ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
S-WAVE PULSE SOURCE

Изобретение относится к области сейсморазведки, а именно к невзрывным сейсмо-источникам, создающим сейсмические волны поперечного типа импульсным механическим воздействием на поверхность грунта.
Известен принятый за аналог импульсный невзрывной сейсмоисточник (патент РФ №2233000, Б.И. №20, 2004 г.), содержащий жесткую излучающую плиту, опертый на нее пригруз, односторонний демпфер и импульсный электромагнитный двигатель, магнитопровод индуктора которого с обмоткой возбуждения закреплен на верхней стороне пригруза. На плите выполнены две жесткие стойки, на которые оперт магнитопровод якоря двигателя, отделенный от магнитопровода индуктора воздушным зазором. Пригруз снабжен консолью, конец которой посредством осей соединен со стойкой на плите. Плита выполнена клинообразной формы, и ее верхняя поверхность расположена под углом к нижней поверхности, на которой имеются зубья-выступы с возможностью их погружения в грунт. При нормальном направлении развиваемой двигателем силы, создаваемой на верхнюю поверхность плиты, ее вертикальная составляющая создает в грунте в основном продольную сейсмическую волну. А деформация грунта зубьями плиты вдоль его поверхности, создаваемая горизонтальной составляющей силы двигателя, сопровождается созданием поперечной сейсмической волны.
Этому техническому решению присущ ряд недостатков, снижающих его сейсмическую эффективность, надежность и возможные области применения.
Низкое значения отношения создаваемой электромагнитным двигателем силы к массе магнитопровода его якоря приводит, как следствие, к тому, что масса якоря составляет значительную часть массы плиты и, соответственно, к снижению механического воздействия плитой на грунт.
Ударные механические воздействия между магнитопроводами якоря и индуктора в момент выбора зазора снижают долговечность работы сейсмоисточника и вызывают значительный акустический шум, потери энергии.
2
Плита-излучатель создает механический импульс воздействия на грунт под углом α к его поверхности, при этом горизонтальная составляющая импульса N=NSinα обычно существенно меньше вертикальной, что снижает сейсмическую эффективность сейсмоисточника.
Известно принятое за прототип техническое решение источника поперечных сейсмических волн (патент РФ №2457512, Б.И. №21, 2012 г.), содержащее жесткую плиту-излучатель со стойками, опертую на плиту с возможностью перемещения вдоль нее пригрузочную массу (пригруз), односторонние демпферы и импульсный электромагнитный двигатель, магнитопровод индуктора с обмоткой возбуждения которого закреплен на боковой поверхности пригруза. Магнитопровод якоря двигателя посредством пружин прижат к стойке плиты и отделен от магнитопровода индуктора воздушным зазором. При подаче в обмотку возбуждения двигателя импульса тока между его магнитопроводами индуктора и якоря создается притягивающая сила. В течение времени выбора зазора при встречном движении индуктора с пригрузом и якоря развиваемая двигателем сила передается от якоря через стойку на плиту, что приводит к горизонтальному смещению плиты, деформации грунта зубьями на плите и созданию в нем поперечной сейсмической волны. В момент выбора зазора происходит ударное взаимодействие магнитопроводов индуктора и якоря с последующим отрывом якоря от стойки на плите, после чего движение пригруза с индуктором и якоря тормозятся пружинами и демпфером и он возвращается в исходное положение под действием мощных пружин.
Техническому решению по прототипу, как и по аналогу, присущи недостатки, обуславливаемые большой массой якоря электромагнитного двигателя и ударным взаимодействием между магнитопроводами индуктора и якоря, снижающими механическое воздействие плитой на грунт, долговечность (надежность) сейсмоисточника и его сейсмическую эффективность. Кроме этого, необходимость применения мощных пружин для торможения послеударного движения пригруза с индуктором и якоря и возврата их в исходное положение усложняет конструкцию сейсмоисточника и его эксплуатацию.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение сейсмической эффективности сейсмоисточника, надежности его эксплуатации и расширение возможности применения.
Техническим результатом является повышение коэффициента передачи механической энергии импульсного двигателя сейсмоисточника в энергию механического воздействия плитой сейсмоисточника на грунт, отношения создаваемой двигателем силы к весу сейсмоисточника, повышение его надежности, снижение создаваемых волн-помех и расширение возможности его применения.
Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что сейсмоисточник поперечных сейсмических волн содержит жесткую плиту-излучатель с зубьями на ее нижней поверхности и с первой и второй стойками на ее соответственно передней и задней частях верхней поверхности, расположенный над плитой пригруз, установленный между пригрузом и плитой односторонний демпфер, закрепленный на обращенной к первой стойке стороне пригруза индуктор с обмоткой возбуждения импульсного двигателя. Обращенная к первой стойке сторона второй стойки выполнена наклонной к плите, пригруз снабжен колесами с возможностью перемещения задней части пригруза по наклонной стороне задней стойки, а передней части - по поверхности плиты, а якорь двигателя выполнен в виде прилегающей к обмотке возбуждения пластины из материала с высокой электропроводностью и закреплен на первой стойке.
Получение технических результатов достигается за счет нескольких взаимосвязанных факторов. Применение индукционно-динамического двигателя, имеющего более высокое, чем в прототипе, отношение создаваемой им силы к массе якоря, обеспечивает повышение коэффициента передачи механической энергии двигателя в энергию воздействия плитой сейсмоисточника на поверхность грунта и увеличение отношения создаваемой двигателем силы к весу сейсмоисточника. Поскольку создаваемая индукционно-динамическим двигателем сила расталкивает его якорь и индуктор, то при работе двигателя в составе сейсмоисточника, в отличие от применяемого в прототипе двигателя электромагнитного типа с притягивающей якорь и индуктор силой, между якорем и индуктором не создается жестких механических ударов, что повышает надежность работы сейсмоисточника и уменьшает ухудшающий эксплуатацию сейсмоисточника акустический шум. Применение стойки с наклонной к плите стороной для перемещения по ней на колесах задней части пригруза обеспечивает необходимое снижение скорости ускоренного силой двигателя пригруза и преобразование его кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации. Причем в сравнении с прототипом необходимое снижение скорости достигается без применения мощных пружин, что упрощает конструктивное решение сейсмоисточника и повышает надежность его работы. Кроме этого, при перемещении пригруза на плиту не создается в горизонтальном направлении значительных, создающих волны-помехи, механических воздействий, снижающих сейсмическую эффективность сейсмоисточника.
На фиг.1 приведен вид на сейсмоисточник сбоку; на фиг.2 - вид сверху; на фиг.3 показан характер изменения действующей на плиту силы, скорости деформации грунта зубьями плиты и перемещения пригруза вверх в вертикальной плоскости; на фиг.4, 5, 6 и 7 приведены некоторые варианты выполнения и размещения на индукторе обмотки возбуждения импульсного двигателя.
Сейсмоисточник устанавливается на поверхности грунта 1 и содержит жесткую плиту 2 с частично погруженными в грунт зубьями 3, выполненными на ее нижней поверхности. На передней части плиты выполнена стойка 4, на которой закреплена пластина 5 из материала высокой электропроводности, выполняющая функцию якоря импульсного двигателя. На задней части плиты выполнена стойка 6, обращенная к стойке 4 сторона которой выполнена наклонной, например с некоторым радиусом кривизны так, что плавно переходит в плоскость плиты 2. На плиту 2 через колеса 7 и 8 опирается пригрузочная масса (пригруз) 9, на передней торцевой части которой закреплен прилегающий к пластине 5 индуктор 10 с обмоткой возбуждения 11 импульсного двигателя. На задней части сейсмоисточника между пригрузом 9 и плитой 2 установлен односторонний демпфер 12. Между пригрузом 9 и стойкой 4 установлена пружина растяжения 13. Сейсмоисточник снабжен системой автономного питания (на фиг.1 и фиг.2 не показана) обмотки возбуждения 11 двигателя импульсным током необходимой величины и длительности, которая может быть размещена, например, в полости 14 пригруза 9 (на фиг.1 показана пунктиром).
0
Сейсмоисточник работает следующим образом. В исходном положении он расположен на грунте 1 так, что зубья 3 плиты 2 частично погружены в грунт 1. В необходимый момент времени t (фиг.3) по сигналу с сейсмостанции в обмотку возбуждения 11 двигателя сейсмоисточника (фиг.1 и фиг.2) от системы питания подается импульс тока 17, который создает вокруг обмотки 11 импульсный магнитный поток 16 (фиг.1), проходящий через область прилегания пластины 5 якоря двигателя к обмотке 11. При этом ввиду экранирующего действия пластины якоря в ней индуктируется электрический ток и между обмоткой возбуждения 11 и якорем 5 создается расталкивающая их пондеромоторная сила 15 (фиг.3)
2
(x)
P(t)=(i/2)·(dL/dx), (1)
где dL(x) - эквивалентная индуктивность обмотки возбуждения;
i - ток в обмотке, а х- направление действия силы.
Действующая на якорь сила P(t) двигателя через стойку 4 передается на плиту 2, что приводит к ее перемещению в горизонтальной плоскости вправо и вызывает соответствующую деформацию грунта погруженными в него зубьями 3 и формирование в грунте поперечной сейсмической волны. Интенсивность сейсмической волны пропорциональна квадрату скорости деформации грунта, которая не должна существенно превышать значений, при котором грунт проявляет свои упругие свойства и в нем не возникают значительные потери энергии на неупругую составляющую деформации. Поскольку грунт обладает упругими свойствами, то после сжатия грунта плита возвращается в положение, близкое к исходному. Характерная скорость 18 деформации грунта зубьями плиты приведена на фиг.3. Быстрое затухание скорости 18 обусловлено потерями энергии движения плиты на неупругие деформации грунта и излучение сейсмической волны.
Под действием механического импульса N силы P(t)
1
пригруз 9 массой m с индуктором 5 ускоряется за время t до скорости, близкой к максимальной
m
V=N/m. (3)
Его кинетическая энергия
1
2
m
k
Дальнейшее движение пригруза на колесах 8 по наклонной поверхности с радиусом кривизны r (фиг.1) сопровождается его смещением влево и вверх, уменьшением скорости и преобразованием кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации. В результате центр тяжести пригруза перемещается в вертикальной плоскости из положения y в у на высоту Н, зависящую от кинетической энергии А пригруза.
k
Hm=A/(m·g), (5)
где g - ускорение в поле тяготения.
Движение пригруза по наклонной поверхности стойки 6 с радиусом кривизны r сопровождается созданием силы на стойку 6, вертикальная составляющая которой создает дополнительное к силе веса плиты и пригруза прижатие задней части плиты к грунту, что улучшает механическую связь зубьев 3 плиты с грунтом и условия формирования сейсмической волны.
2,
m
С момента времени t перемещение 19 центра тяжести пригруза на высоту Н (фиг.3), пригруз перемещается по наклонной поверхности стойки 6 вниз в его исходное положение на плите. При этом скорость его движения ограничивается односторонним демпфером 12 с целью уменьшения механического ударного воздействия индуктора 10 с закрепленной на стойке 4 пластиной 5 якоря двигателя.
При горизонтальном положении плиты сейсмоисточника на грунте, а также в случае, когда задняя часть плиты относительно передней расположена выше, то есть поверхность плиты образует некоторый угол к горизонту, возврат пригруза в исходное положение и его прижим к стойке 4 с якорем 5 обеспечивается силой веса пригруза. В случае, когда плита лежит на грунте не горизонтально, а ее передняя часть расположена под углом к горизонту, прижим пригруза к стойке 4 обеспечивается пружиной 13.
Приложение к стойке 4 силы P(t) двигателя создает на плиту момент
М=P(t)·а, (6)
где а - расстояние от середины обмотки возбуждения до плиты (фиг.4),
что приводит к дополнительной нагрузке грунта под передней частью плиты и разгрузке его под задней ее частью.
Для уменьшения момента M и сил, создаваемых на грунт в вертикальном направлении передней и задней частями плиты, обмотка возбуждения может быть выполнена в виде не одной, а нескольких одновременно работающих секций (фиг.5 и фиг.6) меньшего диаметра, размещенных в пазах индуктора 10. На фиг.4,а показано размещение на индукторе одной секции. На фиг.4,б показано поперечное сечение индуктора 10 с одной секцией 11 (вид сбоку). Под индуктором показано размещение плиты 2 на расстоянии а от середины обмотки 11. На фиг.5 и фиг.6 показано размещение соответственно двух и трех секций обмотки меньшего диаметра, что позволяет уменьшить расстояние а плиты от середины секций обмотки и создаваемый по (6) момент. На фиг.7 показана возможность применения одной некруговой обмотки, горизонтальный размер которой существенно превышает вертикальный.
Уменьшение расстояния а от середины обмотки возбуждения до плиты приводит к уменьшению высоты h (фиг.4) сейсмоисточника, увеличению его ширины b и площади плиты-излучателя, что улучшает компоновку и позволяет (при большей площади плиты) увеличивать мощность сейсмоисточника за счет применения двигателя с большей создаваемой силой.
При размещении сейсмоисточника на транспортном средстве, оснащенном спуско-подъемным устройством для обеспечения спуска сейсмоисточника на грунт, плита сейсмоисточника может подгружаться весом транспортного средства, что улучшает связь зубьев 3 плиты с грунтом 1. Зубья 3 целесообразно выполнять треугольной формы с возможностью их постепенного погружения в грунт по мере работы сейсмоисточника.
При необходимости создавать сейсмические воздействия на грунт противоположного направления необходимо устанавливать два сейсмоисточника, один из которых должен создавать сейсмические воздействия в одну сторону, а второй - в противоположную.
Более высокие в сравнении с прототипом технико-экономические и сейсмические показатели предложенного технического решения обусловлены тем, что применение индукционно-динамического двигателя, обеспечивающего возможность получения небольшого веса якоря при необходимой силе и расталкивающую якорь и индуктор силу, позволило создать конструктивное решение сейсмоисточника с горизонтально ориентированной силой необходимой длительности, а выполнение на плите наклонной стойки решило задачу преобразования кинетической энергии движения пригруза в потенциальную энергию силы тяжести без создания значительных воздействий на плиту сейсмоисточника после создания рабочего силового импульса на грунт.
4
Для примера, импульсный сейсмоисточник поперечных сейсмических волн по предлагаемому техническому решению при массе якоря двигателя 50 кг, массе плиты 200 кг и массе пригруза 500 кг создает силу на плиту до 25·10Н при весе сейсмоисточника 750 кг.