RU60002U1

RU60002U1 - VIBROSEISMO SOURCE

Info

Publication number: RU60002U1
Application number: RU2006128478/22U
Authority: RU
Inventors: Иннокентий Сафьянович Чичинин; Алексей Петрович Малахов; Владимир Николаевич Кашун
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2007-01-10

Abstract

Изобретение относится к вибросейсмической технике, а именно к источникам вибросейсмических колебаний. Вибросейсмоисточник содержит два дебаланса 9, 10 двух полумодулей центробежных источников сил, установленных на квадратных валах 7, 8 в подшипниковых опорах 3, 4, которые установлены на излучающей плите 1. Валы 7, 8 дебалансов 9, 10 соединены карданными валами 15, 16 с валами приводных электродвигателей, установленных на отдельном основании. Двигатели 17, 18 снабжены системой управления и датчиками положений 19, 20. Вибросейсмоисточник генерирует вертикальные усилия и усилия с направлениями ±45° по отношению к вертикали. Жесткое соединение пригрузочной массы через стойки 2 с виброизлучающей платформой 1 приводит к резонансу вибросейсмоисточника с грунтом на средней части диапазона создаваемых им вибраций. Это приводит к увеличению усилий вибраций, увеличению виброскоростей и соответственно к увеличению энергий излучаемых мощностей при меньшем потреблении мощностей электродвигателями из питающей энергосети. Технический результат - повышение надежности за счет упрощения конструктивной схемы, улучшение энергетических показателей на рабочих частотах вибросейсмоизлучения.The invention relates to vibroseismic technology, namely to sources of vibroseismic vibrations. The vibration source contains two unbalances 9, 10 of two semi-modules of centrifugal power sources mounted on square shafts 7, 8 in bearing bearings 3, 4, which are mounted on the radiating plate 1. Shafts 7, 8 of unbalance 9, 10 are connected by cardan shafts 15, 16 with shafts drive motors mounted on a separate base. The motors 17, 18 are equipped with a control system and position sensors 19, 20. The vibration source generates vertical forces and forces with directions ± 45 ° with respect to the vertical. A rigid connection of the loading mass through the struts 2 with the vibration-emitting platform 1 leads to the resonance of the vibration source with soil in the middle part of the range of vibrations created by it. This leads to an increase in the forces of vibrations, an increase in vibration velocities and, accordingly, to an increase in the energies of radiated powers with less power consumption by electric motors from the power supply network. The technical result is an increase in reliability due to the simplification of the design scheme, the improvement of energy performance at the operating frequencies of vibroseismic radiation.

Description

Полезная модель относится к вибрационной технике, а именно к устройствам для создания низкочастотных вибросейсмических колебаний для сейсмологии (для мониторинга сейсмоактивных зон с целью прогноза землетрясений), для глубинного сейсмического зондирования земной коры (глубин до 50-70 км), для прогноза физического состояния многоэтажных зданий и крупных технических сооружений (крытых стадионов, театров, плотин и т.д.) при помощи сигналов от удаленного на 20-100 км вибросейсмоисточника для микрорайонирования площадок для последующего строительства.The utility model relates to vibration technology, namely, devices for creating low-frequency vibroseismic vibrations for seismology (for monitoring seismically active zones with the purpose of earthquake prediction), for deep seismic sounding of the earth's crust (depths of up to 50-70 km), for predicting the physical condition of multi-storey buildings and large technical structures (indoor stadiums, theaters, dams, etc.) using signals from a vibro-seismic source remote for 20-100 km for micro-zoning of sites for subsequent construction lstva.

Все эти виды исследований называют методами активной сейсмологии. Низкочастотность и амплитуда силы вибросейсмоисточника диктуются из следующих соображений. Глубинное сейсмическое зондирование ведется вибросейсмоисточником с амплитудой силы 40-50 тс в частотной полосе от 3-5 до 10-15 Гц. При прогнозе физического состояния зданий и сооружений нужен вибросейсмоисточник, стоящий вдали от города, чтобы жители и здания не почувствовали работу этого вибросейсмоисточника. Сейсмические сигналы от удаленного вибросейсмоисточника становятся видимыми только после корреляционного накопления длительных по времени (обычно 45 мин) вибросейсмических колебаний. При этом получают сейсмограммы такие же, как и при взрыве нескольких тонн тротила. Частотный диапазон диктуется так же тем, что основные собственные частоты колебаний зданий и сооружений располагается в диапазоне от 1 до 9-15 Гц. Для сейсмического микрорайонирования требуется полоса частот от 3-5 до 10-15 Гц.All these types of studies are called active seismology methods. The low frequency and the amplitude of the force of the vibration source are dictated by the following considerations. Deep seismic sounding is carried out by a vibro-seismic source with a force amplitude of 40-50 tf in the frequency band from 3-5 to 10-15 Hz. When predicting the physical condition of buildings and structures, a vibration source is needed that is located far from the city so that residents and buildings do not feel the operation of this vibration source. Seismic signals from a remote vibro-seismic source become visible only after the correlation accumulation of long-time (usually 45 min) vibroseismic vibrations. In this case, the seismograms obtained are the same as in the explosion of several tons of TNT. The frequency range is also dictated by the fact that the main natural frequencies of vibrations of buildings and structures are in the range from 1 to 9-15 Hz. For seismic micro-zoning, a frequency band of 3-5 to 10-15 Hz is required.

Известен регулируемый низкочастотный вибросейсмоисточник, содержащий установленные на подшипниковых опорах полые приводные валы, связанные с ними дебалансы с парами пазов и механизмы радиального перемещения дебалансов с приводами, снабженные тягами, расположенными Known adjustable low-frequency vibration source containing hollow drive shafts mounted on bearing bearings, associated unbalances with pairs of grooves and mechanisms for radial movement of unbalances with drives, equipped with rods located

в полостях валов, один конец которых связан с возможностью перемещения с дебалансами, вторые с приводами [Авторское свидетельство СССР №113766, Кл. И 06 1/16, 1957].in the cavities of the shafts, one end of which is connected with the possibility of moving with unbalances, the second with drives [USSR Author's Certificate No. 113766, Cl. And 06 1/16, 1957].

Недостатком такого вибросейсмоисточника является низкая надежность из-за поперечных изгибов тяг и передачи радиальных центробежных усилий от дебалансов на приводные валы через промежуточные конструктивные элементы.The disadvantage of such a vibro-seismic source is its low reliability due to lateral bending of the rods and transmission of radial centrifugal forces from the unbalance to the drive shafts through the intermediate structural elements.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является состоящий из двух полумодулей центробежный низкочастотный вибросейсмоисточник, в котором в нижней части дебалансов каждого полумодуля имеются гидроцилиндры со штоками, с поршнями, расположенными внутри валов перпендикулярно их осям вращения. Обе полости гидроцилиндров наполнены жидкостью и связаны между собой трубопроводами с возможностью регулирования расхода жидкости. Причем дебалансы выполнены со смещенными начальными радиусами вращения их центров масс, а подшипниковые опоры установлены на излучающую виброплатформу с пружинами, на которых размещается пригрузочная масса [Патент РФ №2240183, 7 В 06 В 1/16, 2004 (прототип)].The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a centrifugal low-frequency vibration source consisting of two half-modules, in which at the bottom of the unbalances of each half-module there are hydraulic cylinders with rods, with pistons located inside the shafts perpendicular to their rotation axes. Both cavities of the hydraulic cylinders are filled with liquid and interconnected by pipelines with the possibility of regulating the flow of liquid. Moreover, the unbalances are made with the displaced initial radii of rotation of their centers of mass, and the bearings are mounted on a radiating vibration platform with springs on which the loading mass is placed [RF Patent No. 2240183, 7 V 06 V 1/16, 2004 (prototype)].

Такой вибросейсмоисточник также имеет низкую надежность из-за нарушения целостности конструкции силовых валов полумоделей с дебалансами и имеет низкие энергетические показатели на рабочих частотах вибросейсмоизлучения.Such a vibro-seismic source also has low reliability due to a violation of the integrity of the design of the power shafts of half-models with unbalances and has low energy performance at the operating frequencies of vibro-seismic radiation.

Задачей изобретения является создание вибросейсмоисточника с более высокой надежностью и с улучшенными энергетическими показателями на рабочих частотах вибросейсмоизлучения.The objective of the invention is the creation of a vibro-seismic source with higher reliability and with improved energy performance at the operating frequencies of vibro-seismic radiation.

Указанная задача достигается тем, что в вибросейсмоисточник, содержащий излучающую виброплатформу, центробежный генератор гармонических вибросейсмических усилий с двумя дебалансными полумодулями, с приводными электродвигателями, системой питания и управления введены карданные валы, связывающие приводные This problem is achieved by the fact that in the vibro-seismic source containing a radiating vibro-platform, a centrifugal generator of harmonic vibro-seismic forces with two unbalanced half-modules, with drive motors, a power and control system, cardan shafts are introduced that connect drive

электородвигатели с силовыми валами дебалансов полумодулей, основания для двигателей, датчики положений дебалансов, датчик смещения излучающей виброплатформы и синхронно-следящая система управления вибросейсмоисточником, пригрузочная масса вибросейсмоисточника через стойки жестко закреплена на излучающей виброплатформе, приводные электродвигатели установлены на отдельном, удаленном от излучающей виброплатформы основании, валы электродвигателей соединены с силовыми валами дебалансных полумоделей карданными валами.electric motors with half-module unbalance power shafts, motor bases, unbalance position sensors, emitting vibration platform displacement sensor and synchronously tracking vibration source control system, the load mass of the vibration source through the racks is rigidly mounted on the radiating vibration platform, the drive motors are mounted on a separate, remote from the radiating platform base shafts of electric motors are connected to the power shafts of unbalanced half-models by cardan shafts.

Вибросейсмоисточник (фиг.1, 2) содержит излучающую виброплатформу 1, установленную на грунт и прижатую к нему жестко связанными с излучающей виброплатформой стойками 2 пригрузочной массой (на фиг. не показана). На излучающую виброплатформу 1 установлены подшипниковые опоры 3, 4, в подшипниках которых 5, 6 установлены силовые валы 7, 8, например, квадратной формы в средней части этих силовых валов. На валах 7, 8 каждого полумодуля установлены дебалансы 9, 10, например, дискообразной формы с радиусами 11, 12 (r1) и со смещенными радиусами 13, 14 (r2) центров их масс вращения на валах 7, 8 соответственно.The vibro-seismic source (Figs. 1, 2) contains a radiating vibro platform 1 mounted on the ground and pressed against it by rigidly connected struts 2 with a radiating vibro platform (loading mass (not shown in Fig.). Bearing bearings 3, 4 are installed on the emitting vibration platform 1, in the bearings of which 5, 6 are installed power shafts 7, 8, for example, of a square shape in the middle of these power shafts. On the shafts 7, 8 of each half-module there are unbalances 9, 10, for example, of a disk-shaped shape with radii 11, 12 (r1) and with shifted radii 13, 14 (r2) of the centers of their masses of rotation on the shafts 7, 8, respectively.

Силовые валы 7, 8 (фиг.2) дебалансов каждого полумодуля через карданные валы 15, 16 соединены с валами приводных электродвигателей 17, 18, на вторых выходных валах которых установлены датчики 19, 20 дискретных и непрерывных положений этих валов и дебалансов соответственно, излучающая виброплатформа также снабжена датчиком ее смещения (на фигурах 1, 2 не показан). Электродвигатели и датчики положений подключены к синхронно-следящей системе управления вибросейсмоисточником (на фиг. не показаны).Power shafts 7, 8 (Fig. 2) of the unbalance of each half-module through cardan shafts 15, 16 are connected to the shafts of the drive electric motors 17, 18, on the second output shafts of which there are sensors 19, 20 of discrete and continuous positions of these shafts and unbalances, respectively, emitting a vibration platform also equipped with a sensor for its displacement (in figures 1, 2 not shown). Electric motors and position sensors are connected to a synchronous servo control system of a vibration source (not shown in Fig.).

Электродвигатели 17, 18 со своей станиной 21 установлены на грунт в непосредственной близости от излучающей виброплатформы 1. Излучающая виброплатформа 1 и станина 21 дополнительно связаны между собой подвижной связью 22.Electric motors 17, 18 with their bed 21 are installed on the ground in the immediate vicinity of the emitting vibration platform 1. The radiating vibration platform 1 and the bed 21 are additionally connected by a movable link 22.

Вибросейсмоисточник работает следующим образом.Vibroseismo works as follows.

В исходном положении дебалансы 9, 10 обоих полумодулей (фиг.1, 2) вибросейсмоисточника находятся в нижнем положении. Пуск вибросейсмоисточника производится одновременной подачей силового напряжения на приводные электродвигатели 17, 18 от силовой системы питания и управления, на которую подаются сигналы от датчиков 19, 20 дискретного и непрерывного их положения в пространстве. В результате валы двигателей вместе с силовыми валами 7, 8 дебалансов 9, 10 обоих полумодулей начинают вращаться синхронно и синфазно в разные стороны со скоростями +ω и -ω.In the initial position, the unbalances 9, 10 of both half modules (Fig. 1, 2) of the vibration source are in the lower position. The start of the vibro-seismic source is performed by simultaneously supplying power voltage to the drive electric motors 17, 18 from the power supply and control system, to which signals from sensors 19, 20 of their discrete and continuous position in space are supplied. As a result, the motor shafts, together with the power shafts 7, 8 of the unbalance 9, 10 of both half-modules, begin to rotate synchronously and in phase in different directions with speeds + ω and -ω.

При этом каждый дебаланс создает центробежное усилие F в соответствии с выражением F=mrω²sinωt,Moreover, each unbalance creates a centrifugal force F in accordance with the expression F = mrω ² sinωt,

где m - масса дебаланса (кг), r - радиусы вращения центров масс дебалансов 9, 10 (r₂ - в нашем случае), ω - круговая частота вращения (рад/сек).where m is the unbalance mass (kg), r are the radii of rotation of the centers of mass of the unbalances 9, 10 (r ₂ in our case), ω is the circular frequency of rotation (rad / sec).

Так как вибросейсмоисточник имеет нерегулируемые дебалансы, то их величина статического момента вращения mr рассчитывается из соображений создания максимального усилия на максимальной заданной частоте, то статический момент дебалансов (mr), являющийся моментом сопротивления двигателей, при пуске вибросейсмоисточника имеет небольшую величину.Since the vibro-seismic source has unregulated unbalances, their magnitude of the static moment of rotation mr is calculated from the considerations of creating maximum effort at the maximum specified frequency, the static unbalance moment (mr), which is the motor resistance moment, is small when the vibro-seismic source is started.

На фиг.1, 2 приведено положение дебалансов, формирующих вертикальное направление усилий F в верхнем направлении. При этом виброплатформа 1, прижатая к грунту пригрузом через стойки 2, уменьшает давление на грунт без отрыва от него. При нижнем положении дебалансов 9, 10 давление на грунт складывается с усилием прижима пригруза. В результате на грунт производится гармоническое воздействие усилий в соответствии свыше приведенным соотношением.Figure 1, 2 shows the position of the unbalances forming the vertical direction of the forces F in the upper direction. At the same time, the vibration platform 1, pressed to the ground by the load through the posts 2, reduces the pressure on the ground without interruption from it. With the lower position of the unbalance 9, 10, the pressure on the ground is added with the force of the clamp load. As a result, the soil produces a harmonic effect of efforts in accordance with the above ratio.

Валы двигателей вместе с силовыми валами 7, 8 и самими дебалансами 9, 10 обоих полумодулей вращаются синхронно и синфазно при увеличении и The motor shafts, together with the power shafts 7, 8 and the unbalances 9, 10 of both half modules, rotate synchronously and in phase with increasing

при снижении частоты вибраций, создавая необходимые для геофизических работ сеансы сейсмоизлучений.while reducing the frequency of vibrations, creating seismic emission sessions necessary for geophysical work.

По технологии геофизических работ необходимо создание сейсмоколебаний с продольными (вертикальные волны сжатия) и с поперечными волнами (волны сдвига в горизонтальном направлении).According to the technology of geophysical work, it is necessary to create seismic oscillations with longitudinal (vertical compression waves) and with transverse waves (shear waves in the horizontal direction).

На фиг.3 показано положение дебалансов 9, 10 вибросейсмоисточника, создающего усилия колебаний F под углом -45° относительно вертикального направления, а на фиг.4 эти направления усилий создают угол +45° относительно вертикали. Такая перенастройка осуществляется соответствующим заданием в системе управления с точностью 360/N, где N - число отметок за оборот вала двигателя дискретных датчиков положения 19, 20. При формировании вертикального направления усилий вибросейсмоисточника дебалансы на излучающей виброплатформе сами создают синхронизирующие моменты. Но эти моменты проявляют себя на частотах 15-25 Гц. Сеансы же вибросейсмоизлучений проводятся на частотах от 5 Гц и выше. Это и возможно при создании следящерегулируемых вибросейсмоисточников при индивидуальных привоприводах на каждый дебаланс. Для упрощения таких режимов работы на фиг.3 показано введение гибких синхронизирующих валов 23, 24, связанных соответственно с силовыми валами 7, 8 дебалансов 9, 10 вибросейсмоисточника. Валы 23, 24 снабжены дискретно регулируемой муфтой 25, обеспечивающей требуемую ориентацию направления усилий колебаний вибросейсмоисточника. Гибкие валы 23, 24 вместе с муфтой 25 обеспечивают и вращение валов 7, 8, валов двигателей 17, 18 и самих дебалансов 9, 10 синхронно, синфазно, но в разные стороны со скоростями +ω и -ω соответственно.Figure 3 shows the position of the unbalance 9, 10 of the vibration source generating oscillation forces F at an angle of -45 ° relative to the vertical direction, and figure 4 these directions of effort create an angle of + 45 ° relative to the vertical. Such reconfiguration is carried out by the corresponding task in the control system with an accuracy of 360 / N, where N is the number of marks per revolution of the motor shaft of the discrete position sensors 19, 20. When forming the vertical direction of the efforts of the vibro-seismic source, the unbalances on the emitting vibro-platform themselves create synchronizing moments. But these moments manifest themselves at frequencies of 15-25 Hz. Sessions of vibroseismic emissions are carried out at frequencies from 5 Hz and above. This is possible with the creation of traceable vibration sources with individual drives for each unbalance. To simplify such modes of operation, figure 3 shows the introduction of flexible synchronizing shafts 23, 24, respectively associated with the power shafts 7, 8 of the unbalance 9, 10 of the vibration source. The shafts 23, 24 are equipped with a discretely adjustable clutch 25, which provides the required orientation of the direction of vibration of the vibration source. The flexible shafts 23, 24 together with the coupling 25 provide the rotation of the shafts 7, 8, the shafts of the engines 17, 18 and the unbalances 9, 10 themselves synchronously, in phase, but in different directions with speeds + ω and -ω, respectively.

При этом резко упрощается система управления вибросейсмоисточником и она может быть выполнена в виде одного силового блока, обеспечивающего питание обоих приводных электродвигателей 17, 18 одновременно. И система управления может быть выполнена даже без датчиков положения валов и скоростей их вращения 19, 20.At the same time, the control system of the vibro-seismic source is greatly simplified and it can be made in the form of one power unit, providing power to both drive electric motors 17, 18 at the same time. And the control system can be performed even without sensors for the position of the shafts and their rotation speeds 19, 20.

Изобретение значительно увеличивает надежность работы вибросейсмоисточника, улучшает его энергетические показатели за счет увеличения создаваемых усилий при резонансе пригрузочной массы без пружин, массы самого вибросейсмоисточника с излучающей виброплатформой и присоединенной массой грунта, также вовлекаемого в вибрационное движение в рабочем диапазоне создаваемых частот вибраций.The invention significantly increases the reliability of the vibro-seismic source, improves its energy performance by increasing the forces generated by resonance of the unloading mass without springs, the mass of the vibro-seismic source itself with a radiating vibration platform and an attached mass of soil, also involved in the vibration movement in the working range of the generated vibration frequencies.

Claims

A vibro-seismic source containing a radiating vibro-platform, a centrifugal generator of harmonic vibro-seismic forces with two unbalanced half-modules, with drive electric motors, a power and control system, characterized in that cardan shafts are introduced into the vibro-seismic source, connecting the drive electric motors to the power shafts of the unbalance of the half-modules, the bases for the engines, imbalances, the displacement sensor of the emitting vibro-platform and the synchronous-tracking system for controlling the vibro-seismic source, rigruzochnaya weight vibroseysmoistochnika through strut rigidly fixed to the radiating vibroplatforme, the drive motors are mounted on a separate, remote from the radiating Vibroplatformy grounds motor shafts are connected to the unbalanced force shafts polumodeley cardan shafts.