ВИБРОИСТОЧНИК Российский патент 2008 года по МПК B06B1/16 

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к устройствам возбуждения мощных низкочастотных колебаний, например, для вибропогружения строительных конструкций, для вибросейсмических работ при исследовании глубинного строения Земли или для разведки полезных ископаемых вибросейсмическими методами.

Известен виброисточник, содержащий установленный на подшипниковых опорах полый приводной вал, связанный с ним дебаланс с парой пазов, и механизм радиального перемещения дебаланса с приводом, снабженным тягой, расположенной в полости вала, один конец которой связан с возможностью перемещения с дебалансом, второй с приводом [авторское свидетельство СССР №113766, к1 В06В 1/16, 1957].

Недостатком такого виброисточника является низкая надежность из-за поперечных изгибов тяги и передачи радиального центробежного усилия от дебаланса на приводной вал через промежуточные конструктивные элементы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является виброисточник, содержащий установленный на подшипниковых опорах приводной вал, связанный с ним дебаланс с пазом в центральной части вала, и механизм радиального перемещения дебаланса также с пазом для его перемещения в нижней части имеющего шток с поршнем и цилиндром, расположенным внутри вала перпендикулярно его оси вращения, или парой цилиндров, расположенных симметрично и также перпендикулярно оси вращения вала и механически связанного с ним, а обе полости цилиндров наполнены жидкостью и связаны между собой трубопроводом с возможностью регулирования расхода жидкости, причем дебаланс выполнен со смещенным начальным радиусом вращения его центра массы [патент РФ №2240185. Малахов А.П., Аносов В.Н., Чичинин И.С., Малахов А.А. Регулируемый вибровозбудитель. 7 В06В 1/16. Бюл. №32, 20.11.2004] (прототип).

Недостатком этого виброисточника является невысокая надежность и низкие энергетические показатели из-за циркуляции больших реактивных энергий между двигателем, приводным валом и дебалансом, неустойчивая синхронизация.

Задачей изобретения является увеличение надежности, улучшение энергетических показателей и улучшение синхронизации работы полумодулей виброисточника.

Указанная задача достигается тем, что в виброисточнике, содержащем четное количество полумодулей с установленными на подшипниковых опорах приводными валами, связанными с ними дебалансами с механизмами радиального перемещения дебалансов, и каждый полумодуль виброисточника выполнен из двух идентичных дебалансов, сдвинутых на каждом валу полумодулей на 90°, а каждый дебаланс полумоделей выполнен с пазом для его перемещения относительно вала квадратной формы, к которому днищем закреплен гидроцилиндр с возможностью перемещения внутри дебаланса, связанного штоком гидроцилиндра с его поршнем, обе образованные полости гидроцилиндров связаны между собой трубопроводом с регулируемым дросселем, причем дебалансы выполнены со смещенными начальными минимальными радиусами вращения центров их масс, все нижние полости гидроцилиндров связаны через центры приводных валов трубопроводами, оба вала полумодулей связаны между собой полым, заполненным жидкостью гибким валом с переключателем первоначальной установки направления этих усилий вибраций относительно излучающей платформы, камеры дебалансов с противоположной стороны от валов и гидроцилиндров выполнены герметичными и заполнены воздухом повышенного давления.

На фиг.1 дан общий вид виброисточника с двумя дебалансами на каждом валу полумодулей; на фиг.2 дан продольный разрез механизма изменения центра вращения дебаланса с r_min поперек приводному валу; на фиг.3 дан разрез дебаланса с максимальным значением его центра вращения массы - r_max.

Виброисточник (фиг.1) содержит установленные на подшипниковых опорах 1 приводные валы 2, связанные с ними дебалансы 3, 4 одного полумодуля 5 и дебалансы 6, 7 другого полумодуля 8, валы 2 между собой связаны гибким синхронизирующим валом 9 с механизмом 10 изменения взаимного положения валов 2 в пространстве. Подшипниковые опоры 1 жестко связаны между собой и установлены на жесткую излучающую платформу 11, прижатую к грунту пригрузочной массой через пружины 12. Для погружения и извлечения строительных конструкций виброизлучающая платформа снабжается специальным шаботом или наголовником.

Дебалансы 3, 4 полумодуля 5 связаны с валом 2 штоками (тягами) 13, 14, а дебалансы 6, 7 полумодуля 8 связаны со своим приводным валом 2 тягами 15, 16 соответственно. На фиг.1 показано положение дебалансов с максимальным значением их радиусов вращения центров масс. В каждом полумодуле дебалансы 3, 4 и 6, 7 своими штоками смещены в пространстве на углы 90°.

Каждый дебаланс виброисточника выполнен регулируемым. На фиг.2 и 3 показаны дебалансы с минимальным r_min и максимальным r_max центрами вращения их масс относительно своих валов. Каждый дебаланс выполнен из цилиндрических отрезков 17, внутри которых выполнены пазы, в которых перемещаются валы 18 квадратной формы, к плоскостям которых жестко крепятся днище 19 гидроцилиндров 20. В гидроцилиндрах 20 перемещаются поршни 21 с ограничителями ходов 22, 23.

Поршни 21 своими штоками 24 жестко связаны с телом дебалансов 17. Обе полости 25, 26 гидроцилиндров связаны между собой трубопроводами 27 с регулируемым дросселем 28 и быстроразъемным клапаном 29, внутренние полости 25 гидроцилиндров 20 трубопроводами 30 связаны через центры валов с гибкими заполненными жидкостью валами 9 (фиг.1), соединенными между собой механизмом 10 изменения взаимного положения полумодулей 5, 8. Для автоматического взвода всех дебалансов в исходное положение с r_min камеры 31 дебалансов выполнены герметичными и заполнены воздухом повышенного давления (фиг.1).

Виброисточник работает следующим образом.

В исходном положении с помощью быстроразъемного соединения 29 (фиг.2, 3) от гидростанции с давлением Р в верхнюю часть 26 гидроцилиндров 20 закачивается жидкость и дебалансы занимают положение с минимальной величиной их центров массы r_min. Это положение показано на фиг.2. Образованная камера 31 в дебалансах заполняется воздухом повышенного давления, что обеспечивает поддержание положений дебалансов с r_min при отключении быстроразъемного соединения 29 гидростанции и автоматический взвод их после каждого сеанса вибраций.

Каждый вал 2 дебалансов полумодулей 5, 8 вращается электродвигателями с регулируемыми электроприводами (не показаны). Синхронное вращение валов 2 полумодулей 5, 8 обеспечивается следящерегулируемыми системами управления или синхронизирующим гибким валом 9 с механизмом 10 изменения направления создаваемых суммарных усилий вибраций (фиг.1). Валы 2 полумодулей электродвигателями вращаются синхронно и синфазно, но в разные стороны соответственно со скоростями +ω и -ω. В исходном состоянии все дебалансы находятся в нижнем положении с углами штоков 13, 14 и 15, 16 в ±45° по отношению к, например, вертикального направления создаваемых виброисточником усилий вибраций.

Пуск виброисточника производится при радиусах вращения центров их масс с r_min, что обеспечивает минимальный пусковой момент для электродвигателей. При пуске электродвигателей каждый дебаланс создает центробежное усилие в соответствии с выражением

F_ц.б=m·r·ω²·sinωt,

где m - масса дебаланса (кг); r - радиус вращения центра массы дебаланса (м); ω - круговая частота вращения (рад/сек).

При выходе на заданную максимальную частоту вращения дебалансов они создают центробежное усилие, которое через штоки 24 с поршнями 21 создают избыточное давление в камерах 26 гидроцилиндров 20. Под действием этого избыточного давления жидкость из камер 26 начинает через трубопровод 27 и дроссель 28 перетекать в камеру 25. Радиус г центра масс дебалансов начинает увеличиваться. Это приводит к увеличению величин центробежных усилий, но это усилие путем введения обратной связи по величине усилия в систему управления стабилизируется путем снижения скорости вращения электродвигателей. Время сеанса работы виброисточника определяется регулировкой дросселей 28 и заканчивается при минимальной частоте вибрации при установлении радиусов вращения центров масс дебалансов, равных r_max (фиг.3). r_min и r_max дебалансов определяются ограничителями ходов 22, 23 поршня 21 в гидроцилиндре 20.

При работе виброисточника между приводными электродвигателями, силовыми валами и дебалансами циркулируют большие кинетические энергии в соответствии с выражением:

W=(W₁+W₂+W₃)·sin²ω·t,

- кинетическая энергия дебаланса за счет момента инерции дебаланса относительно оси, проходящей через центр его массы;

- кинетическая энергия за счет момента инерции дебаланса относительно оси, проходящей через центр приводных валов вращения;

- кинетическая энергия дебаланса при его возвратно поступательном перемещении относительно центра приводного вала.

Эти энергии, особенно при низких частотах вибрации, где устанавливаются большие величины r_max, приводящие к большим окружным скоростям и скоростям в режимах возвратно поступательного перемещения приобретают очень большие значения и в виде активной мощности загружают приводные электродвигатели и их преобразовательные агрегаты. При этом угол ϕ между создаваемой силой и виброскоростью валов дебалансов равен 90°, a cosϕ=0, то есть активная излучающая мощность на излучающей платформе 11 (фиг.1) практически равна нулю.

Для устранения такого отрицательного энергетического эффекта каждый полумодуль центробежного виброисточника снабжается двумя регулируемыми дебалансами 3, 4 и 6, 7 в каждом полумодуле (фиг.1). Каждая пара дебалансов сдвинута на валу квадратной формы на 90°. Это приводит к тому, что все вышеприведенные кинетические энергии одного дебаланса в полумодуле изменяются по закону:

а второго дебаланса этого же полумодуля по закону:

То есть все кинетические энергии одного дебаланса, циркулирующие между ним и валом с двойной круговой частотой полностью компенсируются (уничтожаются) такими же величинами этих энергий с этой же двойной частотой, но все с обратными знаками. Это полностью исключает вредную циркуляцию кинетических энергий в виброисточнике, а угол сдвига между вынуждающей силой и виброскоростью становится равным 45°, что дает величину cosϕ=0,707, а не 0, как в виброисточниках с полумодулями с одинарными дебалансными массами.

Это приводит к увеличению общей массы дебалансов в 1,4 раза, но зато увеличивает величину активной мощности на излучающей платформе практически на величину 0.707/0, что дает значительное преимущество конструктивной схемы предлагаемого виброисточника.

Обеспечение синхронизации вращения валов дебалансов полумодулей с помощью гибкого синхронизирующего вала значительно упрощает конструкцию вибросейсмоисточника и облегчает синхронизацию, управляемость и надежность работы.

Введение устройства 10 (фиг.1) для изменения ориентации направленности суммарного вибрационного усилия относительно излучающей платформы обеспечивает легкую перестройку виброисточника от генерации продольных Р волн (волны сжатия, как это показано на фиг.1) до генерации поперечных S волн (волн сдвига виброплатформы относительно грунта в горизонтальном направлении). Возможна и ориентация генерируемых волн, например, со сдвигом ±45° относительно вертикального направления.

Перенастройка виброисточника на другую ориентацию излучаемых волн осуществляется простым поворотом фланцев устройства 10 (фиг.1) относительно друг друга (на фиг.1 не показано).

Заполнение полости 31 сжатым воздухом повышенного давления расчетной величины превращает эту полость в возвратную пружину, которая после сеанса вибрации автоматически возвращает виброисточник в исходное состояние. А при пониженных усилиях вибраций может быть осуществлен и процесс излучения при обратном ходе виброисточника при плавном увеличении частоты вибрации.

Изобретение значительно увеличивает надежность работы вибросейсмоисточника из-за выполнения приводных валов без дополнительных пазов, улучшает энергетические показатели, улучшает режимы синхронизации при любых частотах создаваемых усилий вибраций.

Изобретение относится к устройствам возбуждения мощных низкочастотных колебаний. Техническим результатом изобретения является увеличение надежности, улучшение энергетических показателей и улучшение синхронизации работы. Виброисточник содержит четное количество полумодулей с установленными на подшипниковых опорах приводными валами, связанными с ними дебалансами с механизмами радиального перемещения дебалансов. При этом каждый полумодуль виброисточника выполнен из двух идентичных дебалансов, сдвинутых на каждом валу полумодулей на 90°. Каждый дебаланс полумодулей выполнен с пазом для его перемещения относительно вала квадратной формы, к которому днищем закреплен гидроцилиндр с возможностью перемещения внутри дебаланса, связанного штоком гидроцилиндра с его поршнем, обе образованные полости гидроцилиндров связаны между собой трубопроводом с регулируемым дросселем. Дебалансы выполнены со смещенными начальными минимальными радиусами вращения центров их масс, все нижние полости гидроцилиндров связаны через центры приводных валов трубопроводами, оба вала полумодулей связаны между собой полым, заполненным жидкостью, гибким валом с переключателем первоначальной установки направления этих усилий вибраций относительно излучающей платформы. Камеры дебалансов с противоположной стороны от валов и гидроцилиндров выполнены герметичными и заполнены воздухом повышенного давления. 3 ил.

Виброисточник, содержащий четное количество полумодулей с установленными на подшипниковых опорах приводными валами, связанными с ними дебалансами с механизмами радиального перемещения дебалансов, отличающийся тем, что каждый полумодуль виброисточника выполнен из двух идентичных дебалансов, сдвинутых на каждом валу полумодулей на 90°, а каждый дебаланс полумодулей выполнен с пазом для его перемещения относительно вала квадратной формы, к которому днищем закреплен гидроцилиндр с возможностью перемещения внутри дебаланса, связанного штоком гидроцилиндра с его поршнем, обе образованные полости гидроцилиндров связаны между собой трубопроводом с регулируемым дросселем, причем дебалансы выполнены со смещенными начальными минимальными радиусами вращения центров их масс, все нижние полости гидроцилиндров связаны через центры приводных валов трубопроводами, оба вала полумодулей связаны между собой полым, заполненным жидкостью, гибким валом с переключателем первоначальной установки направления этих усилий вибраций относительно излучающей платформы, камеры дебалансов с противоположной стороны от валов и гидроцилиндров выполнены герметичными и заполнены воздухом повышенного давления.