Введение к работе
Актуальность темы
В импульсных и вибрационных технологиях ряда отраслей в качестве технических средств, реализующих низкочастотные (5—150 Гц) механические колебания с ускорениями в несколько сотен м/с2, используются механические, пневматические, гидравлические, электромеханические преобразователи возвратно-поступательного движения. В настоящее время в связи со значительными достижениями в отрасли производства новых электронных приборов и электротехнических материалов конкурентоспособность импульсных электромеханических преобразователей во многих технологиях возрастает. Имеются перспективы более широкого их применения за счёт повышения энергетической эффективности, надёжности и, особенно, за счёт технологичности и возможности создания механических сил и ускорений с параметрами, необходимыми для непосредственного воздействия на нагрузку.
При сейсморазведке полезных ископаемых используется технология формирования сейсмических волн источниками мощных механических воздействий на землю (до нескольких миллионов Ватт при создаваемой силе в миллионы Ньютонов). В традиционной технологии применяются взрывчатые вещества, что делает её опасной и экологически вредной. Альтернативная технология, использующая импульсные сейсмоисточники с различными силовыми приводами и способами воздействия на грунт, развивалась многими организациями в нашей стране и за рубежом в 70—80-х г. ХХ века. И хотя с её применением себестоимость сейсморазведочных работ была ниже, чем у сейсморазведки с взрывами, составить ей конкуренцию по совокупности параметров в то время новая технология не смогла, особенно в северных регионах. Причина была в низкой эффективности работы сейсмоисточников при необходимой малой скорости воздействия на грунт (до 1.5 м/с). Обозначилась отраслевая проблема – отсутствие импульсного сейсмоисточника, способного составить конкуренцию взрывам и вытеснить экологически вредную и опасную технологию.
Впервые в 1985 г. для решения этой проблемы была предложена концепция сейсмоисточника с мощным короткоходовым импульсным электромагнитным двигателем (МКИЭД), способным работать с высоким КПД при необходимой величине скорости воздействия сейсмоисточника на грунт. МКИЭД способен обеспечить также необходимые стабильность повторения параметров воздействия и возможность управления процессом воздействия.
В электротехнике накоплен большой опыт решения вопросов энергопреобразования, расчёта и практической реализации разнообразных линейных импульсных электрических машин. Важный вклад в решение этих проблем внесли Н.Е. Лысов, А.А. Харкевич, Б.К. Буль, М.А. Любчик, И.И. Пеккер, П.М. Алабужев, Н.П. Ряшенцев, Б.Ф. Симонов, Г.Г. Угаров, В.В. Ивашин и многие другие учёные и специалисты. Тяговые электромагниты широко применяются в приводах электрических аппаратов, молотов и т. д. Однако они имели недостаточные для технологий сейсморазведки импульсную мощность и быстродействие. То есть отраслевой проблеме соответствовала научная – необходимость разработки нового электромагнитного двигателя, способного создавать в течение нескольких миллисекунд указанную большую силу при малой скорости движения якоря. Технологии разработки электромагнитных двигателей с такими параметрами в 80-е не существовало. Не было также необходимых методик их исследования. Так при выполнении расчётов импульсных электромагнитов, функционирование которых непосредственно определяется переходными процессами, следует учитывать насыщение магнитопроводов, диффузный характер распределения магнитного поля по объёму электропроводящих элементов, взаимное перемещение элементов, влияние нагрузки и пр.
Цель диссертационной работы – решение комплексной научно-технической проблемы разработки методов анализа и синтеза МКИЭД, его исследование и практическая реализация на его основе сейсмоисточников, обеспечивающих снижение себестоимости и эксплуатационных затрат, повышение эффективности, экологичности и безопасности сейсморазведочных работ.
Основные задачи исследования
1) Определить параметры элементов сейсмоисточника, позволяющие эффективно использовать механическую энергию его двигателя.
2) Разработать подход к моделированию динамики МКИЭД, ориентированный на многовариантный анализ и синтез. Разработать модели процесса срабатывания электромагнитного двигателя в составе сейсмоисточника. Проверить адекватность моделей. Провести моделирование процесса срабатывания МКИЭД, исследование и оптимизацию конструктивных решений.
3) Разработать конструкцию и технологию изготовления МКИЭД, способного создавать импульсы силы величиной в миллионы Ньютонов и длительностью несколько миллисекунд с высоким КПД электромеханического преобразования.
4) Исследовать особенности энергопреобразования в МКИЭД.
5) Обосновать параметры системы электропитания МКИЭД, обеспечивающей необходимую длительность рабочего хода и позволяющей создавать максимально идентичные механические воздействия на нагрузку.
6) Выдать практические рекомендации по совершенствованию сейсмоисточников с МКИЭД и их диагностике.
Объект исследования – электромагнитная система с импульсной мощностью до нескольких миллионов Ватт и развиваемой в течение нескольких миллисекунд силой в несколько миллионов Ньютонов.
Основной предмет исследования – МКИЭД со специальной системой возбуждения магнитного поля.
Методы исследования
Исследования проведены с использованием фундаментальных основ теории электрических машин и электромагнитного поля, методов решения систем дифференциальных уравнений, теории электрических, магнитных, механических, акустических и тепловых цепей, а также аналогий и дуальности. Для ускорения решения поставленных задач использовались программы MicroCAP, Altium Designer, Elcut, Maxwell. Экспериментальные исследования проводились на уменьшенных и полноразмерных образцах в лабораториях с использованием методов экспериментального исследования электромагнитных систем, а также в полевых условиях на серийных сейсмоисточниках по методикам проведения сейсморазведочных работ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью и корректностью принятых допущений, адекватностью используемых математических методов, моделей и алгоритмов, совпадением результатов расчётов одних и тех же процессов различными методами, а также подтверждением их физическими экспериментами на лабораторных и серийных установках. Основные результаты работы критически обсуждались ведущими специалистами ИГД СО РАН, ТГУ, СамГТУ, СГТУ и СКБ сейсмического приборостроения г.Саратов, в сейсморазведочных организациях ГЕОТЕК–холдинга и др.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами
Работа выполнялись в рамках аналитической ведомственной целевой программы министерства образования и науки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы" (2009—2011 г.), проекты 2.1.2/7201 и 2.1.2/10010 "Исследование динамики работы и разработка методики проектирования силовых импульсных электромеханических преобразователей энергии специального и общепромышленного назначения", а также федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (2009—2013 г.): проект 1.2.1/П247 "Разработка и создание методики проектирования экологически безопасных невзрывных импульсных источников сейсмического сигнала для сейсмической разведки и интенсификации дебита нефти" и проект 1.2.1/П1361 "Экологически безопасный невзрывной импульсный источник сейсмического сигнала для сейсмической разведки в водной среде".
Научная новизна исследования
1) Разработана новая научная концепция импульсного сейсмоисточника с короткоходовым электромагнитным двигателем, имеющим высокий КПД электромеханического преобразования. Разработан способ воздействия на грунт и выведены аналитические выражения для определения рациональных значений параметров излучателя и пригруза, а также рабочего хода импульсного электромагнитного двигателя, обеспечивающие эффективное использование механической энергии двигателя при создании сейсмических волн.
2) Предложен методический подход к моделированию динамики МКИЭД, ориентированный на многовариантный анализ и синтез. Разработаны методики составления электрических схем замещения электромагнитных систем с магнитосвязанными обмотками и механоакустических систем с частично-упругим ударным взаимодействием нескольких массивных элементов. Разработаны графические и алгоритмические модели для расчёта процесса срабатывания сейсмоисточника с МКИЭД.
3) Разработана технология проектирования МКИЭД с шихтованными из листов электротехнической стали магнитопроводами и системой форсированного возбуждения магнитного поля, обеспечивающая значительное уменьшение длительности его рабочего хода. Определено ограничение максимальных размеров и механической энергии одного электромагнита. Рассчитаны зависимости для определения значений электромагнитных нагрузок. Выведены аналитические выражения для определения соотношений размеров МКИЭД.
4) Получены неизвестные ранее зависимости механической энергии, развиваемого усилия и длительности рабочего хода короткоходового электромагнитного двигателя от неравномерности зазора между якорем индуктором.
5) Доказана перспективность способа возбуждения магнитного поля МКИЭД с близким к постоянному потокосцеплением обмотки при рабочем ходе, обеспечивающего максимальную механическую работу, совершаемую как при равномерном, так и при неравномерном зазоре между якорем и индуктором, а также максимальную идентичность механических воздействий на нагрузку. Выведены аналитические выражения для определения параметров формы импульса тока в обмотке МКИЭД. На основе предложенного алгоритма формирования импульса тока в обмотке разработаны и внедрены реализующие его тиристорно-конденсаторные схемы.
6) Разработана методика диагностики МКИЭД по осциллограммам импульсов тока и потокосцепления.
Новизна полученных технических решений защищена авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Установленные и проверенные экспериментально зависимости, параметры и соотношения, использованы при разработке конструкций МКИЭД для ряда сейсмоисточников. Применение этих сейсмоисточников позволило повысить эффективность сейсморазведочных работ и уменьшить вред экологии места их проведения, распространить невзрывную сейсморазведку в ранее труднодоступные для неё районы Крайнего Севера.
Разработанные схема конструкции сейсмоисточника, МКИЭД и система возбуждения его магнитного поля, обеспечивающие технологичность, малое энергопотребление и продолжительную автономную работу, могут использоваться при проектировании новых серий сейсмоисточников, а также импульсных и виброимпульсных систем для иных областей промышленности.
С использованием результатов диссертационной работы при участии автора был рассчитан, а затем изготовлен, испытан и внедрён в ВО ИГиРГИ АН СССР г.Куйбышев (г.Самара) экспериментальный образец сейсмоисточника в санном варианте с МКИЭД из двух электромагнитов с общей силой воздействия 4.5105 Н. С использованием опыта разработки и эксплуатации этого сейсмоисточника в ходе работ с участием автора было подготовлено и начато серийное производство в Минусинской опытно-методической экспедиции (ныне "Геотехноцентр") ПГО "Енисейгеофизика" электромагнитных сейсмоисточников "Енисей–СЭМ" с силой воздействия 6105 Н. С использованием результатов диссертационной работы разработаны и в настоящее время серийно выпускаются электромагнитные сейсмоисточники с силой воздействия до 1.8106 Н на санной и колёсной транспортной базе, а также плавающие. Ими оснащены более ста сейсморазведочных партий в стране.
Разработанные методы проектирования и моделирования процесса срабатывания электромеханических преобразователей внедрены в учебном процессе ТГУ в виде пособий и используются в дисциплинах математического моделирования и автоматизированного проектирования.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на: научно-технических семинарах кафедр "Электрические машины", "Электрические аппараты", "Промышленная электроника" и НИЛ–6 ТГУ (г.Тольятти, 1986—2011); всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения" (г.Дивногорск, 1990); всероссийских научно-технических конференциях "Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона" (г.Тольятти, 2001) и "Проведение научных исследований в области машиностроения" (г.Тольятти, 2009); международных научно-технических конференциях "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии" (г.Тольятти, 2004—2009); "Автоматизация технологических процессов и производственный контроль" (г.Тольятти, 2006); международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г.Саратов, 2006); международном научно-техническом конгрессе "Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов. ELPIT–2007" (г. Тольятти); на научно-техническом семинаре в институте горного дела СО РАН (г.Новосибирск, 2008); всероссийских научно-технических конференциях "Успехи современной электротехнологии" и "Геотех. Аппаратурное обеспечение современных технологий геофизических исследований" (г.Саратов, 2009—2011); технологических семинарах "Импульсная невзрывная технология и техническое обеспечение сейсморазведки в Восточной Сибири" (респ. Хакасия, пос. Жемчужный, 2008, 2009).
Электромагнитные сейсмоисточники экспонировались на Московских международных салонах инноваций и инвестиций (г.Москва, ВВЦ), на VIII и Х салонах получили дипломы о награждении золотыми медалями.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 60 научных работ общим объёмом приблизительно 62 п. л. В их числе 3 монографии и 21 статья в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК. Получено 6 авторских свидетельств СССР и 5 патентов РФ на изобретение, свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Результаты исследований отражены в 11 отчётах о хоздоговорных НИР (№ ГР 80076634, 01.8.21016404, 01.8.60076674, 01.8.90001409, 01.9.00016386, 01.9.10024052, 01.9.10036388, 01.2.00310351, 01.2.00004375, 01.0.40001567, 01.2.00310350), 2 отчётах о г/б ПНИР (№ ГР 01.9.40002328, 01200959195) и отчёте о проведении фундаментальных исследований в области технических наук № ГР 01.2.00951114.
Основные положения, выносимые на защиту
1) Концепция источника сейсмических волн с интегрированным в его конструкцию МКИЭД с электромагнитами прямоугольной формы и системой форсированного возбуждения магнитного поля. Способ создания сейсмических волн, регламентирующий параметры воздействия на грунт, и рекомендации по выбору параметров излучателя, пригруза и величины рабочего хода двигателя.
2) Ориентированный на синтез подход к математическому моделированию динамических процессов в МКИЭД. Методики составления схем замещения его подсистем, построенные на основе теории цепей и системы аналогий
3) Графические и алгоритмические модели для численного расчёта процесса срабатывания МКИЭД в составе сейсмоисточника.
4) Зависимости и соотношения параметров конструкции и режимов работы МКИЭД, определяющие достижение требуемых от сейсмоисточника силы и длительности воздействия, а также скоростей и перемещений массивных элементов при высоком КПД электромеханического преобразования энергии.
5) Способ возбуждения магнитного поля МКИЭД и реализующие его схемы, алгоритм их функционирования и форма импульса тока в обмотках, обеспечивающие необходимую длительность заданного рабочего хода.
6) Рекомендации по совершенствованию и диагностике существующих электромагнитных сейсмоисточников и применению приводов с МКИЭД.
Структура и объём диссертации
Основное содержание диссертации изложено в 6 главах на 383 страницах, содержит 165 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 182 наименований. В общее количество листов входят 2 приложения на 18 страницах.
