ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ

Техническое решение относится к вибросейсмической технике и может быть использовано в качестве генератора направленных колебаний в виброисточниках большой мощности, предназначенных для промыслового сейсмического воздействия на нефтегазовые месторождения с земной поверхности, а также для погружения в грунт тяжелых свай и свай-оболочек в строительном производстве.
Известен применяемый в качестве генератора колебаний сейсмоисточников вибропогружатель по авт.св. СССР №1154995, E02D 7/18, опубл в БИ №4, 1987 г., включающий корпус, привод, группы дебалансов, попарно установленных на грузовых валах, соединенных между собой системой шестерен, и устройство для изменения общего статического момента вибропогружателя, выполненное в виде шестеренчатого планетарного механизма, у которого центральное зубчатое колесо и водило соединены с дебалансами, а шестерня, по которой обкатываются сателлиты, - с механизмом ее поворота. Центральное зубчатое колесо закреплено на одном из валов с дебалансами, на котором установлена с возможностью вращения дополнительная шестерня, соединенная с водилом и находящаяся в зацеплении с шестерней, закрепленной на другом валу с дебалансами, а шестерня, по которой обкатываются сателлиты, выполнена с внутренними зубьями.
Недостатком известного вибропогружателя является сложность конструкции - как ее многовальной силовой части, так и устройства для изменения статического момента, которое содержит многозвенный планетарный механизм и червячную передачу с собственным электроприводом. Указанный недостаток обусловливает большие металлоемкость и габариты вибропогружателя, низкие эксплуатационную надежность и ремонтопригодность.
∂р
К другому недостатку, снижающемуего эксплуатационные качества, следует отнести неустойчивость рабочих значений фазового угла φ дебалансов, обусловленную тем, что при вибрации самотормозящая червячная передача устройства для изменения статического момента подвержена самопроизвольному вращению.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является вибровозбудитель по патенту РФ на полезную модель №78232, Е02D 7/18, опубл. в БИ №32, 2008 г., содержащий, по крайней мере, две пары коаксиально установленных друг относительно друга в отдельных корпусах первых и вторых грузовых валов с дебалансами, электроприводом в виде электродвигателей и бесконтактными датчиками частоты и фазового угла дебалансов, считывающая головка каждого из которых соединена с синхронизирующей системой управления вибровозбудителя, а первый и второй грузовые валы каждой пары соединены нормально замкнутой сцепной муфтой, снабженной смонтированным в корпусе электромагнитным приводом с бесконтактным датчиком линейных перемещений, которые соединены с синхронизирующей системой управления вибровозбудителя. Каждый электродвигатель электропривода снабжен источником питания низкоскоростного валоповорота, имеющим фиксированные выходные параметры, и переключающим устройством, соединенными с синхронизирующей системой управления вибровозбудителя, а корпуса пар первого и второго грузовых валов оборудованы горизонтальными фланцами на уровне их оси и снабжены съемными крышками отсеков нормально замкнутой сцепной муфты и указанных грузовых валов.
Наличие помимо основных источников питания электродвигателей, каковыми служат их тиристорные преобразователи из синхронизирующей системы управления, дополнительных источников питания низкоскоростного валоповорота электродвигателей с фиксированными выходными параметрами, а также переключающих устройств к ним удорожает изготовление вибровозбудителя и существенно усложняет конструкцию синхронизирующей системы управления, обусловливая увеличение ее массы и габаритов, что заметно снижает эксплуатационные качества вибровозбудителя. Особенно это относится к вибровозбудителям большой мощности, в качестве дополнительных источников питания которых приходится применять дорогостоящие крупногабаритные трансформаторы или тиристорные блоки.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение эксплуатационных качеств вибровозбудителя и снижение стоимости его изготовления за счет уменьшения массогабаритных параметров синхронизирующей системы управления вибровозбудителя и расширения ее функциональных возможностей.
∂
Поставленная задача решается тем, что в вибровозбудителе, содержащем, по крайней мере, две пары коаксиально установленных друг относительно друга в отдельных корпусах первых и вторых грузовых валов с дебалансами, электроприводом в виде электродвигателей и бесконтактными датчиками частоты и фазового угла дебалансов, считывающая головка каждого из которых фазовым и частотным каналами соединена с синхронизирующей системой управления вибровозбудителя, содержащей программный генератор, фазовращатели и тиристорные преобразователи с пропорционально-интегрально-дифференциальными регуляторами (ПИД регуляторами), а первый и второй грузовые валы каждой пары соединены нормально замкнутой сцепной муфтой, снабженной смонтированным в корпусе электромагнитным приводом с бесконтактным датчиком линейных перемещений, которые соединены с синхронизирующей системой управления вибровозбудителя, а каждый электродвигатель электропривода имеет источник питания его низкоскоростного валоповорота, с фиксированными выходными параметрами, согласно техническому решению синхронизирующая система управления вибровозбудителя снабжена дополнительными фазовращателями, каждый из которых соединен с фазовыми каналами считывающих головок бесконтактных датчиков частоты и фазового угла дебалансов одной пары грузовых валов. В качестве источника питания низкоскоростного валоповорота каждого электродвигателя использован его тиристорный преобразователь из синхронизирующей системы управления, соединенный с электродвигателем силовым каналом. ПИД регулятор тиристорного преобразователя соединен командным каналом с программным генератором для запуска ПИД регулятора по сигналу дополнительного фазовращателя, фиксирующего начальный фазовый угол φ дебалансов пары грузовых валов.
∂
Наличие в синхронизирующей системе управления вибровозбудителя дополнительных фазовращателей, каждый из которых соединен с фазовыми каналами считывающих головок бесконтактных датчиков частоты и фазового угла дебалансов одной пары грузовых валов, а также командных каналов, соединяющих ПИД регуляторы тиристорных преобразователей электродвигателей с программным генератором, позволяют автоматически задавать тиристорным преобразователям либо штатный рабочий режим питания электродвигателей, либо режим их низкоскоростного валоповорота в зависимости от величины начального фазового угла φ дебалансов грузовых валов.
∂
Таким образом, отпадает надобность в источниках питания низкоскоростного валоповорота и переключающих устройствах, что упрощает силовую часть синхронизирующей системы управления, существенно уменьшает ее массогабаритные параметры, а также стоимость изготовления вибровозбудителя. Синхронизирующая система управления приобретает функцию автоматического выбора способа запуска вибровозбудителя в зависимости от величины начального фазового угла φ дебалансов пар грузовых валов и, таким образом, исключает пусковую перегрузку электродвигателей электропривода. Вышеприведенные особенности обеспечивают значительно более высокий уровень эксплуатационных качеств предлагаемого вибровозбудителя в сравнении с прототипом.
Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показан общий вид вибровозбудителя - продольный разрез, на фиг.2 - функциональная схема синхронизирующей системы управления вибровозбудителя.
Вибровозбудитель (фиг.1) выполнен, например, из двух конструктивно идентичных, механически независимых вибромодулей 1. В корпусах 2 каждого вибромодуля 1 размещены коаксиально друг относительно друга первый грузовой вал 3 и выполненный полым второй грузовой вал 4 с цапфами 5, 6, опертыми на подшипники 7. В цапфах 5, 6 второго грузового вала 4 установлены подшипники 8 первого грузового вала 3, на котором жестко закреплен дебаланс 9. На внешней поверхности полого грузового вала 4 жестко закреплен дебаланс 10. Первый грузовой вал 3 выполнен с консолью 11, размещенной в цапфе 5 и снабжен шлицевым концом 12. Первый 3 и второй 4 грузовые валы соединены нормально замкнутой, например, кулачковой, сцепной муфтой 13 (далее сцепная муфта 13). Полумуфта 14 сцепной муфты 13 установлена с возможностью поступательного перемещения на шлицевом конце 12 первого грузового вала 3. Полумуфта 15 сцепной муфты 13 неподвижно закреплена на цапфе 5. Вращающаяся вместе с первым грузовым валом 3 полумуфта 14 посредством радиально-упорного подшипника 16 взаимодействует с траверсой 17. Траверса 17 размещена на направляющих 18 с возможностью возвратно-поступательного перемещения и поджата пружинами 19. Направляющие 18 и пружины 19 смонтированы в закрепленном к корпусу 2 торцевом упоре 20. Торцевой упор 20 оборудован электромагнитами 21 с сердечниками 22, взаимодействующими с траверсой 17.
Шлицевой конец 12 грузового вала 3 гибко соединен с осью диска-носителя кода бесконтактного датчика 23 частоты и фазового угла (далее датчик 23) дебаланса 9. В корпусе 2 в торцевой плоскости траверсы 17 установлен с возможностью взаимодействия с ней бесконтактный, например, индуктивный, датчик линейных перемещений - ДЛП 24. Цапфа 6 второго грузового вала 4 соединена постоянной муфтой 25 с валом ротора электродвигателя 26. Бесконтактный датчик 27 частоты и фазового угла (далее датчик 27) дебаланса 10 идентичен датчику 23, а ось его диска-носителя кода гибко соединена с валом ротора электродвигателя 26.
Синхронизирующая система управления вибровозбудителя (фиг.1, 2) содержит смонтированные в блоке 28 программный генератор 29, схему «И» 30 и две однотипные группы элементов управления вибромодулями 1, каждая из которых состоит из частотного дискриминатора 31, блока 32 управления сцепной муфтой - БУСМ 13, соединенного силовым каналом 33 с обмотками электромагнитов 21, фазовращателей 34, 35, 36, блока автоматической подстройки фазового угла БАПФУ 37, сумматора 38, ПИД регулятора 39, тиристорного преобразователя 40, соединенного силовым каналом 41 с электродвигателем 26. Считывающая головка датчика 23 каждого вибромодуля 1 соединена фазовым каналом 42 с фазовращателями 34, 36. Считывающая головка датчика 27 каждого вибромодуля 1 соединена фазовым каналом 43 с БАПФУ 37 и фазовращателями 34, 36, а частотным каналом 44 с частотным дискриминатором 31. ДЛП 24 каждого вибромодуля 1 соединен каналом 45 с фазовращателем 36 и каналом 46 со схемой «И» 30. Фазовращатель 34 каждого вибромодуля 1 соединен каналом 47 с программным генератором 29.
Программный генератор 29 соединен частотными каналами 48 и каналами 49 временной задержки с частотными дискриминаторами 31, а фазовыми каналами 50 с фазовращателями 35, 36, каналами 51 с БУСМ 32 и управляющими каналами 52 с ПИД регуляторами 39.
∂
В обесточенном состоянии сцепные муфты 13 вибромодулей 1 находятся в силовом замыкании. При этом величина фазового угла φ дебалансов 9, 10, кратная угловому шагу кулачков сцепной муфты 13, имеет случайное значение. Программным генератором 29 формируются следующие сигналы:
1. Сигнал №1 - включения ПИД - регулятора 39 в положение, при котором тиристорные преобразователи 40 функционируют в рабочем режиме штатного пуска электродвигателей 26;
2. Сигнал №2 - включения ПИД - регулятора 39 в положение, при котором тиристорные преобразователи 40 функционируют в режиме низкоскоростного валоповорота электродвигателей 26;
3. Сигнал №3 - выключения сцепной муфты 13;
∂0
4. Эталонный сигнал №4 - нулевого фазового угла φ дебалансов 9, 10;
∂min
5. Эталонный сигнал №5 - минимально допустимого значения фазового угла φ дебалансов 9, 10, при котором запуск вибровозбудителя осуществим в штатном режиме - т.е когда интегральный статический момент дебалансов 9, 10 каждого вибромодуля 1 не превышает величину пускового момента электродвигателя 26;
∂p
6. Эталонный сигнал №6 - рабочего значения фазового угла φ дебалансов 9, 10, кратный угловому шагу кулачков сцепной муфты 13;
∂р
7. Эталонный сигнал №7 - рабочей частоты вращения пар грузовых валов 3, 4 вибромодулей 1, соответствующий рабочему значению фазового угла φ дебалансов 9, 10;
8. Сигнал №8 запрета, устанавливающий время функционирования вибровозбудителя в рабочем режиме.
∂
Вибровозбудитель работает следующим образом. При включении программного генератора 29 на фазовращатели 34 по фазовым каналам 42 и 43 поступают соответственно сигналы датчиков 23 и 27. Разность сигналов датчиков 23 и 27, определяющая фактический фазовый угол φ дебалансов 9, 10, кратный угловому шагу кулачков сцепной муфты 13, по каналам 47 поступает в программный генератор 29, где сравнивается с эталонным сигналом №5.
В случае если разность сигналов датчиков 23 и 27 равна или больше величины эталонного сигнала №5, программный генератор 29 по командным каналам 52 подаст в ПИД регуляторы 39 сигнал №1.
По команде сигнала №1 ПИД регуляторы 39 включат рабочий режим функционирования тиристорных преобразователей 40, которые по силовым каналам 41 подадут питание в обмотки электродвигателей 26. Начнется ускоренное вращение пар грузовых валов 3, 4 с дебалансами 9, 10. При этом по фазовым каналам 50 из программного генератора 29 на фазовращатели 35 поступит эталонный сигнал №4, а на фазовращатели 36 эталонный сигнал №6. По частотным каналам 48 из программного генератора 29 на частотные дискриминаторы 31 поступит эталонный сигнал №7. Одновременно сигналы текущих значений частоты вращения грузовых валов 3, 4 с датчика 27 по частотным каналам 44 начнут поступать в частотные дискриминаторы 31. При этом цепи, включающие каждая фазовращатель 35, БАПФУ 37, соединенный фазовым каналом 43 с датчиком 27, и сумматор 38, соединенный с выходом частотного дискриминатора 31, функционирование которых описано в патенте №2302909, E02D 7/18, опубл. в БИ №20, 2007 г., обеспечивают перманентную синхронизацию вращения грузовых валов 3, 4 вибромодулей 1.
∂
∂
∂
∂
др
∂р
При достижении парами грузовых валов 3, 4 вибромодулей 1 частоты вращения, равной значению, установленному эталонным сигналом №7, частотные дискриминаторы 31 вырабатывают каждый сигнал, поступающий в БУСМ 32. По этим сигналам БУСМ 32 через силовые каналы 33 подают питание в обмотки электромагнитов 21 торцевого упора 20. Под действием электромагнитных сил электромагнитов 21 траверса 17 каждого вибромодуля 1 притянется к сердечникам 22, сжимая пружины 19. Траверса 17 каждого вибромодуля 1 через радиально-упорный подшипник 16 переместит влево по шлицевому концу 12 грузового вала 3 полумуфту 14. Полумуфты 14, 15 сцепной муфты 13 выйдут из зацепления. С этого момента грузовые валы 3 с дебалансами 9 вращаются по инерции, теряя угловую скорость за счет трения в подшипниках 8, следствием чего является изменение фазового угла φ дебалансов 9, 10 каждой пары грузовых валов 3, 4. Одновременно с выключением сцепной муфты 13 в результате перемещения траверсы 17 влево относительно БДЛП 24 последний вырабатывает сигнал, по которому на фазовращатели 36 по фазовым каналам 42 и 43 соответственно с датчиков 23 и 27 поступают сигналы текущих значений фазовых углов φ дебалансов 9, 10 пар грузовых валов 3, 4. На фазовращателях 36 разность сигналов текущих значений фазовых углов φ дебалансов 9, 10 сравнивается с эталонным сигналом №6. По достижении равенства разности сигналов текущих значений фазового угла φ дебалансов 9, 10 каждого вибромодуля 1 эталонному сигналу №6 фазовращатели 36 формируют управляющий сигнал на БУСМ 32. По этому сигналу БУСМ 32 обесточат обмотки электромагнитов 21. Под действием импульса сжатых пружин 19 траверсы 17 переместятся вправо и через радиально-упорные подшипники 16 сдвинут вправо по шлицевым концам 12 грузовых валов 3 полумуфты 14, которые войдут в зацепление с полумуфтами 15 сцепных муфт 13. С этого момента грузовые валы 3, 4 вращаются совместно, имея кратное угловому шагу кулачков сцепных муфт 13 рабочее значение фазового угла φ дебалансов 9, 10. Одновременно с включением сцепной муфты 13 в результате возврата траверсы 17 в исходное положение БДЛП 24 каждого вибромодуля 1 выработают сигнал, поступающий по каналам 46 в схему «И» 30. Схема «И» 30, срабатывающая при поступлении на нее сигналов БДЛП 24 обоих вибромодулей 1, генерирует сигнал, поступающий в программный генератор 29. По этому сигналу программный генератор 29 по каналам 48 подаст на частотные дискриминаторы 31 сигнал запрета №8, блокирующий передачу управляющих сигналов на БУСМ 32 на время функционирования вибровозбудителя в режиме рабочей частоты и рабочего значения фазового угла φ.
В случае если при включении вибровозбудителя разность сигналов датчиков 23 и 27, поступающая с фазовращателей 34 по каналам 47 в программный генератор 29, окажется меньше величины эталонного сигнала №5, процесс запуска вибровозбудителя осуществляется следующим образом.
∂
∂
∂
Программный генератор 29 подаст сигнал №3 в БУСМ 32 по каналам 51. По этому сигналу БУСМ 32 по силовым каналам 33 подадут питание в обмотки электромагнитов 21 торцевого упора 20. Траверсы 17 вибромодулей 1 под действием электромагнитных сил притянутся к сердечникам 22, сжимая пружины 19. Траверсы 17 вибромодулей 1 через радиально-упорные подшипники 16 переместят влево по шлицевому концу 12 полумуфты 14. Полумуфты 14, 15 сцепной муфты 13 выйдут из зацепления. Начнется свободное вращение грузовых валов 3, 4 под действием статических моментов их дебалансов 9, 10. При этом БДЛП 24 каждого вибромодуля 1 в результате перемещений влево траверс 17 формируют сигнал, поступающий по каналам 46 в схему «И» 30. Схема «И» 30, срабатывающая при поступлении на нее сигналов БДЛП 24 обоих вибромодулей 1, формирует сигнал, поступающий в программный генератор 29. По этому сигналу программный генератор 29 по истечении некоторого времени задержки, необходимой для завершения поворота дебалансов 9, 10 в нижнее положение, по командным каналам 52 подаст сигнал №2 в ПИД регуляторы 39. ПИД регуляторы 39 по сигналу №2 включат тиристорные преобразователи 40 в режим питания низкоскоростного валоповорота электродвигателей 26. В обмотки электродвигателей 26 по силовым каналам 41 поступит питание с фиксированными значениями напряжения и тока в соотношении, обеспечивающем приемлемую для функционирования сцепной муфты 13 скорость вращения грузового вала 4. Одновременно программный генератор 29 подаст по фазовым каналам 50 эталонный сигнал №5 на фазовращатели 36, куда поступают по фазовым каналам 42 и 43 соответственно с датчиков 23 и 27 сигналы текущих значений фазовых углов φ дебалансов 9, 10 пар грузовых валов 3, 4. Разность сигналов текущих значений фазовых углов φ дебалансов 9, 10 сравнивается на фазовращателях 36 с эталонным сигналом №5. По достижении равенства разности сигналов текущих значений фазового угла φ дебалансов 9, 10 каждого вибромодуля 1 эталонному сигналу №5 фазовращатели 36 сформируют управляющий сигнал на БУСМ 32. По этому сигналу БУСМ 32 обесточит обмотки электромагнитов 21. Под действием импульса сжатых пружин 19 траверсы 17 переместятся вправо и через радиально-упорные подшипники 16 сдвинут вправо по шлицевым концам 12 грузовых валов 3 полумуфты 14. Полумуфты 14 и 15 сцепной муфты 13 войдут в зацепление. При этом в результате возврата траверсы 17 в исходное положение БДЛП 24 каждого вибромодуля 1 выработают сигнал, поступающий по каналам 46 в схему «И» 30. Схема «И» 30 сработает при поступлении на нее сигналов БДЛП 24 обоих вибромодулей 1 и выработает сигнал на программный генератор 29. По этому сигналу программный генератор 29 по командным каналам 52 снимет эталонный сигнал №2 и подаст в ПИД-регуляторы 39 сигнал №1. С этого момента вышеописанный процесс автоматического выведения вибровозбудителя на рабочий режим повторится.
∂
∂0
Из приведенного выше следует, что синхронизирующая система управления позволяет в зависимости от величины начального фазового угла φ дебалансов 9, 10 автоматически выбрать и осуществить один из двух режимов запуска вибровозбудителя, исключающих перегрузку электродвигателей 26. При этом не требуется необходимая для прототипа подготовка к запуску путем приведения дебалансов 9, 10 вибромодулей 1 к нулевому фазовому углу φ, которое осуществляется оператором.
Другим фактором, повышающим эксплуатационные качества вибровозбудителя, является реализация низкоскоростного валоповорота электродвигателей с помощью их тиристорных преобразователей из синхронизирующей системы управления без применения отдельных (независимых) источников питания с переключающими устройствами, усложняющими синхронизирующую систему управления и увеличивающими ее массу и габариты.