Вал
Вал
(Arbre, Welle, Shaft). — Этим именем обозначают в технике стержень, служащий для сообщения общего вращательного движения насаженным на нем колесам, шкивам, эксцентрикам и другим машинным частям. В старину, когда дерево было главным материалом для сооружения машин, вал устраивался из цельного прямого бревна, иногда очень толстого, в окованные железом концы которого забивались короткие железные цилиндры, так называемые цапфы, вертлюги, или шипы (pivot, tourillon, Zapfen, journal). Этими цапфами вал опирался на подшипники (paliers, Zapfenlager, bearings), полукруглые, открытые вырезки в кусках твердого дерева или металла; таким образом вполне определялось положение оси вращения вала, а работа трения сравнительно тонких цапф об их подкладки получалась умеренная. И в наше время подобные валы можно видеть на деревенских мельницах и самодельных агрономических машинах. С развитием машиностроения, вместо открытых вырезок для поддержания цапф вала стали делать подшипники с замкнутыми цилиндрическими отверстиями, плотно охватывающими цапфы, чтобы эти последние удерживались на месте при всяком направлении и напряжении сил, действующих на вал. Дерево заменили сначала чугуном, а потом железом и сталью; чугунным валам стали придавать трубчатое или крестообразное сечение, чтобы уменьшить их вес, сохраняя то же сопротивление излому. Когда стали распространяться фабрики с механическими двигателями, валы получили огромное распространение для передачи движения исполнительным механизмам. С этой целью вдоль здания, во всех этажах, устраивают длинные цилиндрические железные передаточные валы со шкивами (poulies, Riemenscheiben, pulleys), получающими движение от центрального двигателя и передающими его исполнительным механизмам с помощью бесконечных ремней (courroies, Riemen, belts). В настоящее время устройство таких передач столь тщательно выработано машиностроителями, что размеры вала и его главных принадлежностей можно вычислить по определенным формулам, когда дана величина передаваемой работы, в лошадиных силах, и число оборотов в минуту. Положим, сначала, что вал подвергается только одному скручивающему усилию, а боковые натяжения от ремней не производят заметного изгиба, потому что шкивы расположены у самых подшипников. В таком случае, диаметр вала d найдется по формулам:
где k и k суть постоянные величины, зависящие от материала вала, N — число передаваемых лошадиных сил, а n число оборотов в минуту. Первая формула выводится на основании соображений об изломе вала от действия скручивающих сил, а вторая основана на том, что угол скручивания не был больше заданной величины. Но практическое значение они получают только тогда, когда величины коэффициентов k и k определены по измерению существующих, хорошо действующих передаточных валов. На основании данных учения о сопротивлении материалов можно вычислить диаметр вала, ломающегося при данных усилиях; чтобы он не сломался, надо увеличить этот диаметр в большее или меньшее число раз, смотря по условиям, в которых он будет работать. Численное значение коэффициентов зависит еще и от принимаемых единиц меры. Так, принимая дюйм за единицу длины, профессор Тиме дает в своих «Основах машиностроения» следующую формулу, основанную на измерениях английских и русских образцов:
для валов, делающих от 80 до 120 оборотов в минуту. Положив, например, n = 100 оборотов в 1 минуту, получим:
| N (лошадиные силы) | 1 | 10 | 25 | 50 | 100 | 200 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| d (дюймы) | 1,5 | 2,5 | 3,25 | 4,0 | 4,75 | 5,5 |
По знаменитому американскому конструктору Селлерсу, диаметр вала в дюймах выражается формулой:
Другие американские конструкторы берут в этой формуле коэффициент от 4,68 до 6,8, смотря по тому, подвержена ли система большим или меньшим толчкам от быстрого изменения сопротивления в исполнительных механизмах. В миллиметрах, диаметр вала, почти тождественный с вычисленным по вышеприведенным формулам, получится по формулам:
взятым из классической книги Reuleaux, «Der Constructeur». Коэффициент 120 выведен в предположении, что вал скручивается во время работы не более как на 0,25 градуса на каждый метр длины. Для чугуна:
а для стали:
Обыкновенно вычисляют диаметр проектируемого вала по той и по другой формуле (1) и (2) и берут большую из двух полученных цифр. Когда боковые сгибающие усилия, действующие на вал, особенно значительны, надо их тоже принять во внимание. Вычисления и наблюдения Ранкина (Rankine) показали, что в таком случае для фабричных передаточных валов диаметр получается больше на 0,26 или даже на 0,34, чем вычисленный по вышеприведенным формулам. Железные валы изготовляются обыкновенно кусками, длиной от 20 до 30 футов, и сращиваются между собой посредством муфт (manchons, Mufen, sleeves). Это чугунные трубки длиной в 4 диаметра вала, плотно надевающиеся на концы обоих валов и укрепляемые железным клином, для которого вырезывается продольный желобок, частью в массе муфты, а частью в самих валах. Толщина стенок муфты делается в 5 см + ⅓ диаметра вала. Подшипники, поддерживающие вал, устанавливаются обыкновенно на расстоянии от 8 до 9,5 футов один от другого, во всяком случае, не далее как на 50 диаметров самого вала, который обтачивается, как цилиндр одинакового диаметра, по всей длине, без более тонких шеек в местах опоры. Только для одного из подшипников всего составного вала образуют шейку посредством навинченных или наваренных колец, чтобы устранить возможность его продольного перемещения и не препятствовать удлинению от повышения температуры. Подшипники прикрепляют или к потолку здания на чугунных подвесках (chaises pendantes, Hängelager, hangers), или к стенам (consoles, Wandlagerstüle, brackets). Для уменьшения трения подшипники снабжаются вкладышами (coussinets, Schalen, brasses) из чугуна, твердой, бронзы или из особого мягкого и легкоплавкого сплава, называемого баббитом (Babbit-metal), состоящего из 80 частей олова, 18 частей сурьмы и 2 частей меди (пропорции часто меняются), и смазываются с помощью непрерывно действующих масленок (graisseurs, Oelbehalters, oilers). Пока подшипник хорошо смазан и так пригнан, что цапфа прикасается к вкладышам по всей своей поверхности, стирание ничтожно и состав вкладышей почти не имеет влияния на величину трения. Но при недостатке масла подшипник начинает нагреваться, трущиеся поверхности заедают друг друга и нагревание может дойти до накаливания и вспышки остатков масла. Чугунные вкладыши всего чувствительнее к недостатку смазки, а бабиковые выдерживают его лучше всех. Установить все подшипники длинного вала в одну линию не легко, поэтому теперь весьма распространен шаровой подшипник Селлерса (Ballaud sockethanger), очень облегчающий эту установку. Вкладыши в нем делаются из чугуна, длиной в 3 диаметра вала; средняя их часть обточена снаружи в форме шара и может немного поворачиваться во все стороны между концами двух толстых винтов, выточенных как выгнутые шаровые поверхности того же радиуса. Винты эти позволяют точно устанавливать вкладыши на надлежащую высоту, и тогда они сами поворачиваются в надлежащем направлении. От этого прикосновение трущихся поверхностей и распределение по ним масла получается столь совершенное, что даже чугун выдерживает трение лучше дорогой бронзы подшипников старинного устройства. Коленчатые валы паровых машин будут описаны в своем месте. Для паровых же машин океанских пароходов изготовляются самые большие валы: вал диаметром почти в 2 фута и футов в 200 длины еще не редкость.
Самым малым валом можно считать ось баланса дамских карманных часов, длиной миллиметра 3 и с цапфами около 0,1 мм толщиной. В легких машинах и в измерительных инструментах встречаются валы, вращающиеся на остриях. На концах такого вала делаются небольшие центральные, конические углубления, переходящие в более узкие цилиндрические дырки, в которые входят конические концы двух неподвижно стоящих винтов. Если концы вала и винтов хорошо закалены и отполированы, то трение бывает очень мало, стирание происходит правильно, а винты дают возможность установить вал так, чтобы он не шатался и не имел заметного продольного движения.
- В статье воспроизведен материал из Большого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона.
