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 в строительстве для вибропогружения тяжелых свай и свай-оболочек.
Известен применяемый в качестве вибровозбудителя вибропогружатель по авт. св. СССР №1154995, E02D 7/18, опубл. в БИ №4, 1987 г., включающий корпус, привод, группы попарно установленных на валах дебалансов, 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.
Существенным недостатком известного вибропогружателя является сложность конструкции как 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.
К другим недостаткам вибропогружателя, снижающим его эксплуатационные качества, следует отнести неустойчивость рабочих значений фазового угла дебалансов, обусловленную тем, что при вибрации даже самотормозящая червячная передача в приводе устройства для изменения общего статического момента подвержена самопроизвольному вращению.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является вибровозбудитель по патенту РФ №2302909, В06В 1/16, E02D 7/18, опубл. в БИ №20 2007, содержащий, по крайней мере, две пары коаксиально установленных друг относительно друга в отдельных корпусах первых и выполненных полыми 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. 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. Бесконтактный датчик частоты и фазового угла дебаланса первого грузового вала каждой пары смонтирован на торце корпуса так, что его диск-носитель кода соединен с первым грузовым валом гибкой связью, а вал ротора электродвигателя электропривода соединен гибкой связью с диском-носителем кода, смонтированного на крышке заднего подшипника электродвигателя бесконтактного датчика частоты и фазового угла дебаланса второго грузового вала каждой пары.
Существенным недостатком известного вибровозбудителя является сложность его запуска, обусловленная высоким значением момента инерции вращающихся масс и в первую очередь момента инерции масс дебалансов грузовых валов, трогание и разгон которых до постоянной рабочей частоты вращения приходится осуществлять при фазовом угле φ=0°, т.е. при максимальном значении интегрального статического момента дебалансов. Можно для обеспечения запуска перед включением электродвигателей вибровозбудителя разъединить грузовые валы путем включения электромагнитного привода сцепной муфты. Это позволит уменьшить значение интегрального статического момента до величины статического момента дебаланса первого грузового вала и, таким образом, резко снизить момент инерции вращающихся масс. Однако при разгоне первого грузового вала силовое соединение его со вторым грузовым валом, пребывающим вместе со своим дебалансом в состоянии покоя, становится практически невозможным. Обусловлено это тем, что скорость вращения первого грузового вала и соединенной с ним полумуфты сцепной муфты на любом этапе разгона грузового вала (и, следовательно, при любом значении фазового угла дебалансов грузовых валов) не контролируется и является случайной величиной. Поэтому высока вероятность включения сцепной муфты при относительной скорости вращения ее полумуфт,
превышающей допустимое значение, что неизбежно ведет к поломке как деталей сцепной муфты, так и других элементов вибровозбудителя.
В связи с изложенным для реализации повышенного пускового момента в период запуска и разгона пар грузовых валов с дебалансами в положении, соответствующем максимальному интегральному статическому моменту, приходится использовать электродвигатели заведомо большей номинальной мощности, чем необходимо для поддержания колебаний в установившемся режиме работы. Это увеличивает стоимость изготовления вибромодулей, ведет к существенному повышению их массы и габаритов, и, таким образом, снижает эксплуатационные качества машины.
К другим недостаткам, снижающим эксплуатационные качества известного вибровозбудителя, особенно это касается крупногабаритных машин большой мощности, следует отнести размещение всех узлов вибромодулей, включая электродвигатель, в едином закрытом корпусе-трубе.
Такая конструктивная схема, приемлемая для машин сравнительно малой мощности, в которых вибромодули в виде унифицированных «капсул» встраиваются в общий корпус вибровозбудителя или непосредственно в виброисточник, непригодна для машин большой мощности как по причине сложности осевой сборки вибромодулей и последующего их технического обслуживания, так и из-за отсутствия возможности ремонта вне заводских условий.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение стоимости изготовления вибровозбудителя и улучшение его эксплуатационных качеств за счет снижения установочной мощности электродвигателей, уменьшения массогабаритных параметров вибромодулей, обеспечения их ремонтопригодности и технического обслуживания.
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 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, согласно техническому решению, каждый электродвигатель электропривода снабжен источником питания его 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.
Обеспечение каждого электродвигателя электропривода источником питания его низкоскоростного валоповорота, имеющим фиксированные выходные параметры, и переключающим устройством, соединенными с синхронизирующей системой управления вибровозбудителя, позволяет реализовать кратковременный режим вращения второго грузового вала каждой пары относительно первого грузового вала с заданной окружной скоростью, безопасной для включения нормально замкнутой сцепной муфты. Таким образом, осуществляется приведение интегрального статического момента дебалансов грузовых валов пар к нулевому или минимальному значению, что резко снижает нагрузку на электродвигатели
при последующем запуске и выведении вибровозбудителя на рабочий режим, повышает быстродействие синхронизирующей системы управления. Реализуется возможность использования электродвигателей, развивающих пусковой момент, меньший максимального значения интегрального статического момента дебалансов грузовых валов пар, а значит, электродвигателей меньшей номинальной мощности и меньших типоразмеров, что снижает массогабаритные параметры вибровозбудителя.
Оборудование корпусов пар первого и второго грузовых валов горизонтальными фланцами на уровне их оси и снабжение съемными крышками отсеков нормально замкнутой сцепной муфты и указанных грузовых валов открывает доступ ко всем механизмам вибровозбудителя, существенно упрощая его техническое обслуживание и обеспечивая ремонтопригодность в полевых условиях.
Вышеприведенные особенности предлагаемого технического решения, существенно улучшают эксплуатационные качества вибровозбудителя и снижают стоимость его изготовления.
Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показан общий вид вибромодуля вибровозбудителя - продольный разрез, на фиг.2 - выноска А на фиг.1, на фиг.3 - структурная схема синхронизирующей системы управления вибровозбудителя.
Вибровозбудитель (фиг.1) выполнен, например, из двух конструктивно идентичных, механически независимых вибромодулей 1. Каждый вибромодуль 1 включает корпус 2, размещенные в нем коаксиально друг относительно друга первый грузовой вал 3 и выполненный полым второй грузовой вал 4, снабженный цапфами 5, 6, опертыми на подшипники 7 в корпусах 8, которые жестко соединены с корпусом 2. В цапфах 5, 6 второго грузового вала 4 смонтированы подшипники 9 первого грузового вала 3, на котором жестко, посредством
шпонки 10, закреплен дебаланс 11. На внешней поверхности полого грузового вала 4 смонтирован дебаланс 12, закрепленный болтами 13. Первый грузовой вал 3 выполнен с консолью 14, размещенной внутри цапфы 5, и снабжен шлицевым концом 15. Первый 3 и второй 4 грузовые валы соединены нормально замкнутой, например, кулачковой, сцепной муфтой 16 (далее - сцепная муфта 16).
Полумуфта 17 сцепной муфты 16 (фиг.2) имеет втулку 18, установленную с возможностью поступательного перемещения на шлицевом конце 15 первого грузового вала 3. Полумуфта 19 сцепной муфты 16 неподвижно закреплена на шлицах 20 цапфы 5. Вращающаяся вместе с первым грузовым валом 3 втулка 18 посредством радиально-упорного подшипника 21 взаимодействует с траверсой 22. Траверса 22 смонтирована на направляющих 23 с возможностью возвратно-поступательного перемещения и поджата пружинами 24. Пружины 24 и направляющие 23 смонтированы в закрепленном к корпусу 2 торцевом упоре 25, оборудованном электромагнитами 26 с сердечниками 27, установленными с возможностью взаимодействия с траверсой 22.
Шлицевой конец 15 первого грузового вала 3 посредством муфты 28 соединен с осью диска-носителя кода бесконтактного датчика 29 частоты и фазового угла (далее - датчик 29) дебаланса 11.
В корпусе 2 в плоскости траверсы 22 установлен с возможностью взаимодействия с ней бесконтактный, например, индуктивный, датчик линейных перемещений - БДЛП 30. Цапфа 6 второго грузового вала 4 соединена постоянной муфтой 31 (фиг.1) с валом ротора электродвигателя 32. Бесконтактный датчик 33 частоты и фазового угла (далее - датчик 33) дебаланса 12 идентичен датчику 30, а ось его диска-носителя кода соединена с валом ротора электродвигателя 32. Корпус 2 на уровне оси грузовых валов 3, 4 снабжен горизонтальными фланцами 34. К фланцам 34
закреплена съемная крышка 35 отсека сцепной муфты 16 и съемная крышка 36 отсека грузовых валов 3, 4.
Синхронизирующая система управления вибровозбудителя (фиг.1, 3) содержит смонтированные в блоке 37 программный генератор 38, схему «И» 39 и две однотипные группы элементов управления вибромодулями 1, каждая из которых состоит из частотного дискриминатора 40, блока 41 управления сцепной муфтой 16 (БУСМ), соединенного силовым каналом 42 с обмотками электромагнитов 26, фазовращателей 43, 44, блока 45 автоматической подстройки фазового угла (БАПФУ), сумматора 46, пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора - ПИД-регулятора 47, тиристорного преобразователя 48 для питания электродвигателя 32, переключающего устройства 49 и источника питания 50 низкоскоростного валоповорота электродвигателя 32 (далее - ИПНВ 50), соединенного с переключающим устройством 49 силовым каналом 51.
Считывающая головка датчика 29 каждого вибромодуля 1 соединена фазовым каналом 52 с фазовращателем 44. Считывающая головка датчика 33 соединена фазовым каналом 53 с БАПФУ 45 и фазовращателем 44, а частотным каналом 54 - с частотным дискриминатором 40. БДЛП 30 каждого вибромодуля 1 соединен каналом 55 с фазовращателем 44 и каналом 56 со схемой «И» 39.
Программный генератор 38 соединен с частотным дискриминатором 40 частотным каналом 57 и каналом 58 временной задержки, с БУСМ 41 каналом 59, с фазовращателями 43 и 44 фазовым каналом 60. ИПНВ 50 сообщен с программным генератором 38 каналом 61, а переключающее устройство 49 - каналом 62.
d
В обесточенном состоянии сцепные муфты 16 вибромодулей 1 находятся в силовом замыкании, при котором фазовый угол φ дебалансов 11, 12 равен нулю, а значит, интегральный статический момент дебалансов 11, 12 каждого вибромодуля 1 имеет максимальное значение. Перед
включением вибровозбудителя программным генератором 38 формируются следующие сигналы:
1. Сигнал №1 - выключения сцепной муфты 16;
2. Сигнал №2 - запуска электродвигателя 32 от ИПНВ 50;
d
3. Эталонный сигнал №3 значения фазового угла φ=180° дебалансов 11, 12, кратный угловому шагу кулачков сцепной муфты 16;
4. Сигнал №4 - отключения электродвигателя 32 от ИПНВ 50.
Вибровозбудитель работает следующим образом.
Сигнал №1 подается в БУСМ 41 по каналам 59. По этому сигналу БУСМ 41 подают питание по силовым каналам 42 в обмотки электромагнитов 26 вибромодулей 1. Траверсы 22 (фиг.2) притягиваются к сердечникам 27 электромагнитов, сжимая пружины 24. Движение траверсы 22 каждого вибромодуля 1 через радиально-упорный подшипник 21 сообщается втулке 18, которая переместится влево по шлицевому концу 15 консоли 14 первого грузового вала 3 и разомкнет полумуфты 17, 19 сцепной муфты 16.
По сигналу перемещения траверс 22 БДЛП 30 вибромодулей 1 вырабатывают сигналы, поступающие по каналам 56 в схему «И» 39 и по каналам 55 на фазовращатели 44. Схема «И» 39, срабатывающая при поступлении на нее сигналов БДЛП 30 обоих вибромодулей 1, вырабатывает импульс на программный генератор 38. По команде этого импульса программный генератор 38 подает сигнал №2 по каналам 62 в переключающие устройства 49 и затем, по истечении короткой временной задержки, по каналам 61 в ИПНВ 50. Переключающее устройство 49 каждого вибромодуля 1 переключит электродвигатель 32 с выхода тиристорного преобразователя 48 на выход ИПНВ 50, после чего последний по силовому каналу 51 подаст питание в обмотки электродвигателя 32. Фиксированные выходные параметры ИПНВ 50, согласованные с характеристиками электродвигателя 32, реализуют
вращение его ротора и, следовательно, второго грузового вала 4 с заданной окружной скоростью кулачков полумуфты 19, безопасной для включения сцепной муфты 16.
Одновременно с включением электродвигателей 32 по команде сигналов БДЛП 30, пришедших по каналам 55, на фазовращатели 44 начнут поступать следующие сигналы:
d.0
- сигналы нулевых значений фазовых углов φ дебалансов 11, 12, которые формируются датчиками 29 и передаются на фазовращатели 44 каналами 52;
d.т
- сигналы текущих значений фазовых углов φ дебалансов 11, 12, которые формируются датчиками 33 и передаются на фазовращатели 44 и в БАПФУ 45 фазовыми каналами 53;
- эталонный сигнал №3, поступающий из программного генератора 38 на фазовращатели 44 по фазовому каналу 60.
d.т
d.0
d
d.т
d.0
На каждом фазовращателе 44 сигнал рассогласования текущего значения фазового угла φ дебалансов 11, 12 с сигналом нулевого значения фазового угла φ сравнивается со значением эталонного сигнала №3 фазового угла φ=180°. При достижении равенства сигнала рассогласования значений φ и φ значению эталонного сигнала №3 фазовращатель 44 вырабатывает командный сигнал на БУСМ 41. По командным сигналам фазовращателей 44 БУСМ 41 вибромодулей 1 обесточат обмотки электрмагнитов 26. Траверса 22 каждого вибромодуля 1 под действием импульса сжатых пружин 24 вместе с втулкой 18 и полумуфтой 17 переместится вправо по чертежу (фиг.2) по шлицевому концу 15 консоли 14 грузового вала 3. Полумуфты 17, 19 сцепной муфты 16 войдут в зацепление.
При этом в результате возврата траверс 22 в исходное положение БДЛП 30 вибромодулей 1 вырабатывают сигналы, поступающие по каналам 56 на схему «И» 39 и по каналам 55 на фазовращатели 44.
Фазовращатели 44 блокируют поступление сигналов с датчиков 29 и 33 по каналам 52 и 53, а также поступление эталонного сигнала №3 по фазовому каналу 60. Схема «И» 39 при поступлении сигналов с БДЛП 30 обоих вибромодулей 1 выработает импульс на программный генератор 38, который по команде этого импульса подаст сигнал №4 сначала на ИПНВ 50 по каналам 61, а затем, по истечении короткой временной задержки, на переключающие устройства 49 по каналам 62. ИПНВ 50 прекратят подачу энергии в обмотки электродвигателей 32, которые остановятся. Переключающие устройства 49 вибромодулей 1 переключат электродвигатели 32 с выходов ИПНВ 50 на выходы обесточенных тиристорных преобразователей 48.
Одновременно с этим по команде импульса схемы «И» 39 программный генератор 38 сформирует сигналы, необходимые для последующего запуска и функционирования вибровозбудителя в рабочем режиме. Порядок запуска и рабочего функционирования вибровозбудителя полностью аналогичен прототипу.
Так как электродвигатели 32 запускаются теперь при минимальном или нулевом интегральном статическом моменте дебалансов 11, 12 вибромодулей 1, существенно сокращается время разгона грузовых валов 3, 4 до заданной рабочей частоты, что повышает быстродействие синхронизирующей системы управления вибровозбудителя. При этом очевидно, что для привода пар грузовых валов 3, 4 могут быть использованы электродвигатели, реализующие пусковой момент, меньший максимального значения интегрального статического момента дебалансов 11, 12, т.е. электродвигатели 32 меньшей номинальной мощности и меньших типоразмеров, чем необходимы в прототипе. Это уменьшает энергопотребление, массогабаритные параметры вибровозбудителя и, таким образом, повышает его эксплуатационные качества и снижает стоимость изготовления машины.
Следует отметить, что предлагаемое техническое решение обеспечивает приведение интегрального статического момента дебалансов 11, 12 к минимальному или нулевому значению только путем использования возможностей электродвигателя 32 без обременения вибромодулей 1 какими-либо механическими системами валоповорота, усложняющими конструкцию вибромодулей 1 и снижающими их эксплуатационные качества.
Реализация кратковременно используемых в рабочем цикле вибровозбудителя ИПНВ 50 с фиксированными выходными параметрами, согласованными с характеристиками электродвигателей 32, не ведет к существенному удорожанию синхронизирующей системы управления и повышению ее габаритов и массы.