Модель системы активного виброгашения с фазовой автоподстройкой частоты

Полезная модель относится к средствам активного гашения вибрации различных технических объектов. Она может быть использована в судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Применение полезной модели позволяет повысить эффективность гашения вибраций на рабочей частоте вращения ротора двигателя, в связи с повышением точности настройки управляемого электродинамического виброгасителя (УЭДВГ) в противофазе по отношению к воздействию, порождаемому виброактивным механизмом. Повышение точности настройки обеспечивается тем, что адаптивная система управления с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) осуществляет коррекцию работы УЭДВГ в соответствии с текущей частотой вращения двигателя.
Известно устройство для изменения динамического состояния системы при действии вибрации [Патент RU 2156192 С1 15.07.1996]. Виброзащитная подвеска сиденья содержит несущую и подвесную опоры, между которыми закреплен основной упругий подвес и корректор жесткости (дополнительный упругий подвес с неустойчивым средним положением равновесия). Корректор жесткости выполнен из двух одинаковых сжатых до овальной формы упругих кольцевых элементов, расположенных симметрично относительно сиденья. Ближайшие участки упругих кольцевых элементов прикреплены шарнирно к одной из опор. Диаметрально противоположные участки кольцевых элементов шарнирно соединены с другой опорой. При этом большие оси симметрии упругих кольцевых элементов и оси всех шарнирных соединений с опорами расположены параллельно оси симметрии сиденья.
Упругие кольцевые элементы выполнены из троса. Каждый из элементов изготовлен в виде бухты, намотанной из пружинной стальной ленты или проволоки. Работа упругих элементов сопровождается взаимным трением витков. Существенным недостатком данной конструкции является невозможность изменять параметры динамической системы в широком диапазоне частот.
Недостатком данного изобретения является невозможность изменять параметры динамической системы в широком диапазоне частот.
Известен способ изменения динамических характеристик устройств с квазинулевой жесткостью [Патент RU 2298119 С1, 19.09.2005]. Данный способ виброизоляции заключается в том, что виброактивный объект устанавливается на плоские упругие элементы, а гашение колебаний осуществляется с помощью демпфера. При этом плоские упругие элементы представляют собой конструкции арочного типа, а вязкоупругий демпфер, выполнен в виде упругого кольца. Демпфирующий элемент виброизолятора выполнен из эластомера и расположен по замкнутому контуру в плоскости, перпендикулярной оси виброизолятора, и взаимодействующего со втулками, которые в свою очередь связаны с опорными участками плоских пружин посредством заклепок.
Упругодемпфирующее кольцо выполняется полым и имеет в поперечном сечении форму круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника или многоугольника, причем полость упругодемпфирующего кольца заполняется вязкой жидкостью или сжатым газом.
К недостаткам конструкции следует отнести необходимость использования для гашения колебаний дополнительного демпфера вязкого трения и невозможность регулирования режимов работы устройства в процессе эксплуатации, в частности, отстраивания от резонансных частот, кроме того, донная конструкция не позволяет производить формирование необходимой структуры вибрационного поля системы.
Адаптивное устройство для гашения вибрации описано в Патенте RU 2573170 С2, 04.06.2014. Технический результат достигается за счет того, что адаптивное устройство для гашения вибрации, содержит датчики периода вращения валов механизмы (1), равное число компенсирующих источников (3) и контрольных приемников (4), установленных на фундаментной конструкции (5). Электронный тракт системы гашения состоит из анализатора (6), дискретного интегратора (7), синтезатора (8), формирователя экспоненциальных функций (9), измерителя периода (10). Причем выходы датчиков периода вращения валов механизмов (1) и компенсирующих источников (3) включены в состав приборного комплекса, который позволяет произвести предварительную настройку устройства и адаптацию к текущим режимам работы источников виброактивности (2). С этой целью в комплекс включены формирователь экспоненциальных функций (9), измеритель периода (10), контрольные приемники (4), синтезатор (8), модальный анализатор (11), модальный синтезатор (12), коммутатор (13), калибратор (14), дискретного интегратор (7) и калибратор (14).
К недостаткам данного изобретения следует отнести сложность конструкции и настройки элементов. Кроме того размещение вибраторов (компенсирующих источников) непосредственно на объекте защиты, а не на путях распространения энергии колебаний, может вызвать неравномерное пространственное распределение вибрации и привести к снижению эффекта виброгашения.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности гашения вибрации на оборотной частоте виброактивного роторного механизма, он достигается за счет внедрения в систему автоматического управления блока фазовой автоподстройки частоты.
Схема работы системы ФАПЧ представлена на рисунке 1. Сигналы от эталонного генератора, имитирующего виброактивный механизм, и генератора, управляемого напряжением (ГУН), поступают на фазовый детектор, выходное напряжение которого определяется разностью фаз напряжений, действующих на входах. Выходное напряжение фазового детектора через фильтр нижних частот воздействует на управляющий элемент, который изменяет частоту ГУН, приближая ее к частоте входного сигнала, обеспечивая синхронизацию сигналов на входе и выходе системы.
Функциональная схема автоматической системы активного виброгашения с фазовой автоподстройкой частоты приведена на рисунке 2. На вход в систему автоматического управления (АСУ) (5) с ФАПЧ поступают сигналы от тахометра (2) и от акселерометра (3), для обработки которых используется микроконтроллер.
Микроконтроллер предназначен для измерения и воспроизведения мгновенных значений электрического напряжения. Он представляет собой многоканальное устройство с функциями аналого-цифрового (16 каналов) и цифро-аналогового (2 канала) преобразователей. Управление режимами и обработка измерительной информации производится с помощью программного обеспечения.
Алгоритм работы программы для системы автоматического управления активного виброгашения с фазовой автоподстройкой частоты, изображен на рисунке 3. В блоке 4 производится формирование констант и переменных, инициализация драйверов. В блоке 5 производится ввод данных АЦП.
По входным параметрам определяется частота (блок 7) и фаза (блок 8) колебаний вращающегося механизма. Сигнал из блока 7 поступает на генератор, управляемый напряжением (ГУН) (блок 22) и антивибратор (блок 24).
В блоке 9 из прямоугольного сигнала от тахометра формируется сигнал синусоидальной формы первой гармоники, который затем нормируется (блок 13) и подается на фазовый детектор (блок 31). На фазовый детектор помимо сигнала от тахометра приходят сигнал с ГУН, где выполняется расчет взаимного спектра и определяется величина разницы фаз в градусах (фазовая ошибка). Далее фазовая ошибка фильтруется медианным фильтром и по обратной связи, через сумматор (блок 21) поступает обратно на ГУН.
Вычисленное значение фазы ГУН приходит на сумматор (блок 29), в котором формируется значение фазы для антивибратора (блок 24). Настройка фазы и амплитуды антивибратора, под оптимальные параметры, производится один раз в начале работы в ручном режиме.
В результате на антивибратор поступает сигнал с частотой, равной частоте вращения асинхронного двигателя, но в противофазе. После окончания вывода данных ЦАП (блок 34) цикл повторяется с новыми параметрами (блок 5). Окончание работы производится по нажатию кнопки СТОП.
Применение предлагаемой полезной модели позволяет использовать ее на действующих образцах роторных машин без их конструктивной доработки, что в свою очередь приведет к повышению виброизоляции механизма и уменьшению распространения колебательной энергии на фундамент.