Введение 4
Глава 1 Особенности вибрационных источников различного типа 11
1.1 Анализ существующих сейсмоисточников 11
1.2 Конструктивная схема электродинамического вибратора и принцип его
работы 19
1.3 Задачи работы 25
Глава 2. Анализ энергопреобразования и выбор размеров рабочей зоны электродинамического преобразователя 27
2.1 Режим свободного ускорения 28
2.1.1 КПД энергопреобразования при прямоугольном импульсе тока ... 29
2.1.2 КПД энергопреобразования при синусоидальном импульсе тока . 32
2.1.3 КПД энергопреобразования с учетом вылета ИО за пределы
воздушного зазора 33
2.2 Режим давления 36
2.2.1 Энергопреобразование при упругой нагрузке 37
2.2.2 Энергопреобразование при комбинированной нагрузке 39
2.3 Выбор размеров зоны энергопреобразования ЭДП 42
2.3.1 Поток реакции якоря в зоне преобразования 42
2.3.2 Связь энергии поля якоря и силы преобразования с основными
размерами 44
ГЛАВА 3. Система питания обмотки якоря 51
3.1 Генератор тока для питания подвижной катушки 51
3.1.1 Требования, предъявляемые к генератору тока 51
3.1.2 Возможные пути реализации генератора тока 51
3.1.3 Схема питания подвижной катушки ЭДВ на основе ГТ 55
3.2 Анализ работы генератора тока 58
3.2.1 Разработка математической модели ГТ 58
3.2.2 Моделирование генератора тока на ЭВМ 67
3.2.3 Физическое моделирование генератора тока 74
3.3 Блок управления 79
3.3.1 Алгоритм управления 79
3.3.2 Принцип действия 82
3.3.3 Принципиальная схема 87
3.3.4 Основные характеристики блока управления 90
3.4 Моделирование электродинамического вибратора с системой фазовой
коррекции 91
3.4.1 Разработка математической модели виброисточника 94
3.4.2 Анализ временных параметров 108
3.4.3 Исследование разомкнутой системы вибратора 113
3.4.4 Исследование процессов в замкнутой системе вибратора 115
Заключение 124
Список используемых источников 127
Купить

Сейсморазведка является основным из геофизических методов изучения строения недр Земли с целью поиска полезных ископаемых, в т.ч. нефте- и газоносных структур [11, 19]. Повышение эффективности
сейсморазведочных работ имеет важное народнохозяйственное значение. В настоящее время широко используется взрывной метод создания сейсмических колебаний [12]. Этому методу присущ ряд серьезных недостатков. Основные из них следующие:
- бурение скважин и проведение взрывных работ наносит большой экономический вред природе;
- взрывной метод не может быть использован вблизи населенных пунктов, линий электропередач, трубопроводов, т.е. имеет ограниченное применение;
- большие затраты на содержание сейсмопартий.
В связи с этим, в течение 25 - 30 лет интенсивно развиваются невзрывные способы и устройства для проведения сейсморазведочных работ [1, 3, 4, 19, 23, 25]. Имеется тенденция постоянного расширения области применения невзрывных способов и замены ими взрывного.
При невзрывном способе с поверхности земли создаются силовые воздействия с помощью различных технических средств, т.н. невзрывных сейсмоисточников (СИ). Разработка невзрывных СИ находится в начальной стадии своего развития и наиболее перспективные методы и устройства для создания сейсмических колебаний в настоящее время еще не определились.
Анализ существующих невзрывных СИ показывает, что их можно разделить по характеру воздействия на три типа: импульсные, вибрационные и кодоимпульсные.
Импульсные СИ
При работе импульсного СИ на поверхности земли создается импульсное силовое воздействие в десятки тонн, в результате в земной коре создаются сейсмические волны. Для создания импульсных силовых воздействий применяются различные технические устройства. Одним из первых импульсных СИ, получивших значительное распространение, был источник типа «падающий груз». Принцип действия этого источника заключается в том, что масса в несколько тонн поднимается на высоту h = 2...3 м и запасает потенциальную энергию A = mgh.При свободном падении потенциальная энергия переходит в кинетическую, и груз воздействует на поверхность земли со скоростью V = 2gh. Частота повторения импульсов составляет примерно 1/6 Гц.
Можно отметить несколько принципиальных недостатков, присущих импульсному СИ типа «падающий груз». Главные из них следующие: низкая точность синхронизации воздействий, что делает невозможным группирование, т.е. синхронную работу нескольких СИ и накопление сейсмического материала; низкочастотный состав возбуждаемых колебаний, что снижает разрешающую способность сейсморазведки; несогласованность ударного воздействия с параметрами грунта, что приводит к низкому коэффициенту передачи энергии падающего груза в энергию сейсмических волн, т.к. значительная часть механической энергии расходуется на разрушение грунта и его уплотнение, т.е. на создание неупругих деформаций грунта.
Большое распространение как за рубежом, так и в отечественной сейсморазведке нашли импульсные сейсмоисточники газодинамического типа [12]. Эти источники используют либо энергию взрыва газовой смеси, либо энергию, выделяющуюся при расширении предварительно сжатого воздуха. Первым отечественным промышленным наземным
газодинамическим источником стал генератор сейсмических колебаний ГСК- 10 (ВНИИ геофизика), выпускавшийся в 1974-1981гг. Его взрывная камера при заполнении 50-60 л смеси кислород-пропан-бутан обеспечивала воздействие на грунт с энергией 100-120 кдж. Впоследствии был разработан целый ряд сейсмоисточников типа «ГСК» и «СИ», отличающихся по мощности и транспортному оформлению. Подрыв газовой смеси осуществлялся с помощью электрической свечи, что обеспечивало надежную синхронизацию и делало возможным группирование СИ.
Несмотря на ряд преимуществ газодинамических источников, при эксплуатации были выявлены и определенные недостатки. Основной из них связан с недостаточной упругостью паров пропан-бутана при отрицательных температурах, что делает невозможным подачу горючего во взрывную камеру. Существенным недостатком установок «ГСК» и «СИ» является также необходимость снабжения полевых отрядов газовыми компонентами, прежде всего кислородом, что не позволяет работать на больших расстояниях от промышленных центров, т.е. снижает автономность работ.
В отечественной практике сейсморазведки нашли также применение импульсные СИ с электромеханическими преобразователями возвратно-поступательного движения («Сейсмодин», «Пуск», «Енисей» и т.д.) [1, 3, 4, 23]. В источниках такого типа силовое воздействие на грунт осуществляется за счет мощного электрического двигателя. Положительным свойством источников такого типа является возможность группирования и проведения работ с накоплением сейсмической информации. Эти источники применяются в основном в северных районах. В настоящее время проводятся работы по повышению их технико-экономических показателей.
Импульсная невзрывная сейсморазведка, упростив производство работ и сделав их более безопасными для окружающей среды, не смогла решить целый ряд вопросов, связанных с управлением процессом возбуждения колебаний и концентрацией энергии в необходимом диапазоне частот. Удовлетворить широкому перечню технических и геолого-методических требований могут лишь вибрационные источники возбуждения упругих колебаний, управляемые по целому ряду таких параметров, как мощность и длительность излучения энергии, частотный диапазон и направление развертки зондирующего сигнала и т.п. [32, 36 - 41]
Вибрационные СИ
Вибрационные СИ получили интенсивное развитие с 70-х годов как за рубежом, так и в практике отечественной сейсморазведки. Они повышают эффективность проведения сейсморазведочных работ. Принцип работы вибрационного СИ состоит в создании на поверхности грунта силового воздействия с изменяющейся частотой (рис. 1). В качестве силового органа используется электрогидравлический вибратор, представляющий собой силовой гидроцилиндр с массивным корпусом, шток которого снабжен излучающей плитой, прижимаемой к грунту весом транспортного средства. Задатчиком вибрации служит электрический двигатель возвратно - поступательного движения (чаще всего электродинамический или электромагнитный), управляющий через две или три ступени гидроусиления перемещением штока силового гидроцилиндра.
Из опыта эксплуатации кодоимпульсных СИ можно сделать вывод, что они имеют достаточно высокую сейсмическую эффективность, более просты и надежны по сравнению с вибрационными СИ, имеют меньшую стоимость и более высокую ремонтопригодность. Они позволяют реализовать режим накопления и группирования. Эти достоинства обусловлены применением высокоиспользованных электрических двигателей возвратно-поступательного движения с возбуждением от импульсных схем питания с емкостными накопителями и силовыми полупроводниковыми приборами. В настоящее время проводятся работы по дальнейшему повышению их технико-экономических показателей и расширению области их применения.
Успешный опыт конструирования и эксплуатации кодоимпульсных СИ, а также успехи в области силовой преобразовательной техники и разработки высокоиспользованных электромеханических преобразователей в последние 10-15 лет привел к идее создания вибрационного СИ, построенного на основе специального электромеханического преобразователя с импульсной схемой возбуждения. При этом преследуются следующие цели: упрощение и удешевление конструкции вибрационного СИ по сравнению с электрогидравлическим вариантом, расширение частотного диапазона, снижение эксплуатационных затрат.
Задачами работы являются разработка конструктивной схемы вибрационного СИ, исследование процессов электромеханического преобразования энергии в двигателе и разработка системы возбуждения двигателя, построенной на основе последних достижений в области силовой преобразовательной техники.
Электродинамические вибраторы широко известны и применяются в промышленности как вибровозбудители при испытаниях различной аппаратуры и изделий на вибрационное воздействие [9, 10, 35...41]. Однако эти вибраторы не могут быть использованы в СИ в связи с тем, что не позволяют программировать частоту создаваемых усилий по наперед заданному закону, что является необходимым условием работы вибрационного СИ. Кроме этого, СИ размещается на транспортном средстве, излучающий элемент СИ должен контактировать с землей. Учет этих требований существенно сказывается на конструктивном выполнении СИ. Важным фактором является также то, что СИ должен питаться от автономного источника электропитания, что накладывает повышенные требования к КПД электромеханического преобразования энергии. При разработке СИ важным моментом является учет своеобразной сейсмической нагрузки и обеспечение возможности синхронной и синфазной работы нескольких СИ.
В работе освещены следующие вопросы.
В первой главе рассмотрены структурные и конструктивные особенности вибрационных СИ различного типа. Обоснована перспективность использования электродинамического двигателя возвратно-поступательного движения. Рассмотрены конструкция и принцип действия вибратора с электродинамическим преобразователем, выявлены требования, предъявляемые к схеме питания. Сформулированы основные задачи работы.
Вторая глава посвящена анализу энергопреобразования и выбору размеров рабочей зоны электродинамического преобразователя.
В третьей главе обосновывается выбор схемы генератора тока для питания обмотки якоря электродинамического двигателя. Описан принцип работы и сделан анализ схемы генератора и его блока управления.
В заключении сформулированы основные выводы, вытекающие из проведенных в диссертационной работе исследований.
К основным научным результатам, полученным впервые, относятся:
1. Выведены зависимости, позволяющие рассчитать КПД электродинамического преобразования энергии для любой нагрузки.
2. Получены уравнения для выбора основных размеров электродинамического преобразователя, оптимальных с точки зрения получения максимальной силы и минимального энергопотребления в заданных габаритах.
3. Разработана оригинальная схема генератора тока для питания якорной обмотки.
4. Выполнен анализ влияния магнитной связи обмоток и экранирования полюсов магнитопровода на характеристики преобразователя.
5. Исследованы динамические характеристики системы вибратор-грунт и даны рекомендации по системе фазовой коррекции.
Купить