Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 13
1.1. Источники сейсмических волн и задачи, решаемые с их применением. 13
1.2. Основные требования, предъявляемые к невзрывным источникам сейсмических волн 15
1.3. Классификация источников сейсмических волн 18
1 .4. Описание конструкций сейсмических источников 23
1.4.1. Центробежный вибромодуль (ЦВ-100) 26
1.4.2. Центробежный анкерный вибромодуль (ЦВ А) 34
1.4.3. Низкочастотный центробежный вибромодуль с согласующей системой (НЦВ) 36
1.4.4. Гидрорезонансный сейсмический источник 39
1.4.5. Сейсмический источник с резонансным возбудителем вибраций 42
1.4.6. Подземный виброисточник «распорного» типа 46
1.4.7. Мощиый низкочастотный сейсмический источник с силовым замыканием на среду 50
1.5. Структура сейсмических источников 58
1.6. Характеристика возбудителей вибраций 60
1.7. Цель и задачи исследования 63
1.8. Выводы по главе 66
2. Анализ динамики сейсмического источника с силовым замыканием в системе «инерционная масса- грунт» 68
2.1. Принцип работы сейсмического источника 68
2.2. Принятые допущения и расчетная схема сейсмического источника 69
2.3. Уравнения колебаний механической системы 73
2.4. Математическая модель колебательной системы с использованием в качестве «мягких» пружин виброизоляторов в виде резинокордных оболочек 77
2.5. Математическая модель гидравлической системы силового привода 80
2.6. О возможности расширения диапазона рабочих частот источника в низкочастотную область 96
2.7. Математическая модель сейсмического источника с силовым гидроприводом пульсаторного типа 106
2.8. Исследование динамики гидромеханического источника 110
2.9. Оценка возможности расширения рабочего диапазона частоти формирование сложного сигнала 112
2.10. Фазовые соотношения колебаний масс источника при работе силового гидроцилиндра в пульсаторном режиме ...118
2.11. Результаты и выводы по главе 125
3. Демпфирование угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника 127
3.1. Активная нелинейная система демпфирования угловых колебаний твердого тела с упругим подвесом 128
3.2. Активная пневматическая система демпфирования угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника 137
3;3. Активная гидромеханическая система демпфирования угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника 147
3.4. Активная гидромеханическая следящая система демпфирования угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника 153
3.5. Сравнительный анализ рассмотренных вариантов построения активной системы демпфирования угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника 161
3.6. Активяая система демпфирования угловых колебаний транспортных средств 163
3.7. Результаты и выводы по главе 174
4, Взаимодействие поверхностных сейсмических источников с грунтовым основанием и выбор оптимальных параметров излучателя энергии 175
4.1. Подходы к рассмотрению проблемы 175
4.2. Грунты и их основные характеристики 177
4.3. Модели грунта 182
4.3.1. Модель упруго — вязкой жидкости Максвелла 183
4.3.2. Модель вязко —упругого тела Фойгта 184
4.3.3. Упруго —вязкое тело Кельвина 186
4.3.4. Анализ взаимодействия поверхностного сейсмического источника с фунтовым основанием с точки зрения кинетостатики 187
4.4. Размеры и форма присоединенной массы грунта. 189
4.5. Волны., излучаемые плитой поверхностного сейсмического источника и их природа 195
4.6. Характеристики сейсмогеологического канала 199
4.7. Давления на фунтовое основание 204
4.7.1. Форма излучающей плиты 209
4.8. Распределение давлений под излучающей плитой сейсмического источника 210
4.9. Влияние площади излучающей плиты на эффективность излучения упругих волн .215
4.10. Влияние коэффициента Пуассона фунта на процесс излучения упругих волн 218
4.11. Масса излучающей плиты и поддерживающих плит источника 222
4.12. Результаты и выводы по главе 226
5. Сейсмический источник СВ-100/20 и его испытания 227
5.1. Описание источника 227
5.1.1. Классификация и назначение источника. 227
5.1.2. Технические характеристики 228
5.1.3. Состав источника 230
5-1.4- Устройство и принцип работы источника 234
5.2. Испытания источника 237
5.2.1. Выделение определяющих параметров 238
5.2.2. Предельные изменения определяющих параметров, граничные и начальные условия. 239
5.2.3. Выбор и изготовление технических средств эксперимента 240
5.2.4. Методика проведения испытаний. 243
5.2.5. Обработка экспериментальных данных 245
5.2.6. Результаты обработки экспериментальных данных 249
5.3. Результаты и выводы по главе 260
Основные результаты и выводы работы 261
Список использованных источников 263
Приложения 279
- Основные требования, предъявляемые к невзрывным источникам сейсмических волн
- Низкочастотный центробежный вибромодуль с согласующей системой (НЦВ)
- Математическая модель колебательной системы с использованием в качестве «мягких» пружин виброизоляторов в виде резинокордных оболочек
- Активная гидромеханическая система демпфирования угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника
Введение к работе
Актуальность проблемы. Геофизические исследования являются одним из наиболее прогрессивных современных средств изучения строения Земли. Анализ колебаний земной поверхности в скважинах и горньж выработках позволяет делать выводы о составе горньж пород, Земных оболочек, их строении и свойствах.
В качестве источников сейсмических волн в настоящее время используются землетрясения, а также взрывные и невзрывные источники. Землетрясения как источники сейсмических волн располагаются по планете крайне неравномерно; кроме того, их положение, момент возникновения и интенсивность заранее не известны, что в значительной мере усложняет исследования.
При использовании взрывов в качестве источников сейсмических волн место и время их проведения известны абсолютно точно. Вместе с тем характер сейсмических волн в значительной степени определяется свойствами среды в районе взрыва. Взрыв к тому же разрушает геологическую среду вокруг себя и препятствует тем самым повторению эксперимента. Необходимо также учесть, что подготовка и проведение взрывных работ, а также мероприятия по рекультивации окружающей среды после взрыва требуют больших финансовьж затрат.
Невзрывные источники сейсмических волн с управляемыми параметрами, лишенные недостатков, присущих землетрясениям и взрывам, все шире используются при проведении геофизических исследований.
В последнее время к невзрывным источникам сейсмических волн привлечено внимание не только сейсморазведки и сейсмологии, но и других научно-технических направлений. Возможность и целесообразность их применения для изучения глубоких недр Земли и протекающих в них динамических процессов в настоящее время сомнений не вызывает.
В основе успехов, достигнутых в сейсморазведке и сейсмологии, лежат, прежде всего, достижения в создании цифровой регистрирующей аппаратуры и мощньж вычислительных средств обработки данных, в. то время как в области создания невзрывньж источников сейсмических волн еще много нерешенных проблем.
Отсутствие мощньж, мобильных, высокоэффективных невзрывньж сейсмических источников сдерживает решение ряда важных научно-технических задач, в числе которьж:
вибрационное просвечивание Земли;
региональная сейсморазведка;
системное исследование зон и районов возможных землетрясений с целью их предупреждения; | pQ НАЦИОНАЛЫ^* 1
1 twHwffy^]
систематическое изучение напряженного состояния горных массивов с целью предупреждения горных ударов;
исследование поведения нефтегазоводных слоев (пластов) земной коры с целью интенсификации и увеличения добычи полезных ископаемых;
испытание строительных, жилищных и специальных конструкций на сейсмостойкость, транспортную вибрацию и т.п.;
изучение влияния сейсмических колебаний на биосферу;
решение специальных прикладных задач.
И хотя в деле создания сейсмических источников сделано немало, однако до настоящего времени остаются неисследованными многие вопросы, касающиеся возможности применения новых технических решений для создания колебаний геологической среды, что делает актуальным продолжение работ в данном направлении.
Одним из таких принципов возбуждения колебаний является силовое замыкание на среду, которое должно проводиться, на наш взгляд, не с помощью жестких связей (как, например, в источнике СВ-50/20), а путем реализации упругих связующих элементов.
Решению этой проблемы посвящена настоящая работа, которая выполнена в рамках государственной научно-технической программы «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр Земли» (Недра России), а также научно-технической программы «Сиб ВПК нефтегаз 2000».
Научная проблема, требующая своего разрешения, заключается в установлении закономерностей динамических процессов при использовании принципа силового замыкания в системе «инерционная масса - грунт» в поверхностных источниках сейсмических волн.
Исходя из актуальности, практической значимости и теоретической неразработанности данной проблемы, в работе поставлена следующая цель: создание теоретическихосновиконструктивныхрешениймногофункциональных мощных низко - и среднечастотных мобильных источников сейсмическга волн с силовымзамыканиемвсистеме«инерционнаямасса-грунт».
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд научно-технических задач:
Разработать теоретические основы динамики мощных поверхностных сейсмических источников с силовым замыканием в системе «инерционная масса-грунт».
Базируясь на разработанных теоретических основах, исследовать динамику мощных поверхностных сейсмических источников с силовым замыканием в системе «инерционная масса - грунт».
РазработатЬ Теоретадеркод обоснование и конструктивные решения угловой
стабилизации инерционной массы сейсмического источника.
Изучить характер взаимодействия мощных поверхностных сейсмических источников с силовым замыканием в системе-«инерционная масса - грунт» с подстилающей средой и вьшвить факторы, влияющие на интенсивность излучения упругих волн.
Разработать конструктивный ряд мощных поверхностных сейсмических источников с силовым замыканием в системе «инерционная масса - грунт».
Общая методика исследования. Выполненные в работе исследования основываются на использовании положений и методов механики твердого тела, теории упругости, теории колебаний, механики грунтов, а также численньж методов решения нелинейньж задач.
Научная новизна.
l.Ha базе динамического подхода к работе многомассовой колебательной системы «инерционная масса - грунтовое основание» впервые разработана теория мощньж наземных сейсмических источников с силовым замыканием на среду.
-
Новыми являются результаты исследований динамики семейства мощньж, поверхностных сейсмических источников с гидромеханическим возбудителем вибраций и силовым замыканием в системе « инерционная масса - грунт» с учетом нелинейньж свойств резинокордньж оболочек (РКО), систем автоматического управления (САУ), гидропривода и грунта.
-
Выявлены закономерности взаимодействия сейсмического источника, с силовым замыканием в системе «инерционная масса - грунт» с подстилающей средой.
Положения, выносимые на защиту.
І.Теория мощньж наземньж сейсмических источников с силовым замыканием в системе «инерционная масса - упругий элемент - грунт».
2. Результаты исследования динамики семейства мощньж поверхностных
сейсмических источников с гидродинамическими возбудителями вибраций
различных типов и силовым замыканием в системе «инерционная масса -
упругий элемент - грунт» с учетом свойств РКО и САУ.
3. Теоретическое обоснование и конструктивные решения системы
раздельного демпфирования угловых и прямолинейных колебаний инерционной
массы сейсмического источника.
-
Закономерности взаимодействия сейсмического источника с подстилающей средой.
-
Конструктивный ряд мощньж поверхностных вибрационных сейсмических источников с силовым замыканием в системе «инерционная масса - упругий элемент - грунт» для решения различных геофизических задач.
Практическая значимость работы заключается в научно обоснованном техническом решении способа построения конструктивного ряда мощньж наземных вибрационных мобильных сейсмических источников для вибросейсмического воздействия на нефтяные залежи с целью повышения их отдачи, сейсморазведки, вибрационного просвечивания Земли (ВПЗ) для изучения Земной коры и верхней мантии, системного исследования районов возможньж землетрясений и ряда других важных научно-технических задач.
Результаты исследований внедрены при конструировании сейсмических источников на предприятии ЗАО «Новая геология».
Прирост добычи нефти от проведения вибрационного сейсмического воздействия (ВСВ) на нефтяную залежь с использованием сейсмического источника СВ-100/20 на Долговском месторождении Оренбургской области в течение двух месяцев составил более 2000 т.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на
Региональной конференции «Динамические задачи механики сплошной среды, теоретические и прикладные вопросы вибрационного просвечивания Земли» (Краснодар, 1990 г.);
Всесоюзной конференции «Опыт использования и перспективы развития вибрационных источников сейсмических сигналов» (Гомель, 2001 г.);
Республиканской конференции «Повышение эффективности землеройных машин» (Воронеж, 1992 г.);
II Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997 г.);
Международной конференции «Машины и процессы в строительстве» (Омск, 2000 г.);
Международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2001 г.);
Межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Омск, 2002 г.);
Международной конференции «Машины и процессы в строительстве» (Омск, 2003 г.);
3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа» (Томск, 2004 г.); а также на семинарах и научно-практических конференциях СибАДИ и ОмГТУ.
Публикации. По тематике исследования опубликовано 23 работы, включая 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованньж источников из 160 наименования и приложения.
Основной текст изложен на 276 страницах машинописного текста, работа содержит 12 таблиц и 124 рисунка.
Основные требования, предъявляемые к невзрывным источникам сейсмических волн
На: всех графиках по горизонтали І - расстояние ; от источника . Верхняя; кривая (рис; 1.1а) показывает изменение с расстоянием: амплитуды продольной волны, регистрируемой; в: первых: вступлениях. Эта. волна; наиболее информативна; поэтому для оценок; всегда: используют, именно ее. Заштрихованная полоса: соответствует диапазону естественных; вариаций. Следующий график (рис. Г. 16) показывает, какое, количество сейсмической І энергии должно быть послано источником в землю для того, чтобы; сейсмический сигналу зарегистрированный; в. условиях среднего микросейсммческого фона, превышал! фон; в г 10і раз. Эта энергия: также: подвержена сильным флуктуациям;. которые: связаны с естественной изменчивостью амплитуды сигнала и помехи.. Для наблюдений; на различных, расстояниях; от источника энергия должна быть сосредоточена в разных диапазонах частот, как это показано на рисі Л в линией, приблизительно соответствующей верхней граничной частоте. Для того чтобы регистрировать сейсмические волны на расстояниях более 1000 км от источника, необходимо использовать колебания с частотами от I до 7 Гц. На рисЛЛг показана зависимость глубины проникания сейсмических лучей первой рефрагированной волны Р от расстояния регистрации. Этот график показывает, какими должны быть удаления пунктов регистрации от источников сейсмических волн в зависимости от глубины исследований. На основе анализа исследований, выполненных в работах [97, 112, 113, 118, 156], сформулированы основные требования, которым должен удовлетворять сейсмический источник для решения перечисленных задач: 1. Идентичность излучаемых сейсмических сигналов и повторяемость сеансов. 2. Контроль энергетических параметров и фазовых смещений в динамике; 3.
Привязку начального момента посылки импульса и начало сеанса вибровоздействия. 4. Высокое качество излучаемой сейсмической энергии (отсутствие побочных излучений). 5. Заданную производительность накопления сейсмической энергии. 6. Амплитуду возмущающей силы: - для источника, установленного на поверхности, не менее 1 МН в диапазоне рабочих частот 2-10 Гц; - для источника шахтного исполнения порядка 107 1-І в том же диапазоне частот. 7. Возможность синхронной работы в группе. 8. Фазовое рассогласование максимального значения возмущающей силы не более 5. 9. Отклонение оси вибрации от заданной не более 5. 10. Скорость изменения частоты от 2 до 10 Гц не более 5 с. 11. Длительность непрерывной работы не менее 8 часов. 12. Удельная нагрузка излучающей плиты на грунт для поверхностного источника не более 1,0x10 Н/м , для шахтного варианта оїтределяется свойствами горных пород, контактирующих с излучающей плитой. 13. Возможность транспортирования на значительные расстояния. Кроме того, сейсмические источники не должны создавать большого шума и загазованности. Разнообразие конструкций наземных невзрывных источников обусловлено большими различиями условий их применения, стремлением к повышению» эффективности работ и использованию новейших достижений науки и техники, все усложняющимися прикладными задачами. Такое разнообразие, в свою очередь, требует проведения классификации сейсмических источников различных: конструкций и их элементов.
Это тем более важЕ о для определения подходов к проектированию отдельных элементов и сейсмического источника в целом. К настоящему времени в научной литературе представлено несколько вариантов слассификащш сейсмических источников. Так, п основу классификации сейсмических, источников [122] для сейсморазведки положены их характеристики и конструктивные особенности. Согласно этой классификации, все наземные невзрывные источники делятся на тип ы, группы и модификации. По типу излучаемого сигнала сейсмические источники делятся на импульсные, виброимпульсные и вибрационные. Импульсные сейсмические источники возбуждают одиночные импульсы энергии продолжительностью существенно меньше времени регистрации сейсмических колебаний. Все спектральные составляющие сигнала вводятся в среду одновременно. Виброимпульсные сейсмические источники возбуждают быстро следующие короткие или длинные пучки импульсов энергии продолжительностью меньше или больше времени регистрации сейсмических колебаний. Спектральные составляющие сигнала вводятся в среду как одновременно, так и в заданной последовательности.
Низкочастотный центробежный вибромодуль с согласующей системой (НЦВ)
На полке уголка приклеена прокладка 3. К прокладке приклеен краіі трехслойной ленты 4 из прорезиненной ткани.Второй край ленты приклеен на резиновую прокладку 7 окантовочного швеллера 8 инерционной массы. Оба края ленты дополнительно прижимаются к окантовочному уголку 2 и швеллеру 8 с помощью подушек 5, уголков 6 и стягивающих их винтов М8. Круг (основание) инерционной массы 9, виброплита и лента из прорезиненной ткани образуют гсрметичігую полость диаметром 15,5м. При подаче давления воздуха в полость инерционная масса благодаря гибкости ленты моя сет подниматься над виброплитой на высоту h до 0,8 м, что позволяет регулировать жесткость пневмопружины. Пробные испытания низкочастотного виброисточника, которые проводились на полигоне СКБ ПГ, [П4] показали работоспособность конструкции, правильность заложенных конструктивных решений в целом. Разработанная конструкция виброисточника обеспечивает требуемые значения мощности сейсмозондирования в широком диапазоне низких частот при амплитуде возбуждающей силы до 106Н. Однако в серийное использование источник не пошел, что объясняется, на наш взгляд, трудностями герметизации полости пневмопружины, продолжительностью времени перестройки частоты и значительными нагрузками на направляющую расчал очную систему, которые были обусловлеЕты «блужданием» вектора силы дебалансного возбудителя вибраций. В СО АН СССР была сделана попытка создания сейсмических источников с резонансными возбудителями вибраций. Макет гидрорезонансного сейсмического источника явился совместной разработкой Вычислительного центра и СКВ ПГ СО АН. Схема макета гидрорезон аисного вибратора приведена на рис. 1.12 [109]. Гндрорезонансный вибратор представляет собой низкочастотный источник сейсмических сигналов, построенный по резонансной схеме согласования с грунтом. Вибратор включает вибровозбудитель (состоящий из электродвигателя 3, редуктора 4, кривошипа 5, пружины 6, поршня 7) и колебательный контур с подвижной инерционной массой и пневмопружшгой 2. Инерционной массой вибратора является столб жидкости, который совершает колебания в вертикальном корпусе вибратора 1. В нижней части корпуса расположена пневмопружшт переменного объема. Макет гидрорезонансного вибратора имеет два вибровозбудителя -электромеханический и пневматический, которые могут работать независимо друг от друга.
Электромеханический вибровозбудитель предназначен для работы вибратора в резонансном режиме с независимым возбуждением. Электродвигатель постоянного тока вращает через редуктор кривошип, который через пружины передает периодическое усилие на поршень, установленный в корпусе вибратора. Резонансный режим работы вибратора устанавливается путем подбора необходимого объема воздуха в пневмопружине. Пневматический вибровозбудитель обеспечивает работу вибратора в автоколебательном режиме. Он включает специальный переключатель 8, который периодически подает сжатый воздух в пневмопружину точно в фазе с колебаниями столба жидкости в корпусе вибратора, обеспечивая резонансную раскачку колебательного контура. Частота колебаний регулируется объемом воздуха в пнсвмопружине. БиБЛПО! iv Гидрорезонансны» вибратор был запущен и прошел испытания в 1986 г на полигоне С КБ ПГ. В ближней зоне измерялись колебания излучающей плиты вибратора, контактирующей с грунтом, и колебания грунта на глубине 205 м непосредственно под вибратором. При работе вибратора в резонансном и автоколебательном режимах осуществлялась регистрация сигналов с синфазным накоплением на расстоянии 0,5 и 4 км. В автоколебательном режиме определялась скорость перестройки фазы монохроматического сигнала на 180 при ручном управлении. Выполненные испытания показали, что частотный диапазон гидрорезокансного вибратора, определенный по колебаниям давления воздуха в пневмопружине, колебаниям излучающей плиты, и колебаниям фунта в скважине на глубине 205 м под ним, является непрерывным и лежит в пределах от 0,8 до 8,5 Гц. Амплитуда силы воздействия вибратора на грунт при работе с электромеханическим и пневматическим вибровозбудителями составляет 2 — 2,7 тс (рис.1.13). Ускорение столба жидкости массой 4,1 т составляет, при этом 0,5 - 0,65g. Зарегистрированные уровни сигналов вибратора: на расстоянии 0,5 км — отношение сигнал/шум 5-10, на расстоянии 4 км — отношение сигнал/шум 3 — 6 при времени накопления 5 мин. Время поворота фазы монохроматического сигнала вибратора на 180 при ручном управлении составило 3 — 6 с на частотах 2,5; 3; 3,5; 4 и 4,5 Гц. Эта разработка показала работоспособность источников с резонансным возбудителем вибраций. Кроме того, источник имеет удовлетворительную управляемость и сравнительно небольшой разброс амплитуды силы воздействия вибратора на фунт. Однако источник имеет очень маленькое, с точки зрения решения перечисленных задач, толкающее усилие и не может быть использован для их решения. Вместе с тем, на наш взгляд, для создания усилия на грунт в 100 кН необходим столб жидкости массой более 150 т, а это почти две железнодорожные цистерны, установленные одна на другую, наполненные водой. Громоздкость конструкции (если даже перейти на ртуть, то ее столб составит более 10 м3) очевидно, и послужила причиной прекращения работ по созданию более мощных источников продольных сейсмических волн такого типа. Третьей важной составляющей процесса создания мощных низкочастотных сейсмических источников является ВУЗовская наука. Работы по созданию таких источников проводились в Ленинградском строительном институте, Томском университете, Тольяттинском политехническом институте, Омском политехническом институте и других ВУЗах. Разработки имеют особую ценность в плане диапазона исследований, особенно в выборе направлений создания возбудителей вибраций. В Омском политехническом институте под руководством Д.Т.Н., профессора Ю.А. Бурьяна созданы два сейсмических источника с возбудителем вибраций резонансного типа с усилием на грунт І00 и 1000 кН.
Математическая модель колебательной системы с использованием в качестве «мягких» пружин виброизоляторов в виде резинокордных оболочек
Анализ расчетной схемы и дифференциальных уравнений, описывающих колебания ее масс, показал, что с достаточной степенью точности -(при нулевых на начальных условиях и численном интегрировании с помощью прикладных программ «MATLAB») можно использовать упрощенную схему. Вместе с тем, из условия длительной работы стационарного источника на одном месте необходимо задавать такие удельные давления на грунтовое основание, которые малы и не приводят к критическим деформациям, а также учитывая, что нагрузка на поддерживающие плиты через РКО распределена равномерно и нагрузка от силового пщроцилиндра за- счет симметричности и жесткости излучающей плиты передается, также равномерно, поворотами излучающей- и поддерживающих плит вокруг горизонтальных осей в первом приближении можно пренебречь. Ввиду продольной и поперечной симметрии инерционной массы и источника в целом можно раздельно рассматривать продольные и поперечные угловые колебания инерционной массы. При этом геометрические, размеры и массу поддерживающих плит будем считать одинаковыми. Исходя: из вышеизложенного, в первом приближении для анализа динамики сейсмического источника- можно рассматривать плоское движение его элементов.
Условием эффективной: работы источника является использование в вывешивании инерционной массы «мягких» пружин. В качестве таких пружин целесообразно использовать виброизоляторы с резинокордными оболочками (РКО), которые при большой грузоподъемности имеют малую жесткость, но нелинейную характеристику упругости. Расчетная схема для плоского дгїижения в этом случае будет иметь вид (рис.2.3): т2- масса поддерживающей плиты вместе с присоединенной массой грунта; т, - масса гидроцилиндра, излучающей плиты и присоединенной массы грунта; cnbt - соответствующие коэффициенты жесткости и демпфирования; Jс - момент инерции массы тх относительно горизонтальной оси, проходящей через точку «М». Для составления уравнения движения многомассовой системы на рис.2.3 в качестве обобщенных координат примем z0,(p,z3,zA3z5, при этом линия приложения силы F(t) гидроцилиндра смещена от центра масс на расстояние Л/. В этом случае будем полагать, что в положении равновесия при F[t) = 0 масса т{ вывешена на РКО, массы щ и тъ также находятся в положении равновесия в соответствии с величинами жесткости с2 и с3, и значения обобщенных координат отсчитываются от положений равновесия. Учитывая, что РКО обладают нелинейной нагрузочной характеристикой, необходимо учитывать функциональные зависимости: Fp\z — zA) и Fp [z2 — z5)., где перемещения z соответствующих РКО определяются по выражениям: Дифференциальные уравнения колебаний механической системы (рис.2.3) с учетом нелинейности упругих свойств РКО, а также угловых колебаний могут быть получены из 2.1,2.2 и представлены в виде:
Для реализации больших усилий на грунтовое основание необходимо создать гидравлический привод, обеспечивающий необходимое силовое воздействие. Необходимо также, чтобы амплитуда создаваемого усилия максимально соответствовала амплитуде управляющего сигнала в рабочем диапазоне частот, а это связано с управлением большими потоками рабочей жидкости. В данном случае целесообразно применить двухступенчатую систему управления потоком рабочей жидкости. При этом электромеханический преобразователь управляет золотником гидрораспределителя управляющего каскада, а уже этот распределитель управляет перемещением золотника распределителя основного каскада. Систему уравнений (2.4) необходимо дополнить уравнениями, описывающими динамику гидравлической системы привода, осуществляющего силовое воздействие на инерционную массу и излучающею плиту. Полагая, что сила; F(t) создается гидроцилиндром двухстороннего действия? с двухкаскадным электрогидравлическим распределителем и системой обратной: связи по положению основного золотника [105, 106], принципиальную схему гидравлической системы; можно представить в виде - рис.2:4.
Активная гидромеханическая система демпфирования угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника
Одним из вариантов построения активной системы демпфирования угловых колебаний инерционной массы сейсмического источника является гидромеханическая система, состоящая из установленных на поддерживающих плитах гидро цилиндров, которые через пружины воздействуют на инерционную массу в противофазе ее угловым колебаниям. Управление потоками рабочей жидкости осуществляется системой управлении релейного типа. Расчетная схема такой системы представлена на рис. ЗЛ2. При рассмотрении движений масс сейсмического источника во время работы активной гидромеханической системы демпфирования угловых колебаний инерционной массы были приняты те же допущения, что и при рассмотрении пневматической релейной системы. При учете того, что силы тяжести инерционной массы и поддерживающих плит источника уравновешиваются силами упругости виброизляторов с применением РКО и грунтового основания, и пренебрегая силами трения в подвеске инерционной массы, система дифференциальных уравнений., соответствующая схеме на рис.3 Л 2, будет иметь вид: При горизонтальном положении инерционной массы штоки гидроцилипдров, на которых установлены сжатые пружины, вдвинуты до упора. Силы, создаваемые гидроцилиндрами, воздействуют на инерционную массу М в противофазе p(t). Управление потоками рабочей жидкости осуществляется электрогидравлическими распределителями [106]. В случае, когда ф 0, рабочая полость первого гидроцилиндра соединяется с напорной магистралью гидросистемы и его шток выдвигается на фиксированную (0,05-0,07м) величину.
Одновременно рабочая полость второго гидроцилиндра соединяется со сливной магистралью и шток под действием инерционной массы и сжатой пружины по закону дросселирования возвращается в исходное положение. При смене знака ф подключение рабочих полостей гидроцилиндров меняется на противоположное. В;качестве датчиков угловой скорости могут быть также использованы акселерометры или гироскопические датчики угловой скорости (ДУС) авиационного типа. Так как массы поддерживающих плит малы по сравнению с инерционной массой, для упрощения задачи можно пренебречь их колебаниями [3]. Вместе с тем, учитывая сделанные выше допущения, дифферендиальные уравнения для оценки динамики продольно-угловых колебаний будут иметь вид: Решение уравнения (3.23) проводилось с использованием пакета программ. «MATLAB» с расширением «Simulink». Результаты моделирования движения инерционной массы сейсмического источника приведены на рис.3.13 и 3.14, где представлены графики колебаний инерционной массы источника со стандартной подвеской и при введении активной системы демпфирования. Результаты моделирования позволяют сделать вывод, что введение активной гидромеханической системы демпфирования продольно-угловых колебаний значительно уменьшает амплитуду вынужденных колебаний инерционной массы источника и что особенно важно - на низких частотах, на которых стандартные и модифицированные системы пассивного демпфирования не эффективны [3].
Однако эта система эффективно работает в диапазоне 0,5 - 2,5 Гц. На частоте свыше 2,75 Гц активная система демпфирования угловых колебаний не выполняет свою функцию, а напротив, раскачивает инерционную массу источника. Такое поведение системы можно объяснить тем, что при работе в релейном режиме штоки гидроцилиндров выдвигаются на одну и ту же постоянную величину и при этом величина поджатия пружин, через которые передается воздействие на инерционную массу, также меняется в релейном режиме. На низких частотах, где амплитуда колебаний инерционной массы, обусловленная вращающим моментом, достаточно велика и с ней соизмерим вращающий момент, создаваемый гидроцилиндром системы демпфирования, происходит демпфирование колебаний. На более высоких частотах, где амплитуда колебаний инерционной массы, обусловленная вращающим моментом, становится значительно меньше, а вращающий момент, создаваемый гидроцилиндром системы демпфирования остается прежним, происходит ее раскачивание. Таким образом, чтобы гидромеханическая система демпфирования угловых колебаний инерционной массы источника эффективно работала во всем диапазоне частот, необходимо обеспечить ее работу не в релейном, а в следящем режиме, когда выдвижение штока гидроцилиндра и поджатис пружины пропорционально скорости поворота инерционной массы. В этом случае вращающий момент, обусловленный несовпадением оси инерционной массы и линии действия силы, и момент, создаваемый активной системой демпфировалия, практически уравновешиваются, что позволяет избежать ее раскачивания.
