CN1069388C - 振动补偿设备 - Google Patents

Abstract

一种用于抵消由一个激励源发出的谐振动的振动补偿设备，包括一个第一补偿装置，该装置具有两个转动体(22，23)，这两个转动体以相同的转速(rpm)相向转动，以便在一个方向上产生第一谐变分力。该设备还包括由两个转动体(24，25)组成的第二补偿装置，这两个转动体绕与第一补偿装置的轴平行的轴相向转动，以便在与平行于上述第一谐变分力的方向上产生第二谐变分力。第一补偿装置的转动体(22，23)和第二补偿装置的转动体(24，25)是由不同的无级变速驱动电机(29，30)驱动的。由一个控制和同步装置操纵所述补偿装置的驱动电机(29，30)，以使上述转动体以激励源频率倍数的转速转动。

Description

振动补偿设备

技术领域

本发明涉及一种用于抵消由一个激励源发出的谐振动，如由船舶的发动机产生的振动的振动补偿设备，该设备包括一个具有两个转动体的第一补偿装置，这两个转动体具有相同的偏心质量，并以相同的转速(rpm)绕相互平行的轴线相向转动，以便在一个方向产生一个谐变分力；该设备还包括一个同样具有两个转动体的第二补偿装置，这两个转动体具有相同的偏心质量，并以与第一补偿装置转动体相同的速度绕平行于第一补偿装置的轴线的轴线相向转动，以便在平行于上述第一谐变分力的方向上产生一个第二个谐变分力，所述第一补偿装置的转动体是由至少一个第一无级变速驱动电机驱动，所述第二补偿装置的转动体是由至少一个第二无级变速驱动电机驱动；所述振动补偿设备还包括一个控制和同步装置，用于控制所述驱动装置的驱动电机，以使所述转动体的速度为所述激励源频率的倍数。

背景技术

EP-A1-0 409 462中披露了一种上述类型的振动补偿设备，其中，转动体被安排成所有的转动体都围绕一条共同的转动轴线转动。

DE-C-627949披露了一种振动补偿装置，该装置包括两个以相同的转速绕竖直轴线相向转动的相同的转动体，从而产生一个谐振分力。所述转动体由电机驱动，与一个激励源，如一台活塞式发动机同步运行，以便补偿一定级别的由发动机发出的振动。还建议采用两个这样的补偿装置，以便补偿两种不同级别的振动。

DK-B1-169,848披露了一种振动补偿设备，它包括两个绕平行的轴可转动地用轴颈支承的具有相同偏心质量的转动体，它们通过一个传动装置相互连接在一起，以便以相同的转速相向转动，从而在一个方向上产生一个谐变分力。每个转动体包括一个固定安装在一个轴上的转动体部分，以及一个可拆卸地安装在该轴上的转动体部分，以便脱开进行转动。谐振动分力的变化是通过使每个转动体的固定和可拆卸转动体部分相对转动而实现的，这样做时需要将该补偿设备停机。

DE-C-292,711披露了一种用于补偿活塞式发动机的惯性力的上述类型的补偿设备。该补偿设备通过锥齿轮传动装置与活塞式发动机的相应主轴轴端连接。为了允许由该补偿装置所产生的谐振动分力可以变化，必须将该补偿装置停机，并因此要将发动机停机，而且需要更换转动体或改变两个补偿装置之间的相位差。

发明概述

本发明的目的是要提供一种上述类型的振动补偿设备，它可以在所述振动补偿设备运行时改变其合成振动分力。

本发明振动补偿设备的特征在于，转动体的轴线是这样设置的，从轴线方向看去，其构成一个平行四边形的四角，而且两个补偿装置的转动体具有相同的偏心质量和相同的形状。

通过改变两个补偿装置的谐变分力的相位差，即可在所述设备运行时以无级变速的方式改变该振动补偿设备的总谐振分力；即改变两个补偿装置的总分力和它们之间的相位差。这样，就可以在该设备运行时调整其在改变工作条件期间所提供的对振动条件的补偿，所述工作条件的变化包括船舶的载荷及航速变化，以及天气条件和水深的变化。此外，还可以仅使用两个补偿装置中的一个，从而降低能耗或是在一个补偿装置停止工作时提供额外的安全保障。另外，采用各自由至少一个电机驱动的两个小型补偿装置，可以降低相对采用一个大型补偿装置所必须的起动转矩。后者对于由两个在同一垂直平面上转动的转动体组成的补偿装置来说特别重要，因为其偏心质量在起动过程中以及在该补偿装置的运行期间必须提升。

根据本发明，所述第一补偿装置的转动体可以由一个第一驱动电机驱动，而且通过第一传动装置相互连接在一起，以便相向转动。第二补偿装置的转体可以由一个第二驱动电机驱动，而且通过第二传动装置相互连接在一起，以便相向转动。

此外，根据本发明，每个补偿装置的两个转动体之间的传动装置可包括一个可脱开的连接机构，使两个转动体之间可彼此相对转动，以改变彼此间的相对位置。每个补偿装置的两个转动体间相对位置的变化，会导致上述谐振分力的方向变化。因此，无须转动整个振动补偿设备即可改变其合成谐振分力的方向。

另外，所述可脱开的连接机构，根据本发明可由一个可脱开的连接头组成，该连接头在工作期间即可被脱开。本发明的这一实施方案特别有利于在工作期间改变所述振动补偿设备合成分力的方向。因此，当所述转动体在垂直平面上转动，即绕水平轴转动时，可以使转动体在一种位置上起动该振动补偿设备，此时产生一个水平的合成分力，而且起动转矩很低，随后将所述转动体移动到与需要补偿的方向相应的位置，例如垂直位置上。

再者，第一补偿装置的每个转动体和第二补偿装置的每个转动体可以分别由相应的驱动电机驱动。这样，可以在所述振动补偿装置运行期间改变两个补偿装置中每一个的分力方向，以及两个补偿装置的分力之间的相位差，从而可以在工作期间改变所述振动补偿装置的合成谐振分力的方向和大小。

另外，根据本发明，所述两个补偿装置的转动体可以设置在一个共用壳体内。该方案被视为能使一种振动补偿装置尽可能紧凑的最佳方案。

根据本发明另一实施方案，每个补偿装置的转动体被这样轴向偏置，使对角设置的转动体在同一平面上，从而使每个补偿装置的轴可以有利地以这种方式间隔分布：从轴线方向看去，其转动体在一个共同的区域内摆动。就此而论，当不在同一平面上的两个补偿装置的转动体也被设置成在共同的区域内摆动时，可以使该设备进一步紧凑化。然而，在后一种情形中，必须保证对角设置的转动体不在同一区域内摆动。

最后，根据本发明的每一补偿装置可以包括一个用于至少一个驱动转动体的驱动电机的传感器，该传感器连续监测由所述驱动电动机驱动的转动体的位置和转速(rpm)，还有一个用于连续监测所述至少一个驱动电机或由该电机驱动的转动体的转速的速度传感器。

附图简述

下面结合附图对本发明做详细说明。其中：

图1是本发明振动补偿设备的一种实施方案的顶视图，该设备有四个相同的转动体；

图2是沿图1中A-A线的截面图；

图3是所述转动体的原始位置的顶视图；

图4表示在图1、2和3中所示振动补偿装置的力向上每一转动体的分力变化，从图1和3中看，所述力的方向是竖直的；

图5表示该振动补偿设备的合成分力，此时，该设备如图3所示般地能产生最大的力；

图6表示该振动补偿设备的合成分力，此时，该设备如图1和2所示般地产生一半的力；

图7表示该振动补偿设备以一个相位移进行的合成力的变化；

图8是该振动补偿设备的一个顶视图，此时，它能够产生一个相对竖直方向位移了30°的合成力；

图9是本发明用于补偿由船舶发动机产生的振动的振动补偿设备的示意图；

图10是本发明振动补偿设备第二实施方案的顶视图，该设备有四个相同的转动体；以及

图11是沿图10中B-B线的截面图。

实施本发明的最佳方式

在图1、2和3中所示的本发明振动补偿设备的实施方案，包括一个外壳1，外壳1具有一个筒形壁2、一个上端壁3、一个下端壁4和一个中间壁5。端壁3和4由以其中心线形式示出的螺钉6固定在筒形壁上。在上端壁3与中间壁5之间形成一个上部腔室7，通向该腔室的入口为设在筒形壁2上的通孔8和11。孔8和11可以由盖9和12封闭。在中间壁5与下端壁4之间形成一个下腔室10。

下端壁4包括一个外部凹槽13，由一个下盖14盖着，以便形成一个润滑剂腔15，润滑剂从这里经由未示出的润滑剂导管提供给所述振动补偿设备的轴承和大齿轮。最后，下端壁4形成一个凸缘16，其上设有以它的中心线形式示出的安装孔17，用于把振动补偿设备固定在一个底座上。

四根轴18、19、20、21被设置在外壳1里面，从轴线方向看去，这些轴的轴线位于一个平行四边形的四角。对角设置的轴18、20分别由安装在上端壁3和中间壁5上的轴承支承着。其余两个对角设置的轴19、21分别由安装在中间壁5和下端壁4上的轴承支承着。转动体22、23、24、25分别安装在轴18、19、20、21上，从轴线方向看去，这些转动体大致为一圆的扇形，因此具有一偏置的质量中心。

轴18、19、20、21和安装在其上的转动体22、23、24、25还以这种方式设置在外壳1里：对角安装的上轴18、20相间设置，使其上所安装的转动体在同一平面上转动，但是不在同一区域内摆动。然而，两个补偿装置的装有在不同平面上转动的转动体的轴18，19；21，20设置得如此接近，以致在转动期间转动体22，23；24，25在同一区域内摆动。相应地，一个补偿装置的上轴18，20安装成与另一个补偿装置的下轴19、21如此接近，以致一个补偿装置的上转动体22、24与另一个补偿装置的下转动体在同一区域内摆动。这样制成的振动补偿设备极为紧凑，当该振动补偿设备的力向改变时，安装该设备的底座不会承受进一步的转矩。

每根上轴18、20都延伸通过上端壁3，并包括一个突出的轴端26，在轴端上安装有圆盘27、28。两个变速电动机29、30，如伺服电动机被安装在外壳的外侧。一个电机29通过安装在其输出轴上的圆盘31和齿形带33驱动轴18轴端26上的圆盘27。相应地，另一个电机30通过安装在其轴端上的圆盘32和齿形带34驱动圆盘28以及轴20。电机29、30与上轴18、20之间的驱动连接机构由挡板56、57防护。

每根下轴19、21通过中间壁5略微伸进上腔室7。齿轮36被安装在位于上腔室里的轴端35上。齿轮36与安装在每根上轴18、20上的配对齿轮37啮合，配对齿轮位于相应的转动体22、24与中间壁5之间。安装在伸到上腔室里的下轴19、21的轴端35上的齿轮36是可脱开的设置的，以便可以脱开进行转动。所示实施方案的齿轮36可相对轴端35转动，这种转动是通过经通路38向齿轮36在相应轴端35上的安装部位输送加压液体而实现的。不过，可脱开的齿轮36可通过多种不同的轴/毂连接机构进行安装，例如锥形摩擦连接机构或其它可快速脱开轴和安装在轴上的齿轮间的连接的其它连接装置。最好把可以遥控的可脱开的连接机构用在齿轮36与轴端35之间。该可脱开的连接机构39在图2中用虚线表示。

第一补偿装置由被一台电机29驱动的上转动体22和通过齿轮连接机构被反方向驱动的下转动体23组成。相应地，第二补偿装置由被另一台电机30驱动的另一个上转动体24和通过齿轮连接机构驱动的另一个下转动体25组成。从图1中看，每一补偿装置的转动体在竖直方向产生一个谐变分力，所述分力在-1/4Fc与+1/4Fc之间变化，其中，Fc是该振动补偿设备的最大总分力。后者如图4所示，其中，图3所示的转动体位置被当作原始位置，因此，所述转动体在0°、π和2π时不产生竖直方向的分力。相应地，图5表示所述振动补偿设备最大合成分力Fc的变化，即，此时两个补偿装置被调整到如图3所示的能同时产生最大的力的状态。就此而言，应当指出的是图1和2所示的振动补偿设备不能产生最大的力，而只能产生一半的力，因为补偿装置之一，即包括转动体22和23的补偿装置相对图3中的原始位置位移了-60°，而在图3所示的原始位置上所述振动补偿设备能产生其最大的合成力，同时，包括转动体24和25的另一个补偿装置相对所述原始位置位移了+60°。后者如图6所示，其中，包括转动体22和23的补偿装置的分力用虚线表示，包括转动体24和25的补偿装置的分力用虚点线表示，而合成分力用实线表示。

最后，在外壳1的筒形壁2里安装有四个传感器40、41、42、43，这些传感器监测转动体上的一个点的通过。这些点是沿通过其偏置的质量中心的径向线拧入转动体螺钉的钉头50、51、52、53。在这种情况下，一个补偿装置的传感器40、41被这样设置，以便指示转动体22、23从图3所示的原始位置转动3/2π；而另一个补偿装置的传感器42、43被这样设置，以便指示转动体24、25从所述原始位置转动π/2。

为了改变所述振动补偿设备的合成分力相对图1和3所示方向的力向，安装在两根下轴19、21上的齿轮36被经由其通路38输送至其安装处的加压流体脱开。随后，两根上轴18、20转动相当于两倍的需要改变方向的角，下轴19、21的齿轮36被再次固定。图8表示转动体在一最大合成分力处的位置，此时，后者已相对其在图1和3中的方向改变了+30°。力向的改变，会导致所述点在所述振动补偿设备周期中的同步变化，此时，当从所述力的方向看上去时所述传感器监测转动体上螺钉头的通过。因此，在每个补偿装置上，转动体23、25之一上的钉头51、53相应于力向的角度变化迟一定的转角通过传感器41、43，而其它转动体22、24上的钉头50、52则早相同的转角通过传感器40、42。在力向改变以后，通过改变两个补偿装置间的相位可以改变合成力的大小，正如在上文中所述。

参见图9，将对本发明的振动补偿设备的控制和调整作更为详细的说明，该实施例中的振动补偿装置被用于抵消由船舶上的主发动机或该船舶甲板上的其它激励源所产生的振动。

传感器45连续监测主发动机主轴47上的一个原始位置以及该轴的转速。原始位置通常是指在发动机46的主轴47上测出的第一个汽缸的上部位置。主发动机46的速度也是通过一个速度传感器(脉冲群/传感器)48连续监测的。通过一个控制和同步装置49连续监测所述原始位置的位置和速度。另外，该控制和同步装置49通过速度传感器54、55连续监测第一补偿装置的电机29和第二补偿装置的电机30的速度，并通过传感器40、41、42、43监测四个转动体的位置和转速。而且，该控制和同步装置还提供待补偿的激励源与发动机主轴上的原始位置之间的相位差的数据。

在所述控制和同步装置49中将测得的发动机主轴47的信号与反映伺服电机29和30的速度的信号进行比较，并与来自传感器40、41、42、43的、反映该振动补偿设备的位置和转速的信号进行比较。基于后一种比较，对补偿装置的电机29、30的转速连续进行调整，以使所述振动补偿设备以所需的相角与主发动机以至激励源同步运行，而且提供补偿由所述激励源随时产生的振动所需的补偿力。

当需要改变力的大小时，一个补偿装置的同步被改变一相应的正角，而另一个补偿装置的同步被改变一相应的伏角，正如上文中结合图1、3和6进行说明时所述。上述力的大小既可根据预先在控制和同步装置49中编码的数据改变，又可根据从一个振动测量装置(例如一个加速表)传递给所述控制和同步装置49的信号加以改变。假如所述力的大小是以上述方式改变，则力的大小变化与该力和发动机上的原始位置之间的相角变化无关。当然，也可以仅通过改变一个补偿装置相对所述原始位置的同步来改变力的大小。因此，通过使一个补偿装置相对所述原始位置的同步改变120°，而不改变另一个补偿装置的位置也可以获得半力。其结果是，所述振动补偿设备的力和主发动机的原始位置发生相位移，所述相位移相当于所述补偿装置的同步相对所述原始位置改变的角度的一半，即60°。当把该方法用于改变所述力的大小时，有关该振动补偿设备的力与发动机原始位置之间的改变的相角的数据被或是将被输入所述控制和同步装置49。

当改变所述相角时，两个补偿装置的同步都根据所需要的相角作出改变。因此，图7表示所述振动补偿设备相对于主发动机的相角增加了+60°。相角的改变既可以根据预先编入控制和同步装置49里的数据进行，又可根据从一个振动测量装置传送到控制和同步装置49里的信号进行。

当如结合图8所作的说明改变力向时，在相应的实施例中，相角也同时相应地改变+30°。在力向改变之后，以与改变力向相同的方法调整力的大小和相位，但此时相对于力向改变+30°。

在图10和11中所示的本发明振动补偿设备的实施例包括一个外壳101，该外壳有一个筒形壁102、一个上端壁103和一个下端壁104。上端壁103用以其中心线示出的螺钉106固定在所述筒形壁上。下端壁104包括一个外部凹槽113，其上盖有一个底盖114，以形成一个润滑剂腔115。下端壁104还包括一个凸缘116，其上设有用中心线示出的安装孔117，用于把所述振动补偿设备安装在一个底座上。

在外壳1里面设有四根轴118、119、120、121，从轴线方向看上去，这些轴的轴线158、159、160、161位于一个矩形的四角。每根轴都由设在上端壁103和下端壁104上的轴承支承着，转动体122、123、124、125分别被安装在轴118、119、120、121上，从轴线方向看，这些转动体大致为一圆扇形，因此具有一偏置的质量中心。轴118、119、120、121和安装在这些轴上的转动体122、123、124、125还以这样的方式设置，以使一个转动体在转动期间的摆动区域不同于另一个转动体在转动期间的摆动区域。

每根轴118、119、120、121都延伸通过上端壁103，并包括一个突出的轴端126，在轴端上安装一个圆盘127。将四个变速电机128、129、130、131，如伺服电机安装在外壳101外面。每个电机通过安装在其输出轴端上的圆盘132和齿形带133驱动分别安装在轴118、119、120、121的轴端126上的圆盘127。电机128、129、130、131和轴118、119、120、121之间的驱动连接机构由挡板156防护起来。

转动体122和123被电机128和129以相同的转速反向驱动，并组成第一补偿装置。相应地，转动体125和124被电机131和130以相同的转速反向驱动，并组成第二补偿装置。如结合图1-9所作的说明，在图10中每个补偿装置的转动体都在竖直方向上产生一个谐变分力，该分力在-1/4Fc和+1/4Fc之间变化，其中，Fc是所述振动补偿设备的最大总分力。而且，还应当指出的是，在图10和11中所示的振动补偿设备所处的状态相应于图1和2中所示振动补偿设备的状态，即能产生一半的力的状态，因为具有转动体122和123的第一补偿装置相对图3所示的原始位置位移-60°，而具有转动体124和125的第二补偿装置相对上述原始位置位移+60°。

最后，在外壳101上端壁103里安装有四个传感器140、141、142、143，这些传感器监测转动体上的一个点的通过。所述的点是沿通过转动体偏置的质量中心的一条径向线轴向拧入该转动体的螺钉的钉头150、151、152、153。在这种情况下，具有转动体122、123的第一补偿装置的传感器140、141被设置成能指示转动体122、123从图3所示的原始位置转动3/2π，而具有转动体124、125的第二补偿装置的传感器142、143被这样设置，以便指示转动体124、125从所述原始位置转动π/2。另外，为每个电机128、129、130、131配备一个速度传感器164、165、166、167，以便连续地监测相关电机的速度，以及由这些电机驱动的转动体122、123、124、125的速度。如结合图9所述，所述转动体的位置和速度是由控制和同步装置49连续监测的。

合成分力的大小的改变是按照上文所述的方法，通过改变具有转动体122和123的第一补偿装置与具有转动体124和125的第二补偿装置之间的相位差而实现的。通过以下述方式改变第一补偿装置的转动体122、123之间的相位差，可以改变所述振动补偿装置的合成分力相对于图10和11所示力向的方向：位于转动体122上的螺钉头150较早地以与期望的力向变化角度相当的转角通过传感器141，而位于转动体123上的螺钉头151较晚地以与期望的力向变化角度相当的转角通过传感器141。相应地，第二补偿装置的转动体124和125之间的相位差以下述方式改变：位于转动体124上的螺钉头152较早地以与期望的力向变化角度相当的转角通过传感器142，而位于转动体125上的螺钉头153较晚地以与期望的力向变化角度相当的转角通过传感器143。在图10中顺时针方向的力向变化是正的。因此，当力向要相对图10的竖直方向改变30°时，两个补偿装置的转动体之间的相位差以上述方式改变30°。在实践中，后者是简单地将有关转动体的转动速度加快和减慢，直至获得所需的相位移而实现的。因此，可以在所述振动补偿设备运行期间改变该设备的合成谐振分力的大小和方向。

通过所述控制和同步装置49控制与一个激励源相关的振动补偿设备，详情参见对图9所作的说明，图9为图1-8所示的振动补偿设备。

在不超出本发明范围的前提下，可从很多方面对本发明加以改变。因此，可将转动体的轴线并排设置在同一平面上，而不是分布在一个平行四边形的四角上。另外，所述转动体的轴线可以同轴设置。而且，所述振动补偿设备的转动体还可以绕水平轴线或倾斜轴线转动，而不是绕竖直轴线转动。最后，所述补偿装置可以安装在不同外壳内而不是同一外壳内。

Claims (8)

1、一种用于抵消由一个激励源发出的谐振动，如由船舶发动机产生的振动的振动补偿设备，该设备包括一个具有两个转动体(22，23；122，123)的第一补偿装置，这两个转动体具有相同的偏心质量，并以相同的转速(rpm)绕相互平行的轴线相向转动，以便在一个方向产生一个谐变分力；该设备还包括一个同样具有两个转动体(24，25；124，125)的第二补偿装置，这两个转动体具有相同的偏心质量，并以与第一补偿装置的转动体(22，23)相同的转速绕平行于第一补偿装置的轴线的轴线相向转动，以便在平行于上述第一谐变分力的方向上产生一个第二谐变分力，所述第一补偿装置的转动体(22，23；122，123)是由至少一个第一无级变速驱动电机(29；128，129)驱动，第二补偿装置的转动体(24，25；124，125)是由至少一个第二无级变速驱动电机(20；130，131)驱动；所述振动补偿设备还包括一个控制和同步装置(49)，用于控制所述补偿装置的驱动电机(29，30；128，129，130，131)，以使转动体的转速为所述激励源频率的倍数，其特征在于，所述转动体(22，23，24，25；122，123，124，125)的轴线(22，23，24，25；122，123，124，125)是这样设置的，即从轴线方向看去，其位于一个平行四边形的四角，而且所述两个补偿装置的转动体(22，23，24，25；122，123，124，125)具有相同的偏心质量及相同的形状。

2、如权利要求1所述的振动补偿设备，其特征在于，所述第一补偿装置的转动体(22，23)是由一台第一驱动电机(29)驱动，并由第一传动装置(36，37)相互连接在一起进行相向转动；所述第二补偿装置的转动体(24，25)是由一台第二驱动电机(30)驱动，并由第二传动装置(36，37)相互连接在一起进行相向转动。

3、如权利要求2所述的振动补偿设备，其特征在于，每个补偿装置的两个转动体(22，23，24，25)之间的所述传动装置(36，37)包括一个可脱开的连接机构，使两个转动体可彼此相对转动，以便改变其相互位置。

4、如权利要求3所述的振动补偿设备，其特征在于，所述可脱开的连接机构是一个可脱开的连接头(39)，可在所述设备运行时通过遥控方式将其脱开。

5、如权利要求1所述的振动补偿设备，其特征在于，所述第一补偿装置的每个转动体(122，123)和第二补偿装置的每个转动体(124，125)分别由相应的驱动电机(128，129，130，131)驱动。

6、如权利要求1或2所述的振动补偿设备，其特征在于，所述两个补偿装置的转动体(22，23，24，25；122，123，124，125)被安装在同一外壳(1；101)里。

7、如权利要求1或2所述的振动补偿设备，其特征在于，每个补偿装置的转动体是以这种方式轴向偏置的，对角设置的转动体(22，24；23，25)被安装在同一平面上，而且每个补偿装置的轴线(58，59；60，61)间隔设置，以便从轴线方向看去转动体(22，23；24，25)在同一区域内摆动。

8、如权利要求1或2所述的振动补偿设备，其特征在于，每个补偿装置(22，23；24，25；122，123；124，125)包括一个分别用于驱动所述振动补偿装置的转动体的驱动电机(29，30；128，129，130，131)的传感器(40，41，42，43；140，141，142，143)，所述传感器监测由所述驱动电机驱动的转动体的位置和转速(rpm)，每个补偿装置还包括一个速度传感器(54，55；164；165，166，167)，用于连续监测至少一个驱动电机或由其驱动的转动体的速度。

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