Крутильные колебания в судовом пропульсивном комплексе

Коленчатый вал двигателя и связанные с ним промежуточный и гребной валы образуют вал силовой установки судна. Массы шатунно-шатунного механизма каждого цилиндра и массы маховика, гребного винта, муфт и других, вращающихся вместе с валом, образуют упругую инерционную систему.
Крутящий момент, создаваемый силами давления газов на поршни рабочих цилиндров двигателя и силами инерции поступательного движения масс, является переменным, и поэтому магистраль вала периодически "закручивается «и» отвинчивается".
В результате в системе привода вала установки возникают крутильные колебания. Такие колебания вала называются вынужденными. Временной интервал в секундах, после которого крутящий момент двигателя принимает свое предыдущее значение, называется периодом. Время изменения крутящего момента для четырехтактных двигателей равно времени двух оборотов вала, а для двухтактных двигателей - одному обороту вала.
Крутильные колебания вала, возникающие в момент прекращения внешних сил или моментов, называются свободными или чистыми. Основными свободными колебаниями системы привода вала являются колебания, при которых все массы системы совершают гармонические колебательные движения с одинаковой частотой, одновременно проходя через средние положения и одновременно достигая крайних положений.
Когда периоды изменения гармонических составляющих крутящего момента и свободных колебаний совпадают, возникает резонансное явление, при котором угловые амплитуды (весы) торсионных колебаний вала теоретически (при отсутствии сопротивления) увеличиваются до бесконечности.
В действительности (при наличии резисторов) амплитуды значительно увеличиваются. Скорости вращения вала двигателя, при которых периоды свободных колебаний совпадают с периодом изменения гармонических составляющих крутящего момента, называются критическими. При работе двигателя на критических или близких к ним оборотах в двигателе возникают вибрации и удары, повышенные напряжения в магистрали вала (могут произойти локальные прогревы и поломки вала).
Вибрации и удары возникают в результате периодического изменения угловой скорости вращения отдельных бабочек, что приводит к нарушению равновесия сил инерции движущихся масс двигателя. При отходе от критических оборотов амплитуда крутильных колебаний уменьшается, и, как следствие, угловые скорости вращения отдельных бабочек выравниваются, баланс двигателя восстанавливается, а удары и вибрации исчезают. Нагрев некоторых мест в магистрали вала до критического числа оборотов обусловлен внутренним трением частиц металла, возникающим в результате упругих деформаций кручения.[1]
Таким образом, длительная работа двигателя на критических оборотах недопустима. Определение критических оборотов установки лодки (двигателя, промежуточного вала и гребного вала, включая гребной винт) рассчитывается методом расчета. Результаты расчета иногда проверяются путем измерения крутильных колебаний (кручения) вала установки лодки перед вводом судна в эксплуатацию.