一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置

摘要

本发明公开了一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置，包括底座和若干组缓震垫、补偿组件，缓震垫设置在底座上，补偿组件的头部嵌入缓震垫内。补偿组件包括第一管缸、第二管缸、油液循环组件和反馈校正控制器，缓震垫背离底座的表面上设有竖直的收纳孔；第一管缸包括信号管，信号管设置在缓震垫内，信号管内朝上设置信号活塞，压力传感器的测点位于信号管内侧面或底部；第二管缸包括调压管、反馈活塞、升压管、泄压管和电磁阀，调压管内朝上设置反馈活塞，调压管内侧面或底部通过升压管和泄压管连接油液循环组件，升压管和泄压管管路上均设置电磁阀；电磁阀、压力传感器均与反馈校正控制器电连接。

权利要求

1.一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置，其特征在于：所述共振消除装置包括底座（3）和若干组缓震垫（1）、补偿组件（2），所述缓震垫（1）设置在底座（3）上，所述补偿组件（2）的头部嵌入缓震垫（1）内；

所述补偿组件（2）包括第一管缸（21）、第二管缸（22）、油液循环组件（23）和反馈校正控制器（24），所述缓震垫（1）背离底座（3）的表面上设有竖直的收纳孔（11）；

所述第一管缸（21）包括信号管（211）、信号活塞（212）、压力传感器（215），所述信号管（211）设置在缓震垫（1）内，信号管（211）底部封闭，信号管（211）内朝上设置信号活塞（212），所述信号活塞（212）的顶端位于收纳孔（11）内、且信号活塞（212）的顶端低于缓震垫（1）上表面，所述压力传感器（215）的测点位于信号管（211）内侧面或底部；

所述第二管缸（22）包括调压管（221）、反馈活塞（222）、升压管（223）、泄压管（224）和电磁阀（225），所述调压管（221）内朝上设置反馈活塞（222），所述反馈活塞（222）的顶部位于收纳孔（11）内、且反馈活塞（222）的顶端与信号活塞（212）的顶端齐平，所述调压管（221）内侧面或底部通过升压管（223）和泄压管（224）连接油液循环组件（23），所述升压管（223）内流体流动方向为从油液循环组件（23）往调压管（221），所述泄压管（224）内流体流动方向为从调压管（221）往油液循环组件（23），所述升压管（223）和泄压管（224）管路上均设置电磁阀（225）；

所述电磁阀（225）、压力传感器（215）均与反馈校正控制器（24）电连接；

所述油液循环组件（23）包括高压罐（231）、低压罐（232）、升压泵（233），所述高压罐（231）和低压罐（232）通过升压泵（233）连接进行流体升压，所述高压罐（231）连接升压管（223），所述低压罐（232）连接泄压管（224）；

所述第一管缸（21）还包括预调管（213）和手阀（214），所述预调管（213）一端连接至信号管（211）内、一端连接至外部压力源，预调管（213）上安装手阀（214）；

所述信号管（211）和调压管（221）为套嵌设置，信号管（211）设置在调压管（221）内上部，信号管（211）下部外壁通过支架安装到调压管（221）内壁上，所述反馈活塞（222）为环状。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置，其特征在于：所述手阀（214）为带压力表的调压手阀。

说明书

一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置

技术领域

[0001] 本发明涉及振动消除装置领域，具体是一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置。

背景技术

[0002] 机器在运行过程中均为发生振动，只是振幅大小的区别。现有技术中一般通过在机器的底脚与底座之间设置缓冲减震垫来抵消振动，但效果时常不够理想。

[0003] 机器的振动大多分为两种，一种是由于轴承或主轴公差导致的振动是低幅的高频振动，这部分振动的频率一般为机器转速的倍数，频率较高；还有一种是由于运行工况等因
素耦合产生的高幅振动：例如气体泵输送时由于周期性的压力波动导致地机器周期性振
动、或某一扰动力累积在主轴上在到达一定程度后短时释放然后进入下一累积过程。缓震
垫只能用于消除低幅的振动，而大振幅的振动较难通过缓震垫消除，因为缓震垫如果较硬，
那么其振动隔离效果就较差，会损失其低幅的振动消除效果，如果缓震垫较软，那么其需要
较大的变形才能抵消压力变化，使得底脚位移较大，进而影响机器运行稳定性。现有技术尚
未有针对性的分类消除装置，而某一未消除的振动可能引发机器共振造成严重事故。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置，以解决现有技术中的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置，包括底座和若干组缓震垫、补偿组件，缓震垫设置在底座上，补偿组件的头部嵌入缓震垫内。

[0007] 底座即大型机器所用于安装的底座，大型机器有若干底脚，在每处底脚和底座之间加入缓震垫隔离高频低幅振动，本发明通过在缓震垫内加入补偿组件，让底脚因为振动
而下压缓震垫较大时，反向顶起底脚，减轻缓震垫负荷的作用。

[0008] 进一步的，补偿组件包括第一管缸、第二管缸、油液循环组件和反馈校正控制器，缓震垫背离底座的表面上设有竖直的收纳孔；

[0009] 第一管缸包括信号管、信号活塞、压力传感器，信号管设置在缓震垫内，信号管底部封闭，信号管内朝上设置信号活塞，信号活塞的顶端位于收纳孔内、且信号活塞的顶端低
于缓震垫上表面，信号活塞被信号管内表面上的一个环状限位凸起勾住，使得信号活塞不
能由于信号管内的压力而无限地向上推出，只能到达环状限位凸起的高度位置，运行时只
能被下压，此时位置信号活塞的顶端低于缓震垫上表面，压力传感器的测点位于信号管内
侧面或底部；

[0010] 第二管缸包括调压管、反馈活塞、升压管、泄压管和电磁阀，调压管内朝上设置反馈活塞，反馈活塞的顶部位于收纳孔内、且反馈活塞的顶端与信号活塞的顶端齐平，反馈活
塞也被调压管内壁上的一个环状限位凸起勾住，也不能无限上移，只能被下压，调压管内侧
面或底部通过升压管和泄压管连接油液循环组件，升压管内流体流动方向为从油液循环组
件往调压管，泄压管内流体流动方向为从调压管往油液循环组件，升压管和泄压管管路上
均设置电磁阀；

[0011] 电磁阀、压力传感器均与反馈校正控制器电连接。

[0012] 补偿组件的流程原理是：当底脚因为大幅振动下压到达信号活塞和反馈活塞时，信号活塞和反馈活塞均被下压，信号管内压力升高，由压力传感器对反馈校正控制器给出
信号，反馈校正控制器获得信号而控制升压管上的电磁阀打开，进而将油液循环组件内的
高压油引入调压管内，调压管内油压升高，反馈活塞反向顶向底脚的力越大，直至抵消，底
脚由于大幅振动的下压过程分为下压力增加与下压力消减两段曲线，在下压力增加环节，
调压管内油压升高，而在下压力消减环节，调压管内油压通过泄压管卸除，如果在振动发生
后再进行调压管油压调节，则显得滞后，所以通过反馈校正控制器来调配电磁阀、压力传感
器的信号与开关量，达到自动控制的目的，自动控制是一个闭环控制系统，附加的一些期望
条件是：系统允许有较大的稳态误差，但超调量要较大，上升时间、调节时间要较小。

[0013] 另外，由于自控调节量处于调压管，而目标量处于信号管，而反馈活塞被一个限位凸起挡住，使得调压管内的油压可能连续升高至油液循环组件所能提供的最大油压，之后
再进行抵抗底脚振动时，相当于底脚踢到一块“铁板”，刚性碰撞无法起到缓震作用，所以如
果每次调节过后需要将调压管内油压复原，为了实现此特性，应当在调压管和信号管之间
设置独立的自控调节逻辑，实现前述调节后，再将调压管和信号管内的压力量调节为原始
比例，调压管侧面也就需要设置相应的压力传感器连接至反馈校正控制器上，反馈校正控
制器承担两路自控调节的枢纽。调压管和信号管之间的自控调节优先级低于总调节过程，
只有当总调节过程进入稳态后才启动调压管和信号管的自控调节。

[0014] 油压的传导迅速，作为自控系统的传递介质，应对底脚的低频高幅振动能够满足传递速度需求。

[0015] 进一步的，油液循环组件包括高压罐、低压罐、升压泵，高压罐和低压罐通过升压泵连接进行流体升压，高压罐连接升压管，低压罐连接泄压管。

[0016] 高压罐、低压罐内分别存纳高压与低压油液，时刻准备通往调压管内或收纳调压管内泄放过来的油液；升压泵保持高压罐、低压罐的工作压力。

[0017] 进一步的，第一管缸还包括预调管和手阀，预调管一端连接至信号管内、一端连接至外部压力源，预调管上安装手阀。预调管和手阀用于初始设定信号管内的压力，作为自控
系统中的期望值。

[0018] 作为优化，手阀为带压力表的调压手阀。手阀打开则往信号管内引入压力，带一个压力表则方便现场观察是否达到预设值，不然需要从压力源的引入处进行检测或预先调
整。

[0019] 作为优化，信号管和调压管为套嵌设置，信号管设置在调压管内上部，信号管下部外壁通过支架安装到调压管内壁上，反馈活塞为环状，反馈活塞的下部密封环与信号管外
壁、调压管内壁接触。

[0020] 环状的反馈活塞和信号活塞同心设置，底脚对其两者的施力是水平均匀的，不会因为施力位置的不同导致与水平面产生偏斜，进而影响自控精度。

[0021] 作为优化，第二管缸还包括转压活塞，调压管下端延伸至与其距离最远的缓震垫内，调压管下端管口朝下，转压活塞设置在调压管下端并与底座接触。除非补偿组件内反馈
校正控制器的传递函数设计的非常合适，超前调节的时机非常到位，否则即使大部分的振
动已经被补偿消除了，总会有一部分未能被补偿组件消除的底脚振动加载到调压管上，而
转压活塞的设置就为了把这部分力引导至最远处的底座位置，一般一个底脚下压时，与其
相距最远的底脚是上扬的，此处对于底座的压力较小，而转压活塞接触在这一位置，能让这
一位置为处于高幅振动的底脚提供支撑力，从而让压力均匀释放到底座上。

[0022] 作为优化，电磁阀为高速电磁阀。高速电磁阀响应时间极短，顺应自控系统的需求，尽可能消除因为硬件问题导致的自控调节时间加长。

[0023] 作为优化，反馈校正控制器为PD或PID控制器。PD控制器即为比例微分控制器，其超前校正性能优良，减小系统调节时间，而且相位稳定裕度较优。PID控制器即为比例微分
积分控制器，其不仅具备PD控制器的特性，也具有可以改善系统稳态性能的PI控制器的特
性，虽然在本发明中稳态特性中的稳态误差并不是优先考量的因素。PD或PID控制器都是自
控中常用的成熟控制器，买回来进行设定即可。

[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明缓震垫自适应地消除底脚低幅高频振动，通过补偿组件来补偿高幅振动，补偿组件内包括超前调节的自动控制系统和收集
系统信息以及进行调节的执行部件，反馈活塞由受到反馈校正控制器控制的调压管内油压
为底脚提供一个支撑力抵消振幅，这一力通过油压施加，无需像缓冲垫一样需进行变形后
才能提供；高速电磁阀、油压传递等工作部件与介质响应时间很短，短于底脚的高幅振动周
期，不会因为硬件而受到自控调节制约；内外环层套式的信号活塞与反馈活塞受力与反馈
均匀，同处一水平面上，不会出现由于偏斜的施力角度导致受力情况偏离预期。

附图说明

[0025] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

[0026] 图1为本发明的总体外形结构示意图；

[0027] 图2为本发明的缓震垫、补偿组件的剖视图；

[0028] 图3为图2中的视图A；

[0029] 图4为图2中的视图B；

[0030] 图5为本发明第一管缸、第二管缸头部的结构示意图；

[0031] 图6为本发明补偿组件的工作流程示意图；

[0032] 图7为机器振动的振动曲线示意图；

[0033] 图8为补偿组件补偿叠加曲线示意图；

[0034] 图9为补偿组件反馈调节系统的控制框图。

[0035] 图中：1‑缓震垫、11‑收纳孔、2‑补偿组件、21‑第一管缸、211‑信号管、212‑信号活塞、213‑预调管、214‑手阀、215‑压力传感器、22‑第二管缸、221‑调压管、222‑反馈活塞、
223‑升压管、224‑泄压管、225‑电磁阀、229‑转压活塞、23‑油液循环组件、231‑高压罐、232‑
低压罐、233‑升压泵、24‑反馈校正控制器、3‑底座、9‑底脚板。

具体实施方式

[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037] 如图1、2所示，一种基于振动补偿的大型机器用共振消除装置，包括底座3和若干组缓震垫1、补偿组件2，缓震垫1设置在底座3上，补偿组件2的头部嵌入缓震垫1内。

[0038] 底座3即大型机器所用于安装的底座，大型机器有若干底脚9，在每处底脚9和底座3之间加入缓震垫1隔离高频低幅振动，本发明通过在缓震垫1内加入补偿组件2，让底脚9因
为振动而下压缓震垫1较大时，反向顶起底脚9，减轻缓震垫1负荷的作用。

[0039] 如图3、6所示，补偿组件2包括第一管缸21、第二管缸22、油液循环组件23和反馈校正控制器24，缓震垫1背离底座3的表面上设有竖直的收纳孔11；

[0040] 第一管缸21包括信号管211、信号活塞212、压力传感器215，信号管211设置在缓震垫1内，信号管211底部封闭，信号管211内朝上设置信号活塞212，信号活塞212的顶端位于
收纳孔11内、且信号活塞212的顶端低于缓震垫1上表面，信号活塞212被信号管211内表面
上的一个环状限位凸起勾住，使得信号活塞212不能由于信号管211内的压力而无限地向上
推出，只能到达图3中的高度位置，运行时只能被下压，此时位置信号活塞212的顶端低于缓
震垫1上表面，压力传感器215的测点位于信号管211内侧面或底部；

[0041] 第二管缸22包括调压管221、反馈活塞222、升压管223、泄压管224和电磁阀225，调压管221内朝上设置反馈活塞222，反馈活塞222的顶部位于收纳孔11内、且反馈活塞222的
顶端与信号活塞212的顶端齐平，反馈活塞222也被调压管221内壁上的一个环状限位凸起
勾住，也不能无限上移，只能被下压，调压管221内侧面或底部通过升压管223和泄压管224
连接油液循环组件23，升压管223内流体流动方向为从油液循环组件23往调压管221，泄压
管224内流体流动方向为从调压管221往油液循环组件23，升压管223和泄压管224管路上均
设置电磁阀225；

[0042] 电磁阀225、压力传感器215均与反馈校正控制器24电连接。

[0043] 补偿组件2的流程原理如图6所示，当底脚9因为大幅振动下压到达信号活塞212和反馈活塞222时，信号活塞212和反馈活塞222均被下压，信号管211内压力升高，由压力传感
器215对反馈校正控制器24给出信号，反馈校正控制器24获得信号而控制升压管223上的电
磁阀225打开，进而将油液循环组件23内的高压油引入调压管221内，调压管221内油压升
高，反馈活塞222反向顶向底脚9的力越大，直至抵消，底脚9由于大幅振动的下压过程分为
下压力增加与下压力消减两段曲线，在下压力增加环节，调压管221内油压升高，而在下压
力消减环节，调压管221内油压通过泄压管224卸除，达到图8中的补偿曲线，如果在振动发
生后再进行调压管221油压调节，则显得滞后，所以通过反馈校正控制器24来调配电磁阀
225、压力传感器215的信号与开关量，达到自动控制的目的，自动控制的系统框图如图9所
示，是一个闭环控制系统，目标量为G4的输出量Y（s），G4对应补偿组件2中的信号管211，Y
（s）对应压力传感器215的输出值，R（s）为信号管211内压力的原始预设值，G1对应反馈校正
控制器24，来自压力传感器215的信号Y（s）与预设值R（s）在反馈校正控制器24中进行差值
比较，转换为G2的控制信号，G2对应第二管缸22，油压的升高或降低由G1控制，G2反馈到G3
上，G3对应底脚9，机器的振动作为扰动因素N（s）加载进自控系统，自控领域技工根据本控
制逻辑与框图，进行反馈校正控制器24内的具体的传递函数参数值设定，由于振动的波动
可以近似视为正弦变化，在自控中是一种二阶系统，根据本发明的应用场合，附加的一些期
望条件是：系统允许有较大的稳态误差，但超调量要较大，上升时间、调节时间要较小。

[0044] 另外，由于自控调节量处于调压管221，而目标量处于信号管211，而反馈活塞222被一个限位凸起挡住，使得调压管221内的油压可能连续升高至油液循环组件23所能提供
的最大油压，之后再进行抵抗底脚9振动时，相当于底脚9踢到一块“铁板”，刚性碰撞无法起
到缓震作用，所以如果每次调节过后需要将调压管221内油压复原，为了实现此特性，应当
在G2/G4之间设置独立的自控调节逻辑，使得实现图9调节后，再将G2/G4内的压力量调节为
原始比例，调压管221侧面也就需要设置相应的压力传感器连接至反馈校正控制器24上，反
馈校正控制器24承担两路自控调节的枢纽。G2/G4之间的自控调节优先级低于总调节过程，
只有当总调节过程进入稳态后才启动G2/G4的自控调节。

[0045] 油压的传导迅速，作为自控系统的传递介质，应对底脚9的低频高幅振动能够满足传递速度需求。

[0046] 如图1、6所示，油液循环组件23包括高压罐231、低压罐232、升压泵233，高压罐231和低压罐232通过升压泵233连接进行流体升压，高压罐231连接升压管223，低压罐232连接
泄压管224。

[0047] 高压罐231、低压罐232内分别存纳高压与低压油液，时刻准备通往调压管221内或收纳调压管221内泄放过来的油液；升压泵233保持高压罐231、低压罐232的工作压力。

[0048] 如图6所示，第一管缸21还包括预调管213和手阀214，预调管213一端连接至信号管211内、一端连接至外部压力源，预调管213上安装手阀214。预调管213和手阀214用于初
始设定信号管211内的压力，作为自控系统中的期望值R（s）。

[0049] 如图6所示，手阀214为带压力表的调压手阀。手阀214打开则往信号管211内引入压力，带一个压力表则方便现场观察是否达到预设值，不然需要从压力源的引入处进行检
测或预先调整。

[0050] 如图3、5所示，信号管211和调压管221为套嵌设置，信号管211设置在调压管221内上部，信号管211下部外壁通过支架安装到调压管221内壁上，反馈活塞222为环状，反馈活
塞222的下部密封环与信号管211外壁、调压管221内壁接触。

[0051] 环状的反馈活塞222和信号活塞212同心设置，底脚9对其两者的施力是水平均匀的，不会因为施力位置的不同导致与水平面产生偏斜，进而影响自控精度。

[0052] 如图1、2、4、6所示，第二管缸22还包括转压活塞229，调压管221下端延伸至与其距离最远的缓震垫1内，调压管221下端管口朝下，转压活塞229设置在调压管221下端并与底
座3接触。除非补偿组件2内反馈校正控制器24的传递函数设计的非常合适，超前调节的时
机非常到位，否则即使大部分的振动已经被补偿消除了，总会有一部分未能被补偿组件2消
除的底脚9振动加载到调压管221上，而转压活塞229的设置就为了把这部分力引导至最远
处的底座3位置，一般一个底脚下压时，与其相距最远的底脚9是上扬的，此处对于底座3的
压力较小，而转压活塞229接触在这一位置，能让这一位置为处于高幅振动的底脚提供支撑
力，从而让压力均匀释放到底座3上。

[0053] 电磁阀225为高速电磁阀。高速电磁阀响应时间极短，顺应自控系统的需求，尽可能消除因为硬件问题导致的自控调节时间加长。

[0054] 反馈校正控制器24为PD或PID控制器。PD控制器即为比例微分控制器，其超前校正性能优良，减小系统调节时间，而且相位稳定裕度较优。PID控制器即为比例微分积分控制
器，其不仅具备PD控制器的特性，也具有可以改善系统稳态性能的PI控制器的特性，虽然在
本发明中稳态特性中的稳态误差并不是优先考量的因素。

[0055] 本发明的主要使用过程是：大型机器安装在底座3上，其底脚9与底座3之间设置缓震垫1和补偿组件2，如图7所示，缓震垫1消除低幅高频振动，如图8所示，而高幅低频振动在
越过缓震垫1后，加载到补偿组件2上，补偿组件2通过反馈调节的自动控制，以一定的反馈
曲线提供底脚9的支撑力，抵消底脚9的振动位移，从而达到使得机器9的极大部分振动被消
除，从而无法导致共振发生。

[0056] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有
变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。