FI66547C - Hydraulisk vibrationsapparat - Google Patents

Description

I- 1 r_, KUULUTUSJULKAISU , , c A n V&Rt ® ^ UTLÄCGNINGSSKRIFT 665 4 7 C /451 Patentti my en ne i ty 1C 11 1934 *4SL0 Patent lecddelnt ^ ^ ; (51) KvJflB 06 B 1/12, G 01 V 1/133 SUOMI—FINLAND <*> to»»»*"·""·-mm., 802485 (22) HmkamhpMvl—AmBhnhipdn 07.08.80 (FI) (23) AMcM^Uvi—GIWglMtxfof 07.08.80 (41) Taft* («ItdMksl — MvK off—*»t 09.02.8l

Ntantti· {a raklstarlliallltM /44) nKWilwlpwnii ptawiHlaHw1 pm».— 01 07 84

Patanfr· och 1 >|IiUi ilyrilnn ' 1 A—ak— nthgil od> autottn path—rod -3 * 1 (32)(33)(31) Pyy*·*»? «»oft— Bfrd prtorKa* 08.08.79 WO PCT/US79/00591 (71) Conoco, Inc., P.0. Box 1267» Ponca City, Oklahoma 74601, USA(US) (72) Delbert Wayne Fair, Ponca City, Oklahoma, USA(US) (74) Oy Kolster Ab (54) Hydraulinen värähtelylaitteisto - Hydraulisk vibrationsapparat

Keksintö koskee hydraulista värähtelylaitteistoa, jossa on runko, pystysuora, kummastakin päästä männän varrella varustettu mäntäelementti, johon kuuluu käyttömäntä, ylempi männän varsi, joka lähtee käyttömännästä ja jossa on runkoon liitetty pää ja alempi männän varsi, jossa on runkoon liitetty pää, reaktiomassa, joka on sovitettu resiprookkisesti mäntäelementin ympärille ja joka muodostaa hydraulisen käyttösylinterin käyttömännän ympärille sekä reaktiomassaan sovitettu esijännitysväline, ensimmäiset aukot hydraulinesteen johtamiseksi käyttösylinteriin reaktiomassan suunnan vaihtamiseksi suhteessa käyttömäntään, jolloin ensimmäiset aukot on yhdistetty käyttösylinterin kanssa ylemmällä männän varrella ja hydraulinesteen lähteen kanssa, ja toiset aukot hydraulinesteen johtamiseksi oleellisesti vakiopaineella ylemmän männän varren kautta hydraulilähteestä esijännitysvälineeseen, jolloin hydraulinen värähtelijä reagoi paremmin suuriin taajuuksiin.

Aikaisemmat rakenteet käsittävät hydraulisia värähtelijöitä, joissa on käyttö- ja tukisylinterit US-patentin n:o 3 845 885 (Fair ym. , 17.7.1973) esittämällä tavalla. Em. patentin mukainen 66547 laitteisto on tarkoitettu käytettäväksi n. 2-80 jaksoa/sek. käsittävillä normaalitaajuusalueilla. Myös US-patentti n:o 4 106 586 on erittäin mielenkiintoinen, koska siihen kuuluvan värähtely-yksikön sylinterin päiden holkkeja voidaan säätää kahden pääteasen-non välillä, niin että hydraulisylinteri saadaan joko lyhyemmäksi tai pitemmäksi. Nyt selostettavan keksinnön mukainen laitteisto vastaa pääpiirteiltään Fairin kehittämää laitteistoa, mutta sitä voidaan käyttää paljon suuremmalla taajuusalueella, 250 jaksoa/sek. ja enemmänkin.

Keksinnön mukaisen laitteiston tunnusmerkit ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista.

Keksintö koskee sellaista, tiettyä seismistä lähdettä varten tarkoitettua hydraulisen muutinsylinterin ja massan käsittävää rakenneyksikköä, joka pystyy synnyttämään suuren voiman laajalla seismisten signaalien taajuusalueella. Painenesteen kokoonpuristuvuus muutinta käyttävässä hydraulijärjestelmässä on tällöin rajoittavana tekijänä. Jotta nesteen puristuvuuden ja tehollisen massan ominaistaajuus saadaan pysymään korkeana, on hydraulisylinterin pinta-alan suhde suljettuun nestevolyymiin optimoitava mahdollisimman suureksi rakennesuunnittelun ja käyttöolosuhteiden puitteissa .

Keksintö pystyy täyttämään nämä vaatimukset, koska siinä on suhteellisen suuren pinta-alan ja lyhyen iskun käsittävä sylinteri. Lisäksi käyttösylinterin ja servo-1.apuventtiilin väliset kanavat ovat verrattain lyhyitä. Näiden suhteellisen lyhyiden kanavien järjestäminen on mahdollista siten, että käyttösylinteri sijoitetaan lähelle apuventtiiliä ja hydraulinen tukisylinteri puolestaan mieluimmin käyttösylinterin alapuolelle eikä yläpuolelle, kuten US-patentissa n:o 3 745 885 esitetään. Suurpaineneste kanavoidaan tällöin apuventtiilistä männän varren läpi käyttösylintereihin. Apu-venttiili on pääventtiilin kanssa kohtisuorassa männän varren akseliin nähden, jolloin venttiili on saatu tasapainoon. Lisäksi venttiili on sijoitettu männän varren pään keskiosaan tai lähelle sitä, jolloin kanava on saatu lyhyemmäksi ja kanavan pituus sylinterin kummallakin puolella melkein samanlaiseksi.

Keksinnön mukaisessa sylinteriyksikössä olevan käyttösylinterin pituutta voidaan muuttaa, niin että muutin pystyy toimimaan eri taajuusalueilla. Pituuden säätö tapahtuu käyttösylinterin männän iskupituutta muuttamalla.

3 66547

Kuvio 1 on osittainen pystyleikkaus keksinnön mukaisesta seismisestä muuttimesta ja esittää kaaviona joitakin siihen kuuluvia komponentteja, ja kuvio 2 on pystykuva keksinnön mukaisen männänvarsiyksikön vaihtoehtoisesta rakenteesta.

Kuviossa 1 keksinnön mukainen hydraulinen värähtelylait-teisto 1. seisminen muutin on esitetty viitenumerolla 10.

Hydrauliseen värähtelijään 10 kuuluu runkoyksikkö 12, jossa on levyosa 18, katkaistun kartion muotoinen osa 20 ja lieriöosa 22. Runkoyksiköstä 12 on saatu näin tukeva vaippa, joka muodostaa varman yhdysrakenteen männän varren yläpään 30 ja alustalevyn 14 väliin. Alustalevyyn 14 on taas yhdistetty kiinteästi männän varren alapää 34.

Näin ollen pystysuoraan kaksipäämäntärakenteeseen 24 kuuluu käyttömäntä 26, siitä lähtevä ylävarsi 28, levyosaan 18 kiinnitetty yläpää 30 sekä männästä 26 alaspäin suuntautuva alavarsi 32, jonka alapää 34 on kiinnitetty alustalevyrakenteeseen 14.

Alavarressa 32 on ensimmäinen osa 36, jossa on käyttömän-nästä 26 lähtevä ensimmäinen lieriöosa 37, ja toinen, halkaisijaltaan pienempi lieriöosa 38, joka alkaa ensimmäisestä lieriöosasta 37. Alavarren 32 alapää 34 sen (32) toisen, halkaisijaltaan pienemmän osan 38 alapää. Alavarren 32 toinen osa, johon kuuluu männän varren lieriöputki 40, on sijoitettu alavarren 32 halkaisijaltaan pienemmän osan 38 ympärille, jolloin muodostuu rengasmainen, ylöspäin suuntautuva olake 42.

Reaktiomassa 44 liikkuu edestakaisin mäntään 24 nähden ja käsittää akselin suuntaisen reiän, jossa on lieriöputki 48, jolloin käyttömännän 26 ympärille muodostuu hydraulinen käyttösylinteri 46. Edellä selostetusta runkorakenteesta 12 johtuen massa 44 voi olla kokonaan koteloitu. Reaktiomassa 44 konstruoidaan mieluimmin siten, että sen painopiste on hieman maanpinnan yläpuolella, korkeintaan puolet alustalevyn 14 pienimmästä vaakatasomitästä.

Lieriöputki 48 muodostaa hydraulisen käyttösyIinterin 46. Käyttömäntä 26 liikkuu siinä edestakaisin ylä- ja alaholkin 50 ja 52 rajaamana,ts. holkeissa 50 ja 52 on halkaisijaltaan pienemmät päät 54 ja 56, jotka on sijoitettu samankeskisesti lieriöputken 48 ylä- ja alapäähän, jolloin ne rajaavat ylä- ja alapään 58 ja 60 käyttösylinterissä 46.

Käyttösylinterin 46 pituutta 62 voidaan muuttaa vaihtamalla hoikkien 50 ja 52 tilalle vastaavat holkit, joiden halkaisijaltaan 4 66547 pienemmissä päissä 54 ja 56 on eri pituus. Päät 54 ja 56 menevät tällöin putkeen 48. Seisminen muutin 10 saadaan toimimaan eri taajuusalueilla siis muuttamalla käyttömännän iskun pituutta käyttö-sylinterissä. Jos halkaisijaltaan pienempien osien 54 ja 56 pituutta lisätään, niin sylinterissä oleva painenestemäärä pienenee, jolloin värähtelijän ylätaajuusrajat pitenevät. Kuitenkin värähtelijän iskun pituutta on tällöin lyhennettävä, niin että mäntä ei pääse lyömään osiin 54 ja 56. Iskun pituuden lyhentäminen tapahtuu rajoittamalla värähtelijän lähettämää alhaisinta taajuutta.

Ylempi sylinteriholkki 50, putki 48 ja alempi sylinteriholkki 52 ovat tiiviisti reaktiomassan 44 aksiaalisessa reiässä 64. Samassa reiässä on myös sylinteriholkin 52 alapuolella tukisylinterin holkki 66 ja pohjaholkki 68. Em. erilaiset holkit pysyvät paikoillaan ylä- ja alakansien 70 ka 72 avulla. Ne on puolestaan kiinnitetty reaktiomassaan 44 pulteilla 73 ja 75.

Reaktiomassan 44 tukisylinterin hoikkiin 66 kuuluu alaspäin suuntautuva olake 74, joka on käyttösylinterin 46 alapuolella, ja ylöspäin suuntautuva olake 42, joka liittyy alavarteen 32. Tällöin muodostuu hydraulinen tukisylinteri 76 olakkeiden 42 ja 74 väliin.

Männän 24 läpi on järjestetty ensimmäinen ja toinen paine-nesteaukko 78 ja 80, jotka ovat yhteydessä ylä- ja alavarren 28 ja 32 ulkopintoihin 82 ja 84, ts. sylinterin 46 ylä- ja alaosaan.

Ensimmäisen ja toisen aukon 78 ja 80 yläpää on yhteydessä tavanomaiseen apuventtiiliin 86, joka syöttää jaksottain painenestet-tä aukkojen 78 ja 80 läpi, niin että reaktiomassa 44 liikkuu edestakaisin käyttömäntään 26 nähden. Apuventtiiliä 86 voidaan tällöin pitää painenestelähteenä.

Sijoittamalla tukisylinteri 76 käyttösylinterin 46 alapuolelle aukkoihin 78 ja 80 tulevien kanavien pituus käyttösylinterin 46 ja apuventtiilin 86 välillä jää mahdollisimman lyhyeksi. Jotta seisminen muutin saadaan toimimaan tyydyttävästi korkeammilla taajuusalueilla, järjestelmä on suunniteltava siten, että sen ominaistaajuus on haluttua käyttötaajuutta suurempi. Ominaistaajuudella tarkoitetaan tällöin jousto-massajärjestelmän taajuutta. Po. järjestelmä tarkoittaa taas runkoyksikön 12 massaa sekä käyttösylinteriin 46 ja aukkojen 78 ja 80 kanaviin suljetun nesteen joustovakiota.

Tämä ominaistaajuus on verrannollinen sylinterissä 46 ja 66547 aukoissa 78 ja 80 olevan suljetun nesteen joustovakion neliöjuureen. Joustovakio on puolestaan verrannollinen männän 26 peittämän renkaan muotoisen alueen neliön suhteeseen jaettuna käyttösylin-teriin 46 ja aukkoihin 78 ja 80 johtaviin kanaviin suljetun nesteen tilavuudella. Käyttämällä suurta reikää, lyhytiskuista mäntää ja minimoimalla kanavien 78 ja 80 pituudet tämä suhde ja järjestelmän ominaistaajuus pystytään maksimoimaan riittävässä määrin.

Kaava, jonka mukaan lasketaan järjestelmän luonnollinen taajuus, (f) on seuraava: f = 4 ^/ΓΙ(386)

* W

Tällöin W = rungon 12 paino nauloina (naula = 453,6 g) ja K = suljetun painenesteen joustovakio laskettuna nauloina tuumaa kohden (pounds per inch).

K = ,

V

jolloin = nesteen tilavuuskimmoisuus 1. puristuvuuskerroin (esim. 2,5 x 105 psi hydrauliöljylle) A = männän 26 peittämä renkaan muotoinen alue neliö-tuumina, ja V = suljettu nestetilavuus neliötuumina apuventtii-listä 86 männän 26 pintaan männän 26 ollessa keskiasennossaan käyttösylinterissä 46.

Mäntäosaan 24 on järjestetty myös aukko 88 ja kanava suunnilleen vakiona pysyvän hydraulisen paineen syöttämiseksi hydrauliseen tukisylinteriin 76. Aukko 88 on sijoitettu suunnilleen vakiona pysyvän painenestelähteen 90 ja em. tukisylinterin 76 väliin. Aukon 88 säteittäinen osa 91 on yhteydessä alatangon 32 ensimmäisen lie-riöosan 37 ulkopintaan 84 lähellä sylinteriä 76. Em. paineneste-lähteestä 90 tulevan, suunnilleen vakiona pysyvän painenesteen paine on riittävä, niin että reaktiomassan 44 paino kompensoituu hydraulisella voimalla, joka vaikuttaa alaspäin suuntautuvaan olakkeeseen 6 66547 74 (reaktiomassaosan 44 tukisylinterin hoikissa 66). Tässä mäntä-osassa 24 on myös aukko (ei esitetty kuviossa) nestepaineen poistoa (bleed-back) ja massa-aukon tiivistysjärjestelmää varten. Tällainen poisto-1. vuotoaukko tunnetaan ao. tekniikassa ja se sisältyy myös samanaikaisesti jätettyyn toiseen patenttihakemukseen .

Kuviossa 2 nähdään rakennevaihtoehto männästä 24 ja siitä käytetään viitemerkintää 24a. Kaksipäämäntäyksikköön 24a kuuluu käyttömäntä 26a, ylävarsi 28a ja alavarsi 32a.

Alavarressa 32a on ensimmäinen lieriöosa 92, joka alkaa käyt-tömännästä 26a. Alavarren 32 irrotettava, toinen lieriöosa 94 on kiinnitetty yläpäästään 96 ensimmäiseen osaan 92 useilla pitkittäis-pulteilla 98. Alapää 100 kiinnitetään taas runkoon 12. Em. toisen lieriöosan 94 ulkohalkaisija on suurempi kuin ensimmäisen lieriö-osan 92 ulkohalkaisija. Tällöin muodostuu rengasmainen ylöspäin suuntautuva olake 102, joka vastaa kuvion 1 olaketta 42. Kuvion 2 kaksipäämäntäyksikköön 24a voi kuulua myös kuvion 1 aukkoja 78, 80 ja 88 vastaava rakenne (ei kuviossa).

Alettaessa käyttää seismistä värähtelijää 10 se sijoitetaan ao. paikkaan siten, että sen alustalevy 14 koskettaa riittävällä painolla maanpintaan energiakytkennän aikaansaamiseksi. Elektroninen ohjaussignaaligeneraattori ja hydraulinen käyttöyksikkö (ei kuviossa) käynnistetään, jolloin värähtelijä alkaa toimia. Tässä tapauksessa ohjaussignaali on suuremmilla taajuuksilla n. 250 Hz (ylemmät pyyhkäisytaajuudet). Näin ollen apuventtiili 86 ohjaa jaksottaista nestepainetta aukkojen 78 ja 80 välissä, niin että reaktio-massa 44 liikkuu edestakaisin mäntään 26 nähden, mikä aiheuttaa puolestaan alustalevyn 14 liikkumisen edestakaisin pystysuunnassa. Reaktiomassan 44 painon aiheuttama gravitaatiovastus kumotaan käyttämällä sopivaa nestepainetta yksiköstä 90 aukon 88 kautta tuki-sylinteriin 76.

Suurtaajuusvärähtelyt saadaan parhaiten aikaan 1) sijoittamalla sylinteri 46 ja mäntä 26 mahdollisimman lähelle apuventtiiliä 86, jolloin nestetilavuus ja puristuvuuskerroin, joka liittyy aukkokanaviin, pienenee, ja 2) pienentämällä männän 26 iskua ja 7 66547 sylinterin 46 tilavuutta niin paljon kuin se on tarpeellista massan värähtelyihin nähden haluttua suurtaajuusaluetta kohden. Näillä toimenpiteillä maahan saadaan tehokas energian syöttö, n. 250 Hz ja enemmänkin.

Edellä esitetystä on käynyt selville, että keksinnöllä päästään siltä edellytettäviin tavoitteisiin ja etuihin. Edellä on esitetty kuitenkin vain joitakin suositeltavia rakenteita, mutta alan asiantuntijat ymmärtävät hyvin että niihin voidaan tehdä lukuisia muutoksia. Tällaiset muutokset ja rakennemuunnelmat sisältyvätkin seuraavissa patenttivaatimuksissa rajatun keksinnön suoja-piiriin.

Claims (8)

8 66547

1. Hydraulinen värähtelylaitteisto, jossa on runko (12), pystysuora, kummastakin päästä männänvarrella varustettu mäntä-elementti, johon kuuluu käyttömäntä (26), ylempi männänvarsi (28), joka lähtee käyttömännästä (26) ja jossa on runkoon (12) liitetty pää (30) ja alempi männänvarsi (32), jossa on runkoon (12) liitetty pää (34), reaktiomassa (44) , joka on sovitettu resiprookkisesti mäntäelementin ympärille ja joka muodostaa hydraulisen käyttösylin-terin (46) käyttömännän (26) ympärille sekä reaktiomassaan (44) sovitettu esijännitysväline, ensimmäiset aukot (78-80) hydraulines-teen johtamiseksi käyttösylinteriin (46) reaktiomassan (44) suunnan vaihtamiseksi suhteessa käyttömäntään (26), jolloin ensimmäiset aukot on yhdistetty käyttösylinterin (46) kanssa ylemmällä männänvarrella (28) ja hydraulinesteen lähteen kanssa, ja toiset aukot (88) hydraulinesteen johtamiseksi oleellisesti vakiopaineella ylemmän männänvarren (28) kautta hydraulilähteestä (90) esijännitys-välineeseen, jolloin hydraulinen värähtelijä reagoi paremmin suuriin taajuuksiin, tunnettu siitä, että ylemmällä männänvarrella (28) on pituus, joka on olennaisesti lyhyempi kuin alemman männänvarren (32) pituus hydraulinesteen vähentämiseksi hydraulinesteen lähteen ja käyttösylinterin (46) välillä, alemmassa männänvarressa (32) on ensimmäinen osa (36), joka lähtee käyttö-männästä (26) ja irrotettava toinen osa (38) , joka on liitetty ensimmäiseen osaan (36), jolloin irrotettavassa toisessa osassa (38) on alemman männänvarren (32) ylöspäin osoittava olake (42), esijännitysvälineessä on alaspäin osoittava olake (74) käyttösylinterin (46) alapuolella ja alemman männänvarren (32) ylöspäin osoittavan olakkeen (42) yläpuolella hydraulisen esijännityssylin-terin (76) muodostamiseksi ylöspäin ja alaspäin osoittavien olak-keiden väliin ja että vakiopaineisella hydraulinesteellä on riittävä paine, jotta ylöspäin suunnattu, reaktiomassan (44) alaspäin osoittavaan olakkeeseen (74) vaikuttava hydraulinen voima pystyy nostamaan reaktiomassan (44) painon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hydraulinen värähtelylait-teisto, tunnettu siitä, että alemman männänvarren (32) irrotettava toinen osa sisältää lieriömäisen hoikin (40) , joka on sovitettu mainitun männänvarren ensimmäiselle osalle. 66547

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen hydraulinen värähtely-laitteisto, tunnettu siitä, että alemman männänvarren (32) ensimmäisessä osassa (36) on ensimmäinen lieriömäinen osa (37), joka ulkonee käyttömännästä (26) ja toinen, halkaisijaltaan pienempi lieriömäinen osa (38), joka ulkonee ensimmäisestä osasta ja jossa on pää (34), joka on liitetty runkoon (12), jolloin lieriömäinen holkki (40) on sovitettu toiselle, halkaisijaltaan pienemmälle osalle (38) ja jolloin sillä on ulkohalkaisija, joka on suurempi kuin ensimmäisen lieriömäisen osan (32) ulkohalkaisija.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen hydraulinen värähtely-laitteisto, tunnettu siitä, että toinen aukko (88) on yhdistetty alemman männänvarren (32) ensimmäisen osan (36) ensimmäisen lieriömäisen osan (37) ulkopintaan lähellä hydraulista esi-jännityssylinteriä (76).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hydraulinen värähtely-laitteisto, tunnettu siitä, että alemman männänvarren (32) ensimmäinen osa sisältää lieriömäisen ensimmäisen osan ja alemman männänvarren (32) irrotettavassa toisessa osassa on lieriömäinen toinen osa (94) , jossa on yläpää (96) , joka on liitetty ensimmäiseen osaan (92), kun taas sen alapää (100) on liitetty runkoon (12), jolloin irrotettavalla lieriömäisellä toisella osalla (94) on ulkohalkaisija, joka on suurempi kuin ensimmäisen osan (92) ulkohalkaisija ylöspäin osoittavan olakkeen (102) muodostamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen hydraulinen värähtely-laitteisto, tunnettu siitä, että alemman männänvarren (32) ensimmäiset ja toiset osat (92, 94) on yhdistetty keskenään pulteilla .

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen hydraulinen värähte-lylaitteisto, tunnettu siitä, että toinen aukko (88) on yhteydessä alemman männänvarren (32) ensimmäisen osan (92) ulkopinnan kanssa lähellä hydraulista esijännityssylinteriä (76).

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen hydraulinen värähtelylaitteisto, tunnettu siitä, että hydraulinen käyttösylirvteri (46) muodostuu lieriömäisestä sylinteriholkis-ta (48), johon käyttömäntä (26) on resiprookkisesti sijoitettu, ylemmällä (50) ja alemmalla (52) sylinterin kannella on ala- ja vastaavasti yläpää, jotka molemmat on sijoitettu samankeskisesti 66547 ίο sylinteriholkin (48) ylä- ja vastaavasti alapäähän, hydraulisen käyttösylinterin (46) ylä- ja alapään muodostamiseksi, joten hydraulisen käyttösylinterin (46) pituus on muutettavissa ja että sylinterin kannet (50, 52) ulottuvat sylinteriholkin (48) sisään. 11 66547