Коленчатый вал двигателя и соединенные с ним промежуточные и гребной валы представляют собой валопровод судовой силовой установки. Вращающиеся вместе с валопроводом массы шатунно-мотылевого механизма каждого цилиндра и массы маховика двигателя, гребного винта, соеди­нительных муфт и другие представляют собой упругую систему, обладаю­щую инерцией. Крутящий момент, создаваемый силами давления газов на поршни рабочих цилиндров двигателя и силами инерции поступательно движущихся масс, является переменным, а потому валопровод периодиче­ски «закручивается» и «раскручивается». Вследствие этого в системе валопровода установки появляются крутильные колебания. Такие колебания валопровода называются вынужденными. Промежуток времени в секундах, по прошествии которого крутящий момент у двигателя принимает свое прежнее значение, называется периодом. Период изменения крутящего момента у четырехтактных двигателей равен времени двух оборотов вала, а у двухтактных — одному обороту вала.

Крутильные колебания валопровода, возникающие в момент прекра­щения действия внешних сил или моментов, называются свободными или собственными. Главными свободными колебаниями системы валопровода называются колебания, при которых все массы системы совершают гармони­ческие колебательные движения с одной и той же частотой, одновременно проходя через средние положения и одновременно достигая крайних положений.

При совпадении периодов изменения гармонических составляющих кру­тящего момента и свободных колебаний возникает явление резонанса, при котором угловые амплитуды (размахи) крутильных колебаний валопровода теоретически (при отсутствии сопротивления) возрастают до бесконечности. В действительности (при наличии сопротивлений) амплитуды значительно возрастают. Числа оборотов вала двигателя, при которых периоды свобод­ных колебаний совпадают с периодом изменения гармонических составляю­щих крутящего момента, называются критическими. При работе двигателя с критическими числами оборотов или близкими к ним возникают вибрации и стуки в двигателе, повышенные напряжения в валопроводе (могут возни­кать местные нагревы и поломки вала).

Вибрации и стуки возникают вследствие периодического изменения угловой скорости вращения отдельных мотылей, в результате этого проис­ходит нарушение уравновешенности сил инерции движущихся масс двига­теля. При удалении от критического числа оборотов амплитуды крутильных колебаний уменьшаются, а потому угловые скорости вращения отдельных мотылей выравниваются, уравновешенность двигателя восстанавливается и исчезают стуки и вибрация. Нагрев отдельных мест валопровода при кри­тическом числе оборотов происходит вследствие внутреннего трения частиц металла, возникающего при упругих деформациях кручения. Таким обра­зом, длительная работа двигателя при критическом числе оборотов является (недопустимой. Определение критических чисел оборотов судовой установки двигатель, промежуточный и гребной валопроводы включая гребной винт) производится расчетным путем. Результаты расчета иногда проверяются измерением крутильных колебаний (торсиографированием) валопровода судовой установки до ввода судна в эксплуатацию.

При определении критического числа оборотов валопровода расчетным путем действительную систему, участвующую в крутильных колебаниях, заменяют упрощенной схемой. Такая упрощенная крутильная схема состоит из ряда абсолютно жестких дисков, обладающих массой, которые соединены между собой упругими участками вала, условно лишенными массы.

Упругие участки вала характеризуются податливостью, жесткостью или приведенной длиной. Податливостью называется отношение угла за­кручивания к скручивающему моменту. Жесткость — величина, обратная податливости. Приведенной длиной участка валопровода называется длина цилиндрического вала заданного диаметра (обычно диаметр равен диаметру рамовых шеек коленчатого вала), имеющего такую же податливость. Подат­ливость колена вала определяется по эмпирическим формулам, которые дают погрешность порядка 5—10%.

Абсолютно жесткие диски системы валопровода характеризуются мо­ментами инерции масс (кг·см·сек²) относительно оси вала. Замена масс, связанных с валопроводом системы дисками, производится при условии, что кинетическая энергия дисков должна быть равна среднему значению кинетической энергии этих масс в течение одного оборота вала.

Как было указано ранее, вынужденные крутильные колебания вало­провода главным образом определяются изменением крутящего момента, создаваемого силами давления газов и силами инерции поступательно движущихся масс. Периодическое изменение крутящего момента позволяет разложить его на гармонические составляющие, изменяющиеся по закону синуса с частотами, кратными частоте изменения суммарного крутящего момента. Резонансными колебаниями являются такие колебания, которые происходят под действием гармоники какого-либо порядка с частотой, рав­ной одной из собственных частот системы.

Таким образом, определение критического числа оборотов валопровода сводится к определению частоты и числа свободных колебаний системы.

Определение критического числа оборотов системы валопровода опыт­ным путем производится с помощью прибора торсиографа, который позво­ляет снять торсиограммы при различных числах оборотов двигателя. По снятым торсиограммам можно определить число и амплитуду колебаний.

На рис. 159 показана торсиограмма, снятая с носового конца коленчато­го вала дизеля. Число волн, соответствующее одному обороту вала, равно 4, а потому вал имеет колебания четвертого порядка. Амплитуда крутильных колебаний равна

l₁ = 24,2 мм — длина ленты торсиограммы на участке одного оборота вала;

l = 2,22 мм — длина ленты торсиограммы, соответствующая одному ко­лебанию вибратора.

Результаты обработки торсиограмм позволяют построить кривую а = f(n), т. е. значение амплитуды колебаний а при различных числах обо­ротов n двигателя.

На рис. 160 показана кривая а = f(n) и значение а_р предельно допусти­мой амплитуды колебаний валопровода. Запретные зоны чисел оборотов показаны на рис. 160 внутри заштрихованных столбиков. Числа оборотов, с которыми двигатель может длительно работать, должны отличаться не меньше чем на ± 5—10% от критических. Предельно допустимой амплиту­дой крутильных колебаний валопровода при длительной работе двигателя принято считать а_р ? 0,015 рад. При наличии эксплуатационных зон чисел оборотов двигателя с недопустимо большими амплитудами колебаний возникает необходимость смещения колебаний за пределы этих запрет­ных зон или применения устройств, снижающих амплитуды колебаний и соответственно напряжения в валопроводе. Смещение зон с большими амплитудами колебаний (запретных зон) достигается путем изменения ча­стоты свободных колебаний системы или податливости упругих связей между массами системы.

Изменение частоты свободных колебаний системы достигается измене­нием моментов инерции масс (маховика, гребного винта, ротора генера­тора и т. д.).

Величина податливости может быть изменена путем удлинения или уко­рочения приставных валов, изменения диаметра приставных валов и введе­ния в систему валопровода упругих муфт.

Изменение порядка работы (вспышек) цилиндров двигателя иногда позволяет снизить напряжения от крутильных колебаний. Если смещение запретных зон не представляется возможным, то на валу устанавливают специальные успокоители крутильных колебаний (антивибраторы и демп­феры). Антивибраторы создают реактивный инерционный момент, который парализует колебания в месте его установки и способствует уменьшению амплитуды колебаний во всей системе. Демпферы позволяют уменьшить амплитуду крутильных колебаний, превращая энергию колебаний в тепло­вую, которая отводится от системы валопровода воздухом или циркулирую­щим маслом.

Включение успокоителей в систему валопровода может быть параллель­ным и последовательным. Параллельное включение успокоителя не выпол­няет функций передачи мощности, а потому конструкция его в этом случае будет соответствовать только прямому назначению.

Антивибраторы и демпферы устанавливаются в тех местах валопровода, где амплитуды крутильных колебаний достигают наибольших значений. Антивибраторы бывают пружинные и маятниковые. Пружинный антивибра­тор состоит из диска, закрепленного на валу; обода, соединенного нежест­ко с валом, и пружин между ними.

Обод, благодаря наличию указанных пружин, всегда устанавливается по отношению диска, закрепленного на валу, в определенное положение. Отклонение от этого положения вызывает деформацию пружин и появление момента, направленного навстречу движению вала.

Наиболее эффективным средством для уменьшения амплитуды крутильных колебаний является демпфер. Различают демпферы по способу получе­ния демпфирующих свойств. Они бывают пружинные, жидкостного трения и с внутренним (междучастичным) трением.

На рис. 161 показано устройство пружинного демпфера, закрепляемого обычно на носовом конце коленчатого вала. Диск 1 демпфера жестко сое­диняется с валом, а массивный обод 2 свободно сидит на диске 1. В ободе и диске выточены гнезда 3, в которые вставляются разрезные цилиндриче­ские пружины. Набор таких пружин, плотно входящих одна в другую, образует пакеты пружин 4. Эти пакеты пружин осуществляют упругую связь между ободом и диском демпфера. Вследствие крутильных колебаний вала между диском и ободом демпфера возникают относительные перемеще­ния, что вызывает упругие деформации пружин. Таким образом, энергия колебаний затрачивается на преодоление сил упругости пружин, в резуль­тате чего выделяется тепло, которое отводится от пружин циркулирующим маслом. Затрата (поглощение) энергии колебаний демпфером приводит к уменьшению их амплитуды и соответственно к уменьшению напряжений в валопроводе, которые возникают от крутильных колебаний.