Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ кинематических схем и параметров импульсных наземных сейсмоисточников 12
1.1 Постановка задачи 12
1.2 Предельные значения параметров воздействия на грунт 15
1.3 Краткий обзор сейсмоисточников, их конструкций, двигателей и параметров 18
1.4 Конструктивная схема сейсмоисточника с короткоходовым электромагнитным двигателем 27
Выводы 30
Глава 2. Математическое моделирование процесса срабатывания короткоходового электромагнитного двигателя сейсмоисточника 31
2.1 Постановка задачи 31
2.2 Модель нагрузки-грунта 33
2.3 Моделирование процесса срабатывания электромагнитного сейсмоисточника в аналитической форме 33
2.4 Численная модель процесса срабатывания электромагнитного сейсмоисточника и её использование при построении методики электромагнитного расчёта его двигателя 43
Выводы 60
Глава 3. Разработка методики электромагнитного расчёта короткоходового импульсного электромагнитного двигателя 61
3.1 Постановка задачи 61
3.2 Максимальные размеры электромагнита и развиваемое усилие 63
3.3 Форма и соотношения размеров электромагнита 67
3.4 Учёт параметров магнитопровода и обмотки электромагнитного двигателя 76
3.5 Исследование и учёт влияния неравномерности рабочего зазора короткоходового электромагнита на его характеристики 84
Выводы 98
Глава 4. Разработка системы возбуждения импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника 101
4.1 Постановка задачи 101
4.2 Определение параметров режима возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника 103
4.3 Описание систем возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника 109
Выводы 116
Заключение 117
Список использованной литературы
- Предельные значения параметров воздействия на грунт
- Моделирование процесса срабатывания электромагнитного сейсмоисточника в аналитической форме
- Максимальные размеры электромагнита и развиваемое усилие
- Определение параметров режима возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника
Введение к работе
Актуальность темы.
Топливно-энергетическая отрасль, опирающаяся на природные ресурсы, является для нашей страны важнейшей частью экономики. А так как при поиске нефтегазоносных структур одним из основных геофизических методов является сейсморазведка, то поиски путей повышения её геофизической и экономической эффективности имеют высокую прикладную и научную значимость.
Схема одного из видов наземных сейсморазведочных работ приведена на рисунке 1. Для возбуждения сигналов (сейсмических волн) в наземной сейсморазведке используются источники силовых воздействий (в основном на поверхность грунта в вертикальном направлении) - сейсмоисточники. Регистрация отражённых волн воспринимающей аппаратурой сейсмостанции (сейсмоприёмники регистрируют вертикальную или горизонтальную составляющие скорости смещения грунта) и последующая их обработка позволяют судить о структуре осадочного чехла и эффективно готовиться к бурению.
сейсмостанция сейсмоприёмники сейсмоисточник
< о,,., \->
"Wr-y
2км ,
lbs_
Ті.
Рисунок 1 - Схема проведения профильных разведочных работ.
Современная наземная сейсморазведка имеет два основных направления: импульсная и вибрационная [71], [73]. Вибрационная сейсморазведка основана на гармонических воздействиях на грунт. Импульсная сейсмораз-
ведка основывается на приложении к поверхности грунта кратковременных силовых воздействий (либо на взрыве детонирующего заряда в специальной скважине). Импульсные наземные сейсмоисточники имеют более простую конструкцию, чем сейсмические вибраторы, и с их применением многие геофизические задачи решаются с меньшими материальными затратами. Например, импульсный сейсмоисточник "Енисей-СЭМ-100" позволяет решать практически те же самые геофизические задачи, что и сейсмический вибратор СВ 120/250, однако его себестоимость и потребляемая мощность в десятки раз меньше (приложение Б).
Рассмотрим воздействующие на грунт в вертикальном направлении импульсные сейсмоисточники. Их основные технические показатели [74]:
развиваемое усилие - до нескольких десятков тонн;
длительность воздействия - несколько миллисекунд.
Достижение указанных показателей возможно при использовании сейс-моисточников разнообразных конструктивных схем при использовании в них двигателей различных типов (п. 1.3). Известны сейсмоисточники, построенные на основе удара по грунту падающим грузом [11]. Груз ускоряется либо силой тяжести, либо специальным приводом.
Рисунок 2 - Схема сейсмоисточника, работающего в режиме давления.
Известны также сейсмоисточники на основе различных вариантов газодинамических и электромеханических линейных двигателей (рисунок 2) [9], [16], [74], работающие в режиме давления. Они имеют в своей конструкции
жёсткий пригруз 2 значительной массы, отталкиваемый при срабатывании сейсмоисточника от расположенной на поверхности грунта жёсткой плиты -излучателя 1 двигателем 3.
Поиск новых, лучших конструкций сейсмоисточников продолжается. Многообразие их конструктивных решений объясняется в основном, следующими причинами:
- новизной технической задачи, при решении которой опробываются
различные пути её решения;
- различием эксплуатационных и технических требований сейсморазве-
дочных организаций к конструкции сейсмоисточника;
- недостаточной изученностью процесса взаимодействия излучателя
сейсмоисточника с упругим полупространством грунта и, как следствие, от
сутствием чётких и обоснованных рекомендаций по значениям создаваемых
сейсмоисточником усилий, скорости нагружения грунта и длительности си
лового воздействия.
Анализ технической литературы показывает, что во многих известных конструкциях сейсмоисточников недостаточно внимания уделено выбору двигателя 3. Их двигатели имеют высокий КПД при значительно больших скоростях движения (и перемещениях) рабочих элементов, чем это необходимо для согласованной с нагрузкой - грунтом работы сейсмоисточника (п. 1.2). Для эффективного возбуждения сейсмических сигналов нагрузка наземного сейсмоисточника (грунт под его излучателем) под действием его силы должна сжиматься со скоростью, не превышающей для грунтов различной плотности 1..3м/с [41], определяющейся пределом упругости грунта и скоростью распространения сейсмической волны в нём. При превышении указанной величины скорости излучателя значительную часть его перемещения составляют неупругие деформации грунта, и развиваемая двигателем сейсмоисточника механическая энергия расходуется не столько на создание сейсмических волн в грунте, сколько на его уплотнение и нагрев.
Для двигателя сейсмоисточника, работающего в режиме давления, избыточная скорость движения рабочего органа, кроме того, сопровождается тем, что его эффективный рабочий ход велик по сравнению с перемещением излучателя 1, и значительная часть механической энергии двигателя затрачивается на подброс пригруза 2, дополнительно уменьшая геофизическую эффективность сейсмоисточника.
Согласование сейсмоисточника с нагрузкой - грунтом и повышение таким путём геофизической эффективности его работы может быть реализовано либо применением в его конструкции согласующего преобразователя сил и перемещений [26], либо разработкой для его конструкции специального короткоходового двигателя, эффективно работающего при указанной величине скорости излучателя.
Короткоходовой электромагнитный двигатель сейсмоисточника может, кроме того, обеспечить повышение экономической эффективности сейсморазведочных работ за счёт уменьшения затрат на генерацию сейсмических сигналов, а также социальной эффективности сейсморазведочных работ путём продвижения сейсморазведки импульсными сейсмоисточниками в районы Крайнего Севера, доступные ранее лишь для буро-взрывных методов.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является повышение геофизической эффективности сейсморазведочных работ путём создания короткоходового импульсного электромагнитного двигателя и разработки на его основе сейсмоисточника.
Основные задачи исследования;
1) Определить основные требования к импульсному сейсмоисточнику, обеспечивающие эффективное использование механической энергии его двигателя. Разработать схему конструкции электромагнитного сейсмоисточника и методику выбора параметров элементов его конструкции: излучателя, пригруза и рабочего хода двигателя.
2) Разработать математическую модель процесса срабатывания электро-
. магнитного двигателя в составе сеисмоисточника, позволяющую исследовать
влияние различных параметров на выходные характеристики.
Разработать методику электромагнитного расчёта короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сеисмоисточника, включающую определение ограничений по нагрузкам активных материалов, максимальным размерам электромагнита и развиваемому усилию, а также определение рациональных соотношений размеров и учёт возможной неравномерности начального зазора между якорем и индуктором.
Установить параметры режима форсированного возбуждения импульсного электромагнитного двигателя, обеспечивающие максимальный КПД электромеханического преобразования при необходимой для работы в составе сеисмоисточника длительности выбора зазора. Разработать реализующую указанный режим импульсную систему возбуждения электромагнитного двигателя.
Объект исследования - электромагнитная импульсная система с развиваемым в течение нескольких миллисекунд усилием до нескольких десятков тонн.
Предмет исследования - короткоходовой импульсный электромагнитный двигатель сеисмоисточника со специальной системой возбуждения его магнитного поля.
Научно-методическая база исследования.
Исследования проведены с использованием методов анализа электрических, магнитных и механических цепей, методов численного моделирования переходных процессов, методов построения и анализа картины магнитного поля. Для ускорения решения поставленных задач использовались программные комплексы MicroCAP, Elcut. Достоверность результатов подтверждается сопоставлением расчётных и экспериментально полученных данных. Экспериментальные исследования проводились в* лабораториях с использованием методов исследования электромагнитных систем, а также в полевых
условиях на серийных сеисмоисточниках с использованием регистрирующей аппаратуры для сейсморазведочных работ. Научная новизна исследования.
1) Определены ограничения параметров воздействия на грунт и разрабо
тана методика выбора параметров излучателя, пригруза и рабочего хода дви
гателя импульсного сейсмоисточника, обеспечивающие эффективное преоб
разование механической энергии двигателя в энергию сейсмических волн;
2) Разработаны математические модели процесса срабатывания им
пульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника.
Разработана методика электромагнитного расчёта короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, построенного на основе электромагнита прямоугольной формы с движением якоря вдоль магнитных силовых линий.
Установлены параметры режима форсированного возбуждения электромагнитного двигателя, обеспечивающие максимальный КПД электромеханического преобразования при необходимой для работы в составе сейсмоисточника длительности выбора зазора.
Практическая значимость работы.
Установленные зависимости, параметры и соотношения, использованы при разработке конструкций короткоходовых импульсных электромагнитных двигателей для ряда сейсмоисточников. Применение этих сейсмои-сточников позволило повысить геофизическую и экономическую эффективность сейсморазведочных работ и уменьшить вред экологии места проведения сейсморазведочных работ распространением невзрывной сейсморазведки в ранее труднодоступные для неё районы Крайнего Севера.
Разработанные схема конструкции сейсмоисточника, короткоходовой импульсный электромагнитный двигатель с методикой его расчёта и системы возбуждения и управления электромагнитного двигателя, обеспечивающие малое энергопотребление и продолжительную автономную работу сейсмои-
сточника, могут использоваться при проектировании новых серий сейсмои-сточников, а также импульсных систем для иных областей промышленности.
Реализация результатов работы.
С использованием результатов диссертационной работы и с участием автора был рассчитан, а затем изготовлен, испытан и внедрен в ВО ИГ и РГИ АН СССР г.Куйбышев (Самара) экспериментальный образец сейсмоисточни-ка в санном варианте с двигателем из двух электромагнитов с общим усилием 45 тонн. С использованием опыта разработки и эксплуатации этого сейс-моисточника в ходе хоздоговорных работ с участием автора было подготовлено и начато серийное производство в Минусинской опытно-методической экспедиции ("Геотехноцентр") ПГО "Енисейгеофизика" электромагнитных сейсмоисточников "Енисей-СЭМ" с усилием 60 тонн. С использованием результатов диссертационной работы разработаны и в настоящее время выпускаются серии электромагнитных сейсмоисточников на санной и колёсной транспортной базе с усилием от 20 до 180 тонн.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1) Научно-технических семинарах кафедр "Электрические машины",
"Электрические аппараты", "Промышленная электроника" и НИЛ-6 ТГУ
(Тольятти, 1986-2007).
Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения" (Дивногорск, 1990);
Всероссийской научно-технической конференции " Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона " (Тольятти, 2001);
Международной научно-технической конференции " Автоматизация технологических процессов и производственный контроль" (Тольятти, 2006);
На защиту выносятся;
Новое техническое решение короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, включающее систему его возбуждения и управления.
Зависимости, параметры и соотношения, определяющие условия создания мощной электромагнитной импульсной системы с требуемой по условиям работы в составе сейсмоисточника длительностью рабочего хода и обеспечивающие сочетание диапазона эффективных скоростей и перемещений её рабочих элементов с высоким КПД.
Математические модели процесса срабатывания импульсного электромагнитного двигателя в составе сейсмоисточника.
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 3 авторских свидетельства СССР и 3 патента РФ на изобретение.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 165 страниц, 82 рисунка, 4 таблицы. Список использованной литературы включает 76 наименований. В общее количество листов входят 6 приложений на 37 страницах.
Предельные значения параметров воздействия на грунт
Акустические колебания, в том числе и сейсмические волны, могут возникать лишь в упругой среде, и их амплитуда прямопропорциональна ампли туде упругих деформаций, вызвавших колебания [42], поэтому для увеличения амплитуды сейсмических волн необходимо обеспечить такой режим воздействия сейсмоисточника на грунт, при котором максимальное давление излучающей поверхности сейсмоисточника (излучателя) на грунт близко к пределу упругой деформации ау, хотя и не выходит за него. Известно, что предел упругости сту для неуплотненных малосвязных грунтов весьма мал: (2..5)+ 105Па [19], [32], [70], поэтому для эффективной работы сейсмоисточника на этих грунтах требуется большая излучающая поверхность SA [38].
При характерных для поверхностных слоев грунта значениях: р=1500.. 2000 кг/м и vp=50..250 м/с [28], [71] максимально допустимая скорость vmax вертикальных деформаций составляет 1..2 м/с, максимальная величина упру-гих деформаций грунта хтах=(2..4)Л0 м, а время действия деформаций для сейсмоисточника с излучателем диаметром 1м лежит в диапазоне: от tmin = (1..5)Л0"3с до =(4..20)40 . Эти данные говорят о том, что двигательные установки многих известных сейсмоисточников (описываемых далее в параграфе 1.3) работают неэффективно. Скорости движения их рабочих органов (поршень, якорь и т.д.) при работе двигателей с высоким КПД составляют 10..20 м/с, а рабочий ход составляет: - (Ю..40)Л0"3м - электромеханические двигатели [9], [13], [18], [36]; - 0,04..0,12 м - газодинамические двигатели [74], [73]; - несколько метров - высота сбрасывания груза в сейсмоисточпиках типа "падающий груз" [11], [67]. Проанализируем достоинства и недостатки наземных импульсных сейсмоисточников основных конструктивных исполнений по критериям, сформулированным в 1.1. 1.3 Краткий обзор сейсмоисточников, их конструкций, двигателей и параметров
Такие сейсмоисточники создают сейсмическую волну при ударе движущегося груза по поверхности грунта. Груз может ускоряться специальным двигателем или сбрасываться с заданной высоты. Величина рабочего хода двигателя ударного сейсмоисточника определяется расстоянием, необходимым для разгона груза.
Сейсмоисточники этого типа ("Географ", "ПГЭ", "СИМ") [11], [67] содержат массивный груз-ударник 1 и устройство 2 для его подъёма на заданную высоту (рисунок 1.1).
Дополнительно сейсмоисточники могут оснащаться направляющим устройством 3 для вертикального скольжения груза и излучателем (антенной, наковальней, шаботом) 4, расположенным в момент падения груза на поверхности грунта. Сейсмическая волна в грунте возникает при сбрасывании на излучатель предварительно поднятого груза. Масса падающего груза достигает 3000кг, высота сброса - З..4м, скорость движения груза в момент удара достигает 9м/с [74]. В установках с дополнительным ускорением груза с помощью специального привода скорость достигает 25 м/с.
Из всех известных невзрывных наземных сейсмоисточников такие сейс-моисточники имеют максимальную механическую энергию, достигающую 10 Дж. Они сравнительно недороги, автономны, морозоустойчивы и безопасны в обслуживании.
Однако, удары груза 1 по шаботу 4 на указанной скорости (особенно на сильном морозе) могут быстро разрушить конструкцию сейсмоисточника. Шабот 4 можно не использовать и сбрасывать груз непосредственно на грунт, но из-за уплотнения грунта после каждого удара изменяется высота сброса груза, и в этом случае могут возникнуть сложности обеспечения синхронизации срабатывания группы сейсмоисточников. Кроме того, из-за большой скорости движения груза в момент удара эффективность преобразования механической энергии движения груза в энергию сейсмической волны в грунте невысокая (п. 1.2), и большая часть механической энергии затрачивается на уплотнение и нагрев грунта [41].
Уменьшение высоты, с которой сбрасывается груз, несомненно, уменьшило бы скорость его движения, но, одновременно, уменьшилась бы его механическая энергия. Возможно восстановление её величины путём увеличения массы падающего груза. Однако, в этом случае кроме увеличения массы сейсмоисточника (нежелательного) и ограничения его автономности уменьшилась бы частота основной гармоники излучаемой волны, которая для целей сейсморазведки на нефть и газ должна составлять 20..90Гц [43]. Следовательно, величина массы груза ограничена, и улучшение характеристик сейсмоисточника путём её увеличения и уменьшения высоты сброса груза неперспективно. Увеличение энергии сейсмической волны группированием (одно временным срабатыванием) нескольких сейсмоисточников типа "падающий груз" затруднено из-за жёстких требований к синхронности их работы: ±1 10" с [63], обеспечение которой затруднено при большом времени движения груза до его удара по грунту (при высоте сброса груза Зм и скорости в момент удара 7.6 м/с это время составляет 0.77с).
Уменьшение скорости воздействия на фунт за счёт использования излучателя 2 с массой, превышающей массу падающего груза ], нерационально потому, что при соударении неодинаковых масс (груза и излучателя) теряется значительное количество энергии, и увеличиваются механические нагрузки в месте удара.
Уменьшение скорости воздействия на грунт использованием в конструкции сейсмоисточника преобразователя скоростей, например, рычажного или гидравлического типа [26] усложняет конструкцию сейсмоисточника, увеличивает стоимость и усложняет условия эксплуатации сейсмоисточника.
Схематичное изображение сейсмоисточника с электромагнитным двигателем с движением якоря поперёк магнитных силовых линий. Недостаточно высокая удельная на единицу массы такого электромагнитного двигателя развиваемая механическая сила и слишком большая для целей сейсморазведки длительность рабочего хода не позволяют использовать его в режиме давления на излучатель на протяжении всего рабочего.хода. Поэтому предварительно перед воздействием на грунт якорь 1 проходит путь разгона и набирает необходимую механическую энергию. Удар по грунту наносится через излучатель 2.
По способу передачи механической энергии в нагрузку - грунт этот сейсмоисточник аналогичен сейсмоисточникам типа "падающий груз" (со всеми их недостатками). При высокой скорости движения якоря в момент удара по излучателю эффективен электромагнитный двигатель и неэффективно преобразование его механической энергии в энергию сейсмической волны. А при низкой скорости эффективно преобразование механической энергии двигателя в энергию сейсмической волны, но неэффективен электромагнитный двигатель,
Моделирование процесса срабатывания электромагнитного сейсмоисточника в аналитической форме
Для составления методики выбора параметров излучателя и пригруза сеисмоисточника, а также параметров рабочего хода его двигателя: величины - Хр.х и длительности - ts, выведем аналитические выражения для скоростей и перемещений пригруза и излучателя. Моделировать во времени процесс формирования развиваемого двигателем механического усилия F не будем. Соответственно не учитываем КПД двигателя. Значительной погрешности в определении максимальных скоростей и перемещений при этом допущении не ожидается, так как большую часть длительности tg величина усилия F близка к своему максимуму (рисунок 2.12), а пока F нарастает до максимума, зазор выбирается на незначительную часть ( 10%) своей начальной величины (рисунок 4.2). Ожидается лишь увеличение запаздывания передних фронтов скоростей излучателя и пригруза.
На примере проанализируем влияние величины рабочего хода двигателя сейсмоисточника хр х на геофизическую эффективность TJS (без учёта КПД двигателя). Зададимся параметрами сейсмоисточника (соответствуют параметрам "половинки" (одного полоза саней) экспериментального сейсмоисточника, приведённого на рисунке АЛ): - усилие двигателя (при t t5) F=2.25405H; - масса пригруза тпр= 1500кг; - площадь излучателя SA= 0.8м .
На рисунке 2.2 приведены рассчитанные по (2.3)..(2.6) диаграммы скоростей и перемещений элементов сейсмоисточника. Пунктиром показана осциллограмма скорости полоза, полученная в условиях лаборатории НИЛ-6 ТПИ датчиком скорости (рисунок ГЛ), при зазоре б0=5 10"3м и напряжении 500В на накопителе ёмкостью 9мФ (п. 2.4.3).
Диаграммы скоростей и перемещений пригруза и излучателя при постоянной в течение ts силе F (пунктир - vr эксперимент). Путём сложения уравнений системы (2.5) определим величины ts и а. Собственная частота колебаний со в примере составляет приблизительно 70Гц, длительность я/со = 7 10 с, а время рабочего хода t5 = a/to = 5.3 10" с близко к середине диапазона рекомендованных длительностей воздействия на грунт от tmin до tmax, определённых по формулам (1.5), (1.6).
Эти зависимости имеют характерный "перегиб", свидетельствующий о том, что при уменьшении податливости грунта ег и заданной величине усилия сеисмоисточника F возможное перемещение грунта Хг становится много меньше величины рабочего хода хр.х, то есть нагрузка для сеисмоисточника становится слишком жесткой, неподатливой, и двигатель такого сеисмоисточника (излишне длинноходовой для данной нагрузки) не может передать в грунт большую часть своей механической энергии, которая в этом случае расходуется на подлёт пригруза [17]. По группе зависимостей rjs=f(er) можно сделать вывод, что эффективность сеисмоисточника при заданной податливости грунта ег увеличивается при уменьшении рабочего хода его двигателя.
Проведённый анализ показывает, что геофизическая эффективность сеисмоисточника, взятого в качестве примера, при его работе на нагрузку-грунт с величиной податливости ег=1.4е" м/Н близка к максимальной при применении в нём двигателя с рабочим ходом приблизительно 5 10" м. В п. 2.4.5 это утверждение проверено на численной модели и экспериментально.
2) В продолжение предыдущего примера проанализируем влияние массы излучателя сеисмоисточника на эффективность преобразования механи ческой энергии его двигателя в сейсмическую волну в грунте. Механическую энергию сеисмоисточника, передаваемую им в грунт, оценим по величине среднего за импульс динамического усилия в контакте излучателя с грунтом. Для упрощения аналитического выражения для средней силы затуханием в системе "сейсмоисточник плюс грунт" (е "pt) пренебрежём (в рассматриваемом примере слагаемое vrsr в выражении (2.2) даже при максимальной скорости угв 20 раз меньше усилия F [17]).
При а=я (длительность рабочего хода равна половине периода собственных колебаний системы "сейсмоисточник плюс грунт") сила Frcp не зависит от кЛ и принимает максимальное значение, равное F-Pnp. А при афп сила Frcp уменьшается тем больше, чем больше кА (и масса излучателя). Следовательно, для обеспечения эффективного согласования сеисмоисточника с грунтом является обязательным соответствие времени рабочего хода двигателя сеисмоисточника размерам и массе его излучателя, с тем, чтобы выполнялось равенство a=7t [50]. Так как свойства грунта при передвижении сейсмоисточника по профилю (рисунок 1) могут изменяться, а оперативное регулирование длительности нагружения грунта с целью обеспечения равенства а=п, может представлять сложности, то сейсмоисточник необходимо выполнять так, чтобы коэффициент кА и масса излучателя были минимальны. Тогда снижение геофизической эффективности при афп будет не столь значительным.
Следует отметить, что при x 7t вблизи от л (диаграммы на рисунке 2.2) скорость излучателя изменяется менее значительно, чем скорость пригруза. Таким образом, некоторое уменьшение длительности воздействия на грунт может привести при незначительном снижении энергии, переданной в грунт, к более значительному уменьшению энергии, переданной пригрузу, и к росту геофизической эффективности, что позволяет расширить диапазон податли-востей грунта, в котором работа сейсмоисточника достаточно эффективна.
Следует признать рациональным, чтобы при а к двигатель сейсмоисточника силу уже не развивал, так как грунт в это время разжимается.
3) В продолжение предыдущего примера проанализируем влияние на геофизическую эффективность сейсмоисточника величины массы пригруза тпр. Соотношение массы пригруза к массе излучателя в сейсмоисточнике, приведённом на рисунке 1.6, должно быть как можно больше, чтобы меньше механической энергии двигателя расходовалось на подлёт пригруза. Но масса пригруза ограничена грузоподъёмностью (или тяговым усилием) транспортного средства сейсмоисточника, а излучатель должен иметь заданную площадь контакта с грунтом (1.2), определяющую в значительной мере его размеры и массу, поэтому по данному вопросу должно быть выработано компромиссное решение.
Повторим, что пригруз должен быть максимально жёстким. При недостаточной его жёсткости (при соизмеримых скоростях распространения акустических волн в нём и в грунте) излучатель отталкивается не от всей массы пригруза, а от части её, что приводит к увеличению скорости движения пригруза (2.4). Одновременно, усилию двигателя оказывает противодействие вся величина веса пригруза Рпр (2.3) посредством реакции сжатого им грунта, из-за чего уменьшается амплитуда скорости излучателя vr (при величине усилия двигателя сеисмоисточника, меньше веса пригруза, зазор б не будет выбираться вообще). В итоге при недостаточной жёсткости пригруза уменьшается эффективность сеисмоисточника.
Максимальные размеры электромагнита и развиваемое усилие
Для сеисмоисточника, работающего в режиме давления, может потребоваться [74] усилие Г, развиваемое двигателем (максимальное), 106Н и более. Величина начального зазора электромагнитного двигателя сеисмоисточника (50=хр.х) составляет приблизительно 5 10"3 м (графики на рисунках 2.4, 2.13). При таком соотношении величин зазора и усилия магнитное поле в большей части зазора 8 (при равномерном зазоре) электромагнита равномерное (рисунок 3.5). Без учёта усилия, создаваемого потоками выпучивания (п. 3.3.3), один электромагнит с такой величиной усилия F в соответствии с известной формулой Максвелла [15] для случая равномерного магнитного поля в зазоре имеет площадь полюсов Sg 1м2 (3.2).
Двигатель сейсмоисточника, выполненный в виде одного электромагнита, при указанных величинах параметров имеет существенно большую площадь полюсов Sg, чем у оптимального [34], [62] для заданной механической энергии (и массивнее его, из-за чего длительность выбора зазора может оказаться больше рекомендуемой (п. 2.3, 2.4.5)).
Кроме того, при указанных величинах зазора, площади полюсов и ограниченной по условиям режима форсированного возбуждения (п. 4.2) индуктивности L обмотки электромагнита может потребоваться число витков обмотки электромагнита w l, так как согласно известным выражениям (3.3) [15] число витков уменьшается с увеличением площади полюсов Sg: G (250)кц V- где: G - магнитная проводимость магнитной цепи электромагнита; км - коэффициент насыщения магнитной цепи (п.3.4.2). Ограничения по развиваемой силе и размерам одного электромагнита могут быть связаны также с ограничениями по массе якоря и возможностью размещения электромагнита на сеисмоисточнике. Если масса якоря одного электромагнита превышает 200..250кг, то затруднено обслуживание сеисмоисточника в полевых условиях (например, невозможно заменить обмотку без специального грузоподъёмного механизма). При проектировании сеисмоисточника может быть затруднено размещение электромагнита с площа-дью полюсов Ss более 0.25м (при равных длине и ширине ширина магнито-провода составит 0.5м плюс ширина элементов конструкции каркаса) внутри полоза ограниченной ширины (приблизительно 0.7м) [57].
Из-за этих ограничений методика проектирования электромагнитного сеисмоисточника предполагает использование в его двигателе нескольких электромагнитов. Например, в разработанных с участием автора сейсмои-сточниках "Енисей-СЭМ" (п. АЛ) двигатель содержит четыре электромагнита на усилие до 2.5 105Н каждый.
Выполнение электромагнитного двигателя в виде группы из ещё большего количества электромагнитов (для обеспечения их оптимальной конфигурации [23], [34]) позволяет уменьшить их суммарную массу, но приводит к увеличению потерь в обмотках и увеличению стоимости сеисмоисточника, поэтому разрабатываемая методика этого не рекомендует.
Работа электромагнитного двигателя с насыщением магнитопровода характеризуется снижением энергетических показателей, однако, позволяет получать прирост абсолютных значений развиваемой силы. Попытаемся определить энергетические ограничения по развиваемой силе форсированного электромагнита на основе расчётов динамики срабатывания экспериментального электромагнитного сеисмоисточника (рисунок АЛ) по модели (п. 2.4) при варьировании величиной А0 энергии накопителя Сц (напряжения на нём) (рисунок 2.10).
Форма и особенности конструкции электромагнита Применение в наземных импульсных сейсмоисточниках электромагнитов прямоугольной формы (а не цилиндрической) является предпочтительным по следующим причинам: - для обеспечения требуемой по условиям работы в сейсмоисточнике длительности рабочего хода электромагнита его магнитопровод должен быть выполнен шихтованным из тонких листов стали, а прямоугольная форма более технологична, чем цилиндрическая (все листы одинаковые, не требуется склеивание листов, проще техпроцесс сборки);
- позволяет реализовать большее заполнение магнитопровода сталью за счёт сжатия пакета листов прессом во время сборки, и увеличить значения индукции магнитного поля в рабочем зазоре и развиваемой силы;
- упрощает размещение электромагнитного двигателя на полозьях санного варианта сейсмоисточника (необходимо увеличивать длину двигателя по сравнению с шириной).
Однако прямоугольная форма электромагнитов создаёт конструктивные трудности при осуществлении передачи электромагнитного усилия на излучатель сейсмоисточника. Помещение якоря электромагнита на несколько опор (например, размещённых по его углам) затрудняет реализацию равномерного зазора между якорем и индуктором, а неравномерность зазора приводит к уменьшению развиваемого усилия (п. 3.5).
Определение параметров режима возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника
Необходимость выбора зазора мощного электромагнитного двигателя за нескольких миллисекунд обусловливает использование форсированного режима его работы. Минимальная длительность рабочего хода электромагнита ограничена в значительной мере насыщением материала магнитопровода (п. 3.4.2). При значительном насыщении резко увеличиваются затраты энергии системы возбуждения (запасаемой в накопителе) на поддержание магнитного потока (постоянство потокосцепления) во время выбора зазора, и теряется одно из основных преимуществ электромагнита над иными импульсными двигателями (п. 1.3) - высокий КПД. Материал магнитопровода ограничивает также скорость ввода энергии в магнитное поле - затраты энергии на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе требуют соответствующего увеличения энергии системы возбуждения.
Форсированный режим работы системы возбуждения задаётся в основном выбором двух параметров: величиной запасённой в накопителе Сц энергии Ао (при заданном напряжении на Сн - величиной его ёмкости) и соотношением длительности выбора зазора электромагнита - t5 и длительности разряда Сн - tP. Ограничения по выбору величины максимальной механической энергии Ам электромагнита и, соответственно, энергии Ао накопителя рассмотрены в 3.2.2. Ограничения по массогабаритным параметрам системы возбуждения обусловлены предельными параметрами нагрузки используемых в ней вентилей и конденсаторов. Определим ограничения по выбору соотношения длительности выбора зазора электромагнита - t5 и длительности разряда накопителя - tP.
Величина ts/tp должна обеспечивать такой режим работы электромагнитного двигателя, при котором рационально сочетаются с требованиями по длительности выбора зазора и величине развиваемого усилия: максимум КПД электромагнитного двигателя, простота структуры и минимальные мас-согабаритные параметры системы возбуждения. Соотношение t8/tP можно считать рациональным при выполнении следующих условий: - максимально допустимая электромагнитная сила действует в течение большей части длительности выбора зазора (режим энергопреобразования при "постоянстве потокосцеплеиия" [24]); - к моменту t5 в магнитном поле электромагнита остаётся минимальное количество энергии Аост(п. 3.4.2); - минимальны тепловые потери AR за импульс (п. 3.4.1).
Для осуществления выбора большей части зазора импульсного электромагнитного двигателя в режиме "постоянства потокосцеплеиия" обмотки предлагается система возбуждения, работающая по алгоритму: разряд накопителя Сн на обмотку Y, "закоротка" обмотки (и форсированное "гашение" поля, если необходимо) - п.4.1. Разряд Сн и "закоротка" у импульсного сейс-моисточника в сумме составляют длительность выбора зазора t5 ("гашение" поля выполняется после полного выбора зазора).
Чем быстрее двигатель начнёт развивать максимальную электромагнитную силу, тем большую механическую работу он сможет совершить за ограниченное время t5 (при близком к прямоугольному виде зависимости F=f(x)). Кроме того, чем круче передний фронт давления излучателя сейсмоисточни-ка на грунт, тем выше идентичность результатов повторных срабатываний, необходимая по условиям сейсморазведочных работ (п. 1.1). На основании этого можно предположить, что длительность ввода энергии в магнитное поле электромагнита необходимо уменьшать.
Однако для ускорения ввода энергии необходимо увеличивать мощность системы возбуждения и напряжение на её элементах (витковое напряжение в обмотке). Это может привести к снижению КПД и механической энергии электромагнитного двигателя из-за увеличения потерь AR во время длительной "закоротки". При компромиссно выбранном соотношении t t? тепловые потери AR не должны существенно снижать КПД и механическую работу электромагнитного двигателя.
Нагрузка электромагнитного двигателя сейсмоисточника при срабатывании в режиме одиночного импульса преимущественно инерционная, рабочий зазор электромагнита выбирается встречным движением массивных элементов его магнитопровода и элементов конструкции сейсмоисточника Хр , хпр (п. 2.3). Причём, как следует из рассчитанных для сейсмоисточника "Ени-сей-СЭМ" графиков на рисунке 4.2, за первую треть времени выбора зазора суммарные перемещения Хр+хпр элементов двигателя не превышают 10% от начальной величины зазора даже при мгновенном вводе энергии в магнитное поле.
