ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01V1/02 G01V1/04 

Изобретение относится к геофизическим приборам, использующим выхлоп сжатого до высокого давления воздуха для возбуждения упругих колебаний при морской и речной сейсморазведке.

В настоящее время в пневматических источниках упругих сигналов в зоне выхлопа сжатого газа используются уплотнительные узлы двух типов: торцовые и радиальные.

Известен пневматический источник сейсмических сигналов для акваторий, в котором уплотнительный узел торцового типа выполнен в виде уплотнительного кольца, расположенного в канавке с двумя кольцевыми щелями, связывающими полость канавки с окружающей средой [1] Уплотнительное кольцо размещено на неподвижном поршне штока пневмоисточника. Герметизация рабочего объема происходит благодаря упору кольцевого шипа, расположенного на подвижном цилиндре, в уплотнительное кольцо.

Недостатком данного источника является необходимость достаточно больших прижимных сил, действующих на цилиндр с шипом, для обеспечения контактного давления P_к. В результате при большом количестве циклов происходит интенсивный износ уплотнительного кольца, снижается надежность и долговечность конструкции в целом.

Известен пневматический источник сейсмических сигналов [2] в котором уплотнительный узел радиального типа, расположенный в зоне выхлопа, выполнен прямоугольного сечения из высокопрочного эластичного материала, например капролона или фторопласта 4. Достаточно высокая жесткость уплотнительного кольца с его внутренней стороны компенсируется герметизирующим элементом резиновым кольцом. Так как в зоне выхлопа выброс сжатого воздуха производится очень резко (время истечения несколько мс), то прочностные характеристики уплотнительного кольца на разрыв обеспечиваются необходимой и достаточной массой кольца. Например, для фторопласта 4 площадь сечения кольца должна быть не менее 100 мм² при G_{разрыва} 20 МПа. Это значит, что высота уплотнительного кольца относительно велика. Это значительно увеличивает силу контактного давления при герметизации уплотняемой среды сжатого воздуха и, как следствие, повышает силу трения пары кольцо цилиндр. Уплотнительное кольцо помещено в канавку и может свободно перемещаться в радиальном направлении. В результате долговечность уплотнительного кольца находится в прямой зависимости от величины начального контактного давления (P_кo) поверхности кольца на цилиндр. По мере износа уплотнительного кольца P_кo уменьшается и происходит нарушение надежной герметизации сжатого воздуха в рабочей камере пневмоисточника. Так как контактное давление по мере износа не поддерживается стабильным, долговечность уплотнительного кольца в зоне выхлопа сжатого газа значительно снижается и находится в прямой зависимости от свойств материала, из которого выполнено уплотнительное кольцо.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пневмоисточник [3] в котором подвижный элемент цилиндр, уплотняет рабочую камеру за счет торцового уплотнителя и двигается по направляющим из антифрикционного материала (фторопласта).

Недостатком пневмоисточника является сравнительно быстрый износ торцового кольца в результате действия на него больших прижимных сил, необходимых для обеспечения надежной герметизации пневмоисточника перед вскрытием, а также отсутствие синхронизации при группировании и контроля за вскрытием рабочей камеры.

Кроме того, направляющие для цилиндра элементы выполнены в виде колец, которые контактируют непосредственно с уплотнительными элементами. В результате уплотнительные элементы при работе нагружены в сторону, противоположную высокому давлению, критически, а именно по ходовому зазору между цилиндром и направляющим кольцом и по зазору между направляющим кольцом и поверхностью его посадочного места на корпусе пневмоисточника. Двойная нагрузка на уплотнительное кольцо значительно снижает долговечность и надежность его в работе при знакопеременных нагрузках, возникающих в процессе длительной работы пневмоисточника. Помимо этого направляющие для цилиндра кольца из антифрикционного материала выполняют роль статических элементов и в процессе работы пневмоисточника зазор между ними и цилиндром зависит только от качества и свойств материала, из которого они изготовлены по параметрам его износостойкости. В этом случае долговечность и надежность в работе источника со временем снижается, что приводит к необходимости постоянной замены направляющих элементов в процессе эксплуатации пневмоисточника в море.

Цель изобретения повышение надежности и долговечности пневмоисточника за счет обеспечения постоянного зазора между подвижным цилиндром и направляющими элементами, обеспечения стабильности контактного давления при износе уплотнительного кольца в процессе длительной работы устройства, синхронизации и контроля за вскрытием рабочей камеры.

Для этого в источнике сейсмических сигналов, содержащем крышку, дно, подвижный цилиндр, шток с поршнями, образующими управляющую камеру, загерметизированную уплотнительными кольцами, расположенными в проточках, и рабочую камеру, загерметизированную уплотнением, направляющие кольца из антифрикционного материала, установленные в дополнительных проточках поршней, и электропневмоклапан; направляющие кольца разнесены от уплотнительных колец в противоположные стороны от управляющей камеры и выполнены разрезными не менее чем из двух частей, уплотнение дополнительно снабжено уплотнительным кольцом Т-образного сечения, расположенным в фигурной проточке с внешней стороны от кольцевого уплотнения, выступом, обращенным к внутренней стенке цилиндра, и дополнительно содержит магнитоэлектрический прерыватель движения подвижного цилиндра.

Радиус внутренней поверхности проточек в 1,5-2,0 раза меньше среднего радиуса направляющих колец, расположенных в них, зазор между внешней поверхностью направляющих колец и внутренней поверхностью цилиндра выбран по ходовой посадке, а зазор между поршнями и подвижным цилиндром больше зазора между направляющим кольцом и цилиндром в 2-4 раза.

Уплотнительное кольцо Т-образного сечения выполнено из высокопрочного эластичного материала с возможностью радиального перемещения, причем площадь поверхности выступа кольца в 5-10 раз меньше площади поверхности основного кольца.

Магнитоэлектрический прерыватель выполнен в виде геркона, установленного в крышке напротив верхнего торца подвижного цилиндра и постоянного магнита, размещенного в соосно расположенном Г-образном уступе крышки, выполненном из немагнитного материала.

На фиг. 1 изображен предлагаемый источник, общий вид на фиг. 2 узел I (увеличено) на фиг. 1; на фиг. 3 узел II (увеличено) на фиг. 1; на фиг. 4 схема соединения герметичного контакта с регистратором; на фиг. 5 сигнал, получаемый на экране регистратора в момент срабатывания источника.

Пневмоисточник содержит крышку 1, электропневмоклапан 2 с запорным элементом 3 и седлом 4 и выполненный из ферромагнитного материала цилиндра 5, подвижный относительно штока 6 с поршнями 7-9. Цилиндр 5 и шток 6 с поршнями 7-9 образуют управляющую камеру 10 и рабочую камеру 11.

В крышке 1 расположены магнитоэлектрический прерыватель (герметичный контакт) 12, заполненный герметизированным компаундом, и постоянный магнит 13. Прерыватель 12 установлен относительно магнита 13 с зазором, перекрываемым подвижным цилиндром 5, причем ось срабатывания геркона размещена в поле действия магнита. Крышка 1 выполнена из немагнитного материала. Поршни 7-9 уплотнены относительно цилиндра 5 уплотнителями 14 16. Поршни 7 и 8 имеют дополнительные канавки, смежные с уплотнителями 14 и 15 со стороны, противоположной высокому давлению. В канавках размещены направляющие разрезные кольца из капролона 17 и 18. Уплотнитель 16 (уплотнительное кольцо Т-образного сечения) расположен в фигурной канавке 19 и с внутренней стороны герметизируется резиновым уплотнителем (кольцом) 20. Канавка 19 имеет два защитных кольцевых буртика 21, выполненных так, чтобы между уплотнительным кольцом 16 и буртиками 21 сохранялся определенный зазор "б", который не препятствует перемещению кольца 16 в радиальном направлении в пределах упругой деформации его формы. Канавка 19 с внутренней стороны сообщается с рабочим объемом (камерой) 11 с помощью отверстия 22. Центральный кольцевой выступ 23 кольца 16 контактирует по поверхности "а" с подвижным цилиндром 5, а основное тело кольца 16 имеет кольцевую поверхность "в", обращенную в сторону кольцевых буртиков 21. Зазор между внешней поверхностью направляющих разрезных колец 17 и 18 выполнен по ходовой посадке "б₀", зазор "б₁" между поршнями 7 и 8 и цилиндром 5 превосходят "б₀" в 2-4 раза. Сжатый воздух в пневмоклапан 2, управляющую камеру 10 и рабочую камеру 11 подается по каналам 24 26; подрыв цилиндра 5 от пневмоклапана 2 производится по каналу 27.

Прерыватель 12 соединен линией связи с блоком питания 28 через резистор 29 с регистратором, расположенным на борту судна (не показаны). Крышка 1 может быть выполнена с Г-образным уступом, в котором располагается магнит 13.

Пневмоисточник работает следующим образом.

Сжатый воздух от источника избыточного давления по каналам 24 26 поступает в полость пневмоклапана 2, управляющую камеру 10 и рабочую камеру 11. Так как диаметр поршня 7 больше диаметра поршня 8, цилиндр 5 при подаче первой порции воздуха перемещается вниз и занимает исходное положение, герметизируя рабочую камеру 11 по уплотнителю 16.

По окончании заполнения сжатым воздухом камеры 11 командным импульсом тока приводят в действие пневмоклапан 2, открывающий канал 27. В результате сжатый газ действует на торец цилиндра 5, который, двигаясь с большой скоростью, вскрывает рабочую камеру 11 порция газа выбрасывается в окружающую среду, формируется первичный упругий импульс.

Подвижный цилиндр, перемещаясь вверх, входит в зазор между прерывателем 12 и размещенным в крышке 1 постоянным магнитом 13, перекрывает его. В результате этого размыкаются контакты прерывателя 12 и напряжение в цепи падает. Как следствие этого, на экране регистратора образуется ступенька, наличие которой и свидетельствует о срабатывании источника. После выброса сжатого воздуха из рабочей камеры 11 в окружающую среду наружный цилиндр 5 возвращается в исходное положение, открывает постоянный магнит 13, магнитный поток от которого, воздействуя на контакты прерывателя 12, замыкает их.

Во время цикла уплотнительный узел работает в следующем режиме. Под действием давления уплотнительной среды сжатого воздуха, уплотнительное кольцо 16 за счет нескомпенсированных радиальных сил прижимается к уплотняемой поверхности цилиндра 5 и герметизирует рабочий объем пневмоисточника. Герметизация обеспечивается двумя факторами начальным контактным давлением P_кo уплотнительного кольца 16 по поверхности "а" и благодаря тому, что первая же порция сжатого воздуха, попадая из рабочей камеры 11 через отверстие 22 на внутреннюю поверхность уплотнительного кольца 16, создает радиальное усиление на него из-за того, что порция сжатого воздуха замыкается резиновым кольцом 20. После достижения рабочего давления сжатого воздуха в камере 11 пневмоисточник готов к работе. Наиболее жесткий режим работы уплотнительного кольца 16 наступает в момент вскрытия пневмоисточника, когда цилиндр 5 выходит из сопряжения с уплотнительным кольцом 16. При вскрытии цилиндра 5 сжатый воздух из пневмоисточника выбрасывается с большой скоростью, поэтому с внешней стороны уплотнительного кольца 16 давление резко падает, в то время как с внутренней его стороны давление остается близким к первоначальному. В результате возникновения большой составляющей силы, действующей на кольцо 16 с его внутренней стороны, последнее стремится двигаться в радиальном направлении вплоть до разрыва, если силы превосходят разрешающее напряжение при растяжении (G_р.р. ). Представленная конструкция уплотнительного узла исключает разрушение кольца при вскрытии пневмоисточника в зоне выброса сжатого воздуха. Это достигается тем, что тело уплотнительного кольца 16 в момент выброса сжатого воздуха удерживается кольцевыми буртиками 21, причем величина зазора "б" между кольцом и буртиками выбрана так, чтобы радиальное растяжение кольца происходило в пределах упругой деформации формы кольца, которая меньше деформации G_р.р., создающей разрушающее напряжение. Т-образное сечение уплотнительного кольца 16 в сочетании с фигурной канавкой позволяет обеспечить не только необходимые прочностные свойства кольца 16, но также повысить надежность герметизации уплотнительной среды за счет снижения контактной поверхности центрального выступа кольца 23 и, следовательно, значительного снижения необходимого для герметизации давления в первоначальный момент заполнения сжатый воздухом пневмоизлучателя. Другими словами, Т-образное сечение кольца из высокопрочного достаточно жесткого материала, например капролона, позволяет обеспечить высокую эластичность, близкую к эластичности резинового кольца, и одновременно обеспечить высокую прочность на разрыв при резком перепаде давления во время выброса сжатого воздуха из пневмоизлучателя.

За время рабочего цикла цилиндр 5 в пневмоисточнике совершает возвратно-поступательное движение со скоростью, достигающей 20-30 м/с. Чтобы обеспечить гашение разрушающей вибрации цилиндра при его достижении на таких скоростях и, как следствие, повысить надежность работы устройства в целом, смежно с канавками, в которых расположены уплотнители 14 и 15 на поршнях 7 и 8 выполнены дополнительные канавки, в которых помещены кольцевые разрезные направляющие кольца из антифрикционного материала, обладающие упругостью формы. Упругость формы направляющих колец 17 и 18 ввиду сравнительно малых радиальных нагрузок (вибрации) на цилиндр 5 во время его движения позволяет обеспечивать при износе постоянный ходовый зазор "б₀" между цилиндром 5 и направляющими кольцами 17 и 18 и тем самым обеспечить длительную живучесть уплотнительных колец 14 и 15. Кроме того, между цилиндром 5 и поршнями 7 и 8 выполнен зазор "б₁" (см. фиг. 1), который превосходит ходовой зазор "б₀" в 2-4 раза, в результате цилиндр 5 при своем движении не касается металла и движется только по поверхности направляющих колец 17 и 18 из антифрикционного материала. Это в свою очередь обеспечивает стабильность и долговечность в работе подвижного цилиндра 5 при его длительной эксплуатации, причем наличие обратной связи позволяет повысить точность синхронизации источников при группировании, осуществлять контроль за каждым отдельным источником, своевременно принимая профилактические меры.

Предлагаемый пневмоисточник позволяет значительно увеличить надежность и долговечность в работе пневматических источников, тем самым повысить эффективность морских сейсморазведочных работ.

Был выполнен макет, который реализован в группе пневмоисточников из 10 штук. Экспериментальная проверка показала высокую надежность пневмоисточников. После 400 тыс. циклов работы все уплотнительные направляющие кольца оставались работоспособными как система синхронизации.

Использование: возбуждение упругих колебаний в морской и речной сейсморазведке. Сущность изобретения: в пневматическом источнике сейсмических сигналов, содержащем крышку, дно, подвижный цилиндр, шток с поршнями, образующими управляющую камеру, загерметизированную уплотнительными кольцами, расположенными в проточках, и рабочую камеру, загерметизированную уплотнением, направляющие кольца из антифрикционного материала, установленные в дополнительных проточках поршней, и электропневмоклапан, направляющие кольца разнесены от уплотнительных колец в противоположные стороны от управляющей камеры и выполнены разрезными не менее чем из двух частей, уплотнение дополнительно снабжено уплотнительным кольцом Т-образного сечения, расположенным в фигурной проточке с внешней стороны от кольцевого уплотнения, выступом, обращенным к внутренней стенке цилиндра, и дополнительно содержит магнитоэлектрический прерыватель движения подвижного цилиндра. Радиус внутренней поверхности проточек в 1,5 - 2,0 раза меньше среднего радиуса направляющих колец, расположенных в них, зазор между внешней поверхностью направляющих колец и внутренней поверхностью цилиндра выбран по ходовой посадке, а зазор между поршнями и подвижным цилиндром больше зазора между направляющим кольцом и цилиндром в 2 - 4 раза. Уплотнительное кольцо Т-образного сечения выполнено из высокопрочного эластичного материала с возможностью радиального перемещения, причем площадь поверхности выступа кольца в 5 - 10 раз меньше площади поверхности основного кольца. Магнитоэлектрический прерыватель выполнен в виде геркона, установленного в крышке напротив верхнего торца подвижного цилиндра, и постоянного магнита, размещенного в соосно расположенном Г-образном уступе крышки, выполненном из немагнитного материала. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, содержащий крышку, дно, подвижный цилиндр, шток с поршнями, образующие управляющую камеру, загерметизированную уплотнительными кольцами, расположенными в проточках, и рабочую камеру, загерметизированную уплотнением, направляющие кольца из антифрикционного материала, установленные в дополнительных проточках поршней, и электропневмоклапан, отличающийся тем, что направляющие кольца разнесены от уплотнительных колец в противоположные стороны от управляющей камеры и выполнены разрезными не менее чем из двух частей, уплотнение дополнительно снабжено уплотнительным кольцом Т-образного сечения, расположенным в фигурной проточке с внешней стороны от кольцевого уплотнения, выступом, обращенным к внутренней стенке цилиндра, и дополнительно содержит магнито-электрический прерыватель движения подвижного цилиндра. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что радиус внутренней поверхности проточек в 1,5-2 раза меньше среднего радиуса направляющих колец, расположенных в них, зазор между внешней поверхностью направляющих колец и внутренней поверхностью цилиндра выбран по ходовой посадке, а зазор между поршнями и подвижным цилиндром больше зазора между направляющим кольцом и цилиндром в 2 4 раза. 3. Источник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что уплотнительное кольцо Т-образного сечения выполнено из высокопрочного эластичного материала с возможностью радиального перемещения, причем площадь поверхности выступа кольца в 5-10 раз меньше площади поверхности основного кольца. 4. Источник по пп.1 3, отличающийся тем, что магнитоэлектрический прерыватель выполнен в виде геркона, установленного в крышке напротив верхнего торца подвижного цилиндра, и постоянного магнита, размещенного в соосно расположенном Г-образном уступе крышки, выполненном из немагнитного материала.