Способ настройки оптимального режима работы дебалансных роторных механизмов и устройство для его осуществления
METHOD FOR SETTING THE OPTIMAL MODE OF OPERATION OF DEBALANCE ROTARY MECHANISMS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам и устройствам для снижения нежелательных колебаний и вибраций при работе роторных машин. Вибрация роторных машин с дебалансными механизмами приводит к вибрации основания, на котором крепятся эти машины. Установка нескольких дебалансных роторных механизмов на одном общем основании может привести к разрушению последнего без соответствующей защиты от этих вибраций.
По патенту US 7471057 «Servo-control system for an unbalanced rotor vibrator» (опубл. 30.12.2008 г., МПК B06B 1/16, G05D 19/02) известна система для сервоуправления вибратором, имеющим четыре неуравновешенных ротора, приводимых в движение первым двигателем и обеспечивающих разность фаз, регулируемую механически устройством, которое само приводится в движение вторым двигателем. Такая система сервоуправления содержит первый датчик, чувствительный к угловому положению ротора первой пары роторов; второй датчик, чувствительный к угловому положению ротора второй пары роторов или к положению механизма фазовращателя, а также первое и второе устройства для управления первым и вторым двигателем соответственно.
Недостатком данной системы является то, что она учитывает только две пары роторов, приводимых в синхронное вращение. Причем первая пара роторов выполняет основную задачу - создание определенной вибрации, а вторая используется для управления фазой между первой и второй парой. К случаю, когда несколько электродвигателей работают в различных фазах, данный способ применить нельзя.
По заявке FR 2606110 «Device for compensating for the vibrational force of vibrational torque to which a body is subjected)) (опубл. 06.05.1988 г., МПК B06B 1/16, F16F 15/02, F16F 15/22, F16F 15/26, G05D 19/02) известно устройство для компенсации либо вибрационной силы, либо вибрационного момента, воздействующих на опору механического элемента, способного генерировать такие вибрации. Главный недостаток устройства в том, что для компенсации вибрационной силы используются четыре инерционные массы, которые сами создают дополнительную вибрацию. Кроме этого требуются излишние затраты энергии от дополнительного источника.
По патенту US 5473698 «Method of controlling the application of counter-vibration to a structure)) (опубл. 05.12.1995 г., МПК F16F15/02, G10K 11/178, G10K 11/00, G06K 011/16) известен способ контроля вибрации конструкции путем применения противовибрации. В данном способе устанавливают генератор вибрационной силы на указанную конструкцию для приложения синусоидальной встречной вибрации указанной конструкции в ответ на подаваемый электрический сигнал. К тому же для получения выходного сигнала устанавливают акселерометр на указанной конструкции в точке, в которой должна быть измерена вибрация. Используют перестраиваемый фильтр, способный резонировать на электрически управляемой частоте. На него подают сигнал настройки и выходной сигнал акселерометра. Непрерывно регулируют резонансную частоту фильтра так, чтобы она равнялась частоте выходного сигнала, и подают указанный выходной сигнал резонансного фильтра в качестве выходного сигнала электрической команды на генератор. Таким образом, генератор вибрационной силы воздействует на указанную конструкцию встречными колебаниями, чтобы уменьшить влияние создаваемых извне вибраций. Недостатком данного способа является то, что используется дополнительный генератор, требующий значительных затрат энергии для демпфирования внешнего вибросигнала в процессе подбора оптимальной фазы сигнала. К тому же способ применим только для одного двигателя.
Наиболее близким по описанным в нем способу и устройству является патент RU 2744257 «Магнитоуправляемая гидравлическая виброопора и способ настройки оптимального режима ее работы» (опубл. 04.03.2021 г., МПК F16F 13/08) авторов Гордеева Б.А., Охулкова С.Н., Степанова К.С., Ванягина А.В. и Ерофеева В.И. В виброопоре между входным датчиком и преобразователем переменного напряжения введена управляемая линия задержки. Выходной датчик соединен с блоком управления, который соединен с управляемой линией задержки, посредством которой регулируют фазу напряжения, подаваемого на обмотки индуктора. В результате в виброопоре создают переменное вращающееся магнитное поле, которое изменяет вязкость магнитореологической жидкости, находящейся в дроссельных каналах виброопоры. Управление фазой переменного вращающегося магнитного поля относительно движущегося потока магнитореологической жидкости осуществляют в течение всей работы виброопоры на основе критерия минимизации уровня демпфированного выходного сигнала.
Одним из недостатков этого способа и устройства для его реализации является то, что они применимы только для одного объекта, например, для магнитоуправляемой гидравлической виброопоры. Вторым существенным недостатком является обязательное наличие дорогостоящей магнитореологической жидкости, протекающей по каналам, находящимся во вращающемся магнитном поле. Именно ее наличие позволяет изменять упругость виброопоры и уменьшать демпфированный сигнал на выходе.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа настройки оптимального режима работы нескольких дебалансных роторных (ДР) механизмов, расположенных на общем основании, путем снижения их вибраций и устройства для его реализации, обеспечивающих минимальный уровень вибросигнала с такого основания за счет нахождения оптимальной фазы каждого ДР механизма относительно других источников вибрации.
Технический результат в части способа достигается за счет того, что разработанный способ настройки оптимального режима работы ДР механизмов путем снижения вибраций также, как и способ - прототип, включает получение сигнала на входном датчике, передачу этого сигнала в блок управления, воздействие переменным напряжением на обмотки статора первого ДР механизма, смещенные друг относительно друга на 360/n градусов, где n=3, 6, 12, возникновение на них n-фазного напряжения и создание вращающегося магнитного поля, получение выходного сигнала на первом выходном датчике и передачу его в блок управления. Новым в разработанном способе является то, что после запуска первого ДР механизма запускают второй ДР механизм, получают сигнал на входном датчике, передают этот сигнал в блок управления, воздействуют переменным напряжением на обмотки статора второго ДР механизма, смещенные друг относительно друга на 360/m градусов, где m=3, 6, 12 с возникновением на них m-фазного напряжения и созданием вращающегося магнитного поля второго ДР механизма, затем получают выходной сигнал на втором выходном датчике и передают его в блок управления, где анализируют данные о сигналах с выходных датчиков, после чего на каждый ДР механизм подают свое управляемое по фазе напряжение, в результате чего в этих ДР механизмах создают вращающиеся магнитные поля с фазами, сдвинутыми относительно друг друга таким образом, чтобы амплитуды сигналов с выходных датчиков имели минимальные значения, причем другие k ДР механизмов, где k=0, 1, 2…, последовательно запускают и настраивают аналогично второму ДР механизму.
В частном случае реализации способа фазу магнитного поля каждого ДР механизма относительно фаз магнитных полей других ДР механизмов настраивают индивидуально для обеспечения минимума сигналов всех выходных датчиков, перебирая (k+2)! комбинаций датчиков.
Технический результат в части устройства в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что общее основание, на котором расположены входной датчик, первый ДР механизм, первый выходной датчик, расположенный под первым ДР механизмом, а также блок управления, входы которого соединены с выходами входного и первого выходного датчиков, с первого выхода блока управления подается напряжение на обмотки статора первого ДР механизма. Новым в предлагаемом способе является то, что на общем основании также расположены остальные (k+1) ДР механизмов, где k=0, 1, 2 …, каждый из которых снабжен собственным выходным датчиком, причем выходы этих выходных датчиков соединены с входами блока управления, а с каждого из (k+2) выходов блока управления подается свое управляемое по фазе напряжение на обмотки статора соответствующего ДР механизма, формируемое на основе критерия минимизации уровня сигнала с соответствующего выходного датчика.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 показана схема устройства для двух дебалансных роторных механизмов.
На фиг. 2 показана схема устройства для трех дебалансных роторных механизмов.
На фиг. 3 показана схема устройства для четырех дебалансных роторных механизмов.
дат
На фиг. 4 показана амплитуда сигнала U на выходном датчике одного ДР механизма без настройки оптимального режима.
дат
На фиг. 5 показана амплитуда сигнала U на выходном датчике любого ДР механизма в процессе настройки оптимального режима работы.
Разрабатываемое устройство включает, по крайней мере, два дебалансных роторных механизма 1 и 2 (см. фиг. 1), установленных на общем основании 5, на котором также расположен входной датчик 6. ДР механизмы 1 и 2 снабжены выходными датчиками 7 и 8 соответственно, расположенными под каждым ДР механизмом. Входы блока управления 9 соединены с выходом входного датчика 6 и выходами выходных датчиков 7 и 8. С каждого выхода блока управления 9 подается напряжение на обмотки статоров механизмов 1 и 2.
Вариант, когда на основании 5 располагаются три ДР механизма 1, 2, 3 схематично показан на фиг. 2. В этом случае под ДР механизмом 3 расположен выходной датчик 10, выход которого соединен с входом блока управления 9. А с соответствующего выхода блока управления 9 подается напряжение на обмотки статора механизма 3. Аналогично для случая расположения на основании 5 четырех ДР механизмов 1, 2, 3 и 4 (см. фиг. 3) выход выходного датчика 11 ДР механизма 4 соединен со входом блока управления 9, а с соответствующего выхода блока управления 9 подается напряжение на обмотки статора механизма 4.
Разрабатываемое устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Включают один из ДР механизмов, например механизм 1, при этом на входном датчике 6 получают сигнал, который передается в блок управления 9. При включении одного механизма с блока управления 9 подают переменное напряжение на обмотки статора механизма 1, смещенные друг относительно друга на 360/n градусов, где n=3, 6, 12 с возникновением на них n-фазного напряжения. В результате создают вращающееся магнитное поле, и на выходном датчике 7 получают выходной сигнал с постоянной амплитудой (см. фиг. 4), который передают в блок управления 9. Механизм 1 выходит на стационарный режим работы.
max
min
Затем включают ДР механизм 2. Сигнал с входного датчика 6, являющийся суммарным вибросигналом от механизмов 1 и 2, передают в блок управления 9. Из него подают переменное напряжение на обмотки статора механизма 2, смещенные друг относительно друга на 360/m градусов, где m=3, 6, 12 с возникновением на них m-фазного напряжения, в результате создают вращающееся магнитное поле механизма 2. Сигнал с выходного датчика 8 также передают в блок управления 9, где анализируют данные о сигналах с обоих выходных датчиков 7 и 8. При включении ДР механизма 2 сигналы на выходных датчиках 7 и 8 перестают иметь постоянную амплитуду и могут изменяться от U до U. После анализа из блока управления 9 на каждый ДР механизм 1 и 2 подают свое управляемое по фазе напряжение. Фазу напряжения, питающего статор механизма 2, меняют таким образом, что сигнал с выходного датчика 8 достигает наименьшего значения (см. фиг. 5), аналогично меняют фазу напряжения, питающего статор механизма 1. В каждом ДР механизме 1 и 2 создают вращающиеся магнитные поля с фазами, сдвинутыми относительно друг друга, таким образом, чтобы амплитуды сигналов с выходных датчиков 7 и 8 одновременно имели минимальные значения. Это осуществляется за счет взаимного уравновешивания вибрационных нагрузок на основание, так как колебания ДР механизмов происходят практически в противофазе. В частном случае реализации способа по п. 2 формулы подстройку фаз магнитных полей механизмов осуществляют индивидуально по критерию минимума сигнала выходных датчиков, перебирая (k+2)! комбинаций выходных датчиков, где k=0, 1, 2 …. В случае двух ДР механизмов k=0, и в блоке управления 9 происходит перебор 2!=2 комбинаций. То есть по очереди настраивают оптимальный режим работы с минимальными вибрациями для обоих ДР механизмов. Сначала настраивается фаза второго ДР механизма 2 относительно первого ДР механизма 1, а затем настраивается фаза первого ДР механизма 1 относительно второго ДР механизма 2. Перебор этих комбинаций происходит непрерывно до тех пор, пока на обоих выходных датчиках 7, 8 уровень сигнала не достигнет минимального значения, и затем поддерживают такой оптимальный режим работы ДР механизмов. В случае, когда работают два дебалансных роторных механизма 1 и 2 с одинаковыми массами (фиг. 1), фазы вращающихся магнитных полей статоров этих ДР механизмов в результате настройки оказываются сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов.
В случае расположения на основании 5 трех дебалансных роторных механизмов 1, 2, 3 (фиг. 2) после поэтапного включения и настройки ДР механизмов 1 и 2, включают ДР механизм 3. Блок управления 9 изменяет фазы магнитных полей статоров всех трех механизмов 1, 2, 3 на основе критерия минимизации амплитуды сигналов с выходных датчиков 7, 8, 10. В случае, когда работают три ДР механизма 1, 2, 3 с одинаковыми массами (фиг. 2), фазы вращающихся магнитных полей статоров этих ДР механизмов в результате настройки оказываются сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов.
min
min
Когда сигнал выходного датчика 10 третьего ДР механизма 3 примет минимальное значение U (фиг. 5), включается четвертый ДР механизм 4. Далее процесс настройки происходит по вышеописанному принципу. Блок управления 9 изменяет фазу питающего напряжения четвертого ДР механизма 4 относительно фазы предыдущих работающих ДР механизмов 1, 2, 3. Когда сигнал четвертого выходного датчика 11 примет минимальное значение U (фиг. 5), а сигналы с выходных датчиков всех предыдущих включенных механизмов также приняли минимальные значения, блок управления 9 продолжает поддерживать такой оптимальный режим работы всех ДР механизмов. Включение следующих возможных ДР механизмов и настройку их оптимального режима работы производят по описанному выше способу.
Согласно экспериментальным данным применение разработанного способа настройки оптимального режима работы дебалансных роторных механизмов и устройства для его осуществления позволило уменьшить уровень вибраций для 4-х работающих механизмов с асинхронными электродвигателями, установленных на общем основании, примерно на 20 дБ.
Таким образом, снижается общий уровень вибрации основания, на котором установлены дебалансные роторные механизмы, за счет снижения уровня сигнала на выходных датчиках каждого ДР механизма. Разработанные способ и устройство для его осуществления позволяют подавать на каждый дебалансный роторный механизм свое управляемое по фазе напряжение, в результате чего в этих механизмах создаются вращающиеся магнитные поля с фазами, сдвинутыми относительно друг друга таким образом, чтобы амплитуды сигналов с выходных датчиков имели минимальные значения.