автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Короткоходовой импульсный электромагнитный двигатель источника сейсмических волн

На правах рукописи

ООЗ1664 Ю

Певчев Владимир Павлович

КОРОТКОХОДОВОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ИСТОЧНИКА СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН

Специальность 05 09 01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 3 ДПР 2008

Тольятти 2008

Работа выполнена на кафедре «Промышленная электроника» Тольят-тинского государственного университета

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Ивашин Виктор Васильевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Костырев Михаил Леонидович

кандидат технических наук, доцент Карковский Леонид Иосифович

Ведущая организация

Сибирское отделение РАН институт горного дела

(СО РАН ИГД, г Новосибирск)

Защита диссертации состоится 24 апреля 2008 г в 10-00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 в ауд 200 главного корпуса Самарского государственного технического университета (СамГТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу 443100, г Самара, ул Молодогвардейская 244, СамГТУ, главный корпус, учёному секретарю диссертационного совета Д 212 217 04, факс (8462)78-44-00, e-mail aees@samgtu га

Автореферат разослан 21 марта 2008 г

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212 217.04

кандидат технических наук, доцент

Е А Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современная наземная сейсморазведка недр имеет два основных направления импульсная к вибрационная Импульсная сейсморазведка основана на приложении к поверхности грунта кратковременных силовых воздействий (либо на взрыве детонирующего заряда в специальной скважине), вибрационная - на гармонических воздействиях на грунт

Геофизическая эффективность сейсморазведочных работ определяется, прежде всего, характеристиками средств генерации сейсмических сигналов -источников сейсмических волн (сейсмоисточников)

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

При создании импульсных сейсмоисточников применяются различные пути достижения необходимых технических показателей силового воздействия на поверхность грунта, таких как развиваемое в течение нескольких миллисекунд усилие до нескольких десятков тонн Конструктивные схемы импульсных сейсмоисточников основаны либо на ударе массивным грузом по грунту (ударный режим), либо на отталкивании грунта от массивного при-груза специальным короткоходовьм двигателем (режим давления)

Анализ технической литературы показывает, что во многих известных импульсных сейсмоисточниках недостаточно внимания уделено согласованию рабочего хода их двигателей оптимальным параметрам воздействия на грунт Для эффективного возбуждения сейсмических волн грунт под сейс-моисточником в результате действия его силы должен сжиматься со скоростью, не превышающей для грунтов различной плотности 1..3м/с Иначе развиваемая двигателем сейсмоисточника механическая энергия расходуется не столько на создание сейсмических волн в грунте, сколько на его уплотнение, т е значительную часть деформации фунта под излучателем сейсмоисточника составляют неупругие деформации.. Однако двигатели сейсмоисточников многих известных конструкций работают с большим КПД при более высоких скоростях движения их рабочих элементов (поршень, якорь) Поэтому исследования по созданию для сейсмоисточника короткоходового импульсного двигателя, работающего с большим КПД при указанной скорости движения излучателя сейсмоисточника, имеют прикладную и научную значимость

Цель диссертационной работы - повышение геофизической эффективности сейсморазведочных работ путем создания короткоходового импульсного электромагнитного двигателя и разработки на его основе сейсмоисточника

Диссертация выполнялась в научно-исследовательской лаборатории НИЛ-6 Тольяттинского государственного университета в соответствии с основным направлением работ лаборатории

Основные задачи исследования

1) Определить основные требования к импульсному сейсмоисточнику, обеспечивающему эффективное использование механической энергии его двигателя Разработать реализующие эти требования схему конструкции электромагнитного сейсмоисточника и методику выбора параметров элементов его конструкции излучателя, пригруза и рабочего хода двигателя

2) Разработать математическую модель процесса срабатывания электромагнитного двигателя в составе сейсмоисточника, позволяющую исследовать влияние различных параметров на выходные характеристики

3) Разработать методику электромагнитного расчета короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, включающую определение ограничений по нагрузкам активных материалов, максимальным размерам электромагнита и развиваемому усилию, а также определение рациональных соотношений размеров и учет возможной неравномерности начального зазора между якорем и индуктором

4) Установить параметры режима форсированного возбуждения импульсного электромагнитного двигателя, обеспечивающие максимальный КПД электромеханического преобразования при необходимой для работы в составе сейсмоисточника длительности выбора зазора Разработать реализующую указанный режим систему импульсного 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 сейсмоисточника 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 и методов анализа картины магнитного поля Для ускорения решения поставленных задач использовались программные комплексы М1сгоСАР, Е1с1Д Достоверность результатов подтверждается сопоставлением расчетных и экспериментально полученных данных Экспериментальные исследования проводились в лабораториях с использованием методов исследования электромагнитных систем, а также в полевых условиях на серийных сейсмоисточниках с использованием регистрирующей аппаратуры для сейсморазведочных работ

Научная новизна исследования

1) Определены ограничения параметров воздействия на грунт и разработана методика выбора параметров излучателя, пригруза и рабочего хода дви-

гателя импульсного сейсмоисточника, обеспечивающие эффективное преобразование механической энергии двигателя в энергию сейсмических волн

2) Разработаны математические модели процесса срабатывания импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника

3) Разработана методика электромагнитного расчета короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, построенного на основе электромагнита прямоугольной формы с движением якоря вдоль магнитных силовых линий

4) 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

1) 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

2) Разработанные схема конструкции сейсмоисточника, короткоходовой импульсный электромагнитный двигатель с методикой его расчета и системы возбуждения и управления электромагнитного двигателя, обеспечивающие малое энергопотребление и продолжительную автономную работу сейсмоисточника, могут использоваться при проектировании новых серий сейсмоисточников, а также импульсных систем для иных областей промышленности

Техническая новизна и внедрение результатов работы.

С использованием результатов диссертационной работы при участии автора был рассчитан, а затем изготовлен, испытан и внедрен в ВО ИГ и РГИ АН СССР г Куйбышев (Самара) экспериментальный образец сейсмоисточника в санном варианте с двигателем из двух электромагнитов с общим усилием 45 тонн. 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 ("Геотехноцентр") ПГО "Енисейгеофизика" электромагнитных сейсмоисточников "Енисей-СЭМ" с усилием 60 тонн С использованием результатов диссертационной работы разработаны и в настоящее время серийно выпускаются электромагнитные сейсмоисточники на санной и колесной транспортной базе с усилием от 20 до 180 тонн

Новизна технических решений подтверждается авторскими свидетельствами и патентами на изобретения

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 (г Тольятти, 1986-2007).

2) Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения" (г Дивногорск, 1990),

3) Всероссийской научно-технической конференции " Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона" (г Тольятти, 2001),

4) Международной научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов и производственный контроль" (Тольятти, 2006),

На защиту выносятся:

1) Новое техническое решение короткоходового импульсного электромагнитного двигателя источника сейсмических волн, включающее систему его возбуждения и управления

2) Зависимости 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 ее рабочих элементов с высоким КПД

3) Математические модели процесса срабатывания импульсного электромагнитного двигателя в составе сейсмоисточника

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений Работа содержит 165 страниц, 82 рисунка, 3 таблицы Список использованной литературы включает 76 наименований В общее количество листов входят 6 приложений на 37 страницах

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 3 авторских свидетельства СССР и 3 патента РФ на изобретение

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, изложены цель и содержание работы, обоснованы научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ параметров воздействия наземных импульсных сейсмоисточников на нагрузку-грунт, а также их конструкций и двигателей. Сформулированы требования к импульсному сейсмоисточнику, работающему в режиме давления, обеспечивающему эффективное использование механической энергии его двигателя. Обоснована перспективность применения в качестве двигателя сейсмоисточника, работающего в режиме давления, короткоходового импульсного электромагнита прямоугольной формы с продольным движению якоря магнитным потоком [12], [1] при обеспечении необходимого по условиям работы в составе сейсмоисточника значения удельной на единицу массы электромагнитной силы К.

Электромагнитный сейсмои-сточник (рисунок 1) содержит размещаемую на поверхности грунта опорную плиту - излучатель 5. На опорах 6, закрепленных на излучателе, помещён якорь 3 электромагнита с возможностью перемещения вверх вдоль опор 6. Пригруз 4 с закрепленным на нём индуктором 1 помещён на излучателе ниже якоря с возможностью перемещения вверх вдоль опор 6 и начальным зазором во между нижней плоскостью якоря и полюсами индуктора. Описанная конструкция запатентована [7], [8].

При пропускании импульса тока по обмотке 2 индуктора в магнитопро-водах якоря и индуктора создается магнитный поток Ф, якорь 3, притягиваясь к индуктору 1 с силой Р, создает через опоры 6 и излучатель 5 импульс механического воздействия на грунт, а индуктор с пригрузом 4 подлетают вверх. В случае полного выбора зазора 5 между якорем и индуктором происходит их соударение, и далее якорь двигается вместе с индуктором. Обмотка 2 обесточивается. Все элементы сейсмоисточника возвращаются в исходное положение под действием силы тяжести и упругой реакции грунта. Скорость опускания пригруза 4 на излучатель 5 ограничивается демпфером 7.

Во второй главе приведены аналитическая и численная математические модели процесса срабатывания электромагнитного двигателя в составе сейсмоисточника, используемые в методике электромагнитного расчёта.

При моделировании использованы следующие основные допущения:

Рисунок 1 - Схема конструкции электромагнитного сейсмоисточника

- преобразование энергии деформации грунта в сейсмическую волну не является объектом исследования данной работы и не рассматривается,

- из всех степеней свободы элементов конструкции сейсмоисточника учитывается движение только в вертикальном направлении,

- пригруз, излучатель сейсмоисточника и якорь электромагнита жесткие и моделируются сосредоточенными массами шпр, тА, тя,

- электромагнитный двигатель моделируется источником сосредоточенной силы F, отталкивающей излучатель от пригруза, в течение длительности tg выбора зазора 8, и "закороткой" между массами якоря и индуктора при полном выборе зазора (рисунок 2),

- величина активного сопротивления обмотки задается в совокупности со степенью проявления эффекта вытеснения тока, и учетом потерь энергии в системе возбуждения, соединительных проводах и в магнитопроводе,

- зазор 8 и магнитное поле в зазоре равномерные, изменение распределения магнитного поля в магнитопроводе при движении не рассматривается, величина магнитного сопротивления магнитопровода задается в виде сосредоточенного параметра (во всех случаях, за исключением ситуации оценки влияния неравномерности зазора),

- потоки рассеяния и выпучивания учитываются при расчете рабочего магнитного потока и развиваемого электромагнитным двигателем усилия с помощью эмпирических коэффициентов

При дополнительном допущении о постоянстве силы F при выборе зазора 8 (F(t) приведена на рисунке 5) получены аналитические выражения для скоростей и перемещений пригруза и излучателя - при t<t5 vr = Vpe"ptsm(<K>t),

= Ц- [(l - е~р'1 cos(«Dt))tD - Ре""' sm(©t)] <в0

Р„„ -F Р„„ -F „ Рт+РЛ

, Рпр+Рд

Р +Р

пр ~ А

"Р „ _ "У _

*пр -— Хпр -—-1 ---,

тпр 2тпр ег

- при = 2у*ге-3' зт(а/2) соз(со1 - а/2),

хг = 2 ^ 5Ш^а/2)[(1-е-е' со5(ю1-а/2))р-ае-р' зтЦ - а/2)]+

ю0 ег

Р-Р

* __пр

где ^г "" ^^—+т у - амплитуда скорости излучателя,

со, (3 - собственная частота и затухание системы сейсмоисточник - грунт, а = а*6 - время действия силы Г в угловых координатах На их основе построена методика определения масс пригруза и излучателя, а также величины и длительности рабочего хода электромагнитного двигателя, обеспечивающих максимальную геофизическую эффективность сейсмоисточника [3]

Рассмотрение вопросов расчёта и анализа процесса срабатывания сейс-моисточника и его двигателя с целью определения нагрузок активных материалов, размеров и режимов возбуждения электромагнитного двигателя, обеспечивающих максимальную геофизическую эффективность, проведено с использованием численной модели.

Численная модель процесса срабатывания электромагнитного двигателя в составе сейсмоисточника [14] содержит три подсистемы.

Схема первой части модели - механической цепи сейсмоисточника, содержащая ИСТОЧНИК СИЛЫ Р £>(5. и модель грунта: шг, ег, приведена на рисунке 2.

Её уравнения:

]Рпр+Ря

*

ск

■ =

5 = 80 + хпр - хг ¿х„. с1хг

¿Хг Ах

при 4<15:

р-рпр-5гУг

Рисунок 2 - Механическая цепь до и после выбора зазора 5 (Шпр.Рпр - масса и вес пригруза, т„ Р„ - якоря, тА> Рд - излучателя).

-хг/ег

(тА +тг +тя)

Р -Б

пр__ пр х

при :

_ ~ Рпр ■

ей с!У„

•ЭгУг -Хг

(тА +тг)

Л

(тпр +тя)

где: упр, хпр, уг, хг - скорости и перемещения пригруза и излучателя.

Вторая часть модели - схема магнитной цепи (рисунок 3). При равномерном зазоре б между якорем и индуктором она содержит следующие элементы: магнитные сопротивления зазоров 11«, рассеяния Яр, участков магнитопровода и источник м.д.с. 1\у (уу - число витков обмотки), создающей в зазоре магнитное поле с индукцией Вб.

2w

25

ц0(85/2)кр

1.

В8 88 2ц0

1..

крвА'

М-с(В0)8с1/2 ^с(кв2Вс)8с2/2

где: В0- индукция в магнитопроводе;

Рисунок 3 - Схема магнитной цепи

Ici, U2- длины участков магнитопровода с сечением Sc!, Sc2;

S5, Sci, Sc2 - площади сечения зазора и участков магнитопровода;

Цо> Цс(вг магнитные проницаемости воздуха (зазора) и стали;

kFe, kRB - коэффициенты, учитывающие потоки выпучивания;

А - коэффициент, учитывающий неравномерность зазора.

Третья часть модели - система возбуждения (на рисунке 4 представлен упрощённый вариант), содержащая вентили VS,VD, конденсатор Сн и обмотку Y электромагнитного двигателя. Активное сопротивление Ry обмотки задаётся в совокупности со степенью проявления эффекта вытеснения тока и потерями энергии в системе возбуждения и в магнитопроводе.

[ри включенном VD: dB5_ —iRY dt ~ wkp(S5 -2)'

dt

Рисунок 4 - Модель системы возбуждения электромагнитного двигателя.

Для снижения жёсткости модели общий интервал моделирования разделён на подинтервалы, в пределах каждого из которых свойства модели (структура уравнений и значения параметров элементов) неизменны. Переход с интервала на интервал осуществляется заменой одних систем уравнений и начальных условий на другие при срабатываниях логических ключей -условий, объединённых алгоритмом переходов.

На рисунке 5 приведено сравнение диаграмм срабатывания электромагнитного сейсмои-сточника, полученных с помощью этой модели и экспериментально. Максимальное расхождение в определении основных параметров (Р,1,В,у,х) в расчёте и в эксперименте не превышает 10%.

С использованием математических моделей определены:

- влияние упругих свойств нагрузки-грунта (податливости ег) на геофизическую эффективность сейсмоисточника (т1г=Аг/А0, где: Аг - энергия деформаций грунта, А0 - энергия, взятая от первичного источника) и эффективность (КПД) его электромагнитного двигателя Г1эи [3];

при включенном va: i

dB6_ Uc-iRY

dt wkp(Ss/2)' dUr

Jc _

dt

C,

Рисунок 5 - Диаграммы срабатывания электромагнитного сейсмоисточника "Енисей-СЭМ-50" (UL-=850B, 8о=5мм)

- зависимости КПД %и и эффективности от величины зазора 50 [3] (на рисунке 6 представлены эти зависимости для экспериментального электромагнитного сейсмоисточника). Определено, что КПД Г]эм и эффективность ijj; имеют максимумы при величине начального зазора 80~5.10"3м. Снижение КПД на границах диапазона (5±0.5)«10"3м составляет -5%.

ts

mc

тН

MC

8 0.8

6 • 0.6

4 0.4

2 . 0.2

0

/

и

Vis

10

15.10"3м

а) по аналитическим выражениям

б) по численной модели

Рисунок 6 - Зависимости эффективности экспериментального сейсмоисточника т^ и КПД т|э„ его электромагнитного двигателя от величины рабочего хода хрх (зазора 5о)

Отмечено, что с увеличением зазора 50 длительность его выбора значительно возрастает. Кроме того, доказано, что минимальная длительность рабочего хода должна быть близкой к длительности одного полупериода колебаний системы сейсмоисточник - грунт (но не более её), что в рассмотренном примере составляет -5.5.10°с, а для расширения диапазона податливо-стей грунта, в котором геофизическая эффективность сейсмоисточника максимальна, необходимо минимизировать массу излучателя.

В третьей главе приведены элементы методики электромагнитного расчёта (в первом приближении) короткоходового импульсного электромагнитного двигателя [10]. Методика учитывает ограничения максимальных размеров, развиваемой силы и соотношений размеров, неравномерность зазора, а также свойства материала магнитопровода.

Рисунок 7 - Электромагнит сейсмоисточника «Енисей-СЭМ50» и картина магнитного поля в его поперечном сечении (1/2 сечения).

Выполнение магнитопроводов якоря и индуктора импульсного электромагнитного двигателя (рисунок 7) шихтованными из листовой холоднокатаной изотропной электротехнической стали с большой индукцией насыщения (например, сталь марки 2212) позволяет достигать КПД до 85% при значениях индукции магнитного поля до 1.9Тл в зазоре и до 2.2Тл в основаниях полюсов индуктора.

Рор ,104Н 20

19.5

19

18.5

«Енис / ей-СЭМ 50»

0.5

н

2 А/мм2

Рисунок 8 - Графики зависимостей электромагнитного усилия Рср от плотности тока j в обмотке и коэффициентов кр и кв от зазора для сейсмоисточника «Енисей-СЭМ50».

Импульсный форсированный режим работы электромагнитного двигателя сейсмоисточника обусловливает выбор действующего значения плотности тока в обмотке возбуждения по условию достижения максимального электромагнитного усилия - приблизительно 0.75 А/мм2 (рисунок 8). Зазор 80~5*Ю"3м позволяет использовать обмотку с малой площадью сечения (в 400 раз меньше площади полюсов). При этом пазовое рассеяние и выпучивание (представлены на рисунке 8 зависимостями коэффициентов кР и кв от зазора б0) не оказывают значительного влияния на развиваемое усилие.

Для уменьшения массы магнитопровода якоря шям короткоходового электромагнитного двигателя сейсмоисточника при сохранении постоянной площади полюсов необходимо увеличивать длину электромагнита, но при этом увеличивается масса обмотки шк и снижается продольная жёсткость якоря, и для её повышения необходимо увеличивать прочность и массу каркаса якоря тяк (рисунок 7). При заданных величине развиваемой силы, ограничениях по массе якоря, занимаемой площади и необходимой жёсткости (например, чтобы якорь под действием электромагнитной силы прогибался не более чем на 5% величины начального зазора 6о) были определены зависимости масс элементов электромагнитного двигателя от соотношений размеров [2] (рисунок 9 - от отношения длины магнитопровода к ширине бокового полюса - 1ц) и форма полюсов. Рекомендуемое отношение длины магнитопровода к ширине бокового полюса электромагнита составляет 2.5..3.5, а соотношение сторон паза под обмотку - один к одному.

Выяснено, что при неравномерном зазоре 5 усилие и механическая энергия электромагнита А*=Ам/Амтах уменьшаются (рисунок 10) из-за возни-

кающеи при этом неравномерности распределения магнитного потока по площади полюсов [4] Однако, в импульсном режиме работы со значительным насыщением магнитопровода (график Всг>В„ас - это рекомендуемый режим) за счет меньшей магнитной проводимости более насыщенных участков магнитопровода снижение механической энергии меньше, чем в случае, когда магнитопровод не насыщен (график В^В,,^) Предложено также для принудительного уменьшения неравномерности распределения магнитного потока по площади полюсов разместить на боковых полюсах индуктора соединенные между собой параллельно уравнительные обмотки [5]

кг 8|"40С

6-ЭОС

20С ЮС

т«м

т„

О

10

Рисунок 9 - Зависимости масс элементов электромагнита от его удлинения Ц,

А*

В«п> В нас

ВСТ<В пас

02 04

Д*

06.

Рисунок 10 - Уменьшение механической энергии из-за неравномерности А* зазора

Согласно разработанной методике электромагнитного расчета при проектировании электромагнитного двигателя сейсмоисточника необходимо, используя полученные графики, задаться величинами максимальной индукции Ва в зазоре, плотности тока развиваемого усилия Ж, начального зазора до и длительности t5 его выбора и определить, сколько электромагнитов необходимо использовать в двигателе По этим данным определяются площади полюсов вв и сечения обмотки с учетом потерь в магнитопроводе, эффекта вытеснения тока к поверхности проводника в обмотке, рассеяния и выпучивания магнитного поля и допустимой неравномерности А зазора Затем с использованием полученных формул и графиков выбираются соотношения размеров и остальные параметры электромагнита

В четвёртой главе рассмотрены особенности систем импульсного возбуждения короткоходового электромагнитного двигателя

Импульсный электромагнитный двигатель развивает заданную силу и имеет при высоком КПД необходимую для работы в составе сейсмоисточника длительность рабочего хода (^ тш=4»10"3с) лишь со специальной тири-сторно-конденсаторной системой возбуждения Она должна удовлетворять следующим условиям

- формировать импульс тока возбуждения, необходимый для эффективного преобразования электрической энергии в механическую,

- потреблять как можно меньшую энергию от первичного источника

Импульсная мощность системы возбуждения приблизительно в 1200 раз больше средней потребляемой от первичного источника.

Структура системы возбуждения строится в соответствии с рисунком 11, где Г - генератор, ЗУ - зарядное устройство, Сн - накопитель, К - тиристорный коммутатор, У - обмотка, УУ - устройство управления Предлагается простой алгоритм работы формирователя тока возбуждения (блоков Сн, К, У), разряд накопителя Он на обмотку У с последующей "закороткой" обмотки до момента времени ^ ^«^а, если не надо регулировать длительность воздействия на грунт) [11] После момента ^ реализуется "гашение" энергии, оставшейся в магнитном поле электромагнитного двигателя после выбора зазора 8, путем рекуперации ее в накопитель Сн или рассеянием в схеме К (пунктирные стрелки на рисунке 11)

На рисунке 12 приведена экспериментальная схема [9] формирователя тока возбуждения При включении в момент ^ тиристора Ув (устройством УУ) предварительно заряженный накопитель Сн разряжается через него на обмотку У Ток 1 в обмотке возрастает После момента tp (1 5..2*10"3с) накопитель начинает перезаряжаться, и включается "закоротка" - через диод \Т5Ш- В режиме, близком к "постоянству потокосцепления" обмотки У (рисунок 13), выбирается зазор б электромагнитного двигателя Ток 1 уменьшается. В момент ^ включается тиристор У8к Заряженный через резистор Из коммутирующий конденсатор Ск разряжается на обмотку У. Тиристор Ув обесточивается и выключается Энергия, оставшаяся к моменту ^ в магнитном поле электромагнитного двигателя, сбрасывается в конденсатор Ск, перезаряжая его и после включения диода \Т>Р в момент <:„ рассеиваясь на резисторе (пунктирные линии на рисунке 12)

Рисунок 12 - Схема формирователя тока возбуждения электромагнитного двигателя и диаграммы тока в обмотке и напряжений на конденсаторах схемы

Расчеты процесса срабатывания электромагнитных двигателей с зазором 5»10~3м и усилием в диапазоне 105 106Н при возбуждении от схемы, приведенной на рисунке 12, выполненные по численной модели, показали (рисунок 14), что их КПД Цэм и развиваемая сила Р*=Р/Ртах близки к своим макси-

мумам при соблюдении отношения длительности ^ выбора зазора б0 к длительности ввода энергии в магнитное поле (разряда конденсатора Сн на обмотку У) в диапазоне 5 3 [13] При этом остающаяся к моменту t5

неиспользованной энергия магнитного поля Аост мала (менее 10% от величины введенной в магнитное поле энергии), что позволяет (при не усложнять систему возбуждения реализацией рекуперации этой энергии

Вб

08

Т

Об

ф8

04 02

V- -

Г ис= 900В 8=8„

/ 700

500

300

Аост Дж 200

150

100

50

- 06

- 04

02

1 2 [ 3^ 4 «10 А

Рисунок 13 - Энергетические диаграммы двигателя

р*

Лта Аост

0 2 3 4 5

Рисунок 14 - Влияние 1а/1р на КПД и развиваемое электромагнитом усилие

В диссертационной работе предлагаются системы возбуждения для различных режимов работы электромагнитного двигателя (с полным и неполным выбором зазора, для разных частот срабатываний)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Установлено, что во многих известных конструкциях импульсных источников сейсмических волн из-за несоответствия параметров рабочего хода их двигателей оптимальным параметрам воздействия на грунт неэффективно используется механическая энергия двигателей Значительная часть механической энергии остается в реактивных элементах сейсмоисточника, а создаваемые деформации грунта в значительной мере неупругие Для повышения эффективности импульсного сейсмоисточника требуется обеспечить

- скорость движения излучателя не более 3 м/с,

- длительность вынужденной деформации грунта близкой к длительности одного полупериода колебаний системы сейсмоисточник - грунт (середина диапазона между максимальной и минимальной длительностью вынужденной под действием усилия 105 10бН деформации для разных грунтов составляет 5»10"3с)

2) Выведены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать зависимости геофизической эффективности и длительности рабочего хода импульсного сейсмоисточника от величины начального зазора его двигателя при различных значениях податливости нагрузки

3) Найдено простое конструктивное решение электромагнитного двигателя целевого, для работы в составе импульсного сейсмоисточника, назначения на основе короткоходового электромагнита прямоугольной формы с продольным движению якоря магнитным потоком и магнитопроводами якоря и индуктора, набранными из листов электротехнической стали [5], [10] Оно предоставляет возможность соблюдения указанных требований и достигает соответствия основным техническим показателям импульсного сейсмоисточника по развиваемой силе и длительности рабочего хода путём форсирования процесса срабатывания

4) Разработана методика электромагнитного расчета короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, учитывающая потери в магнитопроводе, рассеяние и выпучивание магнитного поля, неравномерность зазора и эффект вытеснения тока к поверхности проводника в обмотке, позволяющая проектировать двигатели сейсмоисточников, имеющие высокий КПД электромеханического преобразования

5) Разработаны математические модели процесса срабатывания импульсного электромагнитного сейсмоисточника, позволяющие исследовать влияние различных параметров на работу его двигателя, а результаты использовать при проектировании сейсмоисточников

6) Определены простой алгоритм работы и параметры системы импульсного возбуждения электромагнитного двигателя, при которых обеспечиваются максимальные значения развиваемой силы, механической энергии и КПД электромеханического преобразования Разработаны реализующие этот алгоритм тиристорно-конденсаторные системы возбуждения [9].

7) Результатом исследований явились разработка и внедрение ряда конструкций электромагнитных сейсмоисточников [7], [8] с использованием разработанных короткоходового импульсного электромагнитного двигателя и системы импульсного возбуждения его магнитного поля. Эти сейсмоисточ-ники имеют по сравнению с сейсмоисточниками на основе двигателей других типов существенно большую геофизическую эффективность, меньшую стоимость сейсмоисточника и его эксплуатации (таблица 1).

Таблица 1 - Сравнение типов источников сейсмических волн

Взрывной метод Вибратор "Падающий груз" Газодинамический Электродинамический Электромагнитный

Энергия, затр на 1 ипульс, Дж 0,1 5 кг тротила - (4 10). 10" (4 10).104 (2 6).Ю4 (0 2 1),104

Неидентичность фронта имп, мс 0 1 - >2 2 0 1 01

Температура окр среды, С -40 -10 -30 -10 -40 -40

Ресурс, число срабатываний - ю5 Ю5 Ю5 10s 106

Стоимость устройства, отн * - 20 50 0,8 1 1 2 2 5 1*

Стоимость проходки 1км, USD 3700 9400 1800 2000 1800 <1500

Кроме того, их применение позволяет уменьшить вред экологии места проведения сейсморазведочных работ и ограничить применение взрывных методов сейсморазведки (на рисунке 15 приведено сравнение результатов сейсморазведочных работ с использованием сейсмоисточников "Енисей-СЭМ-100" и работ, проведённых взрывным методом, на одном и том же профиле; временные разрезы - без существенных отличий).

Рисунок 15 - Временные разрезы, полученные взрывным методом и с помощью сейсмоисточников "Енисей-СЭМ-100".

Некоторые серии электромагнитных сейсмоисточников выпускаются в настоящее время по несколько десятков штук в год. Разработанные электромагнитный двигатель, системы возбуждения и некоторые элементы [6] конструкции сейсмоисточников перспективны также для применения в промышленных устройствах, использующих генераторы силовых воздействий для технологических целей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

- из списка ВАК:

1. Певчев В.П. Исследование импульсного электромагнитного поверхностного водного сейсмоисточника / В.П. Певчев, А.Н. Трохачёв, Д.А. Яковлев // Наука - производству,- 2004,- №4(72).- с.38-40.

- остальные:

2. Анализ влияния геометрических размеров электромагнитного привода ИСК на массу его активных материалов / Н.П. Бахарев, В.П. Певчев; Тольятти: ТолПИ.- 1986,- 14с.: бил.- Библиогр. 2 назв. рус. Деп. в Информэлектро 12.03.87, № 709-эт; опубл. в реферат, журн. ВИНИТИ, серия электротехника, 1987,- с.151.

3. Влияние основных параметров электромагнитного привода на эффективность работы импульсного сейсмоисточника / Н.П. Бахарев, В.П. Певчев; Тольятти: ТолПИ.- 1986.- 17с.: Юил.- Библиогр. 4 назв. рус. Деп. в Информэлектро 12.03.87, № 710-эт; опубл. в реферат, журн. ВИНИТИ, серия электротехника, 1987.-с.151.

4 Уменьшение механической энергии импульсного броневого электромагнита с притягивающимся якорем из-за неравномерности рабочего зазора. / В В Ивашин, В П Певчев; Тольятти ТолПИ- 1987- 16с/ бил - Библиогр 2 назв рус - Деп в Информэлектро 20 10 87, № 958-эт, опубл в реферат, журн ВИНИТИ, серия электротехника, 1988 - с. 198

5 Ас № 1580443 СССР МКИ Н01Р 7/16, Н02К 33/02 Электромагнит / Ивашин В В., Певчев В П, приоритет 17.12 87, опубл 23 07 90, в Бюл № 27

6 Ас № 1687961 СССР МКИ Р16Р 9/30 Электромагнитный тормоз / Ивашин В В , Певчев В П.; приоритет 14 10 88; опубл. 30 10 91, Бюл № 40

7. Ас №1752695 СССР МКИ В65С 67/04,67/24, В2И 7/30 Устройство для виброударного воздействия на поверхность / Власов В Г, Ивашин В В , Иванников Н А, Иванов В П, Певчев В П, Ревякин В И, приоритет 09 07 90, опубл 07 08 92, Бюл № 29.

8 Пат. 2171478 РФ, МКИ в 01 V 1/145 Импульсный невзрывной сейсмоисточник с электромагнитным приводом / Детков В А, Ивашин В В , Певчев В П, приоритет 20.08 2000, опубл 27 07.01, Бюл № 21

9 Пат 2172496 РФ, МКИ Н02М 3/135 Импульсный электромагнитный привод невзрывного сейсмоисточника / Ивашин В В , Певчев В П; приоритет 23 02 2000; опубл 27 07 01, Бюл № 23

10 Пат 2172497 РФ, МКИ Н 02 К 33/02 Силовой электромагнит импульсного невзрывного сейсмоисточника / Ивашин В В, Певчев В П, приоритет 23 02 2000, опубл. 27 07 01, Бюл № 23

11 Певчев В.П Возбуждение импульсного электромеханического преобразователя энергии с оперативным регулированием длительности импульса / В П Певчев // Экология и безопасность жизнедеятельности промышлен-но- транспортных комплексов материалы первого Международного научно-технического конгресса - Тольятти ТолГУ, 2007

12 Певчев В П Импульсный сейсмоисточник с электромагнитным приводом / В В Ивашин, В П Певчев // Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона межвузовский сборник научных трудов-Тольятти' ТолПИ, 2001 - Вып 4, 4.2 - с.383

13. Певчев В П Форсирование электромагнитного двигателя для источника сейсмических сигналов / В П Певчев // Актуальные проблемы электронного приборостроения материалы Международной научно-технической конференции.- Саратов СГТУ, 2006 - с 354

14. Певчев В.П Электромагнитный двигатель для наземного источника сейсмических колебаний / Н.А. Иванников, В.П Певчев, В И Ревякин // Взрывозащшценное и рудничное электрооборудование - Кемерово НИИ НПО "Кузбассэлектромотор" -1991, вып 14 - с.40

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат формулировка пунктов и экспериментальная проверка - [5] [7], [8] [10], вывод формул, расчеты - [2], обоснование выбора параметров элементов короткоходового электромагнита - [3],[12], участие в лабораторных исследованиях - [1], разработка математической модели, расчеты, участие в лабораторных исследованиях - [14], [4]

Подписано в печать 19 03 2008 Формат 60x84/16 Печать оперативная Уел п л 1,2 Уч-изд л 1,1 Тираж 100 экз Заказ № 3-45-08

Отпечатано в редакционно-издательском центре Тольятгинского государственного университета

Тольятгинский государственный университет 445667, г Тольятти, ул Белорусская, 14

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Анализ кинематических схем и параметров импульсных наземных сейсмоисточников.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Предельные значения параметров воздействия на грунт.

1.3 Краткий обзор сейсмоисточников, их конструкций, двигателей и параметров.

1.4 Конструктивная схема сейсмоисточника с короткоходовым электромагнитным двигателем.

Выводы.

Глава 2. Математическое моделирование процесса срабатывания короткоходового электромагнитного двигателя сейсмоисточника.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Модель нагрузки-грунта.

2.3 Моделирование процесса срабатывания электромагнитного сейсмоисточника в аналитической форме.

2.4 Численная модель процесса срабатывания электромагнитного сейсмоисточника и её использование при построении методики электромагнитного расчёта его двигателя.

Выводы.

Глава 3. Разработка методики электромагнитного расчёта короткоходового импульсного электромагнитного двигателя.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Максимальные размеры электромагнита и развиваемое усилие.

3.3 Форма и соотношения размеров электромагнита.

3.4 Учёт параметров магнитопровода и обмотки электромагнитного двигателя.

3.5 Исследование и учёт влияния неравномерности рабочего зазора короткоходового электромагнита на его характеристики.

Выводы.

Глава 4. Разработка системы возбуждения импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Определение параметров режима возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника.

4.3 Описание систем возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника.

Выводы.

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

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 сейсмораз4 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 сейсмоисточников разнообразных конструктивных схем при использовании в них двигателей различных типов (п. 1.3). Известны сейсмоисточники, построенные на основе удара по грунту падающим грузом [И]. 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, отсутствием чётких и обоснованных рекомендаций по значениям создаваемых сейсмоисточником усилий, скорости нагружения грунта и длительности силового 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 сейсмо-разведочных 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 сейсмоисточника, позволяющую исследовать влияние различных параметров на выходные характеристики.

3) Разработать методику электромагнитного расчёта короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, 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.

4) Установить параметры режима форсированного возбуждения импульсного электромагнитного двигателя, обеспечивающие максимальный КПД электромеханического преобразования при необходимой для работы в составе сейсмоисточника 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 сейсмоисточника 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 8 условиях на серийных сейсмоисточниках с использованием регистрирующей аппаратуры для сейсморазведочных работ.

Научная новизна исследования.

1) Определены ограничения параметров воздействия на грунт и разработана методика выбора параметров излучателя, пригруза и рабочего хода двигателя импульсного сейсмоисточника, обеспечивающие эффективное преобразование механической энергии двигателя в энергию сейсмических волн;

2) Разработаны математические модели процесса срабатывания импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника.

3) Разработана методика электромагнитного расчёта короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, построенного на основе электромагнита прямоугольной формы с движением якоря вдоль магнитных силовых линий.

4) 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.

1) Установленные зависимости, параметры и соотношения, использованы при разработке конструкций короткоходовых импульсных электромагнитных двигателей для ряда сейсмоисточников. Применение этих сейсмоисточников 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.

2) 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 сейсмоисточника, могут использоваться при проектировании новых серий сейсмоисточников, 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 сейсмоисточника в санном варианте с двигателем из двух электромагнитов с общим усилием 45 тонн. С использованием опыта разработки и эксплуатации этого сейсмоисточника 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).

2) Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения" (Дивногорск, 1990);

3) Всероссийской научно-технической конференции " Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона " (Тольятти, 2001);

4) Международной научно-технической конференции " Автоматизация технологических процессов и производственный контроль" (Тольятти, 2006);

На защиту выносятся;

1) Новое техническое решение короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника, включающее систему его возбуждения и управления,

2) 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.

3) 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.

Выводы

1) Определён диапазон значений соотношения длительности выбора зазора электромагнитного двигателя к длительности ввода энергии в его магнитное поле - 2.5.3, в котором среднее усилие электромагнитного двигателя близко к максимальному, вид зависимости F=f(x) двигателя близок к прямоугольному, а режим выбора зазора близок к энергетически эффективному режиму "постоянства потокосцепления" обмотки (при длительности выбора зазора приблизительно 5*10"3с).

2) Разработаны и запатентованы [3], [46] тиристорно-конденсаторные системы возбуждения импульсного электромагнитного двигателя для работы по алгоритму: разряд накопителя на обмотку, после чего - "закоротка" обмотки, обеспечивающие малое энергопотребление, надёжную работу и несколько режимов работы (с полным и неполным выбором зазора, для разных частот срабатываний).

Заключение

В результате проведенных в диссертационной работе исследований по созданию короткоходового электромагнитного двигателя для наземного импульсного сейсмоисточника, работающего в режиме давления, получены следующие основные результаты:

1) Установлено, что во многих известных конструкциях импульсных источников сейсмических волн из-за несоответствия параметров рабочего хода их двигателей оптимальным параметрам воздействия на грунт неэффективно используется механическая энергия двигателей. Значительная часть механической энергии остаётся в реактивных элементах сейсмоисточника, а создаваемые деформации грунта в значительной мере неупругие. Для повышения эффективности импульсного сейсмоисточника требуется обеспечить:

- скорость движения излучателя не более 3м/с;

- длительность действия деформации грунта близкой к длительности одного полупериода колебаний системы сейсмоисточник - грунт (середина диапазона между максимальным и минимальным временем действия деформаций для работы сейсмоисточников с усилием 105.10бН на разных грунтах составляет 5*10"3с).

2) Создан электромагнитный двигатель целевого, для работы в составе импульсного сейсмоисточника [5], [45], назначения на основе короткоходового электромагнита прямоугольной формы с продольным движению якоря магнитным потоком и магнитопроводами якоря и индуктора, шихтованными из электротехнической стали [6], [7], [47]. Он предоставляет возможность соблюдения указанных требований и достигает соответствия основным техническим показателям импульсного сейсмоисточника по развиваемой силе и длительности рабочего хода путём форсирования процесса срабатывания.

3) Разработаны и проверены экспериментально математические модели процесса срабатывания импульсного электромагнитного сейсмоисточника, позволяющие исследовать влияние различных параметров на работу его двигателя, а результаты использовать при проектировании сейсмоисточников.

Выведены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать зависимости геофизической эффективности сейсмоисточника и длительности рабочего хода от величины начального зазора его двигателя при различных значениях податливости нагрузки. Например, для электромагнитного двигателя сейсмоисточника на усилие 105.106Н рекомендуется начальный зазор 5*10~3м, при котором зависимости КПД и геофизической эффективности имеют максимумы.

4) Разработана методика электромагнитного расчёта электромагнитного двигателя сейсмоисточника, позволяющая достигать высокие значения КПД электромеханического преобразования. Методика предполагает: а) Ограничение степени форсированного возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника ограничением минимальной величины КПД. Например, при увеличении вводимой в магнитное поле электромагнитного двигателя экспериментального сейсмоисточника энергии КПД уменьшается и становится менее 85% тогда, когда потери начинают расти быстрее механической энергии. б) Требование выполнять магнитопроводы импульсного электромагнитного двигателя шихтованными из листовой холоднокатаной изотропной электротехнической стали с большой индукцией насыщения. Например, применение стали марки 2212 позволяет при КПД электромагнитного двигателя 85%о достигать индукции магнитного поля в зазоре электромагнита 1.9Тл и 2.2Тл в полюсах индуктора. в) Выбор действующего значения плотности тока в обмотке по условию обеспечения максимальной развиваемой электромагнитным двигателем силы (0.75А/мм2). г) Выбор соотношений размеров электромагнита по построенным с использованием аналитических выражений графикам. Рекомендован диапазон соотношений kg длины магнитопровода электромагнита и ширины бокового

118 полюса - 2.5.3.5, обеспечивающий требуемую по условиям работы в сейс-моисточиике длительность рабочего хода электромагнитного двигателя. Дополнительное увеличение удельной силы и уменьшение длительности рабочего хода достигается сужением полюсов по направлению к зазору. д) Учёт по определённым в диссертационной работе зависимостям:

- эффекта вытеснения тока к поверхности проводника в обмотке;

- потерь в магнитопроводе;

- рассеяния и выпучивания магнитного поля;

- уменьшения развиваемого короткоходовым электромагнитным двигателем усилия и механической энергии из-за неравномерности зазора.

5) Определены алгоритм работы и параметры системы импульсного возбуждения электромагнитного двигателя, при которых обеспечиваются максимальные значения развиваемой силы, механической энергии и КПД электромеханического преобразования. Разработаны реализующие этот алгоритм тиристорно-конденсаторные системы возбуждения [3], [46].

6) Результатом исследований явились разработка и внедрение ряда конструкций электромагнитных сейсмоисточников (приложения А,Б,В) с использованием разработанных короткоходового импульсного электромагнитного двигателя и системы импульсного возбуждения магнитного поля. Некоторые серии сейсмоисточников выпускаются в настоящее время по несколько десятков штук в год. Разработанные электромагнитный двигатель и системы возбуждения перспективны также для применения в промышленных устройствах, использующих генераторы силовых воздействий для технологических целей.

1. Александров М.П. Тормозные устройства / М.П. Александров.- М.: Транспорт, 1980.- с.36.

2. А.с. № 1563557 СССР МКИ Импульсный привод электромеханического преобразователя энергии / Ивашин В.В., Певчев В.П.; приоритет 28.12.88; (ДСП).

3. А.с. №1752695 СССР МКИ B65G 67/04,67/24, B21J 7/30 Устройство для виброударного воздействия на поверхность / Ивашин В.В., Власов В.Г., Иванников Н.А., Иванов В.П., Певчев В.П., Ревякин В.И.; приоритет 09.07.90; опубл. 07.08.92, Бюл. № 29.

4. А.с. № 1390647 СССР МКИ H01F 7/16, Н02К 33/02 Электромагнит / Ивашин В.В., Певчев В.П.; приоритет 10.11.85; опубл. 23.04.88, Бюл. №15.

5. А.с. № 1580443 СССР МКИ H01F 7/16, Н02К 33/02 Электромагнит / Ивашин В.В., Певчев В.П.; приоритет 17.12.87; опубл. 23.07.90, в Бюл. № 27.

6. А.с. № 1687961 СССР МКИ F16F 9/30 Электромагнитный тормоз / Ивашин В.В., Певчев В.П.; приоритет 14.10.88; опубл. 30.10.91, Бюл. № 40.

7. Бару Ю.А. Электродинамический источник сейсмических колебаний / Ю.А. Бару, А.Н. Макагон, А.Г. Турин и др. // Вибросейсмические методы исследований.- Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1981.-c.32.120

8. Белозеров Н.П. Невзрывные поверхностные источники ударного типа / Н.П. Белозеров, Е.Э.Львов, В.А. Теплицкий и др. // Исследования и разработка наземных невзрывных источников сейсмических колебаний.-М.,1988.- с.77.

9. Борисевич В.А. Электроискровой источник сейсмических волн "Ис-кра-20/70'7 В.А. Борисевич, Н.П. Лукьянов, Н.М. Яковлев // Исследования и разработка наземных невзрывных источников сейсмических колебаний.- М.: 1988,- с.101.

10. Бритков Н.А. Исследование передвижного электромагнитного импульсного источника сейсмических колебаний / Н.А. Бритков, Н.П. Ряшенцев и др. // Электромагнитные силовые импульсные системы., Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1982,- с.30.

11. Булатов О.Г. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии / О.Г. Булатов.- М.: Радиосвязь, 1986.- с. 159.

12. Буль В.К. Основы теории и расчета магнитных цепей / В.К. Буль.-М.: Энергия, 1967.- с.463.

13. Волошин Н.В. Электродинамический источник сейсмических колебаний "Сейсмодин" / Н.В. Волошин, Ю.А. Бару, Е.Т. Безручко // Электротехническая промышленность, серия "Электрические машины", вып. 3(85), 1978.- с.7.

14. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов / М.Н. Гольд-штейн. М.: Изд-во по строительству, 1971.

15. Турин А.Г. Электродинамические ударные устройства для сейсмических исследований / А.Г. Турин, В.В. Конотоп, Н.И. Круглик // Проблемы вибрационного просвечивания Земли.- М.: Наука, 1977.-c.137.

16. Долинский Ф.В. Краткий курс сопротивления материалов / Ф.В. До-линский, М.Н. Михайлов,- М.: В.Ш., 1986.- с. 152.

17. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие.- Изд. 2-е, испр. и доп.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.- 664с.

18. Ивашин В.В. Влияние форсировки магнитного поля короткоходового электромагнита на его быстродействие и К.П.Д. преобразования энергии / В.В. Ивашин // Электромеханика,- 1986.- N2.- с.1.

19. Ивашин В.В. Импульсные электромагнитные сейсмоисточники: особенности и перспективы совершенствования / В.В. Ивашин, Н.А. Иванников // Приборы и системы разведочной геофизики.- Саратов: 2005.- №2.- с.9.

20. Камп JI. Разведочная геофизика / Л.Камп // М.: Мир, 1972.- с.102.

21. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов/ В.А. Кпыш.- Л.: Энергоиздат, 1981.- 160с.

22. Копылов И.П. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, В.К. Клоков, В.П. Морозкин, В.Ф. Токарев // Учебное пособие для ВУЗов.- М.: Энергия, 1980.- 494с.

23. Костырев М.Л. Комбинированные автономные системы электроснабжения космических летательных аппаратов / М.Л. Костырев, А.А. Дружков, Н.В. Мотовилов, А.А. Галимова // Электротехника.- 2001.- №4.

24. Красников Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их определения / Н.Д. Красников // Л.: Стройиздат, 1970.- с, 159.

25. Кузьменко А.П. О мощности излучения сферического источника сейсмических волн / А.П. Кузьменко, И.С. Чичинин // Исследование Земли новыми геофизическими методами.- М.: Наука, 1981.- с.94.

26. Львицын А.В. Силовые приводные электромагниты цилиндрической структуры с высокими удельными показателями /А.В. Львицын, Г.Г. Угаров, В.Н. Федонин // Электромагнитные машины ударного действия.- Новоси-бирск.-1978. с.27.

27. Львов Е.Э. Принципы оптимизации невзрывного возбуждения сейсмических волн / Е.Э. Львов, В.А. Теплицкий // Исследование и разработка наземных невзрывных источников сейсмических колебаний.- 1988.- с.41.

28. Малахов А.П. Электромагнитные силовые импульсные системы для сейсмических исследований / А.П. Малахов, Н.П. Ряшенцев // Проблемы вибрационного просвечивания Земли.- М.: Недра, 1977.- с.98.

29. Модернизация импульсного электромагнитного сейсмоисточника: отчет о НИР / Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1991.-Исполн.: Певчев В.П.- № ГР 01.9.00016386.- 28с.

30. Молоканов Г.И. Влияние веса и площади подвижной плиты механического возбудителя сейсмических колебаний на форму упругого импульса / Г.И. Молоканов, А.Д. Кравченко // Прикладная геофизика,-1973.- вып.71.-с.80.

31. Молоканов Г.И. Импульсный возбудитель без уплотнения грунта / Г.И. Молоканов, Ю.П. Кострыгин // Прикладная геофизика.- 1979.- вып.75.-с.52.

32. Молоканов Г.И. Первые результаты работы на профиле с использованием невзрывного источника ГУК-1 / Г.И. Молоканов, Ю.П. Кострыгин и др. // Экспресс- информация ВИЭМС, сер.9: Региональная разведка и промышленная геофизика.- 1974,- вып.28.- с. 12.

33. Молоканов Г.И. Преобразование механической энергии в сейсмическую при ударе по поверхности / Г.И. Молоканов // Разведочная геофизика.-М.: 1979.- вып.65.- с.З.

34. Нейман JI.P. Теоретические основы электротехники / JI.P. Нейман, К.С. Демирчян.-Том 1.- Л.: Энергия, 1981.- 305с.

35. Пат. 2171478 РФ, МКИ 7G 01 V 1/02. Импульсный невзрывной сейс-моисточник с электромагнитным приводом / Детков В.А., Ивашин В.В., Пев-чев В.П.; приоритет 20.08.00; опубл. 27.07.01, Бюл. № 21.

36. Пат. 2172496 РФ, МКИ 7G01V 1/09. Импульсный электромагнитный привод невзрывного сейсмоисточника / Ивашин В.В., Певчев В.П.; приоритет 23.02.00; опубл. 27.07.01, Бюл. № 23.

37. Пат. 2172497 РФ, МКИ 7G01V 1/04. Силовой электромагнит импульсного невзрывного сейсмоисточника / Ивашин В.В., Певчев В.П.; приоритет 23.02.00; опубл. 20.08.01. Бюл. № 23.

38. Певчев В.П. Импульсный сейсмоисточник с электромагнитным приводом /В.В. Ивашин, В.П. Певчев // Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона: межвузовский сборник научных трудов.-Тольятти: ТолПИ, 2001.- Вып.4, Ч.2.- 383 с.

39. Певчев В.П. Исследование импульсного электромагнитного поверхностного водного сейсмоисточника / В.П. Певчев, А.Н. Трохачёв, Д.А. Яковлев // Наука производству. - 2004. - №4(72). - С.38-40.

40. Певчев В.П. Форсирование электромагнитного двигателя для источника сейсмических сигналов / В.П. Певчев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Международной научно-технической конференции.- Саратов: СГТУ, 2006,- с.354.

41. Певчев В.П. Электромагнитный двигатель для наземного источника сейсмических колебаний / Н.А. Ивапников, В.П. Певчев, В.И. Ревякин //

42. Взрывозащищённое и рудничное электрооборудование.- Кемерово: НИИ НПО "Кузбассэлектромотор",- 1991, вып.14.-с.40.

43. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии / И.В. Пентегов.- Киев: Наукова думка, 1982.-419с.

44. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD u PSpise для схемотехнического моделирования на ПЭВМ / В.Д. Разевиг.- М.: Радио и связь, 1992.

45. Разработка и изготовление схемы питания головного образца кодо-импульсного сейсмоисточника «Енисей-КЭД» : отчет о НИР / Тольятти: Тольяттинский государственный университет, 2004.- Исполн.: Иванников Н.А., Кудинов А.К., Певчев В.П.- № ГР 01.2.00310351.

46. Разработка, исследование и внедрение импульсного электромагнитного сейсмоисточника: отчет о НИР / Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1990.- 58с.- Исполн.: Певчев В.П.- № ГР 01.8.90001409.

47. Разработка, исследование и внедрение источников сейсмических колебаний с электромеханическим приводом: отчет о НИР / Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1989.- Исполн.: Иванников Н.А., Певчев В.П., Уланов В.В.- № ГР 01.8.60076674.

48. Разработка санного сейсмического электромагнитного источника повышенной мощности: отчет о НИР / Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1992.- Исполн.: Кудинов А.К., Певчев В.П., Щербинин С.И.-№ГР 01.9.10036388.

49. Симонов Б.Ф. Обоснование рациональных геометрических соотношений в электромагнитах постоянного тока больших радиусов / А.И. Кады-шев, Б.Ф. Симонов // Импульсный электромагнитный привод.- Новосибирск, 1988.- с.22.

50. Смирнов В.П. Электромагнитные источники сейсмических колебаний ряда «Енисей-СЭМ, КЭМ» / В.П. Смирнов // в сб. Приборы и системы разведочной геофизики.- Саратов, 2003,- № 01,- с.21.

51. Совершенствование электромагнитных сейсмоисточников и их систем питания: отчет о НИР / Тольятти: Тольяттинский государственный университет, 2004.- Исполн.: Иванников Н.А., Певчев В.П., Трохачёв А.Н.- № ГР 01.0.40001567.

52. Сопровождение опытно-методических работ по изучению сейсмической эффективности сейсмоисточника «Енисей-СЭМ» повышенной мощности: отчет о НИР / Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1991.- Исполн.: Певчев В.П.- № ГР 01.9.10024052.

53. Теплицкий В.А. Методика и результаты работы с невзрывными источниками "падающий груз" / В.А. Теплицкий, В.К. Кавалеров и др. // Труды ВНИГНИ, вып. 235.- М.: изд. ВНИГНИ, 1981.- с.42.

54. Угаров Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели с повышенными силовыми и энергетическими показателями: дис. докт. техн. наук. 05.09.01 / Г.Г. Угаров.- Новосибирск, 1992.- 492с.

55. Харкевич А. А. Избранные труды. В 3 т. Т. 1. Теория электроакустических преобразователей. Волновые процессы. / А. А. Харкевич.- М. : Наука, 1973.-399с.

56. Чичинин И.С. Вибрационное излучение сейсмических волн / И.С. Чичинин.- М.: Наука, 1984.- 223с.

57. Шехтер O.JI. Об учёте инерционных свойств грунта при расчёте вертикальных вынужденных колебаний массивного фундамента / O.JI. Шехтер //труды НИИ оснований.- "Машстройиздат", 1948.- №12.- с.6.

58. Шнеерсон М.В. Теория и практика наземной сейсморазведки / под ред. М. В. Шнеерсона.- М.: ОАО "Издательство Недра", 1998.- 527с.

59. Шнеерсон М.В. Установки для возбуждения упругих колебаний в наземной невзрывной сейсморазведке / М.В. Шнеерсон, В.А. Гродзенский и др. //Разведочная геофизика.- М.: 1985.- 157с.

60. Экомасов С.П. К определению присоединенной массы грунта в рабочем цикле импульсного источника сейсмических колебаний / С.П. Экомасов, В.В. Федоренко // Известия вузов, сер. Геология и разведка, 1984.- № 12.-с.17.

61. Электрические измерения: учебник для вузов / под ред. А.В. Фрем-ке,- Изд.4.- JL: Энергия, 1973.