Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сейсмоисточники для невзрывной сейсморазведки
1.1. Аналитический обзор невзрывных источников сейсмических колебаний для сейсморазведки малых глубин земной коры 11
1.1.1. Требования, предъявляемые к сейсмоисточникам при исследованиях малых глубин земной коры 11
1.1.2. Классификация невзрывных сейсмоисточников 13
1.13. Обзор конструкций существующих невзрывных сейсмоисточников 16
1.2. Силовая электромагнитная импульсная система для наземной сейсморазведки 33
Выводы 38
Глава 2. Рабочие процессы линейного электромагнитного двигателя 39
2.1. Определение энергетической структуры, режима и этапов работы ЛЭМД. Постановка задачи повышения удельных показателей ЛЭМД 39
2.2. Принимаемые допущения математической модели электромеханического преобразования энергии 46
2.3. Математическая модель электромагнитного преобразования энергии в ЛЭМД 47
2.4. Математическая модель электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД 51
2.5. Критерий оптимальности режима работы линейного электромагнитного двигателя 61
Выводы 74
Глава 3. Источники и способы питания линейного электромагнитногодвигателя в сэмис 75
3.1. Анализ схем питания электромагнитного генератора сейсмических волн 75
3.1.1. Особенности питания СЭМИС. Определение критериев согласованной работы источника питания и ЛЭМД, постановка задачи их оптимизации 75
3.1.2. Аккумуляторная схема питания СЭМИС 79
3,13. Конденсаторная схема питания СЭМИС 79
3.1.4. Схема питания СЭМИС од двух КБ включаемых в различные промежутки времени 81
3.2. Математическое моделирование процессов питания ЛЭМД 83
3.2.1. Определение пути решения задачи оптимизации процесса совместной работы ИП и ЛЭМД 83
3.2.2. Математическая модель и методика расчета процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД с учетам особенностей источника питания 87
3.2.3. Реализация математической модели расчета с помощью системы инженерных расчетов «SimuHnk», принимаемые допущения и исходные данные 93
3.3. Оптимизация параметров источника питания СЭМИС 96
3.3.1. Аккумуляторный режим питания ЛЭМД 96
3.3.2. Конденсаторный режим питания ЛЭМД 99
3.3.3. Питание ЛЭМД от двух КБ включаемых в различные промежутки времени 102
3.4. Расчет динамических характеристик ЛЭМД с повышенными энергетическими показателями 111
Выводы 117
Глава 4. Процесс передачи кинетической энергии, преобразуемой в источнике сейсмических колебаний, в исследуемые слои грунта 118
4.1. Определение полезной работы совершаемой источником сейсмических колебаний 118
4.2. Оптимизация процесса передачи механической энергии от источника сейсмических колебаний в грунт 122
4.2.1. Математическая модель процесса взаимодействия ЛЭМД с грунтом 122
4.2.2. Численные расчет эффективности передачи механической энергии, преобразуемой СЭМИС, в грунт 125
4.3. Экспериментальное исследование процесса передачи механической энергии от СЭМИС в грунт 133
4.4. Апробация СЭМИС для сейсморазведки малых глубин 134
Выводы 137
Заключение 138
Библиографический синеок использованной литературы
- Аналитический обзор невзрывных источников сейсмических колебаний для сейсморазведки малых глубин земной коры
- Определение энергетической структуры, режима и этапов работы ЛЭМД. Постановка задачи повышения удельных показателей ЛЭМД
- Особенности питания СЭМИС. Определение критериев согласованной работы источника питания и ЛЭМД, постановка задачи их оптимизации
- Определение полезной работы совершаемой источником сейсмических колебаний
Введение к работе
Развитие экономики нашей страны в значительной степени зависит от стабильности работы горнодобывающего комплекса и экспорта углеводородов. Общие ресурсы территории Российской Федерации оцениваются в 251,6 млрд. тонн условного топлива, при этом разведанные запасы к настоящему времени составляют 89,4 млрд. тонн. Если до 1992 г. объемы воспроизводства нефти и газа на континентальной части страны превышали добычу полезных ископаемых, то в период с 1990 по 1995 гг. произошло резкое падение объемов воспроизводства, вызванное, снижением объемов геологоразведочных работ, соответственно произошла резкая убыль запасов. В настоящее время средние запасы одного открываемого на суше месторождения по сравнению с 1975 г. снизились в пять раз. В результате накапливается дефицит качественных месторождений углеводородного сырья, который уже к 2015 г. может привести к исчерпанию рентабельных запасов нефти. Поэтому прогнозируемый специалистами дефицит стратегических полезных ископаемых требует незамедлительных действий по освоению новых крупных нефтегазоносных провинций [113].
В настоящее время важной составляющей работ по поиску и прогнозированию залежей полезных ископаемых являются сейсмические исследования. Основным инструментом экспериментальной геологии, науки занимающейся вышеприведенными вопросами, является сейсмический метод исследования подземных слоев грунта [1], основанный на возбуждении в грунте упругих механических колебаний, с последующей регистрацией и изучением отражающихся от границ различных пластов породы сейсмических волн. Основы теории и практики сейсморазведочных работ рассмотрены в трудах М.И. Балаш-канда, М.Б. Шнеерсона, Г.А. Гамбурцева, , И.И. Гурвича, В.В. Майорова, Л. Гелдарта, В.В. Федынского, И.С. Чичинина, Р. Шеррифа, и др.
Первоначально, в качестве источника, возбуждающего сейсмические волны, наибольшее распространение получило ударное воздействие па грунт
5 детонации взрывчатых веществ. Данному способу возбуждения сейсмических волн свойствен ряд недостатков: относительная сложность работ по закладке заряда; опасность работ; значительный экологический вред, наносимый окружающей среде; невозможность обеспечения непрерывного (вибрационного) или кодо импульсного характера воздействия на грунт, что снижает информационную насыщенность регистрируемого сигнала [2, 3, 5]. В связи с этим, в последнее время все большее распространение находят невзрывные сейсмоисточ-ники, вопросы, повышения эффективности работы которых, являются актуальными [2, 3, 5, 13 - 16, 19, 20 - 27, 32 - 34, 38, 40]. К преимуществам невзрывных сейсмоисточников следует отнести их способность обеспечить высокую стабильность и управляемость сейсмического излучения [4]. Это позволяет расширить методику проведения сейсморазведочных работ [2, 3]. В настоящее время до 50...60% случаев сейсморазведочные работы производятся с помощью невзрывных источников сейсмических колебаний - специализированных силовых машин создающих сейсмические волны в исследуемых слоях грунта. Изначальная конкуренция между невзрывными и взрывными способами генерирования сейсмического воздействия на грунт, поставила на первый план повышение мощности проектируемых невзрывных сейсмоисточников. В связи с этим, а также вследствие расширения методологии проведения сейсморазведочных работ, в настоящее время на рынке оборудования наблюдается дефицит маломощных невзрывных сейсмоисточников, предназначенных для исследования малых (до 500 м) глубин. Применение относительно мощных сейсмоисточников для исследования малых глубин нерентабельно, так как только за счет снижения мощности воздействия на фунт, возможно получить достаточную степень разрешенное сигнала несущего информацию о малых глубинах. Исходя из этого а, также учитывая, что объемы сейсморазведочных работ за 2005 год возросли в 1,32 раза [113], следует признать важность задачи проектирования маломощных, невзрывных сейсмоисточников.
В качестве маломощных, невзрывных сейсмоисточников, в настоящее время наибольшее применение получили силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС) с приводом от линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД). Теоретические основы работы линейного электромагнитного привода и практические методики проектирования и эксплуатации импульсных сейсмоисточников на основе данных двигателей разработаны в работах В.В. Ивашина, И.А. Милорадова, Н.П. Ряшенцева, А.П. Малахова, Н.П. Бахарева, IO.A. Бару, Н.А. Иванникова, А.Г. Турина, Г.Г. Угарова, К.М. Усановаи др.
СЭМИС для сейсморазведки малых глубин характеризуются высоким КПД, хорошей управляемостью, простотой и надежностью в работе. В то же время, конкуренция между различными модификациями источников сейсмических колебаний ставит задачи по повышению энергетических характеристик СЭМИС до теоретически возможных величин. Это становится возможным в результате анализа процессов энергопреобразования в ЛЭМД, а также при комплексном рассмотрении работы СЭМИС учитывая процессы питания двигателя и передачи механической энергии в грунт.
Целью работы является повышение энергетических показателей СЭМИС (КПД, удельной энергии воздействия), за счет комплексного анализа процессов питания ЛЭМД, электромеханического преобразования в двигателе и передачи механической энергии в фунт.
Объектом исследования является силовая электромагнитная импульсная система для сейсморазведки малых глубин земной коры.
Предметом исследования являются рабочие процессы в СЭМИС для наземной сейсморазведки малых глубин.
В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи исследований:
1. оптимизировать режим электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД по критерию максимума механической мощности развиваемой двигателем;
определить пути повышения преобразуемой ЛЭМД механической энергии за счет формирования оптимального режима его питания;
определить массные и геометрические параметры устройства передающего механическую энергию от ЛЭМД в грунт, формирующие максимальный КПД работы СЭМИС.
Методы и средства исследований базировались на применении математического и физического моделирования. Теоретические исследования основывались на применении аппарата математического и векторного анализа, численных методов решения задач. Расчеты проводились с помощью вычислительной техники. Научно-физическими основами являлись положения теории электрических машин и теоретических основ электротехники. Экспериментальные исследования проводились с использованием специальных стендов, с аналого-цифровым преобразованием и машинной обработкой экспериментальных данных,
Научные положения, защищаемые в диссертации:
- оптимальный режим работы ЛЭМД, обеспечивающий максимум
механической мощности, характеризуется зависимостью между дина
мической Ьди„ и мгновенной L индуктивностями записанной в виде
Lfl„„=tg(arctg(L) + |);
существуют величины емкости и начального напряжения заряда конденсаторной батареи, питающей ЛЭМД, формирующие максимум механической энергии преобразуемой двигателем и характерные для каждой отдельной конструкции ЛЭМД и его механической нагрузки;
повышение КПД работы ЛЭМД на величину порядка до 6,8 % становится возможным при изменении режима его питания с аккумуляторного (при котором величина напряжения питания неизменна) на режим питания от двух, последовательно подключаемых в различные моменты времени, конденсаторных батарей. Момент времени включения второй конденсаторной батареи, величины емкости и напряжения заряда
8 конденсаторных батарей должны быть согласованы для каждой конкретной конструкции ЛЭМД и его механической нагрузки; Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований физической модели и оригинала СЭМИС. Научная новизна работы:
разработана математическая модель электромеханического преобразования в ЛЭМД, определяющая режим работы двигателя через соотношение величин электрической, магнитной и механической мощностей, участвующие в процессе энергопреобразования;
определены пути повышения удельных энергетических характеристик СЭМИС за счет формирования специального режима питания ЛЭМД и согласования характеристик устройства передающего механическую энергию в грунт с характеристиками рабочих процессов СЭМИС. Практическая ценность работы заключается:
в разработанной методике расчета основных динамических характеристик СЭМИС, позволяющей оптимизировать конструктивные и режимные параметры ЛЭМД, источника питания и устройства передающего механическую энергию в грунт, в целях получения максимума полезной механической работы сейсмоисточника.
Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач исследования, решении принципиальных вопросов по теоретическому анализу процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД, разработке методики и программной реализации проведенных вычислений, участии в экспериментальных исследованиях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Общий объем публикаций составляет 2,8 п.л., из которых 0,9 п.л. принадлежит лично соискателю.
Структура и объем диссертации включает в себя введение, четыре главы основного материала, библиографический список использованных литературных источников и приложения. Объем работы составляет 152 листа, в тексте 50 иллюстраций, 11 таблиц. Список использованных источников включает 124 наименования.
Содержание диссертации.
В введении определены актуальность работы, объект и предметы исследования, структура и содержание диссертационной работы.
В первой главе проведен анализ существующих конструкций невзрывных сейсмоисточников, определены характерные преимущества СЭМИС для малоглубинной сейсморазведки, и поставлены задачи по повышению ее геологоразведочной эффективности за счет комплексного анализа процессов питания ЛЭМД, электромеханического преобразования энергии в двигателе и передачи механической энергии в грунт.
Вторая глава посвящена теоретическому анализу процессов электромеханического преобразования в ЛЭМД. С помощью разработанной математической модели процессов электромеханического преобразования, определяется критерий режима работы ЛЭМД обеспечивающий максимум механической мощности развиваемой двигателем. Рабочий процесс ЛЭМД представляется схемой замещения, позволяющей соотнести режиму работы двигателя величины электрической, магнитной и механической мощностей энергопреобразования в нем, на основании чего делаются выводы об оптимальности режима работы ЛЭМД.
Третья глава посвящена анализу процессов питания ЛЭМД. В главе произведен анализ используемых, в настоящее время, схем питания ЛЭМД. В целях сравнения результатов работы двигателя при его питании от аккумуляторной батареи, от конденсаторной батареи или от двух конденсаторных батарей включаемых последовательно или параллельно в различные моменты времени, разрабатывается методика расчета динамики энергетического состояния
10 ЛЭМД, на основании которой производятся расчеты динамических характеристик рабочих процессов ЛЭМД. Проводится моделирование, анализ и сравнение различных схем питания ЛЭМД с выявлением их оптимальных параметров, позволяющих достигать максимума преобразуемой механической энергии двигателем. Корректность результатов расчетов подтверждается сходимостью расчетных данных с экспериментально полученными данными.
В четвертой главе рассмотрены процессы передачи механической энергии преобразованной ЛЭМД в грунт. На основании разработанной математической модели процесса передачи энергии от ЛЭМД в грунт, а так же за счет комплексного моделирования рабочих процессов СЭМИС, даются рекомендации по выбору радиуса подложки, через которую передается механическая энергия в грунт.
В заключении сформулированы основные выводы, вытекающие из проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований.
Работа выполнялась в Саратовском Государственном Техническом Университете с 2003 по 2006 годы.
Автор благодарит доктора технических наук, профессора Г.Г. Угарова, кандидата технических наук, доцента К.М. Усанова, магистра техники и технологии А.А. Егорова за сотрудничество в разработке темы диссертации, внимательное отношение к работе и практическую помощь.
Аналитический обзор невзрывных источников сейсмических колебаний для сейсморазведки малых глубин земной коры
Сейсмические методы геологической и инженерной разведки призваны решать задачи изучения геологического разреза, отслеживания распространения однородных толщ и разностей горных пород по простиранию и мощности, выявления глубины залегания и распространения водопроницаемых и водоупорных горных пород, поиска и предварительной разведки минеральных строительных материалов и полезных ископаемых. Практически каждая из приведенных задач, для своего решения требует определенных особенностей сейсмического воздействия источника сейсмических колебаний (ИСК) на грунт [1 - 3], выражающихся в различии интенсивности, частотного состава и направления воздействия по отношению к поверхности Земли. Для решения поставленных задач, в настоящее время спроектирован и эксплуатируется ряд модификаций ИСК, в различной степени обладающих универсальностью характеристик генерируемого ими сейсмического сигнала.
Эффективность геологических изысканий зависит от эффективности работы ИСК, называемой геологической эффективностью ИСК. Геологическая эффективность ИСК определяется совокупностью эффективной работы ИСК по ряду параметров [1, 2, 4], по которым следует оценивать достоинства и недостатки конструкции сейсмоисточника, а именно:
1. Интенсивности возбуждаемых в грунте механических колебаний. То есть величины амплитуды колебаний частиц грунта в непосредственной близости от ИСК, при его работе. Данный параметр показывает величину механической энергии переданной ИСК в грунт;
2. Частотному спектру возбуждаемых сейсмических колебаний. В среднем она наблюдается в полосе частот от 20 до 600 Гц и зависит от конструкции и параметров излучателей, а также от механических характеристик грунта [1 - 4]. Частотный спектр определяет разрешенность сигнала регистрируемого станцией наблюдения, от которой зависит информационная насыщенность сигнала;
3. Ресурсу работы сейсмоисточника. Под этим параметром понимается количество воздействий на грунт, для импульсных источников, или время работы вибрационных ИСК без восполнения запаса энергии присутствующего в геологоразведочной партии;
4. Синхронности воздействия. Под синхронностью воздействия понимается разброс времени между подачей сигнала управления на срабатывание ИСК и его воздействием на грунт. Величина данного разброса времени определяет возможность работы излучателя в группе из нескольких сеисмоисточников;
5. Повторяемости воздействий. Под этим параметром понимается идентичность по мощности и частотному составу сейсмических волн, возбуждаемых при последовательных воздействиях ИСК в одной точке поверхности грунта;
6. Климатическому соответствию и мобильности ИСК. Под этими параметрами понимаются надежность работы источника в различных климатических и рельефных (лес, пересеченная местность и т.д.) условиях. Следует учитывать, что в Российской Федерации основные объемы сейсморазведочных работ выполняются в условиях полного бездорожья и при низких отрицательных температурах; 1. Безопасности и удобству эксплуатации ИСК. Сейсмоисточник должен удовлетворять требованиям по технике безопасности проводимых работ и по возможности не требовать специализированной квалификации обслуживающего персонала; 8. Экологической нагрузки на окружающую среду. Данный параметр характеризует наносимый сейсмоисточником вред окружающей среде.
Особенности сейсморазведки малых глубин количественно определяют энергию воздействия ИСК на грунт, которая не должна вызывать необратимой деформации грунта, так как на нее тратится полезная механическая энергия преобразуемая сейсмоисточником. Для грунтов и горных пород величина относительной деформации не должна превышать 10"3 [82], что приблизительно можно соотнести энергии воздействия ИСК на фунт не более 1 ...2 кДж;
Таким образом, сравнение технических характеристик ИСК должно проводиться на основании представленных параметров геологической эффективности работы сейсмоисточника.
Определение энергетической структуры, режима и этапов работы ЛЭМД. Постановка задачи повышения удельных показателей ЛЭМД
Рассмотрим основные понятия и составляющие процесса электромеханического преобразования в ЛЭМД, что позволит определить пути к повышению его удельных показателей. В свою очередь это определит задачи, требующие своего решения при определении критериев оптимизации процесса электромеханического преобразования в ЛЭМД относительно максимальных значений КПД и иных удельных показателей. Данными понятиями и составляющими являются: очередность и вид процессов преобразования энергии, происходящих в двигателе, режим и этапы работы ЛЭМД.
На рис. 2.1. представлена энергетическая диаграмма импульсного ЛЭМД с типичным соотношением энергетических потоков при его работе. Потребляемая электрическая энергия преобразуется в магнитную, которая, затем, преобразуется в механическую энергию движения якоря двигателя. При этом происходят потери энергии на вихревые токи, индуцируемых в массивных, цельных частях магнитопровода, на гистерезис, на нагрев обмотки возбуждения ЛЭМД и трение движущихся частей [42 - 43, 48, 49, 51]. На рис. 2.1 приведены средние величины обозначенных энергетических потоков в процентах от потребляемой электрической энергии [42, 43]. Соотношение величин указанных энергий определяет КПД работы ЛЭМД, являющийся основным показателем эффективности работы двигателя: ний якоря; W3J] - потребленная ЛЭМД электрическая энергия.
Структурно, ЛЭМД можно представить в виде трех энергетических подсистем: электрической, магнитной и механической (рис. 2.2.), каждая из которых характеризуется величиной соответствующего вида преобразованной двигателем энергии. Двигатель имеет возможность работать в десяти режимах [43, 54, 59], характеризующихся направлением потоков мощности между механической подсистемой Рмсх, электрической Рзл и потоком мощности, характеризующим изменение величины магнитной энергии Рмаг.. Каждому режиму, рассматриваемому в дальнейшем соответствует некоторая мощность тепловых потерь. Приняв положительное направление потоков мощности, как это показано на рис. 2.2.а., можно следующим образом описать режимы работы электромагнита:
Первый режим, (рис. 2.2.а), Рэл 0, Рмаг О, РМех 0 - двигательный режим, при котором потребляемая электрическая энергия преобразуется в механическую энергию и в энергию магнитного поля. Данный режим наиболее характерен для работы ЛЭМД подключаемого к источнику постоянного напряжения и рассматривается большинством авторов [42 45, 49, 53 - 56, 59 - 62, 72, 74, 76 -79];
Второй режим, (рис. 2.2.6) Рэл 0, РМаг 0, Рмсх 0 - двигательный режим, при котором механическая мощность образуется за счет потребления электрической энергии и за счет уменьшения энергии магнитного поля. Данный режим характеризуется большими скоростями движения якоря ЛЭМД, рассматривается в работе [52];
Третий режим, (рис. 2.2.в), Рэл=0, Рм О, Рмех 0.- Режим характеризуется преобразованием магнитной энергии в механическую. Электрическая подсистема в эн ер го преобразовании не участвует, потокосцепление обмотки возбуждения ЛЭМД остается неизменным ij/=const [47, 56, 59, 66].
Четвертый режим, (рис. 2.2.г), Рэл. 0, Ршг 0, РНСх. 0 - режим работы обратный пятому, то есть одновременно генерируется и электрическая и механическая мощность за счет уменьшения магнитной энергии;
Пятый режим, (рис. 2.2.д), Рм 0, Рмаг 0, Рмех=0 - статический режим работы электромагнита. При этом происходит преобразование энергии из магнитной формы в электрическую;
Шестой режим, (рис. 2.2.е), Рм. 0, Рмаг. п, Рмех О - генераторный режим, при котором электрическая мощность образуется за счет внешней работы механической системы и за счет уменьшения величины энергии магнитного поля;
Седьмой режим, (рис. 2.2.ж), Рэл 0, Рмаг 0, Р х О - генераторный режим, при котором механическая энергия преобразуется в энергию магнитного поля и в электрическую энергию. Изначально, механическая энергия преобразуется в магнитную форму, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Остаточное количество магнитной энергии на втором этапе преобразования формирует окончательное соотношение видов энергий и определяет описываемый режим работы ЛЭМД. Данный режим становится возможным вследствие свойства обратимости энергопреобразования в ЛЭМД и при наличии первоначального запаса магнитной энергии в нем;
Особенности питания СЭМИС. Определение критериев согласованной работы источника питания и ЛЭМД, постановка задачи их оптимизации
Источник питания (ИП) является важным структурным элементом СЭМИС и осуществляет хранение и питание двигателя энергией, преобразуемой в энергию силового воздействия на грунт. Параметры ИП оказывают определяющее влияние на величину совершаемой ЛЭМД полезной работы [83, 84, 117 - 123]. Определим критерии эффективности совместной работы ИП и ЛЭМД, вытекающие из особенностей работы СЭМИС.
Особенности эксплуатации СЭМИС диктуют необходимость выполнения со стороны ИП ряда требований:
1. Отдаленность работы СЭМИС от промышленных районов не позволяет использовать промышленную электрическую сеть, поэтому геологическая партия должна иметь автономные источники электропитания;
2. При проведении геологоразведочных изысканий в зоне исследования должна быть обеспечена сейсмическая тишина, что не позволяет использовать электромашинные генераторы, вследствие создаваемой ими в процессе работы вибрации, за исключением случаев предварительного заряда аккумуляторных или конденсаторных батарей;
3. ИП должен обеспечить возможность отбора ЛЭМД мощных, кратковременных импульсов тока.
Цикличность работы СЭМИС позволяет отдельно рассматривать КПД одного цикла срабатывания двигателя, определяемый выражением (2.1) и об щий КПД максимального количества срабатываний СЭМИС, осуществляемых без восполнения изначально хранящейся в ИП величины энергии, который выразится в виде: 1 N їіоб =77Г ХХіех.і (ЗЛ) "с.пол. і=] где N - максимальное количество циклов срабатывания СЭМИС, выполняемых без восполнения энергии в ИП; \Уелюл - полная величина энергии изначально присутствующая в ИП.
Снижение напряжения питания ИП, разогрев обмотки возбуждения ЛЭМД в процессе работы СЭМИС, а так же остаточная, неиспользованная величина энергии в ИП, приводят к различию в значениях общего КПД (3.1) и максимального значения КПД ттах цикла срабатывания СЭМИС, то есть в общем случае Лоб Ф "Птах- Снижение общего КПД (3.1) по сравнению с максимальной достигнутой величиной КПД (2,1) является критерием эффективной работы ИП, определим ее в виде коэффициента: кэф.об.= Р-2) Чтах
Величина максимального КПД единичного цикла срабатывания также зависит от параметров ИП. Известно, что на значение величины преобразуемой двигателем энергии, оказывают влияние следующие параметры его питания:
1. характер изменения питающего напряжения во время срабатывания ЛЭМД [88-90,96-98, 103, 105, ПО, 117-123];
2. соотношение величин питающего напряжения и сопротивления обмотки возбуждения ЛЭМД, от которого, зависят величины потребляемого электрического тока и развиваемого ЛЭМД механического усилия. В то же время, общий КПД определяется величиной полезной механической энергии преобразованной ЛЭМД. В связи с этим можно предположить, что, в общем случае, условие максимального потребления двигателем энергии не определяет максимальную величину совершаемой ЛЭМД полезной работы. В связи с этим, введем понятие КПД совместной работы ИП и ЛЭМД - псоям., равного отношению полезной механической работы Амсх к величине энергии оставшейся в источнике питания на момент начала рассматриваемого цикла срабатывания - Wc.oeT. деленной на оставшееся количество циклов срабатывания ЛЭМД до полного исчерпания ресурса ИП - п:
Таким образом, эффективность совместной работы ИП и ЛЭМД, определяется коэффициентами (3.2) и (3.4), учитывающими не только величину электрической энергии потребленной двигателем, но и остаточную величину неиспользованной энергии в ИП.
Общий коэффициент эффективности работы ИП и ЛЭМД (3.2) определяет отношение среднего КПД из всех циклов срабатывания к максимальному КПД. Стремление данного коэффициента к единице, кЭф.0б. - 1, будет говорить о повышении эффективности работы ИП за счет обеспечения неизменных условий питания ЛЭМД, то есть за счет обеспечения постоянного напряжения питания, внутреннего сопротивления ИП, а так же преобразования всей энергии изначально присутствующей в ИП. Другими словами, ИП обеспечивающий
кЭф.об=1, обеспечивает постоянство всех своих параметров не зависимо от количества произведенных циклов срабатывания СЭМИС.
Определение полезной работы совершаемой источником сейсмических колебаний
Решение системы уравнений (4.10 - 4.12) было проведено с помощью математического моделирования в системе инженерных расчетов «Simulink» [85 - 87]. Модель расчетов представлена на рис. 4.2, она включает: - три подсистемы, обозначенные тф, тСТ, тяк, формирующие решение каждого из уравнений (4.10 - 4.12) соответственно; - подсистему «Послеударная скорость тгр», определяющую послеударную скорость центра масс присоединенного грунта, из выражения (4.9); - блок «Электромагнитное усилие», формирующий динамическую зависимость электромагнитного усилия прикладываемого, согласно рис. 4.1., между массами тст и тнк. Данная зависимость определялась на основании расчетов описанных в главе 3 данной работы, которые записывались в файл и затем извлекались из него в процессе расчетов; - блоки констант формирующие величину жесткости возвратной пружины - CD, длину возвратной пружины ЛЭМД в свободном состоянии - 1с.в, коэффициент отскока к.
Содержание подсистем формирующих решение каждого из уравнений (4.10-4.12) представлено на рис. 4.3, они содержат: - блоки констант задающие характеристики жесткости упругих элементов Сгр, Св; длины упругих элементов механической схемы в свободном состоянии 1с.гр5 1с.в с помощью которых; демпферный пара метр Н; величины масс тгр, та, тяк; величину ускорения свободного падения g; - блоки численного интегрирования ускорений и скоростей движе ния центров координат взаимодействующих масс; - подсистема тгр содержит логическую схему формирующую сброс выходного значения блока интегрирования ускорения движения присоединенной массы грунта до величины послеударной скорости, при этом учитывается только первый случай удара якоря по поверхности грунта, повторными ударами якоря и дребезгом пренебрегаем; - подсистема тст учитывает условие (4.6) путем приравнивания нулю суммарного усилия действующего на массу тст, за счет разности данной величины с самой собой, при условии превышения силы тяжести действующей на массу статической части ИСК 0 над электромагнитным усилием.
Входными данными расчета являлись: 1. Величины сосредоточенных механических характеристик присоединенной части грунта, определенные согласно (4.3 - 4.5), при этом скорость поперечных волн бралась равной У ЗОО м/с, скорость продольных волн v , vp=520 м/с, отношение у — — - = 0,577, плотность грунта р 2200 кг/м . Вели VP чина радиуса подложки принимался равным ряду значений: 0,225, 0,15, 0,1 и 0,075 м, равных радиусам подложек использованных в дальнейших экспериментальных исследованиях. При определении массы присоединенного объема грунта, к ней прибавлялась масса используемой подложки- Начальные данные расчета сведены в табл. 4,1
В качестве динамической зависимости электромагнитного усилия производимого ЛЭМД, брались расчетные зависимости, полученные в Главе 3 при расчетах ЛЭМД с конструктивными параметрами реально применявшегося ЛЭМД при экспериментальных исследованиях. Данные расчетные зависимости записывались в файл в виде табличной функции F0.TN1=f(t), при реализации расчета динамических процессов цикла срабатывания ЛЭМД, а затем информация из данного файла использовалась в расчете математической модели взаимодействия ЛЭМД и грунта.
Результатами расчета являлись зависимости координат и скоростей перемещения взаимодействующих масс. Эффективность передачи механической энергии от ЛЭМД в грунт оценивалась отношением произведенной
ЛЭМД механической энергии за цикл срабатывания к начальной кинетической энергии движения массы присоединенного грунта, определяемой по послеударной скости его перемещения.
На рис. 4.4 представлены данные зависимости для радиуса подложки 0,225 м, и динамической зависимости F3XM=f(t) соответствующей срабатыванию ЛЭМД от конденсатора с емкостью 1 Ф, заряженного до напряжения 100 В.
Полученные зависимости показывают значительную величину отскока статической части ИСК - до 4...5 см, к моменту удара якоря по подложке. Реально наблюдаемая величина отскока статической части СЭМИС при его срабатывании не превышает 2...3 см. Исходя из неизменности импульса движения в системе «ЛЭМД - грунт» следует заключить, что кинетическая энергия движения статической части СЭМИС является энергией потерь. Также, энергией потерь является энергия неупругой деформации грунта.
Проведем поэтапную, теоретическую оптимизацию параметров влияющих на процесс передачи механической энергии - гп:„ тст, тяк, в целях повышения механической энергии переданной в грунт - WK,rp.
На рис. 4.5. представлены расчетные зависимости послеударной кинетической энергии присоединенной массы грунта от радиуса плиты и напряжения заряда конденсаторной батареи - \VK.rp=f(rn.n, Uc). При этом, емкость конденсаторной батареи, при расчетах оставалась неизменной и равной 1 Ф, что соответствует емкости реально используемой батареи. Полученные зависимости имеют точку максимума, соответствующую радиусу плиты Гпл 0,4 ... 0,22 м, при этом совокупная масса присоединенного грунта и подложки становится равной массе бойка. Данное обстоятельство подтверждает известное положение о том, что при равенстве масс ударяющихся тел, эффективность передачи механической энергии максимальна [112].
