Вибровозбудитель

Полезная модель относится к вибросейсмической технике, используется в качестве генератора направленных колебаний в виброисточниках большой мощности при добыче нефти, а также в строительстве для вибропогружения тяжелых свай и т.п. Вибровозбудитель содержит, по крайней мере, две пары коаксиально установленных в отдельных корпусах грузовых валов с дебалансами, электроприводом в виде электродвигателей и бесконтактными датчиками частоты и фазового угла дебалансов, считывающая головка каждого из них соединена с синхронизирующей системой управления (ССУ). Грузовые валы каждой пары соединены нормально замкнутой сцепной муфтой (НЗСМ), снабженной смонтированным в корпусе электромагнитным приводом с бесконтактным датчиком линейных перемещений, которые соединены с ССУ. Каждый электродвигатель снабжен источником питания его низкоскоростного валоповорота, в качестве которого использован тиристорный преобразователь, для чего ССУ оборудована дополнительными фазовращателями, каждый из которых соединен с фазовыми каналами считывающих головок бесконтактных датчиков частоты и фазового угла дебалансов одной пары грузовых валов. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД регулятор) каждого тиристорного преобразователя соединен командным каналом с программным генератором ССУ для включения ПИД регулятора по сигналу дополнительного фазовращателя. Задача - снижение массогабаритных параметров ССУ, стоимости ее изготовления, расширение функциональных возможностей вибровозбудителя, что вкупе существенно повышает его эксплуатационные качества.

2 ил.

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.

К другому недостатку, снижающемуего эксплуатационные качества, следует отнести неустойчивость рабочих значений фазового угла _р 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 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 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 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 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;

4. Эталонный сигнал 4 - нулевого фазового угла ₀ дебалансов 9, 10;

5. Эталонный сигнал 5 - минимально допустимого значения фазового угла _min 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;

6. Эталонный сигнал 6 - рабочего значения фазового угла _p дебалансов 9, 10, кратный угловому шагу кулачков сцепной муфты 13;

7. Эталонный сигнал 7 - рабочей частоты вращения пар грузовых валов 3, 4 вибромодулей 1, соответствующий рабочему значению фазового угла _р 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 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.

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 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 дебалансов 9, 10 пар грузовых валов 3, 4. На фазовращателях 36 разность сигналов текущих значений фазовых углов дебалансов 9, 10 сравнивается с эталонным сигналом 6. По достижении равенства разности сигналов текущих значений фазового угла 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 _др 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 _р.

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 дебалансов 9, 10 пар грузовых валов 3, 4. Разность сигналов текущих значений фазовых углов дебалансов 9, 10 сравнивается на фазовращателях 36 с эталонным сигналом 5. По достижении равенства разности сигналов текущих значений фазового угла 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.

Из приведенного выше следует, что синхронизирующая система управления позволяет в зависимости от величины начального фазового угла 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 ₀, 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.

Вибровозбудитель, содержащий, по крайней мере, две пары коаксиально установленных относительно друг 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, отличающийся тем, что 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, а в качестве источника питания низкоскоростного валоповорота каждого электродвигателя использован его тиристорный преобразователь из синхронизирующей системы управления, соединенный с электродвигателем силовым каналом, при этом ПИД регулятор тиристорного преобразователя соединен командным каналом с программным генератором для включения ПИД регулятора по сигналу дополнительного фазовращателя, фиксирующего начальный фазовый угол дебалансов пары грузовых валов.