НАЗЕМНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ВИБРАЦИОННЫЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК Российский патент 2005 года по МПК G01V1/02 

Изобретение относится к области наземных вибрационных источников сейсмических колебаний, использующихся при проведении сейсморазведочных работ, и предназначено для создания сейсмических волн в грунте приложением к нему знакопеременных усилий с регулируемой частотой и амплитудой.

Известны конструкции электрогидравлических вибрационных сейсмоисточников [1].

Электрогидравлический вибрационный сейсмоисточник содержит жесткую излучающую плиту, специальное устройство для ее прижима к грунту, пригруз и источник знакопеременной изменяемой по частоте силы, которая прилагается между излучающей плитой и пригрузом, причем в качестве источника знакопеременной силы используется гидравлическая система, управляемая электроклапанами.

Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие жесткой излучающей плиты, устройства для ее прижима к грунту, пригруза и источника знакопеременной изменяемой по частоте силы, которая прилагается между излучающей плитой и пригрузом.

Электрогидравлические сейсмоисточники сложны по конструкции и управлению и имеют низкий КПД преобразования потребляемой энергии в сейсмическую. Отмеченные недостатки приводят к высокой стоимости сейсмоисточника и значительным затратам на его эксплуатацию.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является электродинамический вибросейсмоисточник [2].

Электродинамический вибросейсмоисточник содержит излучающую плиту, устройство для ее прижима к грунту, состоящее из прижимного пригруза и упругих элементов, электродинамический источник знакопеременной силы, состоящий из 2 частей, имеющих возможность взаимного перемещения, пружины, соединяющей первую часть электродинамического источника знакопеременной силы со второй его частью, которая жестко соединена с излучающей плитой. Первая часть источника, выполняющая роль пригруза, состоит из индуктора с обмоткой постоянного тока, вторая - из активной (силовой) обмотки, помещенной в немагнитный зазор индуктора.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие жесткой излучающей плиты, устройства для ее прижима к грунту, пригруза, упругого элемента (пружины), соединяющего излучающую плиту с пригрузом, и источника знакопеременной изменяемой по частоте силы, подключенного к системе электропитания и прилагающего силу между излучающей плитой и пригрузом.

Существенными недостатками прототипа является сложность конструкции и системы питания. Сложность конструкции обусловлена тем, что активная (силовая) обмотка, жестко соединенная с излучающей плитой, воспринимает силовые вибрационные воздействия, совершает колебательные движения в немагнитном зазоре магнитопровода индуктора и греется в результате протекания по ней тока. Сложность системы питания связана с необходимостью формирования двуполярных импульсов тока в активной обмотке.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности, долговечности, а также снижение стоимости сейсмоисточника и затрат на его эксплуатацию.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД за счет уменьшения потребляемой источником силы мощности и упрощение сейсмоисточника за счет использования более простого конструктивного решения источника знакопеременной силы.

Поставленная задача достигается тем, что вибрационный сейсмоисточник содержит расположенную на грунте жесткую излучающую плиту, устройство для ее прижима к грунту, пригруз, присоединенный к излучающей плите через упругий элемент, и источник знакопеременной изменяемой по частоте силы, прилагаемой между излучающей плитой и пригрузом. Источник силы выполнен в виде двухтактного электромагнита [3, с.14-15] с обмотками, подключенными к системе электропитания, которая выполнена с возможностью поочередного формирования импульсов тока в упомянутых обмотках с частотой их следования в каждой, равной частоте создаваемых вибраций.

На фиг.1. приведена конструктивная схема электромагнитного вибрационного сейсмоисточника. На фиг.2 - диаграммы перемещения х и скорости v индуктора относительно якоря, электромагнитной силы Р, механической мощности сейсмоисточника N и импульсов тока в обмотках i_H и i_B при работе сейсмоисточника в режиме синусоидальных колебаний в зависимости от угла колебаний ωt. На фиг.3 - вариант конструктивной схемы сейсмоисточника с внутренним расположением якоря. На фиг.4-6 изображены некоторые возможные варианты исполнения двухтактного электромагнита. На фиг.7 - вариант секционирования электромагнита. На фиг.8 - вариант силовой схемы системы электропитания. На фиг.9 – осциллограммы работы макета сейсмоисточника.

Электромагнитный сейсмоисточник (фиг.1) содержит пригруз 1 и жестко соединенный с ним индуктор электромагнита 2. В пазах индуктора располагаются верхняя 3 и нижняя 4 обмотки, подключенные к системе электропитания 5. Соосно с индуктором 2 располагается якорь электромагнита 6, жестко соединенный с излучающей плитой 7, к которой через упругие элементы 8 прикреплен индуктор 2. Устройство 9 для прижима излучающей плиты 7 к грунту выполнено в виде пригруза на упругих элементах. Якорь 6 и индуктор 2 с обмотками 3, 4 образуют двухтактный электромагнит. Индуктор 2 оперт на плиту 7 через упругие элементы 8.

Сейсмоисточник (фиг.1) работает следующим образом. В верхнюю и нижнюю обмотки 3, 4 от системы электропитания 5 поочередно подают импульсы тока i_B и i_H, приводящие к возникновению магнитных потоков Фв и Фн. В результате поочередного появления потоков электромагнит создает знакопеременные силовые воздействия между якорем 6 и индуктором 2, вызывающие их относительные колебания. Якорь через жестко соединенную с ним излучающую плиту 7 передает знакопеременные силовые воздействия на грунт, возбуждая в нем сейсмические волны. Частота и амплитуда воздействий, а следовательно, и возбуждаемых волн, определяется частотой и амплитудой токовых импульсов, формируемых в обмотках электромагнита системой электропитания 5. Упругие элементы 8, связывающие индуктор с излучающей плитой, компенсируют вес индуктора и жестко связанных с ним частей и практически не влияют на динамику работы сейсмоисточника.

Диаграммы работы сейсмоисточника (фиг.2) приведены для режима установившихся синусоидальных колебаний и отсутствия потерь в механическом контуре. Этот режим близок к реальному режиму работы сейсмоисточника.

Нейтральному положению (х=0) соответствует симметричное положение якоря относительно индуктора (фиг.1). За положительное направление х примем смещение индуктора вверх относительно якоря. Условное направление силы совпадает с направлением х. Для указанного режима работы анализ динамики показывает, что сила Р и перемещение х находятся в противофазе (фиг.2). Подача импульса тока в верхнюю обмотку на углах (πn, πn+π), где n - целое число, приводит к появлению отрицательной силы Р, что сопровождается уменьшением скорости индуктора относительно якоря на углах (πn, πn+π/2) и преобразованием кинетической энергии в энергию магнитного поля верхнего электромагнита (генераторный режим работы). На углах (πn+π/2, πn+π) происходит ускорение якоря относительно индуктора и обратное преобразование энергии магнитного поля в кинетическую энергию (двигательный режим работы). Работа другой обмотки происходит аналогично.

Полная мощность N, потребляемая механической системой от электромагнита:

N=P·v,

где - относительная скорость подвижных частей.

Как видно из фиг.2, мощность N не имеет постоянной составляющей и изменяется с удвоенной частотой по сравнению с частотой изменения силы Р, что свидетельствует о реактивном характере нагрузки. В реальных условиях работы сейсмоисточника мощность N имеет как реактивную составляющую, расходующуюся на создание колебаний инертных масс, так и активную, идущую на покрытие потерь и создание сейсмических колебаний.

На интервалах (πn, πn+π/2), где n - целое число, мощность имеет отрицательный знак - энергия рекуперируется из механического контура (торможение масс); на остальных интервалах она положительная - энергия поступает в механический контур (ускорение масс).

Для получения синусоидальных колебаний в механической системе сейсмоисточника необходимо, чтобы сила Р имела синусоидальную форму. Рассмотрим работу сейсмоисточника для случая идентичности электромагнитных систем верхней и нижней обмоток и линейной зависимости их индуктивностей L от относительного перемещения х (L_B=L₀-kx, L_H=L₀+kx, где L₀ - начальная индуктивность, k - коэффициент пропорциональности). Учитывая допущения, принятые выше при построении диаграмм (фиг.2), формируемая электромагнитом сила синусоидальной формы может быть получена поочередной подачей в обмотки импульсов тока специальной формы.

Для определения формы импульсов тока необходимо приравнять временную зависимость силы Р (фиг.2) к выражению для определения электромагнитной силы на каждом из интервалов поочередной работы нижней и верхней обмоток [2πn; (2n+1)π] и [(2n+1)π; (2n+2)π], где n - целое число.

Используя выражение для электромагнитной силы

где i - ток в соответствующей обмотке электромагнита, получим для первого интервала:

где Р_m - амплитудное значение силы,

для второго:

Таким образом, получение синусоидальных колебаний в механической системе сейсмоисточника возможно организовать путем поочередной подачи в нижнюю и верхнюю обмотки импульсов токов с формой, описываемой выражением

где - амплитудное значение импульса тока.

Сейсмоисточник может иметь инверсное к основному конструктивное исполнение электромагнита (фиг.3), при котором якорь располагается внутри индуктора, а силовое воздействие сконцентрировано в центре излучающей плиты.

Двухтактный электромагнит может иметь различные конструктивные исполнения (фиг.4-6). Конструкция по фиг.4 отличается от основной по фиг.1 наличием удвоенного количества зон энергопреобразования, что дает возможность повышения создаваемых электромагнитом сил. В конструкции (фиг.5) помимо удвоенного количества зон энергопреобразования, возможно уменьшение боковой силы, смещающей якорь в не осевом направлении. Конструкция по фиг.6 обладает еще большими удельными силами по сравнению с конструкциями по фиг.4-5.

Повышение создаваемых электромагнитом сил возможно также с помощью секционирования электромагнита - использования нескольких однотипных электромагнитов (например двух: 10 и 11), размещенных в одном корпусе и работающих согласно (фиг.7). При этом якоря и индуктора соответствующих электромагнитов жестко соединены между собой, а обмотки присоединены к общей системе питания 5.

Формирование импульсов тока в обмотках сейсмоисточника осуществляется системой электропитания. Один из возможных вариантов ее силовой схемы изображен на фиг.8. Схема содержит два однофазных полууправляемых моста с верхней 3 и нижней 4 обмотками в диагоналях соответственно. Мосты и емкостной накопитель С подключены параллельно к зарядному устройству 12. Зарядное устройство 12, запитываемое от автономного источника (например, от синхронного генератора), осуществляет заряд емкостного накопителя С, энергия из которого используется для создания магнитного поля электромагнита. В процессе работы посредством электромеханического преобразования происходит энергообмен между энергией магнитного поля и кинетической энергией инерционных масс сейсмоисточника. Часть этой энергии идет на создание сейсмических волн. При работе система электропитания потребляет из автономного источника только активную мощность. Отсутствие реактивной составляющей в потребляемой мощности обуславливается энергообменом, происходящим во внутреннем контуре (емкостной накопитель С - электромагнит - инерционные массы сейсмоисточника). Формирование импульсов тока i_B и i_H необходимой формы и частоты осуществляется управлением ключами VT1-VT4 в соответствии с принципами, принятыми в системах автоматического управления (ШИР, релейного регулирования и т.д.).

На осциллограммах работы макета наземного электромагнитного вибрационного сейсмоисточника (фиг.9) изображены сигналы положения х, полученные с датчика относительного перемещения, и токов i_B и i_H, полученных с датчиков тока. Макет позволяет формировать силовые импульсы амплитудой до 1500 Н и частотой 20-60 Гц. Осциллограммы соответствуют приведенному выше описанию работы изобретения, что подтверждает его практическую осуществимость.

Использованная литература:

1. Теория и практика невзрывной сейсморазведки/ Под. ред. М.Б. Шнеерсона. - М.: ОАО “Издательство “Недра”, 1998. - 527 с.

2. Малахов А.П. Высокочастотные электродинамические вибросейсмоисточники// ж. “Электротехника” №09, 2003, с.58-61.

3. Шукялис А.-Ч.В. Электромагнитные генераторы механических колебаний. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 176 с., ил.

Использование: в вибрационной сейсморазведке. Сущность: наземный электромагнитный вибрационный сейсмоисточник состоит из жесткой, расположенной на грунте, излучающей плиты, устройства для ее прижима к грунту, пригруза, упругого элемента, соединяющего излучающую плиту с пригрузом и источника знакопеременной изменяемой по частоте силы, выполненного в виде двухтактного электромагнита, обмотки которого подключены к системе электропитания. Поочередная подача импульсов тока в обмотки двухтактного электромагнита приводит к возникновению знакопеременных силовых воздействий, передающихся на грунт через излучающую плиту и возбуждающих в грунте сейсмические волны, частота и амплитуда которых задается формируемыми системой электропитания импульсами тока. Технический результат: повышение КПД и упрощение сейсмоисточника за счет использования более простого конструктивного решения источника знакопеременной силы. 9 ил.

Наземный электромагнитный вибрационный сейсмоисточник, содержащий расположенную на грунте жесткую излучающую плиту, устройство для ее прижима к грунту, пригруз, присоединенный к излучающей плите через упругий элемент, и источник знакопеременной изменяемой по частоте силы, подключенный к системе электропитания и прилагающий силу между излучающей плитой и пригрузом, отличающийся тем, что упомянутый источник силы выполнен в виде двухтактного электромагнита, а система электропитания выполнена с возможностью поочередного формирования импульсов тока в обмотках двухтактного электромагнита с частотой их следования в каждой обмотке, равной частоте создаваемых вибраций.