Динамическая модель импульсно-вибрационного источника сейсмических сигналов

© К.А. Кувшинов, С.А. Смайлов, Е.Е. Кобза, 2012

К.А. Кувшинов, С.А. Смайлов, Е.Е. Кобза

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНО-ВИБРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Показана возможность создания наземного мобильного источника сейсмических сигналов для геофизической разведки геологических сред с плавной огибающей амплитуды воздействия. Проведен компьютерный анализ динамической модели созданного источника сейсмических сигналов. Исследовано влияние нелинейности жесткости упругих оболочек на величину вибрационных усилий.

Ключевые слова: сейсмическая разведка, источники сейсмических сигналов, вертикальная поляризация волн, зондирующий сигнал.

В современной технике для разнообразных целей применяется широкий класс вибрационных и ударных машин. Известны различные механизмы, возбуждающие колебания или силовые импульсы, с помощью которых решаются разнообразные задачи, как например: бурение скважин, формовка железобетонных изделий, дробление породы, бестраншейная укладка труб, упрочнение материалов, забивка свай, асфальтоукладочные работы, геофизическая сейсмическая разведка геологических сред Земли многие другие.

Многообразие задач, ставящиеся перед вибрационно-ударными машинами, предопределили применение целой гаммы ударных и вибрационных механизмов (сейсмических источников). Использование того или иного типа источника ограничивается того вида производства или работ, которые они производят. Вибрационные устройства имеют ряд преимуществ, основное из которых высокая стабильность процесса возбуждения колебаний. Главный недостаток, ограничивающий применение существующих вибрационных источников, во многих отраслях промышленности, большой вес всего механизма.

Разработчиками новой техники ведется постоянный поиск путей создания механизма наименьшего веса, особенно это необходимо при разработке механизмов сейсмологической разведки, возможность применения, которого охватывала бы как

можно больше географических зон, в том числе и труднопроходимые для тяжелой техники районы.

В Томском политехническом университете разработан источник сейсмических сигналов рис. 1 который, содержит массу 1, выполненную с возможностью падения, опорную плиту 2 с помощью прижимов 3 прижатую к основанию 4 через сде-формированные в радиальном направлении упругие трубчатые оболочки в виде рукавов высокого давления 5. Полости упругих трубчатых оболочек 4 гидравлически соединены с источником среднего давления 6 и гидрообъёмным генератором колебаний 7. Гидрообъёмный генератор колебаний 7 соединён с гидромотором 8. Нагнетательная полость гидромотора 8, через систему управления 9 соединена с гидронасосом 10 и гид-ропневмоаккумулятором 11 . Гидропневмоаккумулятор 11 через систему управления 9 соединён с датчиком включения 12.

Источник работает следующим образом.

Основание 4 вместе с упругими трубчатыми оболочками в виде рукавов высокого давления 5, сдеформированными в радиальном направлении прижимами 3, через опорную плиту 2 устанавливают в заданной точке на поверхности грунта. В рукава высокого давления 5 от источника среднего давления 6 предварительно подают среднее давление Р0. Рукава высокого давления 5 также соединены гидравлически с гидрообъёмным генератором колебаний 7. Массу 1 устанавливают на высоте Н, а датчик включения 12 на высоте Ь относительно опорной плиты 2.

/

Рис. 1. Источник сейсмических сигналов

Включают гидронасос 10, гидропневмоаккумулятор 11 заряжается до давления Р, необходимого для работы устройства. При этом система управления 9 отключает связь гидронасоса 10 и гидропневмоаккумулятора 11 с гидромотором 8.

Масса 1, установленная на высоте Н, расфиксируется и падает на опорную плиту 2, при падении масса 1 воздействует на датчик включения 12, который передаёт сигнал на систему управления 9, соединенную с гидропневмоаккумулято-ром 11 с гидромотором 8. Последний разгоняет гидрообъёмный генератор колебаний 7, который генерирует вибросейсмический синусоидальный сигнал с плавно меняющейся во времени частотой в рукавах высокого давления 5. В момент соприкосновения массы 1 с опорной плитой 2, на неё воздействует давление P(t), упругих трубчатых оболочек 5, создаваемое гидрообъёмным генератором 7. При ударе происходит наложение энергии массы 1 и энергии от генератора 7. График изменения давления в упругих трубчатых оболочках 5 приведен на рис. 2, где Ра — амплитуда импульсного воздействия на грунт, P^t) — давление ударного импульса, передаваемого источником на грунт.

Произведение давления P(t) на площадь соприкосновения S, рукавов высокого давления с основанием определяет усилие воздействия на поверхность грунта. Высота H определяет амплитуду давления в рукавах высокого давления до удара.

Ф «

/

Г

Рис. 2. График изменения давления в упругих трубчатых оболочках

В геофизике находят применение сейсмические источники, выпускаемые фирмами «Мейг» и «Ргас1а-зе1зтоз», монтируемые на тяжелых автомобилях с одним или двумя дизелями мощностью до 500 л.с. и возбуждающие усилие до 16—27 т. Общий вес машины при этом достигает 16—27 т в частотном диапазоне 5^100 Гц. Предлагаемый источник позволяет увеличит возбуждаемое усилие до 20—35 т.

Таким образом, источник позволяет увеличить разрешающую способность, за счёт повышение динамического воздействия на грунтовое пространство и уменьшение массы источника за счёт наложения энергии массы и энергии генератора.

Динамическая модель вибромеханизма

62 х 1 6х 1

dt2 h dt

d2 x, dx

+ СЛх! + Ри = 0;

L + а ь~Г + Chx, + Ри + P = 0;

dt2 ' dt d2 x2 dx2

+ a x ^

• + (Co + C )x2 = Ри + Chxx + (Co + C )X! sin 9(t);

2 dt2 x dt

m2 + df + C фФ = M o + ^fX 1 ' sin 2^(t) + Cpx2Xx cos ?(t);

здесь Ри _ усилие, создаваемое упавшим грузом, Р — силовое воздействие амортизатора на груз, m0, mi — масса, соответственно, груза и подвижной части исполнительного механизма; х1, х2 — текущие координаты, соответственно, груза в режиме совместного движения с амортизатором, подвижной массы; Ch — жесткость гидравлической пружины амортизатора, Co, Cp — собственная и объемная жесткости полостей исполнительного механизма, ah, ax — коэффициенты вязких потерь в ударном и вибрационном контурах механизма. В модели также учтены параметры генератора и привода: I, CT, aw — момент инерции, жесткость и потери в контуре привода и Х1, ю — амплитуда на выходе и частота генератора колебаний, М0 — момент вращения генератора.

Компьютерные исследования данной модели показали возможность возбуждения комбинированного сигнала (рис. 3), формируемого из динамического усилия колебания инерционной

массы m2 и импульса силы, возникающего в процессе соударения груза mi с гидроцилиндром — 7, и имеет две составляющие: низкочастотную Ри(/), создавающую динамический прижим, и высокочастотную Рв(/), обеспечивающую информатив-ностивность сигнала.

При этом сигнал имеет компактную АКФ.

Дальнейшие исследования продемонстрировали, что отношение максимального значения высокочастотной составляющей Рв тах к наибольшему значению импульса силы, осуществляющего прижим опорной плиты источника к грунту Ри max мор

жет достигать рВтах =0.8^0.9.

итах

В современных устройствах данный показатель не превышает 70 % от усилия прижима.

Высокочастотная составляющая сигнала Рв(/) (рис. 3) с каждым новым периодом колебания возрастает по амплитуде и достигает максимального значения Рв тах в середине временного интервала действия ударного импульса Ри(/). Это связано с нелинейной жесткостной характеристикой СР упругих оболочек (рис. 4).

Нелинейность упругих оболочек позволяет на каждом периоде возбуждаемых колебаний при постоянстве амплитуды (рис. 2) получать различные по значениям усилия PB(t) (рис. 5). На рисунке приведен пример формирования усилий при нулевом темпе развертки частоты (3), при котором 7i=T2=... = 7i0.

Рис. 4. Характеристика жесткости упругих оболочек

Рис. 5. Нелинейная характеристика жесткости упругих оболочек и создаваемые усилия:

Х1=Х2=...=Хю — амплитуда на выходе генератора колебаний, Р1 — вибрационное усилие на периодах колебаний; Т — периоды колебаний; Т0 — период зондирующего сигнала

Следующая задача, решаемая в данном направлении, — исследование возможности физической реализации сигнала комбинированной формы.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шнеерсон М.Б., Потапов O.A., Гродзенский В. А. Вибрационная сейсморазведка. — М.: Недра, 1990. — 240 с.

2. Евчатов Г.П., Михаэлис Ю.В., Юшин В.И. К выбору огибающей вибросейсмического сигнала // Вибрационная сейсморазведка на продольных и поперечных волнах: Тр. СНИИГГиМСа. — 1975. — Вып. 219. — С. 65—71

3. Егоров В.Г., Зуев A.A., Яковлев А.Н. Обоснование структуры деба-лансного вибратора для глубинного сейсмозондирования // Излучение и прием вибросейсмических сигналов. — Новосибирск, 1990. — С. 111— 138.

4. Мойзес Б.Б., Крауиньш П.Я. Выбор огибающей зондирующего вибрационного сигнала. // Современные техника и технологии: Труды VI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых — Томск, ТПУ, 24—28 марта 2000. — Томск: Изд. ТПУ, 2000. — С. 203—205. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Кувшинов Кирилл Александрович — заведующий лабораторией, kuvshinov@tpu.ru,

Смайлов Садык Арифович — кандидат технических наук, доцент, Кобза Евгений Евгеньевич — аспирант,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природных ресурсов.