ВИБРОСЕЙСМОИСТОЧНИК
VIBROSEISMIC SOURCE

Изобретение относится к вибросейсмической технике, а именно к устройствам возбуждения мощных низкочастотных многоволновых колебаний, например, для невзрывных вибросейсмических работ при исследовании глубинного строения Земли, исследования вибросейсмическими методами состояния промышленных и гражданских строительных сооружений или для разведки полезных ископаемых вибросейсмическими методами.
Известен вибросейсмоисточник, содержащий установленный на подшипниковых опорах приводной вал, связанный с ним дебаланс с пазом в центральной части вала и механизм радиального перемещения небаланса также с пазом для его перемещения в нижней части, имеющего шток с поршнем и цилиндром, расположенным внутри вала перпендикулярно его оси вращения, или парой цилиндров, расположенных симметрично и также перпендикулярно оси вращения вала и механически связанного с ним, а обе полости цилиндров наполнены жидкостью и связаны между собой трубопроводом с возможностью регулирования расхода жидкости, причем дебаланс выполнен со смещенным начальным радиусом его центра массы [патент РФ №2240185, Малахов А.П., Аносов В.Н., Чичинин И.С., Малахов А.А. Регулируемый вибровозбудитель. 7 В06В 1/16. Бюл. №32, 20.22.2004].
Недостатком такого вибросейсмоисточника является его низкая надежность из-за наличия двух валов с механической или электрической синхронизацией и создание вибросейсмических колебаний одного направления.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является вибросейсмоисточник (прототип), содержащий четное количество полумодулей с установленными на подшипниковых опорах приводными валами, связанными с ними дебалансами с механизмами радиального перемещения дебалансов, и каждый полумодуль вибросейсмоисточника выполнен из двух идентичных дебалансов, сдвинутых на каждом валу полумодулей на 90°, а каждый дебаланс полумодулей выполнен с пазом для его перемещения относительно вала квадратной формы, к которому днищем закреплен гидроцилиндр с возможностью перемещения внутри дебаланса, связанного штоком гидроцилиндра с его поршнем, обе образованные полости гидроцилиндров связаны между собой трубопроводом с регулируемым дросселем, причем дебалансы выполнены со смещенными начальными минимальными радиусами вращения центров их масс, все нижние полости гидроцилиндров связаны через центры приводных валов трубопроводами, оба вала полумодулей связаны между собой полым, заполненным жидкостью гибким валом с переключателем первоначальной установки направления создаваемых усилий вибраций относительно излучающей платформы, камеры дебалансов с противоположной стороны от валов и гидроцилиндров выполнены герметичными и заполнены воздухом повышенного давления [патент РФ №2318611, В06В 1/16 01.2006. Опубл. 10.03.2008. Бюл. №7].
Недостатком этого вибросейсмоисточника является невысокая надежность из-за необходимости установки двух полумодулей со своими силовыми валами с устройствами их синхронизации и создании вибросейсмических колебаний только одного заранее выбранного пространственного направления.
Задачей изобретения является увеличение надежности и обеспечение многоволнового режима работы вибросейсмоисточника.
Указанная задача достигается тем, что в предлагаемом вибросейсмоисточнике содержится М силовых излучающих элементов цилиндрической формы, включающих внешний силовой излучающий цилиндр, гибкий промежуточный силовой цилиндр и внутренний силовой цилиндр, причем внутренний силовой цилиндр через гидравлические промежутки и гибкие участки промежуточного силового цилиндра подвижно в поперечном направлении связан с внешним силовым излучающим цилиндром, имеющим продольные и поперечные ребра жесткости по своей внешней поверхности, в каждом внешнем силовом излучающем цилиндре выполнено N дебалансных камер с силовыми подшипниковыми опорами, в которых установлены регулируемые дебалансы, каждый дебаланс имеет поперечную прорезь с двумя полостями, в которую помещен квадратный участок вала с ограничителями минимального и максимального хода дебалансов, указанные ограничители выполнены из гидроцилиндров и установлены по бокам дебалансов, вал каждого дебаланса опирается на стойки, жестко связанные с внутренним силовым цилиндром, все М силовых излучающих элементов помещают в грунт на необходимую глубину, сверху на грунт укладывают прижимные плиты, связанные с внешним силовым излучающим цилиндром, на прижимные плиты устанавливают серии гидроцилиндров, поршни которых связаны с анкерными сваями, силовые излучающие элементы располагают последовательно или параллельно, все валы дебалансов соединяют с электродвигателями с частотным регулированием и общим синхронным синфазным управлением.
На фиг.1 дан общий вид заявляемого вибросейсмоисточника на примере одного из М силовых излучающих его элементов; на фиг.2 дан поперечный разрез по А-А одного из М силового излучающего элемента вибросейсмоисточника по одному из его дебалансов с регулируемым положением центра его массы в двух положениях этого дебаланса (в нижнем и верхнем положениях).
Силовой излучающий элемент вибросейсмоисточника (фиг.1) содержит установленные на валу 1 в подшипниковых опорах 2 регулируемые дебалансы 3. Вал вместе с дебалансами снабжен приводными электродвигателями 4, 5. Подшипниковые опоры 2 жестко связаны с внутренним силовым цилиндром 6, также жестко связанным со щитами 7. между этим силовым цилиндром и вторым промежуточным гибким цилиндром 8 организована гидравлическая полость 9, сообщающаяся с маслостанцией с помощью гидропровода 10. С этой же маслостанцией через гидропроводы 11, 12 связаны и полости регуляторов дебалансов 3. Гибкий промежуточный цилиндр 8 подвижно в поперечном направлении связан с внешним силовым излучающим цилиндром 13 с продольными 14 и поперечными 15 ребрами его жесткости. Дебалансные силовые камеры, скрепленные со щитами 7, выполнены с возможностью свободного выхода из силового излучающего цилиндра 13 для ремонтных и профилактических операций.
Силовой излучающий цилиндр 13 помещен в грунт на необходимую глубину и через изолирующие элементы 16, 17 связан с установленной на грунт прижимной плитой 18, на которую установлена серия гидроцилиндров 19, 20, 21, поршни которых 22, 23, 24 связаны с анкерными сваями 25, погруженными также на необходимую глубину.
Вибросейсмоисточник может быть выполнен из М силовых излучающих элементов, изображенных на фиг.1, соединенных последовательно или параллельно по отношению друг к другу, соединенных карданными валами и общим дифференциалом (на фиг.1, 2 не показаны), а в каждом внешнем силовом излучающем цилиндре может быть расположено N силовых дебалансных камер (на фиг.1 показано 5 дебалансных камер). Так, в случае выполнения вибросейсмоисточника на суммарное усилие 1000 тс каждая дебалансная камера может быть выполнена на 50 тс, один силовой излучающий элемент вибросейсмоисточника (фиг.1) выполняется на 250 тс, а общее усилие в 1000 тс создается М=4 внешними силовыми излучающими цилиндрами.
На фиг.1 показано положение дебалансов с их максимальным центром масс 26, подшипниковые опоры 27 вала 1 жестко связаны с внутренним силовым цилиндром 6, а гидроцилиндры 19, 20, 21 связаны с маслостанцией напорными маслопроводами 28, 29, 30.
На фиг.2 показан поперечный разрез по А-А (фиг.1) одной регулируемой дебалансной камеры вибросейсмоисточника.
Дебаланс 3 (фиг.2) цилиндрической формы имеет поперечную прорезь 31, в которой помещается вал 1 с участком квадратной формы 32 с ограничителями хода 33, 34. На фиг.2 центр массы дебаланса имеет максимальный радиус вращения 26. Окружностью утолщенной формы 35 показано нижнее положение дебаланса, а штриховой 36 - верхнее его положение. Вал 1 в подшипниковых опорах 2 (фиг.1) опирается на стойки 27, жестко связанные с внутренним силовым цилиндром 6. Этот цилиндр через гидравлическую полость 9 и гибкие элементы промежуточного цилиндра 8 подвижно в поперечном направлении связан с внешним силовым излучающим цилиндром 13, который снабжен продольными 14 и поперечными 15 ребрами жесткости.
Вибросейсмоисточник, кроме вертикальной анкерной системы с гидроцилиндрами 19, 20, 21 и анкерами 25, снабжен и горизонтальной упругой системой с гидроцилиндрами 38, 39, прижимными плитами 40, 41, 42, 43, поршнями 44, 45 с тягами 46, 47. Гидроцилиндры 38, 39 также снабжены гидропроводами 50, 51, а гидроцилиндры 19, 20, 21 (фиг.1, 2) снабжены гидропроводами 28, 29, 30.
На фиг.1 штриховыми линиями показано верхнее положение дебалансов 3 при их вращении двигателями 4, 5.
Верхние и нижние полости паза 31 каждого дебаланса 3 снабжены также гидропроводами 52, 53 (фиг.2).
Вибросейсмоисточник работает следующим образом.
Перед пуском вибросейсмоисточника в нижние полости гидроцилиндров 19, 20, 21, 38, 39 (фиг.1, 2) подается гидравлическая жидкость с необходимым давлением, затем в гидравлическую полость 9 с помощью гидропровода 10 между внутренним силовым цилиндром 6 и промежуточным гибким цилиндром 8 через гидропровод 10 также подается гидравлическая жидкость с повышенным давлением. Внешняя поверхность промежуточного гибкого силового цилиндра 8 жестко связывается с внутренней поверхностью внешнего силового излучающего цилиндра 13. Все элементы вибросейсмоисточника вместе с грунтом приходят в упругое состояние.
Через гидропроводы 11, 12 (фиг.1) в верхнюю и нижнюю полости 31, 31-2 паза 31 дебалансов 3 подается гидрожидкость и эти дебалансы занимают предпусковое состояние с минимальными радиусами вращения центров их масс (на фиг.1, 2 показаны положения дебалансов с максимальными радиусами 26 вращения их центров масс).
g
2
Вибросейсмоисточник с помощью приводных электродвигателей 4, 5 приводит во вращение дебалансы 3. Каждый дебаланс при своем вращении создает центробежное круговое усилие в соответствии с выражением F=mrω (Н) (где m - масса дебаланса (кг), r - радиус вращения центра масс (м), ω - частота вращения (рад/с)), а суммарные усилия М силовых излучающих элементов и N силовых излучающих камер создают круговое усилие в соответствии с выражением
Σ
g
F=MNF
g
Так, для получения суммарного кругового усилия в 1000 тс (10 МН) необходимо N=5 силовых дебалансных камер и М=4 силовых излучающих элементов, т.е. каждый дебаланс должен создавать усилие F=50 тс=500 кН.
Создаваемое усилие подшипниковыми опорами 2 через стойки 37 передается на внутренний силовой цилиндр 6 и далее через гидравлическую полость 9 на промежуточный гибкий цилиндр 8, который в свою очередь внешней своей поверхностью передает это усилие на внешний силовой излучающий цилиндр 13. Далее вибросейсмическое излучение в виде активной мощности, полученной от приводных электродвигателей 4, 5, через приводной вал 1 и подшипниковые опоры 2 передается напряженному грунту во все стороны, создавая так называемое многоволновое поле, содержащее продольные, поперечные и цуг промежуточных волн.
Упругое состояние грунта создается гидравлической системой, состоящей из гидроцилиндров 19, 20, 21, 38, 39, поршней 22, 23, 24, 44, 45, анкеров 25, тяг 46, 47 и прижимных плит 18, 40, 41, 42, 43.
Диаметр и длина внешнего силового излучающего цилиндра 13 выбираются из того расчета, чтобы при вибрации грунт не выходил из упругого состояния, при этом амплитуда перемещений не превышает 1-2 мм, и тогда необходимая мощность приводных электродвигателей определяется из соотношения
вΣ
в
где F - суммарное амплитудное усилие вибросейсмоисточника (Н), V - виброскорость грунта (м/с) от силового излучающего цилиндра 13, cosφ - коэффициент мощности вибросейсмоисточника, в случае упругих колебаний обычно не превышает 0,5÷0,6.
Обычно вибросейсмические работы ведутся в диапазоне частот 3÷15 Гц, и в этом диапазоне поддерживается с помощью регулируемых дебалансов 3 постоянное создаваемое усилие.
Поставленная задача создания надежного вибросейсмоисточника из-за наличия только одного приводного вала и одновременном обеспечении многоволнового режима полностью выполняется.