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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Vibrator zum Erzeugen seismischer Wellen mit einem rahmenfesten Ständer mit vertikaler Achse, der aus einem Antriebskolben und zwei an dessen horizontale Stirnseiten angesetzten Kolbenstangen von kleinerem Querschnitt besteht, und mit einer in vertikaler Richtung beweglichen Schwingmasse mit einer zentralen Axialbohrung, die den Ständer koaxial umgibt und im Bereich des Antriebskolbens einen zu diesem koaxialen Vibratorzylinder enthält, der für den Antrieb der Schwingmasse zu vertikaler Bewegung relativ zum Ständer wahlweise oberhalb oder unterhalb des Antriebskolbens mit Hydraulikfluid speisbar ist.
Vibratoren der oben erwähnten Art dienen insbesondere zur Gewinnung kontinuierlicher seismischer Signale, die im Rahmen seismographischer Untersuchungen Rückschlüsse auf den geologischen Aufbau der Erdformationen ermöglichen, die von den entsprechenden seismischen Wellen erfasst worden sind. Im konstruktiven Aufbau besitzen diese Vibratoren im allgemeinen eine auf die Erdoberfläche aufsetzbare Grundplatte, eine Schwingmasse und ein in linearer Weise wirksames Betätigungsglied, das unter üblicherweise hydraulischem Antrieb die Schwingmasse in eine hin- und hergehende Bewegung relativ zur Grundplatte versetzen kann, wobei sich die Frequenz dieser Bewegung der Schwingmasse auf für die jeweiligen Untersuchungen geeignete Werte bringen lässt.
Ein bekannter Vibrator, dessen Einsatz zu besonders zufriedenstellenden Ergebnissen geführt hat, besitzt einen an beiden Enden mit je einer Kolbenstange versehenen feststehenden Kolben und eine diesen umgebende und relativ dazu bewegbare Schwingmasse, die gemeinsam einen Hydraulikzylinder bilden, in den Hydraulikfluid eingeführt werden kann, um die Schwingmasse in eine hin-und hergehende Bewegung gegenüber dem feststehenden Kolben zu versetzen. Dabei ist ein übliches hydraulisches Steuersystem vorgesehen, das die beiden Seiten des Kolbens im Hydraulikzylinder alternierend mit Fluiddruck beaufschlagt, so dass sich die Schwingmasse zunächst in einer Richtung aus einer Zentrallage herausbewegt, dann in diese Zentrallage zurückkehrt und nach der andern Richtung über die Zentrallage hinausgeht, also eine lineare Schwingungsbewegung um die Zentrallage herum ausführt.
Das Gewicht der Schwingmasse kann nun je nach Grösse und Bauweise des entsprechenden Vibrators zwischen einigen hundert und einigen tausend Kilogramm variieren. Zur Aufhebung dieses Gewichts der Schwingmasse muss zwischen den beiden Seiten des Kolbens im Hydraulikzylinder ein Druckunterschied aufrechterhalten werden, was dazu führt, dass für die Bewegung der Schwingmasse in der einen Richtung weniger Antriebskraft verfügbar ist als für ihre Bewegung in der entgegengesetzten Richtung. Dieses Ungleichgewicht in den Kräfteverhältnissen hat sich in der Praxis als Quelle für erhebliche Schwierigkeiten erwiesen, wobei insbesondere das Auftreten von unerwünschten Harmonischen der gewünschten Schwingungen sehr stört.
Bei bisherigen Versuchen, das Gewicht der Schwingmasse unabhängig von den Druckverhältnissen im Antriebszylinder für die Schwingungsbewegung auszugleichen, sind Hilfshydraulikzylinder verwendet worden, die entweder aussen mit der Schwingmasse verbunden oder ausserhalb ihrer Mittellinie in diese eingearbeitet worden sind. Dabei hat es sich jedoch herausgestellt, dass der Einsatz solcher zusätzlicher Hilfshydraulikzylinder infolge der unausgeglichen an der Schwingmasse angreifenden Kräfte vielfach zu übermässigem Verschleiss für den gesamten Vibrator führt. Darüber hinaus ergeben sich in Verbindung mit den Hilfshydraulikzylindern auch zahlreiche Wartungsschwierigkeiten.
Zweck der Erfindung ist es, einen störenden Einfluss des Gewichts der Schwingmasse auf den Vibratorbetrieb auszuschliessen.
Dabei liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Vibrator der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass sich eine Aufhebung des Gewichts der Schwingmasse ohne die Entstehung unausgeglichener Kräfte auf die Schwingmasse und ohne mit zusätzlichen Hilfshydraulikzylindern verbundene Wartungsschwierigkeiten ergibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass rund um eine der beiden Kolbenstangen zwischen einer an dieser Kolbenstange mit nach oben zeigender Stirnfläche ausgebildeten Ringschulter und einer Ringschulter mit nach unten zeigender Stirnfläche an der Schwingmasse ein Ausgleichszylinder ausgebildet ist, der mit einer Quelle für Hydraulikfluid in Verbindung steht, dessen Druck eine Ausgleichskraft für das Gewicht der Schwingmasse erzeugt und den Vibratorzylinder in der Schwingmasse im Ruhezustand des Vibrators symmetrisch zum Antriebskolben des Ständers hält.
Bei einem erfindungsgemäss ausgebildeten Vibrator liegt der Ausgleichszylinder konzentrisch zum Vibratorzylinder und zur Schwingmasse, si dass keinerlei versetzte Kräfte auf diese einwirken. Für die Verbindung des Ausgleichszylinders mit der Schwingmasse und für seine Versorgung mit Druckfluid bedarf es anders als bei den bisher eingesetzten Vibratoren mit Hilfshydraulikzylindern für die Aufhebung des Gewichts der Schwingmasse keiner zusätzlichen mechanischen Teile, Anschlussschläuche und Steuereinrichtungen. Das Druckfluid für die Speisung des Ausgleichszylinders hat nur das konstante Gewicht der Schwingmasse aufzufangen und auf die Ringschulter am Ständer abzuleiten, die insoweit einen einfach wirkenden Kolben darstellt.
Der Fluiddruck im Ausgleichszylinder kann daher eine konstante Grösse aufweisen, und es bedarf somit keiner zusätzlichen Druckfluidquelle, da unter konstantem Druck stehendes Hydraulikfluid im Antriebssystem für den Vibrator verfügbar ist und von dort abgezweigt werden kann. Im Ergebnis vereinigt ein erfindungsgem5ss
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ausgebildeter Vibrator in sich also die Vorteile eines einfachen und wartungsarmen Aufbaus und eines störungsfreien und messtechnisch optimalen Betriebs.
Bei einer herstellungstechnisch besonders einfachen und insofern bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in den oberen Teil der Axialbohrung in der Schwingmasse eine hohlzylinderförmige Muffe eingebracht, deren untere Stirnfläche die Ringschulter an der Schwingmasse bildet.
Für die Verbindung des Ausgleichszylinders mit der Quelle für Hydraulikfluid von konstantem Druck können im Ständer ein an diese Quelle angeschlossener Vertikalkanal und mindestens ein davon ausgehender und in den Ausgleichszylinder mündender radialer Stichkanal vorgesehen sein.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäss ausgebildeten Vibrator veranschaulicht, von dem die Figur der Zeichnung eine teilweise geschnittene Seitenansicht zeigt.
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er jedoch eine Grundplatte --18-- und eine Deckplatte-20--, die über einen die Schwingmasse-16-mit Abstand umgebenden Mantel --22-- miteinander verbunden sind.
Der Ständer --14-- besteht aus einer unteren Kolbenstange--24--, deren unteres Ende mit der Grundplatte --18-- verbunden ist, einer oberen Kolbenstange--26--, deren oberes Ende an der Deckplatte --20-- befestigt ist, und einem zwischen den beiden Kolbenstangen-24 und 26--angeordneten und sie im Querschnitt übertreffenden, doppelt wirkenden Antriebskolben--28--. Der Antriebskolben--28--wird gleitend von einem Vibratorzylinder--30--umgeben, der zentral in die Schwingmasse--16--eingearbeitet ist.
Der Antriebskolben --28-- kann im übrigen jede beliebige übliche Ausführung aufweisen und beispielsweise mit Kolbenringen und Dichtungen versehen sein, die zu seiner gleitenden, aber fluiddichten Abdichtung im Inneren des Vibratorzylinders--30-führen. Koaxial zum Vibratorzylinder--30--enthält
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hindurchgehen, wobei wieder in üblicher Weise für eine gleitende, aber fluiddichte Abdichtung dazwischen gesorgt ist.
Dem Vibratorzylinder--30--kann Hydraulikfluid abwechselnd auf beiden Seiten des Antriebskolbens - über radiale Stichkanäle--32 bzw. 34-- zugeführt werden, die durch die untere Kolbenstange - bzw. die obere Kolbenstange --26-- hindurchgehen und unterhalb bzw. oberhalb des Antriebskolbens --28-- in den Vibratorzylinder --30-- einmünden. Im Inneren der Kolbenstangen-24 bzw. 26-sind die Stichkanäle --32 und 34-an je einen den Ständer-14-in axialer Richtung durchquerenden Vertikalkanal--36 bzw. 38--angeschlossen. Nach oben und aus dem Ständer --14-heraus finden die Vertikalkanäle--36 und 38--ihre Fortsetzung in je einem Anschlusskanal--40 bzw.
42--, die durch die Deckplatte--20--hindurchgehen und zu einem Steuerventil --4-- führen, das unter Betätigung durch eine geeignete elektrische Steuerung die Fluidversorgung des Vibratorzylinders-30-beherrscht. Dabei wird abwechselnd über den Anschlusskanal--40--, den Vertikalkanal--36--und die
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--32-- unterhalbVertikalkanal --38-- und die Stichkanäle --34-- oberhalb des Antriebskolbens--28--Hydraulikfluid unter Druck in den Vibratorzylinder --30-- eingespeist, wodurch der Schwingmasse--16--eine Auf-und Abbewegung auf dem Ständer--14--aufgeprägt wird. über die Grundplatte--18--werden die entsprechenden Schwingungen dann in die darunter befindliche Erdformation eingebracht.
Zum Ausgleich des Gewichts der Schwingmasse--16--ist bei dem dargestellten Vibrator--10-- oberhalb des Vibratorzylinders--30--ein dazu koaxialer Ausgleichszylinder--46--vorgesehen, der in diesem Falle rund um die Kolbenstange --26-- in der Schwingmasse--16--liegt. Dazu ist die Kolbenstange --26-- in ihrem oberen Teil mit kleinerem Durchmesser ausgeführt, so dass sich eine Ringschulter--48-mit nach oben zeigender Stirnfläche ergibt, die den Ausgleichszylinder --46-- nach unten hin begrenzt.
Die obere Begrenzung für den Ausgleichszylinder--46--bildet eine Ringschulter --50-- mit nach unten zeigender Stirnfläche, die der Ringschulter --48-- an der Kolbenstange --26-- gegenüberliegt und bei dem dargestellten Beispiel durch die untere Stirnfläche einer hohlzylinderförmigen Muffe--51--gebildet wird, die von oben in die Axialbohrung in der Schwingmasse --16-- eingesetzt und darin festgelegt ist.
Dabei stellt also die Ringschulter --48-- an der Kolbenstange --26-- einen einfach wirkenden Kolben mit nach oben gerichteter Wirkungsrichtung dar, während sich der damit zusammenwirkende Ausgleichszylinder --46-- aus dem Ringraum zwischen der Ringschulter --48-- an der Kolbenstange --26-- und der Ringschulter - -50-- am unteren Ende der Muffe --51-- rund um die Kolbenstange --26-- ergibt. In der Kolbenstange
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der nach Durchqueren der Deckplatte --20-- über das Steuerventil --44-- an eine Leitung angeschlossen ist, die zu einer Quelle-56-für unter konstantem Druck stehendes Hydraulikfluid führt.
Beim Betriebe des Vibrators--10--wird in den Vibratorzylinder --30-- abwechselnd unterhalb und oberhalb des Antriebszylinders--28--Hydraulikfluid unter Druck eingespeist, wodurch die Schwingmasse - -16-- in eine Auf- und Abbewegung gegenüber der Grundplatte --18-- versetzt wird. Gleichzeitig wird
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--16-- Hydraulikfluid- 48 und 50-so bemessen sind, dass das Gewicht der Schwingmasse --16-- durch die im Ausgleichszylinder --46-- durch die Einleitung des unter konstantem Druck zugeführten Hydraulikfluids entstehende nach aufwärts gerichtete Kraft aufgehoben wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulischer Virbrator zum Erzeugen seismischer Wellen mit einem rahmenfesten Ständer mit vertikaler Achse, der aus einem Antriebskolben und zwei an dessen horizontale Stirnseiten angesetzten Kolbenstangen von kleinerem Querschnitt besteht, und mit einer in vertikaler Richtung beweglichen Schwingmasse mit einer zentralen Axialbohrung, die den Ständer koaxial umgibt und im Bereich des Antriebskolbens einen zu diesem koaxialen Vibratorzylinder enthält, der für den Antrieb der Schwingmasse zu vertikaler Bewegung relativ zum Ständer wahlweise oberhalb oder unterhalb des Antriebskolbens mit
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(24 und 26) zwischen einer an dieser Kolbenstange (26) mit nach oben zeigender Stirnfläche ausgebildeten Ringschulter (48) und einer Ringschulter (50) mit nach unten zeigender Stirnfläche an der Schwingmasse (16) ein Ausgleichszylinder (46) ausgebildet ist,
der mit einer Quelle (56) für Hydraulikfluid in Verbindung steht, dessen Druck eine Ausgleichskraft für das Gewicht der Schwingmasse erzeugt und den Vibratorzylinder (30) in der Schwingmasse im Ruhezustand des Vibrators (1) symmetrisch zum Antriebskolben (28) des Ständers (14) hält.
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