ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ "РИФ" Российский патент 1996 года по МПК G01V1/137 G01V1/38 

Изобретение относится к морской сейсморазведке с пневматическими источниками сигналов и может быть использовано при поисково-разведочных работах на нефть и газ.

Известны пневмоисточники, имеющие большое оптимальное соотношение диаметра к высоте и кольцевой выхлоп воздуха. Этим обеспечивается большая площадь контакта сжатого воздуха с окружающей средой в момент вскрытия рабочей камеры. Как следствие, увеличивается акустический КПД, пропорционально связанный со скоростью увеличения площади газовой полости эквивалентного радиуса. Но одновременно ухудшается центровка подвижного узла, так как база его опоры на поршень штока сокращается относительно диаметра подвижного элемента. Поэтому увеличивается износ уплотнительных колец и сокращается ресурс работо- способности между их заменами [1, 2]
Известен пневматический источник сейсмических сигналов, содержащий крышку и дно, электропневмоклапан, направляющий элемент и перекрывающий выхлопное окно подвижный элемент. Большая площадь взаимодействия выбрасываемого воздуха и окружающей среды обеспечена максимально возможным диаметром корпуса при его минимальной высоте, а центровка подвижного узла обеспечена его оригинальной конструкцией, включающей два соосных кольца, жестко соединенных друг с другом. Причем внутреннее кольцо сопряжено с направляющим элементом малого диаметра, что и обеспечивает хорошую центровку подвижного элемента с большой базой между кольцевыми опорами [3]
Недостатком известного пневмоисточника является низкий ресурс между заменами кольцевых опор, охватывающих направляющий элемент, и торцевого уплотнения, сопряженного с внешней частью направляющего элемента.

Задачей изобретения является создание пневмоисточника с наиболее высоким ресурсом работоспособности сменных узлов. При этом технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в снижении скорости обратного хода подвижного элемента, исключении его осцилляции после срабатывания источника, снижении сил трения в подвижно сопряженных узлах и отведении тепла от контакта подвижно сопряженных элементов, что приведет к резкому снижению износа подвижно сопряженных узлов и элементов.

Указанный технический эффект достигается благодаря тому, что в заявленном пневмоисточнике, включающем электропневмоклапан, систему радиальных уплотнительных колец, корпус, содержащий крышку и дно, снабженное двумя кольцевыми выступами, направляющий элемент выполнен в виде втулки, разделенной подвижной перегородкой на две части, причем первая часть соединена воздушным жиклером с рабочей камерой и/или полостью ЭПК, вторая часть связана узлом соединения с управляющей камерой и заполнена антифрикционным материалом, подвижный элемент, перекрывающий выхлопное окно, выполнен в виде двух жестко связанных концентрических колец, из которых внутреннее имеет две кольцевые опоры, охватывающие направляющий элемент, рабочую и управляющие камеры и тормозную полость, а дно корпуса, его первый кольцевой выступ, внутреннее кольцо подвижного элемента и втулка образуют управляющую камеру, дно корпуса, его второй кольцевой выступ и нижний торец внешнего кольца подвижного элемента образуют тормозную полость, в крышке и направляющем элементе выполнены каналы, связывающие рабочую и управляющую камеры с источником сжатого воздуха.

Узел соединения представляет собой радиальное калиброванное отверстие во втулке, выполненное на уровне нижней кольцевой опоры или выхода канала подачи сжатого воздуха в управляющую камеру.

На внешних торцах кольцевых опор установлены дополнительные уплотнительные кольца, а к стыкам опор и дополнительных уплотнительных колец от радиальных уплотнительных колец в стенке и первом кольцевом выступе дна подведены каналы подачи смазки.

В стенке дна выполнена кольцевая выемка, замыкаемая внешним кольцом подвижного элемента, причем расстояние от нижнего среза кольцевой выемки до верхнего среза окна в корпусе равно или меньше высоты внешнего кольца.

Величина зазора между вторым кольцевым выступом в дне и внешним кольцом подвижного элемента определена в зависимости от объема тормозной полости, величины и характера падения давления в рабочей камере.

Кольцевые опоры и/или дополнительные уплотнительные кольца выполнены в виде матрицы из теплопроводного пористого материала насыщенного антифрикционным материалом или матрицы из антифрикционного материала, насыщенного порошком из теплопроводного материала.

Выхлопное окно на корпусе выполнено в виде ряда отверстий.

Внешнее и внутреннее кольца подвижного элемента соединены между собой решеткой, снабженной окнами, стенки которых выполнены с односторонним наклоном.

Подвижная перегородка выполнена в виде поршня, снабженного радиальными уплотнениями.

Сущность изобретения заключается в сокращении скорости обратного хода подвижного элемента, в сокращении пути пробега подвижного элемента (включая возвратно-поступальные колебания) до постановки его в исходное положение на торцовое уплотнение, в организации длительной дозированной подачи антифрикционного материала, например консистентной смазки, к поверхностям скольжения кольцевых опор и уплотнительных колец, обеспечении отвода тепла от поверхности трения. Для снижения скорости перемещения кольцевых опор и уплотнительных колец специально подбирают зазор между вторым кольцевым выступом дна и внешним кольцом подвижного элемента. Заход должен обеспечивать: во-первых, сжатие воздуха в тормозной полости нижним торцом внешнего кольца и эффективное торможение подвижного элемента, во-вторых, такой расход воздуха из тормозной полости в рабочую камеру при ее замыкании нижним торцом внешнего кольца, при котором в конце хода подвижного элемента давление в тормозной полости будет равным или не на много превышать исходное давление в рабочей камере. При таком зазоре обратный ход подвижного элемента будет сопровождаться падением давления в тормозной полости до уровня ниже, чем в рабочей камере. Как следствие, скорость обратного хода снижается и исключаются ударные нагрузки на торцевое уплотнение.

В конце обратного хода давление воздуха над верхним торцом внешнего кольца импульсно нарастает. Как следствие, подвижный элемент отбрасывается назад и совершает ряд колебаний, пока не займет исходного положения. Чем больше число колебаний, тем больший путь пройдут кольцевые опоры и уплотнения по поверхностям скольжения и тем больше их износ. Для сокращения износа опор и уплотнений число колебаний подвижного элемента в предлагаемом пневмоисточнике сокращено до одного, причем без повторного вскрытия рабочей камеры. Это достигается соотношением высоты внешнего кольца и расстоянием от верхнего среза окон до нижнего среза выемки в стенке дна. Оно подобрано так, что в момент закрытия окон выемка с первоначальным давлением в ней соединяется с тормозной полостью и рабочей камерой. Действующее короткий промежуток времени на нижний торец внешнего кольца давление препятствует отталкиванию назад подвижного элемента и совместно с давлением управляющей камеры переводит его в исходное положение.

Износ кольцевых опор дополнительно сокращен за счет долговременной дозированной подачи смазки к поверхностям трения из полости внутри втулки. Подача может быть организована двумя путями: эжекцией смазки и выдавливанием ее на поверхность втулки. Оба процесса осуществляются в нестационарном режиме.

При работе пнемоисточника на подвижную перегородку периодически действуют перепады давления, которые вызывают подачу смазки через узел соединения в канал подачи воздуха или непосредственно к трущимся поверхностям. Избыток смазки поступает далее к поверхностям трения внутреннего и внешнего колец подвижного элемента.

Равномерное распределение смазки по окружности достигается путем постепенного проворачивания подвижного элемента на 0,1-0,3 при каждом срабатывании за счет одностороннего наклона стенок окон в решетке, соединяющей внешнее и внутреннее кольца.

Для отвода тепла от поверхностей трения и снижения контактных температур кольца в парах трения и, особенно, опоры и дополнительные кольцевые уплотнения выполнены в виде бронзовой пористой ячеистой матрицы, обладающей высокой теплопроводностью, которая насыщена полиуретаном или фторопластом. В другом случае фторопласт (фторококс, полиуретан и др. ) отлиты в пресс-форме с присадкой порошка бронзы.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого источника; на фиг. 2 узел подачи смазки в управляющую камеру; на фиг. 3 диаграмма работы пневмоисточника типа Воlt, Импульс, Сигнал, Пульс, по оси абсцисс отложено перемещение Х подвижного элемента, а по оси координат скорость его перемещения Х; на фиг. 4 диаграмма работы предлагаемого источника.

Пневматический источник "Риф" состоит из крышки 1 с присоединенным к ней электропневмоклапаном (ЭПК) 2 и дном 3, образующих корпус пневмоисточника. Крышка 1 снабжена направляющим элементом (НЭ) 4, охваченным кольцевыми опорами 5 и 6 и подвижным элементом, состоящим из внутреннего 7 и внешнего 8 колец, соединенных решеткой 9. В дне выполнены первый 10 и второй 11 кольцевые выступы. Первый кольцевой выступ 10 образует с направляющим элементом 4 управляющую камеру 12. Второй кольцевой выступ 11 образует с нижним торцом внешнего кольца 8 тормозную (демпферную) полость 13, исходно соединенную с рабочей камерой 14, образованной между дном 3 и крышкой 1. Направляющий элемент 4 выполнен в виде втулки, разделенной подвижной перегородкой 15 на две части 16 и 17. Первая часть 16 НЭ 4 соединена с рабочей камерой 14 или с полостью 18 ЭПК 2 жиклером 19. Вторая часть 17 направляющего элемента 4 заполнена консистентной смазкой и соединена радиальным калиброванным отверстием 20 с управляющей камерой 12. В стенке дна 3 выполнена кольцевая выемка 21. Для подачи сжатого воздуха в управляющую камеру 12 служит канал 22 с отводом 23 в рабочую камеру 14. Для запуска пневмоисточника служат каналы 24, соединяющие полость 18 ЭПК со стартовой полостью 25 снаружи торцевого уплотнения 26. Выброс воздуха из корпуса производится через выхлопные окна 27. Для изоляции управляющей камеры 12 от рабочей камеры 14, а также рабочей камеры 14 от внешней среды служат радиальные уплотнительные кольца 28 и 29. Для предотвращения бесполезного выброса смазки из рабочего контакта опор 5 и 6 с направляющим элементом 4 и обеспечения смазки колец 28 и 29 опоры 5 и 6 скомбинированы с дополнительными уплотнительными кольцами 30 и 31. Стыки колец 5 и 30, а также 6 и 31 соединены каналами 32 и 33 подачи смазки с радиальными уплотнительными кольцами 28 и 29. Равномерность распределения смазки по всей окружности колец 5 и 6, 28 и 29, 30 и 31 обеспечена осесимметричным наклоном перегородок решетки 9. Подвижная перегородка 15 выполнена в виде поршня, снабженного радиальным уплотнением 34.

Работа пневмоисточника состоит в следующем.

Сжатый воздух подают в пневмоисточник через канал 22, откуда он поступает в управляющую камеру 12. Действие давления переводит подвижный элемент в исходное положение, при котором верхний торец внешнего кольца 8 опирается на торцевое уплотнение 26, а рабочая камера 14 изолируется от окружающей среды. Одновременно по отводу 23 меньшего сечения, чем канал 22, воздух перетекает в рабочую камеру 14. После прекращения перетоков воздуха источник готов к срабатыванию.

В момент запуска при срабатывании ЭПК сжатый воздух из полости 18 ЭПК через каналы запуска 24 поступает в полость 25, при этом возникает направленная вниз и приложенная к подвижному элементу сила, превышающая усилие его прижатия к торцовому уплотнению 26. Происходит разуплотнение и сообщение рабочей камеры 14 с полостью 25, возрастающее при этом давление в полости вызывает ускоренное движение подвижного элемента вниз. Направление и точная центровка подвижного элемента обеспечивается подвижными опорами 5 и 6. Далее при движении вскрываются выхлопные окна 27 и сжатый воздух из рабочей камеры 14 выбрасывается наружу, создавая расширяющуюся газовую полость в воде, порождающую акустический сигнал. При этом внешнее кольцо 8 подвижного элемента своим торцом входит в тормозную полость 13, а внутреннее 7 в управляющую камеру 12. Давление в них возрастает, что приводит к остановке подвижного элемента и обратному движению вверх. Так как часть воздуха из тормозной полости 13 через зазоры к этому времени вытеснилась в рабочую камеру 14, то при обратном движении давление в тормозной полости становится меньше, чем в рабочей камере, поэтому возврат поршня происходит только за счет давления и управляющей камере и скорость возврата ниже, чем в обычных пневмоисточниках. При обратном движении перекрываются выхлопные окна 27, давление в полости 25 кратковременно возрастает, прекращая обратное движение подвижного элемента. Давление в рабочей 14 и управляющей 12 камерах в момент остановки таково, что подвижный элемент находится практически в равновесном состоянии и медленно садится на торцовое уплотнение 26 по мере выпуска избытка воздуха из рабочей камеры 14. При срабатывании пневмоисточника перепады давления, действующие на подвижную перегородку, приводят к выталкиванию смазки из второй части 18 направляющего элемента 4.

Исключение осцилляций запорного узла при постановке его в исходное положение резко уменьшает износ кольцевых опор 5 и 6 уплотнений 28-31. Дополнительно износ сокращен за счет долговременной дозированной подачи смазки к поверхностям трения из полости внутри направляющего элемента 4.

Постепенное накопление смазки на дне 3 (фиг. 2) сопровождается ее периодическим вталкиванием в канал 22 подачи воздуха и обратным всасыванием в управляющую камеру 12. Распыление смазки по управляющей камере 12 обеспечивает ее подачу к стенкам направляющего элемента 4 и кольцевым опорам 5 и 6. Часть смазки микроскопическими долями по ходовым посадкам внутреннего кольца 7 проникает в рабочую камеру 14 и бесполезно удаляется из нее через окна 27. Наличие каналов 32 и 33 подачи смазки, связывающие радиальные уплотнительные кольца 28 и 29 в стенке и первом кольцевом выступе дна 3 со стыками между кольцевыми опорами 5 и 6 и с комбинированными с ними уплотнениями 30 и 31, обеспечивает полезную передачу избытка смазки от поверхности направляющего элемента 4 к другим поверхностями трения. Каналы 32 и 33 могут быть выполнены в подвижном элементе или в дне 3.

Возможно и иное исполнение узла подачи смазки (фиг. 2), когда при обратном ходе подвижного элемента на стенку направляющего элемента 4 выступает микропорция смазки. Эта смазка распределяется по поверхности направляющего элемента 4 и снижает трение о нее кольцевых опор 5 и 6. При этом поверхность направляющего элемента 4 между опорами 5 и 6 отделена от управляющей камеры 12 внутренним кольцом 7. Как и в первом случае смазка улавливается на стыке кольцевых опор 5 и 6 и сопряженных с ними уплотнительных колец 30 и 31 и по каналам 32 и 33 подачи смазки поступает к поверхностям трения радиальных уплотнений 28 и 29.

В качестве смазки рекомендуется использовать безвредные для окружающей среды масла, например, на основе рыбьего жира или касторового масла.

Пневматический источник сейсмических сигналов "Риф" имеет следующие характеристики:
Рабочее давление, МПа 15,0
Общий объем рабочей
камеры, м³ В пределах
0,5-2,75
Ресурс работоспособности
между заменами уплотни-
тельных колец, тыс.циклов Не менее
100
Приведенная амплитуда
давления (О-Р), МПа х м 0,2-0,6
Отношение амплитуд
сигнала и пульсаций
(Р/B ratio) на рабочей
глубине 4,5 м 3-7

Использование: в морской сейсморазведке для возбуждения сейсмических сигналов. Сущность изобретения: пневмоисточник включает электропневмоклапан (ЭПК), систему радиальных уплотнительных колец, корпус, содержащий крышку и дно, снабженное двумя кольцевыми выступами, направляющий элемент в виде втулки, разделенной подвижной перегородкой на две части, причем первая часть соединена воздушным жиклером с рабочей камерой и/или полостью ЭПК, вторая часть связана узлом соединения с управляющей камерой и заполнена антифрикационным материалом, подвижный элемент, перекрывающий выхлопное окно, выполнен в виде двух жестко связанных концентрических колец, из которых внутреннее имеет две кольцевые опоры, охватывающие направляющий элемент, рабочую и управляющие камеры и тормозную полость, а дно корпуса, его первый кольцевой выступ, внутреннее кольцо подвижного элемента и втулка образуют управляющую камеру, дно корпуса, его второй кольцевой выступ и нижний торец внешнего кольца подвижного элемента образуют тормозную полость, в крышке и направляющем элементе выполнены каналы, связывающие рабочую и управляющую камеры с источником сжатого воздуха. 8 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ "РИФ", включающий корпус, содержащий крышку и дно, направляющий элемент и перекрывающий выхлопное окно подвижный элемент, выполненный в виде двух жестко связанных концентрических колец, из которых внутреннее имеет две кольцевые опоры, охватывающие направляющий элемент, рабочую и управляющие камеры и тормозную полость, электропневмоклапан (ЭПК), каналы, выполненные в крышке и направляющем элементе, связывающие обе камеры с источником сжатого воздуха, торцевое уплотнение и систему радиальных уплотнительных колец, отличающийся тем, что направляющий элемент выполнен в виде втулки, разделенной подвижной перегородкой на две части, причем первая часть соединена воздушным жиклером с рабочей камерой и/или полостью ЭПК, а вторая часть связана узлом соединения с управляющей камерой и заполнена антифрикционным материалом, дно корпуса снабжено двумя кольцевыми выступами, причем первый кольцевой выступ, дно корпуса, внутреннее кольцо подвижного элемента и втулка образуют управляющую камеру, а второй кольцевой выступ, дно корпуса и нижний торец внешнего кольца подвижного элемента образуют тормозную полость. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что узел соединения представляет собой радиальное калиброванное отверстие во втулке, выполненное на уровне нижней кольцевой опоры или выхода канала подачи сжатого воздуха в управляющую камеру. 3. Источник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на внешних торцах кольцевых опор установлены дополнительные уплотнительные кольца, а к стыкам опор и дополнительных уплотнительных колец от радиальных уплотнительных колец в стенке и первом кольцевом выступе дна подведены каналы подачи смазки. 4. Источник по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в стенке дна выполнена кольцевая выемка, замыкаемая внешним кольцом подвижного элемента, причем расстояние от нижнего среза кольцевой выемки до верхнего среза окна в корпусе равно или меньше высоты внешнего кольца. 5. Источник по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что величина зазора между вторым кольцевым выступом в дне и внешним кольцом подвижного элемента определена в зависимости от объема тормозной полости, величины и характера падения давления в рабочей камере. 6. Источник по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что кольцевые опоры и/или дополнительные уплотнительные кольца выполнены в виде матрицы из теплопроводного пористого материала, насыщенного антифрикционным материалом, или матрицы из антифрикционного материала, насыщенного порошком из теплопроводного материала. 7. Источник по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что выхлопное окно на корпусе выполнено в виде ряда отверстий. 8. Источник по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что внешнее и внутреннее кольца подвижного элемента соединены между собой решеткой, снабженной окнами, стенки которых выполнены с односторонним наклоном. 9. Источник по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что подвижная перегородка выполнена в виде поршня, снабженного радиальными уплотнениями.