ВИБРОСЕЙСМОИСТОЧНИК

Полезная модель относится к вибрационной технике, а именно к устройствам для создания низкочастотных вибросейсмических колебаний для сейсмологии (для мониторинга сейсмоактивных зон с целью прогноза землетрясений), для глубинного сейсмического зондирования земной коры (глубин до 50-70 км), для прогноза физического состояния многоэтажных зданий и крупных технических сооружений (крытых стадионов, театров, плотин и т.д.) при помощи сигналов от удаленного на 20-100 км вибросейсмоисточника для микрорайонирования площадок для последующего строительства.
Все эти виды исследований называют методами активной сейсмологии. Низкочастотность и амплитуда силы вибросейсмоисточника диктуются из следующих соображений. Глубинное сейсмическое зондирование ведется вибросейсмоисточником с амплитудой силы 40-50 тс в частотной полосе от 3-5 до 10-15 Гц. При прогнозе физического состояния зданий и сооружений нужен вибросейсмоисточник, стоящий вдали от города, чтобы жители и здания не почувствовали работу этого вибросейсмоисточника. Сейсмические сигналы от удаленного вибросейсмоисточника становятся видимыми только после корреляционного накопления длительных по времени (обычно 45 мин) вибросейсмических колебаний. При этом получают сейсмограммы такие же, как и при взрыве нескольких тонн тротила. Частотный диапазон диктуется так же тем, что основные собственные частоты колебаний зданий и сооружений располагается в диапазоне от 1 до 9-15 Гц. Для сейсмического микрорайонирования требуется полоса частот от 3-5 до 10-15 Гц.
Известен регулируемый низкочастотный вибросейсмоисточник, содержащий установленные на подшипниковых опорах полые приводные валы, связанные с ними дебалансы с парами пазов и механизмы радиального перемещения дебалансов с приводами, снабженные тягами, расположенными
в полостях валов, один конец которых связан с возможностью перемещения с дебалансами, вторые с приводами [Авторское свидетельство СССР №113766, Кл. И 06 1/16, 1957].
Недостатком такого вибросейсмоисточника является низкая надежность из-за поперечных изгибов тяг и передачи радиальных центробежных усилий от дебалансов на приводные валы через промежуточные конструктивные элементы.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является состоящий из двух полумодулей центробежный низкочастотный вибросейсмоисточник, в котором в нижней части дебалансов каждого полумодуля имеются гидроцилиндры со штоками, с поршнями, расположенными внутри валов перпендикулярно их осям вращения. Обе полости гидроцилиндров наполнены жидкостью и связаны между собой трубопроводами с возможностью регулирования расхода жидкости. Причем дебалансы выполнены со смещенными начальными радиусами вращения их центров масс, а подшипниковые опоры установлены на излучающую виброплатформу с пружинами, на которых размещается пригрузочная масса [Патент РФ №2240183, 7 В 06 В 1/16, 2004 (прототип)].
Такой вибросейсмоисточник также имеет низкую надежность из-за нарушения целостности конструкции силовых валов полумоделей с дебалансами и имеет низкие энергетические показатели на рабочих частотах вибросейсмоизлучения.
Задачей изобретения является создание вибросейсмоисточника с более высокой надежностью и с улучшенными энергетическими показателями на рабочих частотах вибросейсмоизлучения.
Указанная задача достигается тем, что в вибросейсмоисточник, содержащий излучающую виброплатформу, центробежный генератор гармонических вибросейсмических усилий с двумя дебалансными полумодулями, с приводными электродвигателями, системой питания и управления введены карданные валы, связывающие приводные
электородвигатели с силовыми валами дебалансов полумодулей, основания для двигателей, датчики положений дебалансов, датчик смещения излучающей виброплатформы и синхронно-следящая система управления вибросейсмоисточником, пригрузочная масса вибросейсмоисточника через стойки жестко закреплена на излучающей виброплатформе, приводные электродвигатели установлены на отдельном, удаленном от излучающей виброплатформы основании, валы электродвигателей соединены с силовыми валами дебалансных полумоделей карданными валами.
Вибросейсмоисточник (фиг.1, 2) содержит излучающую виброплатформу 1, установленную на грунт и прижатую к нему жестко связанными с излучающей виброплатформой стойками 2 пригрузочной массой (на фиг. не показана). На излучающую виброплатформу 1 установлены подшипниковые опоры 3, 4, в подшипниках которых 5, 6 установлены силовые валы 7, 8, например, квадратной формы в средней части этих силовых валов. На валах 7, 8 каждого полумодуля установлены дебалансы 9, 10, например, дискообразной формы с радиусами 11, 12 (r1) и со смещенными радиусами 13, 14 (r2) центров их масс вращения на валах 7, 8 соответственно.
Силовые валы 7, 8 (фиг.2) дебалансов каждого полумодуля через карданные валы 15, 16 соединены с валами приводных электродвигателей 17, 18, на вторых выходных валах которых установлены датчики 19, 20 дискретных и непрерывных положений этих валов и дебалансов соответственно, излучающая виброплатформа также снабжена датчиком ее смещения (на фигурах 1, 2 не показан). Электродвигатели и датчики положений подключены к синхронно-следящей системе управления вибросейсмоисточником (на фиг. не показаны).
Электродвигатели 17, 18 со своей станиной 21 установлены на грунт в непосредственной близости от излучающей виброплатформы 1. Излучающая виброплатформа 1 и станина 21 дополнительно связаны между собой подвижной связью 22.
Вибросейсмоисточник работает следующим образом.
В исходном положении дебалансы 9, 10 обоих полумодулей (фиг.1, 2) вибросейсмоисточника находятся в нижнем положении. Пуск вибросейсмоисточника производится одновременной подачей силового напряжения на приводные электродвигатели 17, 18 от силовой системы питания и управления, на которую подаются сигналы от датчиков 19, 20 дискретного и непрерывного их положения в пространстве. В результате валы двигателей вместе с силовыми валами 7, 8 дебалансов 9, 10 обоих полумодулей начинают вращаться синхронно и синфазно в разные стороны со скоростями +ω и -ω.
2
При этом каждый дебаланс создает центробежное усилие F в соответствии с выражением F=mrωsinωt,
2
где m - масса дебаланса (кг), r - радиусы вращения центров масс дебалансов 9, 10 (r - в нашем случае), ω - круговая частота вращения (рад/сек).
Так как вибросейсмоисточник имеет нерегулируемые дебалансы, то их величина статического момента вращения mr рассчитывается из соображений создания максимального усилия на максимальной заданной частоте, то статический момент дебалансов (mr), являющийся моментом сопротивления двигателей, при пуске вибросейсмоисточника имеет небольшую величину.
На фиг.1, 2 приведено положение дебалансов, формирующих вертикальное направление усилий F в верхнем направлении. При этом виброплатформа 1, прижатая к грунту пригрузом через стойки 2, уменьшает давление на грунт без отрыва от него. При нижнем положении дебалансов 9, 10 давление на грунт складывается с усилием прижима пригруза. В результате на грунт производится гармоническое воздействие усилий в соответствии свыше приведенным соотношением.
Валы двигателей вместе с силовыми валами 7, 8 и самими дебалансами 9, 10 обоих полумодулей вращаются синхронно и синфазно при увеличении и
при снижении частоты вибраций, создавая необходимые для геофизических работ сеансы сейсмоизлучений.
По технологии геофизических работ необходимо создание сейсмоколебаний с продольными (вертикальные волны сжатия) и с поперечными волнами (волны сдвига в горизонтальном направлении).
На фиг.3 показано положение дебалансов 9, 10 вибросейсмоисточника, создающего усилия колебаний F под углом -45° относительно вертикального направления, а на фиг.4 эти направления усилий создают угол +45° относительно вертикали. Такая перенастройка осуществляется соответствующим заданием в системе управления с точностью 360/N, где N - число отметок за оборот вала двигателя дискретных датчиков положения 19, 20. При формировании вертикального направления усилий вибросейсмоисточника дебалансы на излучающей виброплатформе сами создают синхронизирующие моменты. Но эти моменты проявляют себя на частотах 15-25 Гц. Сеансы же вибросейсмоизлучений проводятся на частотах от 5 Гц и выше. Это и возможно при создании следящерегулируемых вибросейсмоисточников при индивидуальных привоприводах на каждый дебаланс. Для упрощения таких режимов работы на фиг.3 показано введение гибких синхронизирующих валов 23, 24, связанных соответственно с силовыми валами 7, 8 дебалансов 9, 10 вибросейсмоисточника. Валы 23, 24 снабжены дискретно регулируемой муфтой 25, обеспечивающей требуемую ориентацию направления усилий колебаний вибросейсмоисточника. Гибкие валы 23, 24 вместе с муфтой 25 обеспечивают и вращение валов 7, 8, валов двигателей 17, 18 и самих дебалансов 9, 10 синхронно, синфазно, но в разные стороны со скоростями +ω и -ω соответственно.
При этом резко упрощается система управления вибросейсмоисточником и она может быть выполнена в виде одного силового блока, обеспечивающего питание обоих приводных электродвигателей 17, 18 одновременно. И система управления может быть выполнена даже без датчиков положения валов и скоростей их вращения 19, 20.
Изобретение значительно увеличивает надежность работы вибросейсмоисточника, улучшает его энергетические показатели за счет увеличения создаваемых усилий при резонансе пригрузочной массы без пружин, массы самого вибросейсмоисточника с излучающей виброплатформой и присоединенной массой грунта, также вовлекаемого в вибрационное движение в рабочем диапазоне создаваемых частот вибраций.