Что касается описываемой ниже колонки, следует остановиться на некоторых деталях. Прежде всего, для упрощения сборки рекомендуется верхние подшипники 32 вертикального вала установить в одной посадочной втулке ниже шестерни 33. Подобная конструкция (с консольной шестерней) применяется в большинстве современных колонок.
Тросовый привод изменения шага винта будет надежно работать, если в трос будет включено пружинное натяжное устройство. В противном случае трос вытягивается и проскальзывает на гайке 17, особенно после резких откидываний колонки.
Желательно обеспечить герметизацию внутренней полости ступицы, применив уплотнения на шейках корней лопастей и в детали 27 у выхода в ступицу штанги 57.
Угловая откидная колонка с винтом регулируемого шага (ВРШ) спроектирована автором статьи для четырехместного дюралюминиевого катера «Волна» конструкции Э. Э. Клосса (длина наибольшая 4,0 м; ширина 1,6 м; водоизмещение 500 кг) с двигателем мощностью 30 л. с. при n = 4500 об/мин.
Учитывая, что при установке на судно конвертированного автомобильного или мотоциклетного двигателя обычно используется 70—80% номинальной мощности, можно рекомендовать для работы с рассматриваемой колонкой следующие распространенные отечественные двигатели (указаны номинальная мощность и число оборотов в минуту): «М-72» — 22/4600; «АМ-402» — 20/3100; «МЗАМ1-401» — 25/3600; «АМ-402Б1» — 35/4200; от «Запорожца» — 27/4500. Установка более мощных двигателей на судно, подобное «Волне», вряд ли оправдана (если не преследуются чисто спортивные цепи), так как прирост скорости не будет соответствовать увеличению мощности.
Предполагается эксплуатировать катер на двух режимах — на режиме глиссирования и при движении на крыльях.
При проектировании колонки была поставлена задача создать простую конструкцию, доступную для изготовления любителями в хорошо оборудованной мастерской. Поэтому автор остановился на сварном варианте.
Колонка состоит из следующих основных частей: редуктора с муфтой сцепления, дейдвудной трубы, нижней конической передачи, ступицы ВРШ, механизма регулирования шага и собственно ВРШ. Крутящий момент передается от коленчатого вала двигателя через штатное сцепление, муфту сцепления колонки и верхний редуктор на вертикальный вал и далее через нижнюю коническую пару шестерен на горизонтальный полый вал 27 с сидящей на нем ступицей ВРШ. Механизм регулирования шага расположен в корпусе нижней конической передачи и ступице.
Корневая часть лопасти 4 плотно посажена в бронзовую втулку с пазом, в который входит штифт 28, запрессованный в поводок 5. Поводок закреплен на штанге 57, которая связана обоймой 17 через радиальный подшипник. От обоймы 17 идут тросовые тяги к рычагу управления ВРШ. При вращении обоймы намотанным на нее тросом она перемещается по прямоугольной резьбе в стакане 18 и, двигая штангу и поводок со штифтами, разворачивает бронзовую втулку 58 с лопастью ВРШ.
Применение сварки позволило обойтись без изготовления сложной модели и иеобходимости делать расточку в неудобной для установки на станке отливке. Кроме того, отлитый в примитивных условиях корпус нижней конической передачи неизбежно будет иметь раковины и другие дефекты, ослабляющие его, а также более толстые стенки, что увеличит сопротивление движению. Основа нижней передачи — корпус 23 обтекаемой формы. Наружная поверхность окончательно, а внутренняя — с припуском под чистовую расточку обрабатываются на токарном станке. Материал корпуса — любая сваривающаяся сталь или алюминиевые сплавы (если есть возможность их сварки). Передний обтекатель 16 лучше точить в сборе с корпусом; для этого предварительно в заготовках корпуса и обтекателя нарезается резьба и обе детали свинчиваются. Затем к корпусу привариваются бобышка 19 с предварительно расточенным отверстием и прилив 10 для крепления шпоры 11. После сварки нижней части дейдвудной трубы 55 ее приваривают к корпусу. Затем весь узел надо подвергнуть отжигу и окончательно расточить посадочные отверстия в корпусе и бобышке. После этого можно приваривать нижнюю половину антикавита-ционной плиты 54 с отшлифованной плоскостью разъема. Сварные швы должны быть тщательно зачищены и скруглены, а вся наружная поверхность колонки, особенно в подводной части, отполирована. Если колонка сделана из обычной стали, полировки хватит не больше, чем на один день работы в воде, поэтому после полировки наружную поверхность следует хромировать или покрывать каким-либо водостойким покрытием.
Ступица винта вытачивается из алюминиевого сплава. В заготовках левой и правой частей ступицы протачивают центрующие диаметры, сверлят и нарезают крепежные отверстия и предварительно обтачивают наружную поверхность в сборе. После этого сверлят и нарезают посадочные отверстия для вала 27; ступицу наворачивают на вал и окончательно протачивают наружную поверхность. При этом важно добиться плавного перехода профиля от корпуса к ступице (следует воспользоваться шаблоном). Затем сверлят и растачивают с припуском 0,05 мм на последующую притирку отверстия под лопасти; неперпендикулярность оси отверстия к оси ступицы допускается не более 0,5 мм на 100 мм.
Ступицу разбирают и в обеих ее частях выбирают пальцевой фрезой пазы. Радиусы закруглений доводят до нужных размеров круглым напильником. Плоскости пазов, прилегающие к буртику ступицы, пришабривают так, чтобы не было «порожка» между обеими частями ступицы, а затем притирают по лопастям.
Основная причина поломок угловых колонок заключается в неточности расточки посадочных мест, что приводит к разрушению шестерен и преждевременному выходу из строя подшипников. Поэтому указанная операция должна быть выполнена с максимальной точностью. Так, смещение осей горизонтальных валов по отношению к вертикальному валу допускается не более 0,05 мм. Несоосность растачиваемых отверстий корпуса должна быть не более 0,02—0,03 мм. Эти же требования относятся к несоосности наружных и внутренних посадочных диаметров втулок. Неперпендикулярность торцевых поверхностей к оси редуктора не должна превышать 0,02—0,05 мм.
Шестерни нарезаются прямозубые; материалом для них может служить легированная сталь 12ХНЗА, 20Х, 50ХН или иных подобных марок. После цементации на глубину 0,8—1,2 мм шестерни закаливают до твердости Hrc — 58-ь64. Желательно шестерни обкатать с пастой ГОИ (особенно шестерни верхнего редуктора), так как шестерни нижней конической передачи (передаточное число равно 1) работают в более благоприятных условиях. Обкатка производится до появления пятна контакта не менее 50—60% длины зуба. Особое внимание следует обратить на правильную сборку шестерен. Большой боковой зазор, так же как и отсутствие зазора, вызывает неправильность работы и быструю поломку шестерен. Следует при помощи установочных шайб добиться бокового зазора в пределах 0,1—0,15 мм.
Полый вал 27 выполняется из стали 40Х, 2X13, 30ХГСА или подобных марок. Обойму 17 следует изготовить из бронзы для уменьшения трения в винтовой паре.
Порядок сборки узла ступицы и нижней передачи:
1. Вставить стакан 18 с подшипником и застопорить сквозь корпус двумя винтами с двух сторон (на сборочном чертеже не показано).
2. Набрать и установить игольчатый подшипник 21 в бобышку 19, установить вертикальный вал 46, надеть на него шестерню со шпонкой и затянуть гайкой 22 со стопорной шайбой. Вместо игольчатого подшипника можно поставить втулку из тефлона (фторопласта), имеющего минимальный, по сравнению со всеми другими известными материалами, коэффициент трения. Тефлон, почти не нуждается в смазке и сохраняет свои качества до 340—370° С; на него не действует большинство агрессивных сред. Тефлоновая втулка должна иметь тонкую стенку (не толще 1 мм). Для улучшения отвода тепла от трущейся поверхности эту втулку следует запрессовать в бронзовую втулку.
3. Вставить в корпус втулку 7 и застопорить ее с двух сторон сквозь корпус винтами.
4. Собрать вне корпуса на валу 27 все детали по общему виду, запрессовать в корпус и завернуть гайку.
5. Собрать обойму 17 с подшипником, закрепить подшипник резьбовым кольцом 14, запрессовать в подшипник штангу 57. Кольцо 14 должно быть застопорено штифтом.
6. Пропустить трос управления 20 в отверстие антикавитационной плиты и закрепить в отверстие обоймы, намотав на нее предварительно несколько витков. Вставить штангу 57 в отверстие вала 27, заворачивая одновременно обойму 17 в стакане, затянуть гайку на конце штанги и завернуть обтекатель 16.
7. Собрать ступицу с лопастями. Шпонку ставить латунную. Разворот лопастей регулировать перемещением поводка на штоке и числом витков троса управления на обойме 17.
В. Шпору 11 из склепанных листов или целого куска дуралюмина вставить в паз прилива 10, после чего сверлить и нарезать крепежные отверстия и завернуть винты.
Корпус верхнего редуктора — сварной. Во избежание вытекания из него маспа тросы 20 заключены в медные или латунные трубки, развальцованные в соответствующих отверстиях (см. С-С). Верхний горизонтальный вал 43 выполнен из легированной стали заодно с муфтой. При нарезании зубьев муфты следует добиваться одновременного контакта всех или большей части зубьев.
Чтобы брызги воды не попадали на работающую муфту, под крышкой 42 надо закрепить резиновый кожух 41, входящий в плотный контакт с транцем, упор винта на транец передается через фиксатор 45 с резиновой прокладкой для гашения вибрации. Этот же фиксатор предотвращает самооткидывание колонки на заднем ходу и воспринимает боковые усилия на перо руля. Усилие зажима фиксатором колонки регулируется большим или меньшим сжатием створок. Более надежен фиксатор, сблокированный с тягой заднего хода, который полностью освобождает колонку на переднем ходу и надежно удерживает ее на заднем.
Для большей жесткости к надводной части корпуса привариваются косынки и ребра жесткости.
Габаритная длина колонки и длина вертикального вала в чертежах не указаны, так как они зависят от расположения и габаритов двигателя, формы днища и других факторов. При расчете этих размеров в общем случае следует исходить из того, что слой воды над антикавитационной плитой должен быть не менее 30—50 мм; при установке катера на крылья расстояние между килем и поверхностью воды должно быть равно 100—200 мм. Следует, однако, отметить, что при чрезмерном увеличении длины дейдвудной трубы может значительно уменьшиться жесткость конструкции. Максимальное допустимое расстояние между осями горизонтальных валов данной колонки — 640 мм (при установке на катере с подводными крыльями).
Смазка конических передач — обычная, применяемая в коробках передач. Ступица заполнена консистентной смазкой.
Преимущества и недостатки ВРШ; особенности их конструирования
Скорость хода моторного судна определяется из условия равенства тяги (упора), развиваемого гребным винтом Ре, и сопротивления движению судна Rc. как функции его скорости: Pe = Rc. Пересечение кривых на графике дает значение скорости, при которой соблюдается указанное равенство. По этой скорости и рассчитываются параметры винта фиксированного шага (ВФШ). Такой винт вполне подходит судну, работающему в одном режиме. Однако такие суда, как Буксиры или суда на подводных крыльях, работают в нескольких режимах; например, для судна на крыльях можно указать три режима: плавание, переходный режим (глиссирование) и движение на крыльях. На каждом из этих режимов зависимости сопротивления движению от скорости будут разными; следовательно, и оптимальные винты для каждого режима будут разными. Крылатые суда, особенно малых размеров, вообще более чувствительны к изменению нагрузки, чем водоизмещающие. С увеличением нагрузки увеличивается сопротивление движению и резко падает скорость.
Естественно, что винт, рассчитанный на один из режимов, плохо работает на всех других режимах. Так, винт, расчитанный на режим глиссирования, будет гидродинамически легким при ходе на крыльях, и двигатель не разовьет полной мощности. С другой стороны, винт, рассчитанный на движение на крыльях, при режиме плавания и переходном режиме будет гидродинамически тяжелым, и двигатель не разовьет полных оборотов. Поэтому на крылатых катерах для выхода на крылья двигатель должен иметь до 30% запаса мощности сверх величины, необходимой для движения на крыльях.
Обратимся к графику, на котором показаны внешняя АВ и винтовые характеристики двигателя. Прохождение винтовой характеристики через точку В соответствует правильно спроектированному винту, прохождение через точку В' — легкому винту, а через В" — тяжелому.
Этих недостатков лишена двигательная установка с ВРШ, хотя небольшой запас мощности (около 10%) нужно иметь и в этом случае. Применение ВРШ позволяет для каждого режима движения получать соответствующий оптимальный шаг, разворачивая лопасти одного и того же винта. Другими словами, мы как бы совмещаем серию оптимальных для ряда режимов гребных винтов различного шага в одном движителе.
Применение ВРШ дает целый ряд преимуществ, таких как:
- возможность использования полной мощности двигателя при различных сопротивлениях движению судна, т. е. на разных режимах;
- возможность получения любого значения скорости — от полной на переднем ходу до полной на заднем ходу без изменения направления вращения и числа оборотов гребного вала, что особенно важно для дизелей, неустойчивых на малых оборотах;
- экономия горючего, увеличение моторесурса двигателя;
- избавление от необходимости точной подгонки винта (что особенно важно при приближенном расчете винта любителями).
При установке ВРШ на судно возникает опасность перегрузки или недогрузки двигателя. Поэтому обязательно на щиток управления должны быть выведены обычные автомобильные приборы для контроля за режимом работы двигателя.
Оптимальный шаг винта при наиболее экономичном постоянном режиме двигателя проще всего устанавливать по замеру скорости простейшим прибором— тонкой трубочкой с манометром на одном конце, протарированным на скорость. Другой конец трубочки должен быть опущен в воду на 30—50 мм и направлен против движения. Динамическая составляющая полного давления воды зависит от скорости, поэтому максимальное показание на манометре будет соответствовать максимальной скорости и, следовательно, оптимальному шагу.
Детальное проектирование ВРШ является очень сложной задачей и под силу лишь специалистам; укажем только некоторые его особенности.
Основные параметры — диаметр и шаговое отношение — рассчитываются, как для ВФШ, по зависимости сопротивления движению от скорости или приближенными статистическими методами, приведенными в книге Романенко и Щербакова «Моторная лодка» (можно использовать методику и графики, приведенные в сборнике «Катера и яхты» вып. 1). Расчет ведется для режима, который считается основным для данного судна.
Рекомендуется выбирать шаг для более тяжелого режима и делать его радиально-переменным, убывающим на 10—20% к корню лопасти по сравнению с расчетным.
Основной особенностью проектирования ВРШ является необходимость снижения скручивающих моментов лопасти относительно ее оси поворота для уменьшения усилия поворота на штанге. Известно, что центр давления жидкости на профиль винта находится в точке, расположенной приблизительно на расстоянии ½ длины сечения винта от входной кромки лопасти. Поэтому контур лопасти строят таким образом, чтобы ось поворота лопасти и центр давления по возможности совпадали. Однако крайне нежелательно снижение скручивающего момента до очень малой величины, так как в этом случае из-за различия в характере обтекания лопасти в верхнем и нижнем ее положениях появляется опасность изменения знака момента. При наличии небольших зазоров в механизме ВРШ это приведет к сильной тряске и выведет механизм из строя.
Дисковое отношение следует брать в пределах 0,4÷0,6; нижний предел относится к сравнительно малооборотным винтам с большим к. п. д., верхний — к высокооборотным винтам при опасности кавитации.
Обычно профиль лопасти ВРШ делается переменным по радиусу. У корневых сечений профиль авиационного типа, имеющий большой к. п. д.; начиная с относительного радиуса г = 0,55÷0,65, профиль переходит в сегментный.
Расчет на прочность места заделки лопасти также связан с большими трудностями. Для высокооборотных винтов доминирующая сила, действующая в опасном сечении, — центробежная [1]. Ее можно легко найти, зная число оборотов, вес лопасти и положение ее центра тяжести, по формуле:
где т — масса лопасти, кг; ω — угловая скорость, 1/сек; R — расстояние от центра тяжести лопасти до оси вращения, м. Так, для лопасти из алюминиевого сплава весом 0,2 кг при R=0,08 м и 3000 об/мин эта сила составит:
Если принять коэффициент трения алюминия по бронзе f = 0,1, то на штанге для поворота лопасти нужно создать усилие:
График
График
Чертеж лопасти винта мы не приводим по вышеназванным причинам, т. е. из-за большого различия в обводах и размерах судов и характеристиках применяемых двигателей. Для данной колонки, по конструктивным соображениям, максимальный диаметр винта . не должен превышать 280 мм, а минимальный — быть менее 250 мм. При меньшем диаметре увеличивается отношение dступ/DB, и вследствие этого уменьшается к. п. д. винта.