DE4016038A1 - Vibrator zur erzeugung seismischer energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrator zur Erzeugung seis­ mischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erzeugung seismischer Wellen erfolgt in den letzten Jahren verstärkt durch den Einsatz von Vibratoren. Dabei wird die für eine geforderte Reichweite benötigte seis­ mische Energie anstelle durch eine Impulsanregung durch einen mehrere Sekunden andauernden Schwingungszug mit re­ lativ kleiner Druckamplitude verteilt. Die Schwingungs­ frequenz des Vibrators kann nach einer vorgegebenen Zeit­ funktion verändert werden. Es können auch nichtlineare Frequenzänderungen nahezu beliebiger Form mit Hilfe ge­ eigneter Steuerungseinrichtungen erreicht werden.

Die Kraftquelle eines Vibrators bewirkt in der Regel eine vertikale gegenphasige Erregung einer Schwingmasse in Form einer Bodenplatte und einer Reaktionsmasse, die über eine Kolbenzylindereinheit gegen die Bodenplatte abgestützt ist. Zur Erhöhung der stationären Andruckkraft der Bodenplatte wird diese in der Regel durch die Auflast des Trägerfahr­ zeuges des Vibrators gegen den Boden gepreßt.

Mit Hilfe derartiger Vibratoren werden in der Regel P-Wel­ len erzeugt. Durch eine synchrone, phasenverschobene Anre­ gung einer Gruppe von Vibratoren, die im Abstand zueinan­ der angeordnet sind, läßt sich eine gewünschte Richtcha­ rakteristik erzielen. Hiermit ist es möglich, mit derarti­ gen Vibratoren auch Scherwellen zu erzeugen. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung von Scherwellen besteht darin, Schwing- und Reaktionsmasse eines Vibrators in horizontaler Richtung gegeneinander schwingen zu lassen. Hierzu ist eine stabile Kopplung mit dem Boden erforderlich.

Ein Vibrator der genannten Art ist beispielsweise aus der DE OS 23 32 134 bekannt. Hierbei ist mit der Bodenplatte eine Kolbenstange verbunden, die in ihrem mittleren Be­ reich einen Kolben trägt, der in einem Zylinderraum beweg­ lich ist, der durch eine Ausnehmung einer schweren Reak­ tionsmasse gebildet ist. Durch wechselnde Zuführung von Hydraulikflüssigkeit zu den Teilzylinderräumen oberhalb und unterhalb des Kolbens ist die gewünschte Ansteuerung des Vibrators erreichbar. Zum Ausgleich der statischen Ge­ wichtsbelastung der Reaktionsmasse ist ein zusätzlicher Zy­ linderraum oberhalb des Arbeitszylinders vorgesehen. Zur Abstützung des freien Kolbenendes dient ein um die Reak­ tionsmasse herum geführter Tragrahmen, der wiederum mit der Bodenplatte verbunden ist und damit die Reaktions­ masse einschließt.

Aus der DE OS 24 20 781 ist ein Vibrator bekannt, der ebenfalls eine schwere Reaktionsmasse verwendet, in der eine Kolbenstange geführt ist. Zur Bildung der Zylinder­ räume beidseitig des Kolbens sind von den Enden der Re­ aktionsmasse her Laufbuchsen in die Bohrung der Reak­ tionsmasse eingesetzt. Diese dienen zur Abstützung und Abdichtung der Kolbenstange gegenüber der Reaktionsmasse.

Bei den bekannten Vibratoren besteht die Reaktionsmasse aus einem einteiligen, in der Regel gegossenen Eisenblock. Die Reaktionsmasse kann ein Gewicht von mehreren Tonnen auf­ weisen und ist daher entsprechend aufwendig zu handhaben. Es gibt Bestrebungen, die Größe der Reaktionsmassen von Vibratoren auf über 4 Tonnen anzuheben. Da die Reaktions­ massen aus einem Stück gefertigt werden, ist deren Bear­ beitung und Handhabung in der Regel sehr aufwendig. Bei defekten Reaktionsmassen, beispielsweise bei Beschädigung des Zylinderraums, muß die gesamte schwere Masse transpor­ tiert werden, beispielsweise aus entfernten Ländern zum Hersteller zurücktransportiert werden. Es entstehen sehr hohe Transportkosten. Aufgrund des hohen Gewichtes ist es ferner sehr aufwendig, die Bearbeitung und Reparatur auf geeigneten Maschinen durchzuführen. Schließlich ist der Wert einer derartigen Reaktionsmasse sehr hoch, so daß bei einem Bruch, bei dem die gesamte Reaktionmasse ver­ schrottet werden muß, hohe Kosten entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrator zur Erzeugung seismischer Energie anzugeben, dessen Reak­ tionsmasse kostengünstiger herzustellen und zu handhaben ist, als es bei Vibratoren des Standes der Technik mög­ lich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Im Arbeitszylinder sind alle wesentlichen Funktionen und aufwendige Bearbeitungsvorgänge vereinigt.

Durch die erfindungsgemäße mehrteilige Ausbildung der Reak­ tionsmasse lassen sich die notwendigen Bearbeitungsvorgänge im wesentlichen auf den Teil der Reaktionsmasse reduzieren, der das geringere Gewicht aufweist. Der Arbeitszylinder zur Aufnahme des Kolbens kann aus einem hochwertigen Material gefertigt sein, der eine präzise Bearbeitung und Behand­ lung zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit ermöglicht. Die ei­ gentliche Masse, nämlich das Zusatzgewicht, wird nur mit geringem Aufwand bearbeitet.

Die Erfindung weist den besonderen Vorteil auf, daß das eigentliche Arbeitsteil, der Arbeitszylinder, von dem Ge­ wichtsteil losgelöst behandelt werden kann. Wenn die Reak­ tionsmasse beispielsweise durch übermäßige Beanspruchung zerbricht, kann der Arbeitszylinder von dem Zugangsgewicht gelöst werden und es ist lediglich das Zusatzgewicht zu ersetzen. Der Arbeitszylinder kann an Ort und Stelle ver­ bleiben und es ist keine aufwendige Bearbeitung des Zu­ satzgewichts erforderlich. Andererseits ist es möglich, daß für den Fall, daß die Laufflächen des Arbeitszylin­ ders oder der Zylinderraum beschädigt sind, der Arbeits­ zylinder ausgetauscht wird, ohne daß es erforderlich wäre, das gesamte Zusatzgewicht ebenfalls zu ersetzen.

Vorzugsweise beträgt das Gewicht des Arbeitszylinders nur 1/5 bis 1/6 des Gewichts der gesamten Reaktionsmasse.

Durch die Erfindung läßt sich ein Vibrator kostengünstiger herstellen, und es sind geringere Transportkosten bei Re­ paraturen zu kalkulieren. Der eigentliche Arbeitszylinder kann für verschiedene Vibratortypen mit unterschiedlicher Gewichtsgröße gleiche Grundmaße aufweisen.

Der Arbeitszylinder kann aus wesentlich besserem, nahezu verschleißfreiem Werkstoff gefertigt werden, z. B. aus Werk­ stoffen, die sich nitrieren lassen.

Bei Verwendung von Stahl ist das spezifische Gewicht für den Arbeitszylinder günstiger. Es besteht eine größere Freiheit zur Herstellung gewünschter Masseformen um den Arbeitszylinder herum, z. B. zum Bau von Scherwellen- oder Straßenvibratoren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Vibratorsystem nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Vibrators und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Vibrators nach der Erfindung.

Ein Vibrator nach dem Stand der Technik weist eine Boden­ platte 36 auf, auf der über eine Schraubverbindung 35 ein Gestell 33 festgeschraubt ist. Dieses Gestell weist vier Säulen 30 auf, die zu einem oberen Anschlag 29 führen. Zwischen einem unteren Anschlag 37 und dem oberen Anschlag 29 ist die Reaktionsmasse 31 geführt. Diese weist eine zentrale Bohrung auf, durch die die mit der Bodenplatte fest verbundene Kolbenstange 32 geführt ist. Die Kolben­ stange gleitet in Laufbuchsen der Reaktionsmasse, die gleichzeitig den Zylinderraum des Arbeitszylinders defi­ nieren. Durch abwechselnde Beaufschlagung des oberen und unteren Zylinderraumes kann die Reaktionsmasse angehoben und abgesenkt werden. Die Steuerung der Bewegung der Reak­ tionsmasse in bezug auf die Bodenplatte 36 erfolgt mit Hilfe des Servoventils 34.

Fig. 2 zeigt im Vergleich dazu eine erste Ausführungs­ form der Erfindung. Es ist eine Bodenplatte 5 vorgesehen, die die translatorische Bewegung der Kolbenstange 1 in den Erdboden überträgt und so die für seismische Mes­ sungen erforderliche Druckwelle erzeugt. In der Boden­ platte 5 ist über einen Spannsatz 6 eine Verbindung und Kraftübertragung zwischen Kolbenstange 1 und Bodenplat­ te 5 realisiert. Der Spannsatz 6 ist vorzugsweise als Schnellspannsatz ausgebildet.

Die Kolbenstange 1 kann entweder massiv oder aus dick­ wannigem Rohr gebildet sein. Der eigentliche ringförmige Kolben 14 befindet sich im mittleren Bereich der Kolben­ stange 1 und läuft in einem aus den Teilzylindern 15, 16 des Arbeitszylinders gebildeten Zylinderraum. Den Teilzy­ linderräumen 15, 16 wird im Arbeitsbetrieb über die Zu­ laufkanäle 17, 18, die über das Servoventil 12 gesteu­ ert werden, wechselweise Drucköl zugeführt. Dabei wird die mit der Kolbenstange 1 verbundene Bodenplatte in der einen und der Arbeitszylinder 2 mit der Zusatzmasse 4 in der anderen Richtung beschleunigt. Im Gleichgewichtszu­ stand ist dabei die Summe der Kräfte = 0.

Der Arbeitszylinder 2 weist an der Ober- und Unterseite Führungsbuchsen 3 auf, die den Zylinderraum begrenzen und gleichzeitig als Gleitlager mit hydrostatischer Lagerung der Kolbenstange dienen. Sie sind mit Niederdrucköl von beispielsweise 5 bar beaufschlagt.

An der das Servoventil 12 tragenden Verteilerplatte 11 ist zusätzlich ein Hydrospeicher 13 vorgesehen, der den Ölstrom im Hoch- und Niederdruck-Hydraulikkreis des Vib­ ratorsystems glättet.

Der Arbeitszylinder 2 ist in einer Ausnehmung des Zusatz­ gewichts 4 aufgenommen. Zur Verbindung von Arbeitszylinder 2 und Zusatzgewicht 4 ist eine Spannbolzen-Befestigungs­ schraube 9 vorgesehen. Auf dem Umfang des Zusatzgewichts sind mehrere Spannbolzen 9 vorgesehen. Über die Spannbol­ zen 9 erfolgt sowohl eine Verbindung zwischen Arbeitszy­ linder 2 und Zusatzgewicht 4 als auch ein schnelles Lö­ sen dieser Einheiten für einen Service bzw. Reparaturar­ beiten an Arbeitszylinder 2 bzw. Zusatzgewicht 4. Der Spannbolzen 9 wird mit Hilfe der Befestigungsmutter 10 angezogen, die leicht von oberhalb des Vibrators zugäng­ lich ist.

Am oberen Ende des Kolbens 1 ist ein oberer Anschlag 7 befestigt, der Puffer 21 aufweist, die eine Wegbegren­ zung des Zusatzgewichts nach oben bilden. Entsprechende Puffer sind auf der Unterseite des Zusatzgewichts 4 vor­ gesehen um den Verschiebeweg des Zusatzgewichts 4 nach unten zu begrenzen bzw. im entlasteten Zustand das Zu­ satzgewicht 4 auf der Bodenplatte 5 aufliegen zu lassen.

An dem Anschlag 7 ist ferner ein Wegmeßgerät 20 mit einem Wegaufnehmer 19 befestigt, mit dessen Hilfe eine Steue­ rung der Antriebsenergien erfolgen kann.

Zur Verdrehsicherung von Zusatzgewicht 4 und Kolbenstange 1 ist eine Führungsstange 8 vorgesehen, die vom oberen An­ schlag 7 in eine Bohrung des Zusatzgewichtes 4 hineinragt.

Der Arbeitszylinder 2 ist in der dargestellten Ausführungs­ form in einer Ausnehmung des Zusatzgewichts 4 aufgenommen. Das Zusatzgewicht 4 kann jedoch auch andere Ausführungs­ formen umfassen, insbesondere auch selbst mehrteilig aus­ gebildet sein.

Vorzugsweise besteht der Arbeitszylinder 2 aus hochwerti­ gem Stahl, dessen Innenoberfläche nitriert sein kann. We­ gen der geringen Größe des Arbeitszylinders können auch komplizierte Zylinderformen und Hydraulikzufuhrkanäle ver­ wendet werden. Dagegen kann die Zusatzmasse 4, die etwa 5/6 des Gesamtgewichts der Reaktionsmasse beträgt, aus quali­ tativ schlechteren Material hergestellt werden. Ihre spann­ gebende Bearbeitung beschränkt sich auf etwa 2 Flächen und führt daher insgesamt zu wesentlichen Kostenreduzierungen.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfin­ dung, bei der der Arbeitszylinder 24 unmittelbar mit der Bodenplatte gekoppelt ist. Hierbei ist der Arbeitszylinder 24 der Bodenplatte 25 zugeordnet, während die Kolbenstange 23 über einen Spannsatz 28 fest im Zusatzgewicht 22 befe­ stigt ist. Der Kolben 26 ist auch bei dieser Ausführungs­ form in einem Zylinderraum des Arbeitszylinders angeordnet und wird in gleicher Weise wie in der Ausführungsform der Fig. 2 angesteuert. Bei dieser Ausführungsform ist der ge­ samte Schwerpunkt des Vibrators noch tiefer gelegt.

Bei Scherwellen-Vibratoren kann die zweiteilige Vibrator­ masse waagerecht gelegt werden, so daß eine durchgehende Kolbenstange eine Zweipunktlagerung ermöglicht.

Bezugszeichenliste

 1 Kolbenstange
 2 Arbeitszylinder
 3 Führungsbuchsen
 4 Zusatzmasse
 5 Bodenplatte
 6 Spannsatz
 7 oberer Anschlag
 8 Führungsstange
 9 Spannbolzen
10 Befestigungsmutter
11 Verteilerplatte
12 Servoventil
13 Hydrospeicher
14 Kolben
15 Zylinderraum
16 Zylinderraum
17 Zulaufkanal
18 Zulaufkanal
19 Wegaufnehmer
20 Wegmeßgerät
21 Puffer
22 Zusatzgewicht
23 Kolbenstange
24 Arbeitszylinder
25 Bodenplatte
26 Kolben
27 Laufbuchse
28 Spannsatz
29 oberer Anschlag
30 4 Säulen
31 Reaktionsmasse
32 Kolbenstange
33 Gestell
34 Servoventil
35 Schraubverbindung
36 Bodenplatte
37 unterer Anschlag

Claims (10)

1. Vibrator zur Erzeugung seismischer Energie, mit einer Bodenplatte (5, 25) und einer schweren Reaktionsmasse (4, 22), die gegeneinander durch einen in einem Arbeits­ zylinder (2) geführten Kolben (14) mit Kolbenstange (1) hydraulisch bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein getrennter Arbeitszylinder (2, 24) entweder als Teil der Reaktionsmasse mit einem schweren Zusatzgewicht (4) oder mit der Bodenplatte (25) mechanisch verbunden ist, und daß der Arbeitszylinder (2, 24) hydraulische Steuer­ einrichtungen (11, 12, 13) zur Betätigung des Kolbens (14, 26) aufweist.

2. Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator auf einem Trägerfahrzeug angeordnet ist und zur Inbetriebnahme nach Absenken an den Boden an­ drückbar ist.

3. Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (2, 24) obere und untere Führungs­ buchsen (3) aufweist, zwischen deren Stirnseiten und dem Kolben (14, 26) je ein mit Hydraulikflüssigkeit be­ aufschlagbarer Zylinderraum (15, 16) gebildet ist.

4. Vibrator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Arbeitszylinder (2, 24) eine Ventileinheit (12) zur abwechselnden Beaufschlagung der Zylinderräume (15, 16) des Arbeitszylinders (2) mit Hydraulikflüssigkeit vorgesehen ist.

5. Vibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Arbeitszylinder (2) ferner ein Hydropuffer (13) angeordnet ist.

6. Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (2) in einer Ausnehmung der schwe­ ren Reaktionsmasse (4) verschraubt ist, und ein Ende der Kolbenstange (1) in der Bodenplatte (5) verankert ist.

7. Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (24) mit der Bodenplatte (25) ver­ schraubt ist, und ein Ende der Kolbenstange in der schweren Reaktionsmasse verankert ist.

8. Vibrator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (23) in einer in der schweren Reak­ tionsmasse verankerten Hülse (29) befestigt ist.

9. Vibrator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Kol­ benstange parallel geführte Führungsstange (8, 30) zwischen Arbeitszylinder (24) und Zusatzgewicht (22) bzw. Arbeitszylinder (2) und Kolbenstange (1) zur Ver­ drehsicherung des Vibrators vorgesehen ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszy­ linder (2, 24) aus hochwertigem Stahl und die schwere Reaktionsmasse (4, 22) aus geringwertigerem Gußeisen besteht.