колесом редуктора. В двухступенчатых редукторах соответственно используются шестерня и колесо первой ступени, и шестерня и колесо второй ступени.

В составе установок турбинных судов имеющих, как правило, большие агрегатные мощности, для снижения нагрузок, передаваемых и воспринимаемых элементами редуктора (шестернями, колесами, торсионными валами) возможно использование редукторов с разделением потока мощности (при мощностях двигателей больше 7МВт). Схема такого редуктора показана на рис. 3.1.2..

Рис. 3.1.1. Схемы одноступенчатой (а) и двухступенчатой (б) переборных передач

ВД – вал двигателя; ВВ – выходной вал; Ш – шестерня; К - колесо; индексы Iст и IIст относятся к шестерням и колесам I и II ступеней

Рис. 3.1.2. Схема двухступенчатого редуктора паротурбинной установки с разделением потоков мощности

ТВД, ТНД, ТЗХ – корпуса турбин высокого и низкого давления, турбины заднего хода; ГУП – главный упорный подшипник; ЗИМ – звукоизолирующая эластичная муфта; ВПУ – валоповоротное устройство; Т - тормоз

Вращающий момент на редуктор передается от турбин ТВД и ТНД. Каждая турбина передает момент на свою шестерню первой ступени. Каждая шестерня первой ступени связана зацеплением с двумя колесами первой ступени, за счет чего поток мощности делится пополам между колесами и передается по торсионным валам на шестерни второй ступени. Все шестерни второй ступени передают момент на одно общее колесо второй ступени. Таким образом, на колесе второй ступени вращающие моменты от всех турбин (ТВД и ТНД) суммируются и передаются по выходному валу редуктора на линию вала судна. При необходимости дачи заднего хода вращающий момент от ТЗХ передается на шестерню первой ступени ТНД (ТЗХ обычно выполняется в одном корпусе с ТНД). При этом ротор ТВД вращается вхолостую.

К шестерням первой ступени редуктора присоединяются валоповоротное устройство, обеспечивающее проворачивание роторов турбин и валопровода, и тормоз, обеспечивающий стопорение роторов турбин.

С помощью редуктора на судах осуществляется как привод одного гребного винта от нескольких двигателей (суммирующий редуктор), так и привод двух винтов от одного двигателя (разделительный редуктор) а также привод различных вспомогательных механизмов (валоге- нераторов, насосов и т. п.).

Редукторы широко применяются в турбинных и дизельных установках. Их достоинства состоят в относительно малой потере передаваемой мощности, компактности и высокой надежности.

Зубчатое зацепление в судовых передачах обычно выполняют косозубым двухвенечным с противоположным наклоном зубьев. В отличие от зацепления с прямыми зубьями такие передачи имеют меньшую шумность. Угол наклона зубьев принимают 25— 40°. Окружные скорости по среднему зацеплению допускаются до 70—80 м/с. Передачи располагаются в закрытых сварных кор­пусах и имеют принудительно-циркуляционную смазку.

Одно-, двух-, трех- и четырехмашинные дизель-редукторные установки одно- и двухвального исполнения могут отличаться на­личием отдельно установленного или встроенного в редуктор упорного подшипника, а также конструкцией встроенных или от­дельно установленных соединительно-разобщительных муфт (же­сткого, фрикционного, шинно-пневмэтического, гидродинамического или электромагнитного типов).

Переборные редукторы одномашинных агрегатов обычно вы­полняют одноступенчатыми со смещением ведущего и ведомого валов в одной горизонтальной (рис. 3.1.1.) или в одной вертикаль­ной (рис. 3.1.5.) плоскости. Однако, если необходимо соосное рас­положение двигателя и валопровода, применяют двухступенчатые конструкции редукторов (рис. 3.1.6.), хотя передаточное число не­большое и этого не требуется.

Конструкции основных узлов редукторов указанных типов при­мерно идентичны (за исключением корпусов). Корпус редуктора с расположением валов в одной вертикальной плоскости состоит из трех частей с горизонтальными разъемами по осям обоих ва­лов. Корпус редукторов, у которых валы расположены в горизон­тальной плоскости, выполняют из двух частей.

Шестерни (ведущие) и колеса (ведомые) изготовляют косозубыми с закалкой или азотированием по профилю и с последующим шлифованием. Осевые усилия, возникающие при работе косозубых колес, воспринимаются опорно-упорными роликоподшипниками.

Если не сводить на один ведомый вал разделенные потоки мощностей, то при соответствующем соотношении диаметров ве­дущей шестерни и колес можно получить редуктор одномашинной установки с разделением мощности на два валопровода, расположенных симметрично относительно оси двигателя. Такие ре­дукторы применяют на судах с ограниченной осадкой.

В многомашинных дизельных и других установках используют разнообразные конструкции суммирующих редукторов, объединяю­щих для работы на один винт от двух до четырех двигателей. Наиболее распространенные из этих редукторов двухмашинные — для судовых СОД (рис. 3.1.7.).

При мощности ДУ до 3000—4000 кВт с нереверсивными дизе­лями применяют реверсредукторы. Реверсирование ведомого вала в редукторе с внешними цилиндрическими зацеплениями достига­ется применением двух переборов шестерен: одного — для перед­него хода, другого — для заднего, включаемых в работу посредством дисковых фрикционных муфт. КПД таких реверсредукторов составляет от 0,90—0,92 для трехступенчатых до 0,965—0,975 для одноступенчатых.

На рис. 3.1.8. представлены две типовые схемы реверсивных зубчатых передач. В одной из них (рис. 3.1.8., а) для обеспечения заднего хода применена промежуточная (паразитная) шестерня 4, а в другой-—дифференциал 13. Для ра­боты редуктора «Вперед» включается муфта 7 и выключается муфта 6, а для работы «Назад», наоборот, включается муфта 6 и выключается муфта 7. Осо­бенность рассматриваемой реверсивной передачи состоит в применении эластичной муфты 2, установленной между маховиком 1 (или фланцем) двигателя и редуктором. Она позволяет ограничить пик вращающего момента валопровода при его колебаниях и амплитуду вибрации при работе передачи с частотами вращения, близкими к критическим.

Иногда для улучшения маневренных качеств СЭУ реверсивные передачи снабжают тормозом фрикционного типа (для затормаживания гребного вала), который включается сразу же после вы­ключения одной работающей муфты и выключается немедленно после остановки гребного винта до включения другой фрикцион­ной муфты. В этом случае время реверса гребного винта (от мо­мента выключения муфты переднего хода до начала вращения гребного винта в противоположном направлении) можно сокра­тить в 3—4 раза. Конструкция тормоза не отличается от конструк­ции многодисковых фрикционных муфт, за исключением того, что ведомые диски тормоза закреплены в неподвижном корпусе ре­дуктора.

Нередко по режимам эксплуатации судов требуется изменение частоты вращения гребного винта при той же частоте вращения вала двигателя. Это достигается применением ВРШ или, напри­мер, двухскоростного редуктора.

Удельные массы судовых переборных редукторов изменяются в диапазоне 6,5—11,0 кг/кВт, причем меньшие значения харак­терны для более мощных установок. Удельная мощность оценива­ется следующими значениями: по объему 110—280 кВт/м³, по пло­щади 275—680 кВт/м², по длине 1400—4700 кВт/м, по ширине 1100—3700 кВт/м.

К особенностям и преимуществам планетарных редукторных передач относятся соосность входного и выходного валов (т.е. вала двигателя и выходного вала) и меньшие, по сравнению с переборными, массогабаритные показатели.

Планетарным редукторам свойственны высокий КПД (0,99 для одноступенчатых и 0,985 для двухступенчатых), малые общие и удельные массы [3,5—4,5 кг/кВт по мощности и 0,15— 0,71 кг/(Н-м) по моменту], умеренные габариты (удельная мощ­ность редукторов достигает 4500 кВт/м при встроенном ГУП), плавность хода и бесшумность (уровень шума не превышает 86 дБ), а также ряд других достоинств, к числу которых отно­сятся: распределение нагрузки между несколькими сателлитами, т. е. разделение передаваемой мощности на несколько потоков; рациональное использование пространства внутри эпицикла; зна­чительно меньшие диаметры зубчатых колес, чем у обычных ре­дукторов.

По сравнению с переборными редукторами в планетарных не­сколько сложнее осуществить дополнительную передачу мощно­сти к валогенераторам, масляным насосам и валоповоротным уст­ройствам. Тем не менее в ряде редукторов предусмотрены такие передачи. Масляные насосы приводятся обычно от специального зубчатого венца, напрессованного на водило и на фланец ведо­мого вала. Валоповоротный механизм может быть выполнен с вертикально установленным электродвигателем, который через конические шестерни и соединительно-разобщительную зубчатую муфту приводит во вращение ведущий вал редуктора. Отбор мощ­ности на валогенераторы в планетарных редукторах осуществля­ется от входного вала посредством повышающей передачи с внеш­ним зацеплением.

Планетарные редукторы находят все большее применение в су­довых турбинных, а также в дизельных установках. Для повы­шения передаточного числа их можно комбинировать с обычными зубчатыми передачами, т. е. создавать планетарно-переборные редукторы. Судовые редукторы выполняют с использованием не только планетарных ступеней, одно из звеньев кото­рых не вращается, но и дифференциальных, в которых все звенья находятся во вращении и участвуют в передаче мощности.

Планетарный редуктор состоит из трех основных звеньев: центральной (солнечной) шестерни, эпицикла с внутренним зубчатым зацеплением и водила, имеющего оси, на которых вращаются зубчатые шестерни – сателлиты (рис. 3.1.3.). На этом же рисунке показаны передаточные отношения для каждого случая зацепления в зависимости от диаметров начальных окружностей солнечной шестерни и эпицикла.

Схема с неподвижным водилом отличается от остальных тем, что для нее направление вращения выходного вала является обратным по сравнению с валом двигателя.

Для увеличения передаточного отношения планетарные редукторы, как и переборные, могут выполняться двухступенчатыми. В этом случае при неподвижных эпициклах водило первой ступени приводит во вращение солнечную шестерню второй ступени. При этом еще более значительных преимуществ можно достичь при применении планетарных реверсивных редукторов, схема которого показана на рис. 3.1.4.. В установках с реверс­редукторами, если они применяются в составе ГТУ или КЭУ, отпадает необходимость в турбине заднего хода, за счет чего исключаются вентиляционные потери в неработающей части турбины, достигающие иногда значений 2-3% от вырабатываемой мощности.

Рис. 3.1.3. Схемы планетарных одноступенчатых передач:

а) с неподвижным эпициклом;

б) с неподвижным водилом;

в) с неподвижной солнечной шестерней.

ВД – вал двигателя; ВВ – выходной вал; Э – эпицикл; СШ – солнечная шестерня; В – водило; С – шестерня-сателлит; - диаметр начальной окружности солнечной шестерни;- диаметр начальной окружности зацепления эпицикла.

Рис. 3.1.4. Схема двухступенчатого планетарного реверс-редуктора

ВД – вал двигателя; ВВ – выходной вал; - тормозной барабан заднего хода;- тормозной барабан переднего хода;,- солнечные шестерни первой и второй ступеней;,- водила первой и второй ступеней;,- эпициклы первой и второй ступеней;,- сателлиты первой и второй ступеней

В рассматриваемой схеме планетарного реверс-редуктора эпицикл первой ступени соединен с солнечной шестерней второй ступени, а водило первой ступени с эпициклом второй ступени. Эпицикл и водило первой ступени имеют тормозные барабаны, с помощью которых как эпицикл, так и водило, могут быть остановлены. При остановленном тормозном барабане эпицикла первой ступени, направление вращения выходного вала будет совпадать с направлением вращения вала двигателя. При остановленном тормозном барабане водила первой ступени, направление вращения выходного вала будет противоположным по сравнению с направлением вращения вала двигателя.

Потери мощности в зубчатых механических передачах являются минимальными, по сравнению с другими видами передач, и зависят от качества и чистоты обработки зубьев шестерен и подшипников, условий смазки зубчатого зацепления и подшипников, нагрузки, вентиляционных потерь при вращении шестерен.

Рис. 3.1.5. Одномашинный редуктор со смещением валов в одной вертикальной плоскости: