ЭЛЕКТРОПРИВОД ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ВИБРОИСТОЧНИКА
ELECTRIC DRIVE OF RECIPROCATING ACTION FOR IMPULSE VIBRATION SOURCE

Техническое решение относится к вибросейсмической технике и может использоваться в качестве привода малогабаритных импульсных виброисточников на легких транспортных средствах для проведения георазведочных работ на глубинах до 1000 м.
Известен импульсный виброисточник GEOSTRIKE 100 А.Е. (США) (см. приложение) с приводом в виде монтируемого на легкий автоприцеп вместе с аккумулятором питания электромеханического молота, оснащенного эластичным элементом, взаимодействующим с подвижной частью молота - бойком, который в конце каждого рабочего хода наносит удар по уложенной на грунт излучающей плите. Натяжение эластичного элемента для реализации рабочего хода бойка после его взведения осуществляется колесами-рычагами, приводимыми во вращение электродвигателем через редуктор и цепную передачу.
Как всякая машина ударного действия с механическим приводом, известный молот не способен осуществлять подъем бойка сразу после нанесения им удара по излучающей плите, то есть в момент последействия - отскока. Поэтому за период времени между отскоком и началом обратного хода боек, как правило, успевает совершить одно или несколько неконтролируемых соударений с излучающей плитой, что вызывает в грунтовом полупространстве волны-помехи. Наличие волн-помех существенно снижает качество георазведки и, следовательно, эффективность импульсного виброисточника.
К другим недостаткам, ухудшающим эксплуатационные качества известного молота, следует отнести низкую долговечность эластичного элемента, требующего частую замену, и наличие сложных механических передач для привода колес-рычагов, что снижает эксплуатационную надежность и существенно повышает стоимость и трудоемкость технического обслуживания импульсного виброисточника.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является электропривод возвратно-поступательного движения по авт. свид. СССР №1136294, Н02Р 7/62, опубл. в БИ №3, 1985, выполненный в виде линейного электромагнитного двигателя (далее - ЛЭД), имеющего неподвижную часть с обмотками, ферромагнитный подвижный элемент, блок формирования управляющих импульсов, подключенный к обмоткам, соединенный с его входами генератор импульсов и, по крайней мере, один, установленный на неподвижной части двигателя, удерживающий электромагнит, полюс которого обращен к ферромагнитной торцевой части подвижного элемента, а также блок формирования импульсов удержания, выход которого соединен с электромагнитом, а вход - с выходом генератора импульсов.
Как известно, устойчивая работа электропривода возвратно-поступательного движения типа ЛЭД гарантированно обеспечивается, если начальное внедрение ферромагнитной части подвижного элемента в каждую из обмоток составляет не менее 25% длины обмотки. Таким образом, существенно ограничивается величина рабочего хода подвижного элемента. Это вкупе с инерционностью переходных процессов в ЛЭД не позволяет в полной мере использовать эффект увеличения силы тяги обмотки рабочего хода за счет удерживающего электромагнита и таким образом реализовать необходимую в технологии импульсной георазведки высокую скорость подвижного элемента для получения так называемого «острого» удара. Существенно ухудшается качество сигналов, генерируемых в породе, и, следовательно, эффективность виброисточника.
Другим недостатком, снижающим эксплуатационные качества известного устройства, является наличие удерживающего электромагнита с плоским полюсом, обращенным к торцу подвижного элемента. Для реализации рабочего процесса ЛЭД с таким удерживающим электромагнитом необходим удлиненный трехсоставной подвижный элемент, включающий жестко соединенные между собой якорь, диамагнитное звено и ферромагнитную часть, выполненную ступенчатой. Как известно, двух- или трехсоставные бойки в машинах ударного действия любого назначения и мощности крайне недолговечны, так как при ударном взаимодействии с хвостовиком рабочего инструмента, шаботом, плитой и тому подобным звеном машины быстро разрушаются по стыкам составных частей. Этим же недостатком обладают бойки ступенчатой формы, разрушающиеся по стыку ступеней, особенно в машинах с высокими ударными скоростями, каковыми являются импульсные виброисточники для георазведки.
Следующим недостатком, ухудшающим эксплуатационные качества прототипа, является жесткость его системы управления, содержащей генератор и блоки формирования управляющих импульсов, последовательно подаваемых в силовые обмотки и обмотку удерживающего электромагнита. Такая система управления работает по заданной программе генерирования управляющих импульсов в отсутствие обратной связи с процессом перемещения подвижного элемента. Между тем известно, что ход подвижного элемента и, следовательно, время рабочего цикла в машинах ударного действия в значительной мере зависят от перемещения хвостовика рабочего инструмента, шабота, плиты и тому подобного звена машины в момент удара, а также от величины послеударного импульса отскока. Следовательно, исключительно программное задание управляющих импульсов для питания обмоток нерационально и не только потому, что требует постоянного регулирования и настройки, но и потому, что неизбежно приводит к аритмии рабочего цикла ЛЭД, например, из-за раннего включения обмотки прямого хода, когда подвижный элемент не достиг верхней мертвой точки или из-за опаздывания включения обмотки обратного хода подвижного элемента. В последнем случае после отскока возможны повторные соударения подвижного элемента с хвостовиком рабочего инструмента, шаботом, плитой и тому подобным звеном машины. Такие соударения неприемлемы для георазведочных импульсных виброисточников, так как вызывают в исследуемой среде волны-помехи, резко снижающие качество сигналов, излучаемых в среду и, следовательно, эффективность импульсного виброисточника.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение эксплуатационных качеств электропривода возвратно-поступательного движения (далее - электропривод ВПД) импульсного виброисточника, повышающее эффективность импульсного виброисточника и, как следствие, - повышающее качество георазведочных работ за счет упрощения конструкции ЛЭД электропривода ВПД, обеспечения устойчивости его рабочих циклов, увеличения скорости удара бойка и исключения волн-помех в исследуемой среде в послеударный период.
Поставленная задача решается тем, что в электроприводе ВПД импульсного виброисточника, выполненном в виде ЛЭД, имеющего неподвижный корпус с силовыми обмотками, установленный на корпусе удерживающий электромагнит, боек, а также соединенные с силовыми обмотками блоки формирования управляющих импульсов силовых обмоток и соединенный с удерживающим электромагнитом блок формирования импульсов удержания бойка, согласно техническому решению неподвижный корпус выполнен из смонтированных на диамагнитной направляющей бойка секций, две смежные из которых, содержащие указанные силовые обмотки, соединены одна с опорной, а другая с промежуточной секциями, содержащими бесконтактные датчики положения бойка, при этом диамагнитная направляющая бойка закреплена в промежуточной секции неподвижного корпуса, которая соединена с секцией удерживающего электромагнита, выполненного в виде втяжной катушки с полюсами.
Наличие опорной и промежуточной секций с бесконтактными датчиками положения бойка, по сигналам которых формируются управляющие импульсы силовых обмоток и импульсы удержания бойка, позволяет просто и эффективно реализовать обратную связь по перемещению бойка в системе управления ЛЭД электропривода ВПД, исключить из системы управления генератор импульсов. При этом достигаются упрощение конструкции и бесперебойная работа ЛЭД электропривода ВПД без нарушения рабочих циклов и возникновения волн-помех в исследуемой среде после удара, что существенно повышает эффективность импульсного виброисточника и, как следствие, - качество георазведки.
Установка промежуточной секции между секциями с силовыми обмотками и секцией удерживающего электромагнита, выполненного в виде втяжной катушки с полюсами, позволяет существенно увеличить ход бойка и использовать силовые обмотки обеих секций для его прямого хода. При этом в силовой обмотке секции, примыкающей к промежуточной секции, успевает реализоваться эффект повышения тягового усилия за счет удерживающего электромагнита, что обеспечивает высокое стартовое ускорение бойка при прямом ходе. Это, а также последующее действие импульса тягового усилия со стороны силовой обмотки секции, примыкающей к опорной секции, позволяют достичь высокой скорости удара бойка по излучающей плите-подложке, что повышает эффективность георазведочных работ. Наличие промежуточной секции и секции удерживающего электромагнита, выполненного в виде втяжной катушки с полюсами, позволяет отказаться от составного ступенчатого бойка и использовать простейший, например, цельный цилиндрический боек. При этом намного повышается эксплуатационная надежность электропривода ВПД.
Закрепление диамагнитной направляющей в лишенной обмотки промежуточной секции конструктивно упрощает ее фиксацию от поступательных перемещений и вращения, позволяет установить диамагнитную направляющую в силовые обмотки после сборки четырех из пяти секций корпуса ЛЭД, после чего последняя, сравнительно легкая, секция удерживающего электромагнита одевается на направляющую сверху. Таким образом, упрощается сборка ЛЭД, что повышает эксплуатационные качества электропривода ВПД импульсного виброисточника.
Целесообразно, чтобы блоки формирования управляющих импульсов силовых обмоток и блок формирования импульсов удержания бойка были интегрированы в блок управления, входы которого соединены с указанными бесконтактными датчиками положения бойка.
Реализация системы управления с обратной связью по перемещению бойка на основе бесконтактных датчиков его положения позволяет интегрировать блоки формирования управляющих импульсов силовых обмоток и блок формирования импульсов удержания бойка в один, соединенный на входе с бесконтактными датчиками положения бойка, блок управления, который по сигналам указанных датчиков формирует вышеупомянутые импульсы в силовые обмотки и удерживающий электромагнит. Существенно упрощается многоэлементная система управления ЛЭД электропривода ВПД, повышается его эксплуатационная надежность.
Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, где показан продольный разрез электропривода ВПД импульсного виброисточника и функциональная схема его управления.
Электропривод ВПД импульсного виброисточника выполнен в виде ЛЭД и содержит неподвижный корпус, состоящий из смонтированных на диамагнитной направляющей 1 и соединенных между собой посредством фланцев секций 2, 3, секции 4 удерживающего электромагнита, опорной 5 и промежуточной 6 секций. В секциях 2, 3, неподвижно закрепленных, например, на стойке 7 базового транспортного средства, смонтированы силовые обмотки соответственно 8, 9. В секции 4 удерживающего электромагнита на диамагнитной направляющей 1 установлена втяжная катушка 10 удерживающего электромагнита с полюсами, верхний из которых образован фланцем-крышкой 11, а нижний полюс-фланцем 12. Нижние фланцы 13, 14 секций 2, 3 соответственно и нижний фланец 15 промежуточной секции 6 образуют полюса силовых обмоток 8, 9. Ферромагнитный боек 16 (далее - боек 16), снабженный антифрикционными кольцами 17, размещен в диамагнитной направляющей 1. Диамагнитная направляющая 1 закреплена в промежуточной секции 6 между полюс-фланцем 12 и нижним фланцем 15. Нижний торец диамагнитной направляющей 1 зафиксирован во фланце 19 опорной секции 5. В верхней части диамагнитная направляющая 1 зафиксирована во фланце-крышке 11, снабженной уплотнением 18, запирающим кольцевой зазор между диамагнитной направляющей 1 и фланцем-крышкой 11. В опорной секции 5 смонтирован бесконтактный датчик 20 положения бойка 16. Аналогичные датчики 21, 22 смонтированы в промежуточной секции 6. Блоки формирования управляющих импульсов силовых обмоток 8, 9 и блок формирования импульсов удержания бойка 16 могут быть интегрированы в блок 23 управления (далее - блок 23). Бесконтактные датчики 20, 21 и 22 положения бойка 16 соединены с входами блока 23. Выходы блока 23 соединены с силовыми обмотками 8, 9 и втяжной катушкой 10 удерживающего электромагнита. Перед пуском электропривода ВПД импульсного виброисточника боек 16 находится в крайнем нижнем положении и оперт нижним торцем на излучающую плиту-подложку 24.
Электропривод ВПД импульсного виброисточника работает следующим образом. Блок 23 формирует управляющий импульс обратного хода и импульс удержания, в результате чего в силовую обмотку 9 секции 3 и втяжную катушку 10 удерживающего электромагнита секции 4 подается ток. Под действием тягового усилия, возникающего в силовой обмотке 9, боек 16 начнет ускоренно перемещаться вверх внутри диамагнитной направляющей 1. При подходе верхнего торца бойка 16 к уровню бесконтактного датчика 21 его положения в последнем генерируется сигнал, поступающий на вход блока 23. По этому сигналу блок 23 прекращает подачу управляющего импульса обратного хода, и силовая обмотка 9 обесточивается. Боек 16, продолжающий по инерции движение вверх в пределах промежуточной секции 5, попадает в зону действия тягового усилия втяжной катушки 10 удерживающего электромагнита. Под действием тягового усилия втяжной катушки 10 боек 16 продолжит движение вверх, пока не остановится в положении магнитного равновесия, при котором верхний торец бойка 16 выйдет в уровень с фланцем-крышкой 11, являющейся верхним полюсом втяжной катушки 10 удерживающего электромагнита. Спустя интервал времени, равный заданной длительности задержки, блок 23 сформирует управляющий импульс прямого хода, в результате чего в силовую обмотку 9 подается ток, который в период переходного процесса в силовой обмотке 9 быстро нарастает, вызывая рост ее тягового усилия. Как только тяговое усилие в силовой обмотке 9 вкупе с силой тяжести бойка 16 превысит усилие удержания втяжной катушки 10 удерживающего электромагнита, начнется ускоренное перемещение бойка 16 вниз. При этом усилие удержания бойка 16 втяжной катушкой 10 падает, а быстродействие переходного процесса нарастания тока и, следовательно, тягового усилия силовой обмотки 9 весьма велико. Поэтому уже на интервале перемещения вниз во втяжной катушке 10 боек 16 получит значительное стартовое ускорение. В момент выхода из втяжной катушки 10, когда верхний торец бойка 16 достигнет уровня бесконтактного датчика 22 его положения, последний выработает сигнал на вход блока 23. По этому сигналу блок 23 прекратит подачу управляющего импульса прямого хода и, таким образом, обесточит силовую обмотку 9. Одновременно блок 23 сформирует и подаст управляющий импульс прямого хода в силовую обмотку 8 секции 2. При поступлении тока в силовую обмотку 8 возникает тяговое усилие, которое сообщит движущемуся вниз бойку 16 дополнительное ускорение. В момент подхода нижнего торца бойка 16 к размещенному в опорной секции 4 бесконтактному датчику 20 положения бойка 16. Датчик 20 генерирует сигнал, поступающий на вход блока 23. По этому сигналу блок 23 прекратит подачу управляющего импульса прямого хода, и силовая обмотка 8 обесточится. Одновременно блок 23 сформирует управляющий импульс обратного хода, в результате чего в силовую обмотку 9 секции 3 подается ток.
Тяговое усилие обратного хода, возникающее в силовой обмотке 9, начнет действовать на боек 16. Практически одновременно с этим боек 16, двигаясь по инерции, нанесет удар по плите-подложке 24, после чего под действием импульса отскока и тягового усилия силовой обмотки 9 начнет перемещаться вверх, совершая обратный ход. Далее вышеописанный рабочий процесс электропривода ВПД импульсного виброисточника периодически повторяется.
После реализации заданного для георазведки числа рабочих циклов или по сигналу оператора блок 23 прерывает подачу импульса удержания на втяжную катушку 10 и управляющих импульсов в силовые обмотки 8, 9. При обесточивании втяжной катушки 10 боек 16 под действием силы тяжести упадет на плиту-подложку 24 и остановится в исходном положении.
Обеспечение максимума тягового усилия силовой обмотки 9 практически на всем пути перемещения в ней бойка 16 в процессе его извлечения из втяжной катушки 10 и последующее действие импульса тягового усилия силовой обмотки 8 реализуют высокую скорость удара бойка 16 по излучающей плите-подложке 24. Это, вкупе с исключением неконтролируемых соударений бойка 16 с излучающей плитой-подложкой 24, значительно улучшает качество сигнала, излучаемого в грунтовое полупространство, и, следовательно, повышает эффективность импульсного виброисточника при проведении георазведочных работ.