CN102758877B - 振动补偿设备以及包括该设备和内燃机的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动补偿设备以及包括该设备和内燃机的系统，所述振动补偿设备包括能够沿相反旋转方向旋转的两个转子元件(3A,3B)。所述振动补偿设备由主功率源(1)驱动，所述主功率源(1)用于以连续运转的方式使转子元件(3A,3B)旋转，其中，设置有附加的起动功率源(6)，该附加的起动功率源(6)被用于从停止状态起动所述转子元件(3A,3B)的旋转。

Description

振动补偿设备以及包括该设备和内燃机的系统

技术领域

本发明涉及一种振动补偿设备，该振动补偿设备适于补偿由惯性力产生的振动，所述惯性力源自所述设备所被分配到的内燃机的运转。

背景技术

振动补偿设备是公知的，该振动补偿设备被用来抵消内燃机的运转所产生的振动，所述内燃机例如是被安装在船舶船身上的发动机。具体地，根据现有技术的振动补偿设备包括以相反旋转方向旋转的两个转子元件。这些转子元件相对于旋转轴线偏心并且以相同的旋转速度旋转，以便提供沿推定方向的惯性力。已知的设备被安装在与内燃机一起形成振动系统的结构中。旋转的转子元件的旋转速度和旋转相位基于内燃机的旋转速度和旋转相位被控制。

为了旋转这些转子元件，用于振动补偿设备的所需扭矩经由具体传动装置从内燃机直接获取。然而，在不需要振动补偿的情况下，振动补偿设备导致整个系统的效率降低。

鉴于该问题，提出了一种振动补偿设备，该振动补偿设备由指定的功率源(例如，电动马达)驱动，该功率源被控制以便保持转子元件的旋转与内燃机的旋转之间的所需关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种振动补偿设备，该振动补偿设备适于补偿由源自内燃机的运转的惯性力产生的振动，所述振动补偿设备由规定的功率源驱动，该规定的功率源包括简化结构并且能够以降低的成本被制造。

本发明提供了一种振动补偿设备，该振动补偿设备适于补偿由惯性力产生的振动，所述惯性力源自所述设备所被分配到的内燃机。所述设备包括：转子装置，该转子装置包括能够绕彼此同轴或彼此平行的相应轴线以相反的旋转方向旋转的至少两个转子元件，每个转子元件相对于相应轴线具有与质量相关的偏心率；此外，设置有主功率源，所述主功率源以驱动方式连接到所述转子元件。

所述振动补偿设备包括控制机构，所述控制机构以连续运转的方式控制所述主功率源，使得所述转子元件的旋转速度和旋转相位相对于所述内燃机的旋转速度和旋转相位实现预定关系。

根据本发明的基本概念，除了所述主功率源外，所述设备还包括能够以驱动方式连接到所述转子元件的起动功率源，其中，所述控制机构控制所述起动功率源的起动运转，使得所述转子元件从停止状态朝预定的与旋转相关的状态运动。

根据本发明，所述主功率源被用于保持所述振动补偿设备的预定运转状态。由此，所述主功率源需要提供鉴于所述设备的连续或稳定运转来设计的功率输出或扭矩。也就是说，该主功率源需要提供这样的扭矩，该扭矩足以克服所述设备的连续运转中的摩擦损失并且基于内燃机的旋转速度的变化来执行转子元件的旋转速度的调节。

在转子元件处于停止状态的情况下，转子元件的偏心导致转子元件定位在下止点处的状态。在要求起动转子元件的旋转时，首先，转子元件必须从下止点朝向上止点运动，这需要高扭矩。另一方面，为了开始控制转子元件的旋转相位和旋转速度，应当实现指定的旋转速度。根据本发明的方案，除了主功率源外，还提供有起动功率源，该起动功率源用于使转子元件从下止点运动到上止点并且驱动转子元件，以便实现指定的与旋转相关的状态。

本振动补偿设备的具体结构的效果在于，主功率源可被设计成具有额定扭矩或额定功率，该额定扭矩或额定功率相比于现有技术功率源降低，这是因为主功率源被用于连续或稳定运转，而在起动时，转子元件从停止状态的旋转是通过起动功率源来实现的，该起动功率源被设计成具有足够的扭矩以使转子元件从下止点运动到上止点并且实现指定的与旋转相关的状态。因此，在尺寸、额定扭矩、额定功率以及功率消耗方面能够使得该主功率源减小尺寸。根据本发明，能够总体上减小振动补偿设备的尺寸并且降低该振动补偿设备的制造和运转成本。

优选地，所述起动功率源在起动所述转子元件的旋转时运转以便使所述转子元件从停止状态运动，并且在满足所述预定的与旋转相关的状态时，所述起动功率源停止运转，其中，在满足所述预定的与旋转相关的状态之后，所述转子元件仅由所述主功率源驱动或排他地由所述主功率源驱动。

对于这种装置而言，可以采用仅适用于起动运转的起动功率源，这是因为这种起动功率源对可控性方面的要求是低的。

优选地，如果所述转子元件旋转经过上止点至少一次和/或如果所述转子元件的旋转速度高于预定的起动旋转速度，则满足了所述预定的与旋转相关的状态。

在起动所述设备时，主要要求是转子元件运动经过上止点，使得能够进行振动运转。此外，由于整个旋转系统的惯性，应当实现预定的旋转速度，以便开始对转子元件的旋转相位和旋转速度的控制。

优选地，所述主功率源能够向所述转子元件施加第一扭矩，所述起动功率源能够向所述转子元件施加第二扭矩，其中，所述第一扭矩小于所述第二扭矩。

根据本发明，主功率源可被设计成具有降低的扭矩，这是因为可通过起动功率源的运转来实现需要高扭矩的起动运转。

优选地，所述主功率源由所述控制机构控制，使得所述转子元件的运转速度是内燃机的旋转速度的整数倍，优选地，所述整数倍是2。

已知的是，源自内燃机的运转的二阶振动在总振动频率范围的范围内，该二阶振动应尽可能地减少。然而，可以考虑不同阶，使得能够具有不同于2的值的整数倍。

优选地，能够切换的离合器被设置在所述转子元件和所述起动功率源之间的扭矩传递路径中，其中，在所述起动功率源运转时，能够切换的所述离合器被接合，并且在所述起动功率源不运转时，能够切换的所述离合器被释放。

由于该起动功率源仅在起动时被使用，释放位于所述转子元件和所述起动功率源之间的扭矩传递路径中的能够切换的离合器降低了功率损失，否则由于起动功率源的拖拽而会产生前述功率损失。

优选地，所述设备还包括传动机构，所述起动功率源的扭矩和/或所述主功率源的扭矩被输入到所述传动机构，并且所述传动机构输出组合的扭矩，该组合的扭矩从所述传动机构被传递到所述转子元件。

根据该装置，主功率源的输出扭矩和起动功率源的输出扭矩可被引入到传动机构中并且互相组合，使得组合的扭矩可被输出到转子元件。此外，传动机构被用作这样一种装置，其使得能够使来自相应功率源的旋转速度适应于基于指定传动比的需求。此外，该传动机构还被用作提供旋转的机构，以使转子元件沿相反方向旋转。

优选地，所述设备被布置成使得在从停止状态起动所述转子装置时需要下述额定功率以使所述转子元件从下止点运动经过上止点，所述额定功率是由所述起动功率源提供的额定扭矩，或所述额定功率是由所述起动功率源提供的额定扭矩加上由所述主功率源提供的额定扭矩。

基于上述限定的装置，可仅通过起动功率源的运转或通过起动功率源和主功率源这二者的组合的运转来实现使所述转子元件从下止点运动经过上止点的起动运转。在起动功率源和主功率源这二者的组合的情况下，能够进一步降低起动功率源的尺寸或额定功率或额定扭矩，这是因为起动功率源的输出由主功率源所提供的输出补给。

优选地，所述设备被布置成使得在从停止状态起动所述转子装置时需要下述扭矩以使所述转子元件从下止点运动经过上止点，所述扭矩大于仅由所述主功率源提供的额定扭矩。

通过考虑转子装置的起动运转和连续或稳定运转的不同需要以便最小化主功率源的尺寸，可进一步简化所述系统，并且可进一步降低所述系统的制造成本。

优选地，所述主功率源是电动马达，所述起动功率源是加压气动马达。

更优选地，所述电动马达是交流感应马达和/或所述加压气动马达是涡轮机式气动马达。

电动马达具有实现特定且简单的相位和速度控制的指定属性。此外，交流感应马达可由本领域已知的变频器来控制。

加压气动马达(尤其是涡轮机式气动马达)具有低维护成本并且可由广泛使用的阀控制机构来控制。此外，加压气动马达适于提供起动转子装置所需的高输出扭矩，而不需要特定的相位和速度控制。

主功率源和起动功率源可被实施为不同的装置，只要能够实现上述限定的效果即可。

优选地，所述控制机构从指示所述转子元件的旋转速度和/或旋转相位的传感器和指示所述内燃机的曲轴的旋转速度和/或旋转相位的传感器来获得信号。此外，所述控制机构采用所述信号来控制所述主功率源和所述起动功率源。

基于提供用于指示所讨论的旋转构件的旋转相位或位置的信号的传感器，能够执行旋转相位和旋转速度的简单且精确的控制。

此外，振动补偿设备的运转能够适于这样的需求，即，可以通过使用这种控制，根据需要来改变对内燃机的旋转速度和旋转相位的预定关系。

本发明还提供了一种包括内燃机和前述限定的振动补偿设备的系统，其中所述设备所被分配到的所述内燃机是柴油发动机，优选地是两冲程柴油发动机，其中，所述设备和所述内燃机以振动传递的方式被安装在所述系统的结构中。优选地，该系统被实施为具有形成所述结构的船身的船舶，或作为另选方式实施为具有形成所述结构的底座的发电厂。

附图说明

图1是根据实施方式的振动补偿设备的剖面图。

图2是根据实施方式的振动补偿设备的俯视图。

图3是根据实施方式的振动补偿设备的前部剖面图。

将在下文中基于附图来解释根据本发明的实施方式。

具体实施方式

将在下文中解释根据本发明的振动补偿设备的实施方式。根据该实施方式的所述振动补偿设备能够被实施，以便抵消源自被安装在船舶的船身上的内燃机的振动。

首先，基于附图来阐述振动补偿设备的总体构造。如图1所示，振动补偿设备包括壳体7，该壳体7的底部配置有支承件8。支承件8被形成为使得壳体7能够经由该支承件8安装到需要振动补偿的结构上。具有支承件8的壳体7被安装到前述结构上，使得在所述设备运转时产生的惯性力能够在该设备和该结构(例如，船舶的具有作为驱动源的内燃机的船身)之间传递。

在本实施方式中，转子元件以能够旋转的方式同轴地设置在相应轴颈13A、13B上，这些轴颈13A、13B被安装在壳体中并且形成转子元件3A、3B的相应旋转轴线。转子元件3A、3B经由轴承11A、11B支承在轴颈13A、13B上。如从图1和图3中看到的，转子元件3A、3B相对于其旋转轴线偏心。图3示出了在转子元件定位在下止点的停止状态下形成转子装置3的转子3A、3B。

如图1所示，每个转子元件均配置有从动轮15A、15B，在本实施方式中，从动轮15A、15B由从动链轮形成。转子元件3A、3B被可旋转地支承在所述轴颈13A、13B上，使得转子元件3A、3B能够被独立地旋转。

根据该实施方式的振动补偿设备包括用于驱动转子元件3A、3B的装置，该装置被定位在振动补偿设备的壳体7的顶部上。如从图1中看到的，该装置包括作为主功率源的电动马达1以及作为起动功率源的加压气动马达6，如将在下文解释的。图2示出了定位在加压气动马达6和电动马达1之间的传动机构2。电动马达经由扭矩传递联接件10被驱动地连接到传动机构2。加压气动马达6能够经由离合器连接到传动机构2，该离合器在该实施方式中形成为爪型离合器9并且能够在接合位置和断开位置之间切换。在爪型离合器9的接合位置，加压气动马达6的扭矩能够被引入到齿轮传动机构中。在爪型离合器9断开的情况下，禁止加压气动马达6与传动机构2之间的扭矩传递。

如从图2看到的，传动机构2包括两个输出轴，这些输出轴与加压气动马达6和电动马达1的轴线垂直并且这两个输出轴彼此同轴。这些输出轴配置有驱动轮，在本实施方式中，驱动轮被实施为驱动链轮16A、16B。驱动链轮16A、16B与转子元件3A、3B的从动链轮15A、15B对齐。

如从图3看到的，驱动链轮16A由链条5A连接到从动链轮15A，并且驱动链轮16B由链条5B连接到从动链轮15B。

齿轮传动机构由伞齿轮结构形成，使得来自电动马达1的旋转输入被转换为驱动链轮16A、16B的旋转，从而使得驱动链轮16A、16B的旋转方向彼此相反。驱动链轮16A、16B的旋转被传递到从动链轮15A、15B，从而实现转子元件的相反方向的旋转。驱动链轮16A、16B的尺寸以及从动链轮15A、15B的尺寸被设置成使得在这些链轮之间实现预定传动比。在本实施方式中，驱动链轮16A、16B的尺寸小于从动链轮15A、15B的尺寸，以便增加从传动机构2至转子元件3A、3B的扭矩。

在爪型离合器9被接合的情况下，加压气动马达6的旋转被引入到传动机构2中，并且用于加压气动马达6的控制阀4被打开以便向加压气动马达6供应加压空气。

振动补偿设备还包括未示出的控制机构。该控制机构获得来自传感器的信号，以便执行对振动补偿设备的控制。传感器包括用于检测内燃机的曲轴的旋转位置的传感器，该传感器被设置在振动结构中。此外，控制机构从分别用于检测转子元件3A和转子元件3B的旋转位置的传感器获得信号。基于传感器所提供的信号，可以检测相应元件(即，内燃机的曲轴、转子元件3A和转子元件3B)的旋转相位，并将该旋转相位用于进行控制。

在下文中，将解释根据实施方式的振动补偿设备的控制。

在停止状态下，转子元件3A、3B由于其偏心而定位在下止点处。在所指示的起动需求(即，确定内燃机已经起动)下，控制机构启动用于起动转子元件3A、3B的旋转的起动过程。根据该实施方式，控制机构控制所述控制阀4，使得加压空气被供应到加压气动马达6。在这方面，爪型离合器9被切换到接合位置，使得来自加压气动马达6的扭矩输出被引入到传动机构2中。该传动机构2将扭矩供应到具有相反旋转方向的驱动链轮16A、16B。加压气动马达6的额定扭矩和额定功率被设计成使得施加到驱动链轮16A、16B的扭矩足以使转子元件3A、3B从下止点朝向转子元件3A、3B的上止点运动并使其经过该上止点。

控制机构连续地检测转子元件3A、3B的旋转相位。一旦转子元件3A、3B运动经过上止点，控制机构就确定可以结束所述起动过程。在转子元件3A、3B满足经过上止点至少一次的上述与旋转相关的状态的情况下，该控制机构关断控制阀4并且断开爪型离合器9，使得扭矩不再从加压气动马达6传递到传动机构2。与该过程同步，基于控制机构的控制来启动电动马达1的运转。

电动马达1由控制机构控制，使得转子元件3A、3B的具体旋转状态被实现并且针对振动补偿设备的连续运转被保持。在该实施方式中，旋转状态被设定成使得相应转子元件3A、3B的旋转方向是相反的，并且使得旋转的转子元件以同步的方式运动经过上止点和下止点。基于这种运转，通过旋转转子元件3A、3B产生的惯性力经由轴颈13A、13B被施加到壳体7和支承件8，该惯性力在竖直方向被施加。然而，该设备的惯性力的方向不局限于竖直方向，而是可适用于需要抵消振动的措施的具体结构中。可以通过调节转子元件的旋转相位(这是本领域已知的)来设定惯性力的方向。

电动马达1被设计成便于提供额定扭矩和额定功率，该额定功率足以连续地运转振动补偿设备，即，在起动过程结束之后驱动转子元件3A、3B。因此，与采用电动马达1作为唯一功率源的现有技术系统相比，电动马达可被设计成具有相当低的额定扭矩和低的额定功率。

如上所述的振动补偿设备可用于具有船身的船舶中，其中，用于船舶的功率源是被安装在船身中的内燃机，该船身形成振动系统。振动补偿设备以振动传递的方式被安装在船身中，以便抵消源自内燃机的运转的具体振动动作。在本实施方式中，由于源自内燃机的运转的二阶振动是最重要的振动范围(尤其是对于船舶的船身而言)，因此，振动补偿设备以内燃机的旋转速度的两倍的旋转速度被驱动。然而，由于振动补偿设备的精密控制，可以选择并精确地控制转子元件3A、3B的旋转速度和相位与内燃机的旋转速度和相位的其他关系。

在下文中，将解释修改的实施方式。

虽然主功率源被解释为电动马达1，但是还可利用不同的功率源，例如液压马达。此外，起动功率源被解释为加压气动马达6。但是，起动功率源还可以是不同的功率源，例如液压马达或附加的电动马达。

基于链轮和链条解释了从驱动源到转子元件的功率传递。但是，其他布置也是可能的，只要能实现从功率源到转子元件的功率传递并且满足相位和速度控制的要求即可。

此外，基于将形成转子元件3A、3B的旋转轴线的轴颈同轴布置的结构解释了该实施方式。然而，转子元件3A、3B还可以按不同的方式布置成例如具有平行的轴线，只要能够基于转子元件3A、3B的相反旋转方向实现惯性力即可。

此外，爪型离合器9可由能够实现起动功率源和齿轮传动机构的连接和断开的结构(例如摩擦式离合器或单向轴承)来代替。

已经基于包括一对转子元件的结构示出了本发明。为了抵消多阶振动，可以设置不止一对转子元件，这些转子元件在考虑到不同阶振动的情况下以不同的旋转速度来旋转。本设备的应用不局限于任何规定类型的振动，例如竖直方向的振动或水平方向的振动。此外，该设备的运转能够适应各种要求，具体来，能够适应力的方向和振动的阶数。

在上述实施方式中，针对具有作为振动结构的船身的船舶描述了振动补偿设备的应用。然而，该振动补偿设备还可用于不同的应用，例如发电厂，其中振动系统由发电厂的用于支承内燃机的底座以及用于补偿来自用于产生电力的内燃机的振动的振动补偿设备构成。振动补偿设备的其他应用也是可能的，只要能够实现本发明的效果和优势即可。

振动补偿设备包括能够沿相反的旋转方向旋转的两个转子元件3A、3B。该振动补偿设备由主功率源1驱动，该主功率源用于使转子元件3A、3B以连续运转的方式旋转，其中，还提供有附加的起动功率源6，该附加的起动功率源6用于从停止状态起动转子元件3A、3B的旋转。

Claims (17)

1.一种振动补偿设备，该振动补偿设备适于补偿由惯性力产生的振动，所述惯性力源自所述振动补偿设备所被分配到的内燃机的运转，所述振动补偿设备包括：

转子装置(3)，该转子装置包括能够绕彼此同轴或彼此平行的相应轴线(13A,13B)以相反的旋转方向旋转的至少两个转子元件(3A,3B)，每个转子元件(3A,3B)相对于相应轴线(13A,13B)具有与质量相关的偏心率，在停止状态，每个转子元件(3A,3B)都由于其偏心而被定位在下止点；

主功率源(1)，该主功率源以驱动方式连接到所述转子元件(3A,3B)；以及

控制机构，该控制机构以连续运转的方式控制所述主功率源(1)，使得所述转子元件(3A,3B)的旋转速度和旋转相位相对于所述内燃机的旋转速度和旋转相位实现预定关系，所述振动补偿设备的特征在于，

除了所述主功率源(1)外，所述振动补偿设备还包括能够以驱动方式连接到所述转子元件(3A,3B)的起动功率源(6)，其中，所述控制机构控制所述起动功率源(6)的起动运转，使得作为预定的与旋转相关的状态，所述每个转子元件(3A,3B)均从停止状态朝所述转子元件的上止点运动并经过该上止点。

2.根据权利要求1所述的振动补偿设备，其中，所述起动功率源(6)在起动所述转子元件(3A,3B)的旋转时运转以便使所述转子元件(3A,3B)从停止状态运动，并且在满足所述预定的与旋转相关的状态时，所述起动功率源(6)停止运转，其中，在满足所述预定的与旋转相关的状态之后，所述转子元件(3A,3B)仅由所述主功率源(1)驱动。

3.根据权利要求2所述的振动补偿设备，其中，如果所述转子元件(3A,3B)旋转经过上止点至少一次和/或如果所述转子元件(3A,3B)的旋转速度高于预定的起动旋转速度，则满足了所述预定的与旋转相关的状态。

4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，其中，所述主功率源(1)能够向所述转子元件(3A,3B)施加第一扭矩，所述起动功率源(6)能够向所述转子元件(3A,3B)施加第二扭矩，其中，所述第一扭矩小于所述第二扭矩。

5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，其中，所述主功率源(1)由所述控制机构控制，使得所述转子元件(3A,3B)的运转速度是所述内燃机的旋转速度的整数倍。

6.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，所述振动补偿设备还包括能够切换的离合器(9)，能够切换的所述离合器被设置在所述转子元件(3A,3B)和所述起动功率源(6)之间的扭矩传递路径中，其中，能够切换的所述离合器(9)在所述起动功率源运转时被接合并且在所述起动功率源(6)不运转时被释放。

7.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，所述振动补偿设备还包括传动机构(2)，所述起动功率源(6)的扭矩和/或所述主功率源(1)的扭矩被输入到所述传动机构(2)，并且所述传动机构(2)输出组合的扭矩，该组合的扭矩被从所述传动机构(2)传递到所述转子元件(3A,3B)。

8.根据权利要求7所述的振动补偿设备，其中，所述传动机构(2)将所述组合的扭矩输出到沿着相反的旋转方向的相应转子元件(3A,3B)。

9.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，其中，该振动补偿设备布置成使得在从所述停止状态起动所述转子装置(3)时需要下述扭矩以使所述转子元件(3A,3B)从下止点运动经过上止点，所述扭矩是：

由所述起动功率源(6)提供的额定扭矩，或

由所述起动功率源(6)提供的所述额定扭矩加上由所述主功率源(1)提供的额定扭矩。

10.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，其中，该振动补偿设备布置成使得在从所述停止状态起动所述转子装置(3)时需要下述扭矩以使所述转子元件(3A,3B)从下止点运动经过上止点，所述扭矩大于仅由所述主功率源(1)提供的额定扭矩。

11.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，其中，所述主功率源(1)是电动马达，所述起动功率源(6)是加压气动马达。

12.根据权利要求11所述的振动补偿设备，其中，所述电动马达是交流感应马达和/或所述加压气动马达是涡轮机式气动马达。

13.根据前述权利要求1至3中任一项所述的振动补偿设备，其中，所述控制机构从下述传感器来获得信号：

-指示所述转子元件(3A,3B)的旋转速度和/或旋转相位的传感器；和

-指示所述内燃机的曲轴的旋转速度和/或旋转相位的传感器；

其中，所述控制机构采用所述信号来控制所述主功率源(1)和所述起动功率源(6)。

14.根据权利要求5所述的振动补偿设备，其中，所述整数倍是2。

15.一种包括内燃机以及根据前述权利要求中任一项所述的振动补偿设备的系统，其中，所述振动补偿设备所被分配到的所述内燃机是柴油发动机，其中，所述振动补偿设备和所述内燃机以振动传递的方式安装在所述系统的结构中。

16.根据权利要求15所述的系统，所述系统被实施为：

船舶，该船舶具有形成所述结构的船身；或

发电厂，该发电厂具有形成所述结构的底座。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述振动补偿设备所被分配到的所述内燃机是两冲程柴油发动机。