ЭЛЕКТРОСЕЙСМОИСТОЧНИК
ELECTRICAL SEISMIC VIBRATOR

Изобретение относится к невзрывной вибрационной и импульсной сейсмотехнике, а именно к импульсным возбудителям сейсмических колебаний с регулированием и стабилизацией амплитуды вынужденных усилий, их длительности, частоты и направления продольных - P и поперечных - S сейсмических волн с высокой точностью синхронизации нескольких возбудителей.
Известен электросейсмоисточник [Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки / Под редакцией М.Б. Шнеерсона. - М.: ОАО «Издательства «Недра»», 1998. - 527 с.: стр.315-318]. Электросейсмоисточник состоит из излучающей платформы, на которой установлены восемь центробежных дебалансных вибровозбудителей с приводными электродвигателями, способных вращаться синхронно и создавать знакопеременную вынуждающую силу, ориентированную по специальным сигналам от системы управления, управляемой общим синхронным генератором, соединенным с двигателем постоянного тока, подключенным к регулируемому тиристорному преобразователю. Напряжение этого преобразователя определяет скорость вращения якоря двигателя постоянного тока, которая определяет частоту выходного напряжения синхронного генератора и, соответственно, частоту вращения и частоту механических колебаний дебалансных вибровозбудителей.
Такой электросейсмоисточник имеет довольно сложную конструкцию, низкую надежность и создает низкочастотные колебания с малой возмущающей силой.
Известен также электросейсмоисточник (прототип) [патент РФ №2171478, Детков В.А., Ивашин В.В., Певчев В.П., Бюл. №21, 2001 г.], содержащий излучающую плиту, снабженную стойками с траверсой, на которой снизу закреплен якорь электромагнитного возбудителя усилия, создаваемого путем включения статора с катушками, статор имеет воздушный зазор с якорем и скреплен снизу с инертной массой, уложенной свободно на излучающую платформу. Катушки электромагнита через тиристор подключаются к емкостному накопителю энергии, заряжаемому от специального зарядного устройства. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор конденсатор накопителя энергии, разряжаясь на катушки статора электромагнита, создает в нем магнитный поток, который и создает в якоре силу тяги, которая через стойки передается на излучающую платформу.
В этом электросейсмоисточнике из-за больших масс якоря, траверсы, стоек, излучающей платформы, присоединенной массы грунта под платформой и принципиально большой индуктивности катушек электромагнита невозможно получить больших излучаемых частот сейсмоколебаний, их амплитуд усилий и регулирования длительностей, и колебания создаются только одного направления - продольные волны P-типа. Все это говорит о низкой эффективности электросейсмоисточника по схеме прототипа.
Задачей изобретения является увеличение частотных свойств, увеличение амплитуды усилий колебаний, обеспечение регулировки их длительностей при одновременном улучшении энергетических показателей, точностей включений и согласовании больших перемещений возбудителя усилий колебаний с небольшим требуемым перемещением излучающей платформы.
Указанная задача достигается тем, что в электросейсмоисточник, содержащий излучающую плиту с грунтозацепами, инертную массу, электродинамический формирователь силовых импульсов, амортизаторы, введен гидравлический трансформатор силовых импульсов, а формирователь силовых импульсов выполнен в виде электродинамического формирователя силовых импульсов с силовым броневым трансформатором с первичной обмоткой на среднем стержне, а вторичная силовая обмотка этого броневого трансформатора выполнена в виде прямоугольного короткозамкнутого токопроводящего витка, помещенного подвижно в зазорах нижней части магнитопровода этого силового броневого трансформатора, а этот прямоугольный короткозамкнутый токопроводящий виток своим нижним торцом оперт на нетокопроводящую пластину, которая уложена на силовую платформу со штоком гидроцилиндра меньшего диаметра с поршнем меньшего диаметра, этот гидроцилиндр меньшего диаметра расположен на гидроцилиндре большего диаметра, полость между этими поршнями заполнена гидрожидкостью повышенного давления, нижняя плоскость поршня большого диаметра своим штоком связана жестко с излучающей плитой с грунтозацепами прямоугольной треугольной формы, излучающая платформа снабжена пустотелыми штангами, размещенными в инертной массе, внутри которой в нижней части закреплен гидроцилиндр большого диаметра, а в верхней части закреплен магнитопровод силового броневого трансформатора, нетокопроводящая пластина с силовой платформой снабжены уплотнителями относительно инертной массы, магнитопровод с первичной катушкой и короткозамкнутым токопроводящим витком обтекаются охлаждающей жидкостью, инертная масса в нижней и верхней частях снабжена амортизаторами, выполненными в виде высоконапорных гидрошлангов, заполненных жидкостью под давлением, кроме этого инертная масса снабжена демпферами, связанными с излучающей плитой, прижатой к грунту через упругий элемент весом транспортной машины, первичная обмотка силового броневого трансформатора подключена к силовому формирователю разнополярных импульсов тока с емкостным накопителем электрической энергии.
На фиг.1 дан продольный разрез предлагаемого электросейсмоисточника в рабочем состоянии. На фиг.2 показаны усилия Р-волны, S-волны и их суммарное усилие от n грунтозацепов.
Электросейсмоисточник (фиг.1) содержит излучающую плиту 1 с грунтозацепами 2 с упругими элементами 3, через которые весом транспортного средства излучающая платформа 1 через грунтозацепы 2 предварительно упруго в месте создания сейсмического воздействия прижата к грунту. Излучающая платформа в своей верхней части имеет штанги 4, 5, в которых свободно перемещается инертная масса 6, которая своей нижней частью уложена через упругие элементы 3 на излучающую платформу, а верх этой инертной массы через такие же упругие элементы 7 прижат к траверсе 8, жестко скрепленной с верхними торцами трубчатых штанг 4, 5. Этих штанг четыре штуки по углам инертной массы. Упругие элементы 3, 7 через обратные клапаны 9, 10 заполнены воздухом или жидкостью повышенного давления.
В средней части инертной массы помещен неподвижно относительно нее магнитопровод со средним 11, боковыми 12, 13, верхним 14 и нижним 15 стержнями. В образованном окне 16 помещена первичная обмотка 17. Магнитопровод набирается из Ш-образных пластин листовой электротехнической стали, образуя броневую систему (броневой однофазный трансформатор). Эта первичная обмотка через токопровод 18 подключена к быстродействующему транзисторному инвертору с широтно-импульсным управлением (на фиг.1 не показан).
В воздушных зазорах нижнего стержня 15 помещен подвижно силовой короткозамкнутый прямоугольный токопроводящий виток 19, который своим нижним торцом опирается в диэлектрическую пластину 20, на которую опирается подвижно и нижняя 15 часть магнитопровода. Эта диэлектрическая пластина своей нижней частью уложена на силопередающую плиту 21. Диэлектрическая пластина 20 и силопередающая плита 21 подвижно с уплотнениями перемещаются внутри инертной массы 6. Силопередающая плита 21 в нижней своей части снабжена пустотелым штоком 22 с поршнем 32 малого диаметра в гидроцилиндре 24 малого диаметра. Этот гидроцилиндр 24 малого диаметра уложен на гидроцилиндр 25 большого диаметра с поршнем 26 большого диаметра, нижняя плоскость которого через пустотелый шток 27 связана с излучающей платформой 1. Нижний торец гидроцилиндра 25 большого диаметра вместе с нижней частью инертной массы уложены на упругие элементы 3. Инертная масса через амортизаторы 28 связана с излучающей платформой 1. Образованная (фиг.1) полость 30 между поршнем 23 малого диаметра и поршнем 26 большого диаметра через обратный клапан 31 заполнена специальным гидравлическим маслом, и образованная полость 16 в магнитопроводе заполнена охлаждающей жидкостью, прокачиваемой через штуцеры 32, 33 специальным маслонасосом.
При подаче напряжения в токопровод 18 в магнитопроводе 14 создается магнитный поток 36, который взаимодействует с наведенным током в обмотке 19, создавая отталкивающее усилие 34 на пластину 20 и далее последовательно на элементы 21, 22, 23 и через полость 30, поршень 26, шток 27 на излучающую плиту 1, которая снабжена грунтозацепами 2, опирающимися на грунт, приведенный в упругое состояние через упругие элементы 35 спускоподъемного механизма транспортной машины (не показано).
На фиг.2 показано формирование P-усилий 36 продольной волны и S-усилий (поперечная волна) 37 и суммарного импульсного усилия 38.
Таких усилий по количеству грунтозацепов - n.
Электросейсмоисточник работает следующим образом.
При установке транспортного средства с электросейсмоисточником на месте сейсмовоздействия системой его управления спускоподъемное устройство опускается на точку излучения, и через упругие элементы 3 излучающая плита 1 весом транспортного средства через упругие развязки 35 грунтозацепами 2 прижимается к грунту. Грунтозацепы выполнены в сечении в виде прямоугольных треугольников с равными катетами. В этом случае гипотенузы этих треугольников укладываются на грунт, и формируемые вертикальные (P-волны) и горизонтальные (S-волны) будут одинаковы, что соответствует коэффициенту сцепления гусеничных тракторов и танков с грунтами для исключения их пробуксовки. Такая конструктивная схема, кроме одновременного формирования одинаковых по величине P и S сейсмических волн, дополнительно в √2 раз увеличивает результирующую площадь соприкосновения излучающей платформы с грунтом, что приводит также и к уменьшению удельного давления электросейсмоисточника на грунт.
В начальный момент перед сеансом сейсмоколебаний в грунте осуществляется несколько предварительных включений электросейсмоисточника высокотоковым и быстродействующим источником электропитания через токопровод 18 в первичную обмотку электродинамического формирователя усилий с броневым магнитопроводом со стержнями 11, 12, 13, 14, 15. Созданный ток в этой катушке 17 с указанным на фиг.1 направлением создает в магнитопроводе магнитный поток 36, который за счет известного электродинамического эффекта создает ток в короткозамкнутом витке 19 указанного направления, создавая в этом витке суммарное усилие 34 в соответствии с соотношением:
0
0
f=Blisinωt,
где B - магнитная индукция в зазоре магнитопровода (Тл);
l - общая длина подвижной катушки 19 (м);
0
isinωt - импульс тока, протекающий в катушке 19 (А).
Так как длина катушки не изменяется, а магнитное поле пропорционально току первичной катушки, который трансформируется в короткозамкнутый виток 19 в соответствии с соотношением
1
1
2
2
iw=iw,
1
где i - ток в первичной обмотке (А),
1
w - число витков в обмотке 17 (w),
2
i - ток в витке 19 (А),
2
w - число витков в обмотке 19 (1),
1
2
тогда при токе в витке 19 20 кА, индукции 2,5 Тл и длине витка 1 м электродинамическая сила может достигать величины 50000 H (5 тс),что при коэффициенте трансформации 200 (w/w) и увеличенном токе намагничивания, в 3-5 раз большем из-за воздушного зазора, определяемого толщиной витка 19, дает величину тока в обмотке 17 около 1 кА, что в 4-5 раз меньше, чем токи, формируемые в электросейсмоисточнике прототипа, при этом плотности тока в обмотке 17 и витке 19 в 5-10 раз меньше плотностей в катушках прототипа.
Созданная механическая сила 34 катушки 19 с малой массой воздействует на диэлектрическую силопередающую пластину 20, которая далее воздействует на силовую платформу 21, которая жестко связана пустотелым штоком 22 с поршнем малого диаметра 23, помещенным в гидроцилиндр 24 малого диаметра, далее жестко установленным на гидроцилиндр 25 большого диаметра с поршнем 26 большого диаметра со штоком 27, жестко связанным с облегченной излучающей плитой 1, снабженной облегченными прямоугольными поперечными грунтозацепами 2.
Между поршнем 23 малого диаметра и поршнем большого диаметра 26 образованная полость 30 через штуцер с обратным клапаном 31 заполнена под избыточным давлением специальной гидрожидкостью (маслом).
Создавшееся усилие 34 через платформы 20, 21 с уплотнениями относительно инертной массы 6 через шток 22 и поршень 23 передается через жидкость полости 30 на поршень 26, на который в соответствии с законом Паскаля действует сила
26
26
23
23
FX=FX.
26
Эта сила F при одинаковом возникающем избыточном давлении в полости 30, определяемом усилием 34 и площадью поршня 23, будет равна
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
26
2
где S - площадь верхнего торца поршня 26 (см);
23
2
S - площадь нижнего торца поршня 23 (см),
а соотношение
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>T</mi></msub></mrow>
T
где K - коэффициент трансформации, образованный из гидроцилиндров 24 и 25.
T
Тогда при диаметре поршня 23-5 см и диаметре поршня 26-20 см получаем коэффициент K=10 и при создаваемом давлении 200 атм силой 34 в 5 тс получаем усилие поршня 26 в 50 тс, что при малой массе излучающей плиты 1 почти полностью передается через грунтозацепы в предварительно напряженный через упругости 35 грунт.
Это результирующее усилие более чем в 10 раз из-за малых присоединенных масс больше, чем в электросейсмоисточниках, тем более что еще и инертная масса предлагаемого электросейсмоисточника перемещается в облегченных пустотелых штангах 4 с облегченной траверсой 8. Для облегчения массы этих элементов они могут быть выполнены из легких алюминиевых или титановых сплавов.
2
Такое выполнение электросейсмоисточника с гидротрансформатором усилий обеспечивает и наилучшее согласование относительно больших перемещений силового витка 19 (15-20 мм) в небольшое перемещение поршня 26 с излучающей платформой 1 (1,5-2 мм), что обеспечивает сохранность грунта в месте сейсмоизлучения, а в зависимости от типов грунта площадь платформы 1 может быть заменяемой, и тогда удельные давления ее на грунт могут быть от 0,25 до 1,5-2 кгс/см (от 0,025 до 0,1-0,2 МПа), что значительно повысит эффективность сейсморазведочных работ, особенно при работах в зимних условиях на Севере РФ, когда удельные давления на грунт могут быть доведены до 0,25-0,5 МПа.
Такая конструкция электросейсмоисточника при заполнении полостей 16 охлаждающей жидкостью и ее прокачке через штуцеры 32 и 33 маслонасосом с системой охлаждения дает возможность работы в большом диапазоне частот 5-150 Гц, что особенно важно для высокоразрешающей сейсморазведки. В этом случае упругие элементы 3, 7, выполненные на гидрошлангах повышенного давления, через штуцеры 10, 19 заполняются гидрожидкостью.
При низкочастотных работах (1 срабатывание в 6 сек) электросейсмоисточник снабжен дополнительно амортизаторами 28.
Для работ электросейсмоисточника на продольно-поперечных волнах он снабжается излучающей плитой 1 с облегченными пустотелыми грунтозацепами 2.
Формирование P (36) и S (37) усилий показано на фиг.2 с суммарным усилием 38. Габариты грунтозацепов подбираются в зависимости от типов грунтов, обычно со сторонами катетов 0,25-0,3 м.
-6
Такое выполнение электросейсмоисточников обеспечит получение больших (желаемых) формируемых усилий с формированием необходимых длительностей современными регулируемыми быстродействующими транзисторными инверторами с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающими точность включений (синхронизацию) до 100 нс (0,1·10 сек), чего еще ни один сейсмоисточник не обеспечивал ранее.
Электросейсмоисточник обеспечивает работу на обычном питании от промышленной электросети 3×380×50 Гц, когда амплитуда питающего напряжения не превышает 500 В (напряжения постоянного тока), что дает возможность работы от современных электроавтономных аккумуляторов, когда, например, аккумуляторная батарея в 380 Ач (500 В) обеспечит работу импульсного сейсмоисточника с амплитудой усилий 200-400 тс (2000-4000 кН) в течение нескольких смен, что особенно важно при работах в северных условиях РФ.
Предложенный электросейсмоисточник имеет увеличенные частотные свойства, увеличенные амплитуды усилий колебаний, обеспечивается регулировка их длительностей при одновременном улучшении энергетических показателей, точностей включений и согласование больших перемещений возбудителя усилий колебаний с небольшим требуемым перемещением излучающей плиты.