NO156106B - Hydraulisk vibratorinnretning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt omvandlere eller svin-gere for frembringelse av vibrasjonssignaler i et elastisk medium, og særlig en forbedret konstruksjon for en forholdsvis høyfrekvent omvandler eller vibrator for generering av seismiske bølger i jorden.

Den kjente teknikk omfatter hydrauliske vibratorer som har drivsylindere og forspenningssylindere slik som vist i US-PS 3 745 885 (Fair et al.). Denne kjente innretning ér konstruert for drift i normale frekvensområder på ca. 2-80 perioder pr. sekund. Et annet patent av særlig interesse er US-PS 4 106 586 (Stafford). Dette patentskrift viser en vibratormontasje i hvilken drivsylinderens ende-hylser eller endeforinger er justerbare mellom to ytter-stillinger for enten å forkorte eller forlenge den hydrauliske sylinder, for derved å øke det frekvensområde av vibrasjoner som kan frembringes ved hjelp av vibratoren.

Ved sådan økning av frekvensområdet er imidlertid kompressi-biliteten av det hydrauliske fluidum i det hydrauliske system som driver vibratoren, en begrensende faktor. For å opprettholde en høy egenfrekvens av det hydrauliske fluidum og den effektive masse, må derfor forholdet mellom arealet av den hydrauliske sylinder og det innelukkede fluidumvolum optimeres til en så høy verdi som mulig innenfor rammen av praktiske konstruksjons- og driftsbetingelser.

Formålet med oppfinnelsen er således å tilveiebringe en hydraulisk vibratorinnretning som er i stand til å gene-rere utgangssignaler med stor styrke over et vidt frekvensområde av seismiske signaler, og hvor forholdet mellom arealet av den hydrauliske sylinder og det innelukkede fluidumvolum er optimert til en så høy verdi som mulig.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveie-brakt en hydraulisk vibratorinnretning omfattende en ramme som omfatter en bunnplate som er tilpasset for seismisk energitilførsel til jordoverflaten ved forholdsvis høye frekvenser, en vertikal, dobbeltstangende-stempeldel som omfatter et drivstempel, en øvre stang som strekker seg fra drivstempelet og har en ende festet til rammen, og en nedre stang som strekker seg fra drivstempelet og er festet til bunnplaten, en reaksjonsmasse som er resiprokerbart anbrakt rundt stempeldelen og danner en hydraulisk drivsylinder rundt drivstempelet, idet reaksjonsmassen omfatter en forspenningssylinder, en første portanordning som er forbundet med drivsylinderen og med en kilde for hydraulisk fluidum under trykk, for innføring av hydraulisk fluidum til drivsylinderen for å bevege drivstempelet frem og tilbake i forhold til reaksjonsmassen, og en andre portanordning for innføring av hydraulisk fluidum med i hovedsaken konstant trykk til forspenningssylinderen, idet dette hydrauliske fluidum har tilstrekkelig trykk til at vekten av reaksjonsmassen forskyves av en oppadrettet hydraulisk kraft som virker på reaksjonsmassen, hvilken innretning er kjennetegnet ved at den nevnte nedre stang strekker seg mye lenger enn den øvre stang og også har et første parti som strekker seg fra drivstempelet og har et avtagbart andre parti som er forbundet med det første parti, idet det avtagbare, andre parti danner en oppadvendende skulder av den nedre stang, idet reaksjonsmassen omfatter en nedadvendende skulder som er beliggende under drivsylinderen og over den nedre stangs oppadvendende skulder for å danne den hydraulisk forspennende sylinder mellom de oppad- og nedadvendende skuldre, slik at det fjær-masse-system som er representert ved massen av rammen og f jær-konstanten til det innfangede fluidum i drivsylinderen og de nevnte portanordninger, har en verdi som ligger over et driftsfrekvensområde som strekker seg inn i det høyere seismiske frekvensområde over 80 perioder pr. sekund.

I vibratorinnretningen ifølge oppfinnelsen benyttes en sylinder med forholdsvis stort areal og kort slaglengde, og forholdsvis korte passasjer mellom drivsylinderen og kilden for hydraulisk fluidum under trykk. For oppnåelse av disse forholdsvis korte passasjer er drivsylinderen beliggende nær trykkilden (servoventil), og den hydrauliske forspenningssylinder er beliggende under drivsylinderen, dvs. under i stedet for over drivsylinderen slik som vist i US-PS 3 745 885, og høytrykksfluidumet tilføres fra servoventilen via stempelstangen til drivsylinderen. Ved hjelp av denne vibratorkonstruksjon oppnås effektiv vibrasjonsenergi i et driftsfrekvensområde opp til og over 250 perioder pr. sekund.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser et delvis gjennomskåret sideriss av en hydraulisk vibratorinnretning ifølge oppfinnelsen og med noen av komponentene vist i skjematisk form, og fig. 2 viser et sideriss av en alternativ utførelse av stempelstangmontasjen i innretningen ifølge oppfinnelsen.

På fig. 1 er en hydraulisk vibratorinnretning eller seismisk omvandler ifølge oppfinnelsen vist å være generelt betegnet med henvisningstallet 10. Den hydrauliske vibrator 10 omfatter en rammemontasje 12. Rammemontasjen 12 omfatter en platedel 18, en kjeglestumpformet del 20 og en sylindrisk del 22. Rammemontasjen 12, slik den er opp-bygget av sine inngående deler, utgjør et stivt hus som tilveiebringer en sikker sammenkopling mellom den øvre stempelstangende 30 som skal beskrives nærmere nedenfor, og en basis- eller bunnplate 14 som på sin side er stivt festet til den nedere stempelstangende 34.

En vertikal dobbeltstangende-stempeldel 24 omfatter således et drivstempel 26, en øvre stang 28 som strekker seg fra drivstempelet 26, en øvre ende 30 som er festet til platedelen 18, og en nedre stang 32 som strekker seg fra stempelet 26 og har en nedre ende 34 som er festet til bunnplaten 14.

Den nedre stang 32 omfatter et første parti 3 6 med en første sylindrisk del 37 som strekker seg fra drivstempelet 26, og en andre sylindrisk del 38 som har redusert diameter og strekker seg fra den første del 37. Den nedre stangs 32 nedre ende 34 er den nedre ende av den nedre stangs 3 2 andre del 38 som har redusert diameter. Et andre parti av den nedre stang 32, som utgjør en sylindrisk stem-pelstanghylse 40, er anbrakt rundt den nedre stangs 32 andre del 38 med redusert diameter for å danne en ringformet, oppadvendende skulder 42.

En reaksjonsmasse 44 er anbrakt for resiprokerende påvirkning rundt stempeldelen 24 og omfatter en aksial boring med en sylinderhylse eller sylinderforing 4 8 for å danne en hydraulisk drivsylinder 46 rundt drivstempelet 26. Den ovenfor beskrevne konstruksjon av rammen 12 tillater massen 44 å være fullstendig innelukket. Reaksjonsmassen 44 er for-trinnsvis konstruert slik at den har et tyngdepunkt beliggende i en avstand over jordoverflaten som ikke er større enn halvparten av den minste horisontale dimensjon av bunnplaten 14.

Som nevnt er en hydraulisk drivsylinder 46 dannet av sylinderhylsen 48 i hvilken drivstempelet 26 er resiprokerbart anordnet, og drivsylinderen er avgrenset av øvre og nedre sylinderforinger 50 hhv. 52. De øvre og nedre sylinderforinger 50 og 52 har med andre ord nedre og øvre endepartier 54 hhv. 56 som har redusert diameter og som er konsentrisk opptatt i de øvre og nedre ender av sylinderhylsen 48 for å avgrense de øvre og nedre ender 58 hhv. 60 av den hydrauliske drivsylinder 46.

Drivsylinderens 46 lengde 62 kan varieres ved å erstatte sylinderfåringene 50 og 52 med liknende sylinderforinger som har valgte, forskjellige lengder med reduserte partier 54 hhv. 56 som strekker seg inn i sylinderhylsen 48. Dette kan tillate den hydrauliske vibratorinnretning 10 å operere over forskjellige frekvensområder ved å endre drivstempelets 26 tillatelige slaglengde inne i drivsylinderen. Dersom lengden av de reduserte partier 54 og 56 forlenges, vil det totale volum av fluidumet inne i sylinderen bli redusert slik at vibratorens øvre frekvensgrenser dermed utvides. Når dette gjøres, må imidlertid vibratorens tillatelige slaglengde reduseres for å hindre at stempelet treffer partiene 54 og 56. Den reduserte slaglengde oppnås ved å begrense den laveste frekvens som overføres av vibratoren.

Den øvre sylinderforing 50, sylinderhylsen 4 8 og den nedre sylinderforing 52 er opptatt med trang pasning i en aksial boring 64 i reaksjonsmassen 44. I den aksiale boring 64 i nedadstigende rekkefølge under sylinderforingen 52 er det også opptatt en forspenningssylinderforing 66 og en bunnforing 68. De forskjellige hylser og foringer som nettopp er beskrevet, holdes på plass ved hjelp av øvre og nedre endedeksler 70 og 72 som er festet til reaksjonsmassen

44 ved hjelp av bolter 73 og 75.

Reaksjonsmassedelens 44 forspenningssylinderforing 66 omfatter en nedadvendende skulder 74 som er beliggende under drivsylinderen 4 6 og over den nedre stangs 32 oppadvendende skulder 42 for å danne en hydraulisk pådrags-eller forspenningssylinder 7 6 mellom den oppadvendende skulder 42 og den nedadvendende skulder 74.

Første og andre fluidumportpassasjer 78 og 80 er anordnet aksialt gjennom stempeldelen 24 og står i forbindelse med ytre overflater 82 og 84 av de øvre og nedre stempelstenger 28 hhv. 32, dvs. med de øvre og nedre partier av sylinderen 46.

De øvre endepassasjer av de første og andre porter 78 og 80 står i forbindelse med en konvensjonell servoventil

86 som vekselvis tilfører hydraulisk fluidum under trykk

gjennom portene 78 og 80 for å bringe reaksjonsmassedelen 44 til å bevege seg frem og tilbake i forhold til drivstempelet 26. Servoventilen 86 kan generelt betegnes som en kilde for hydraulisk fluidum under trykk.

Ved plassering av forspenningssylinderen 7 6 under drivsylinderen 46 holdes lengden av passasjene til portene 78 og 80 mellom drivsylinderen 46 og servoventilen 86 så kort som mulig. For å oppnå tilfredsstillende drift av den hydrauliske vibrator 10 i frekvensbåndene med høyere seismiske frekvenser, er det nødvendig å konstruere systemet slik at dets egenfrekvens ligger over den ønskede driftsfre-kvens. Den egenfrekvens som det dreier seg om, er egen-frekvensen til det fjær-masse-system som er representert ved rammemontasjens 12 masse og fjærkonstanten til det fluidum som er innfanget i drivsylinderen 46 og passasjene til portene 78 og 80.

Denne egenfrekvens til systemet er proporsjonal med kvadratroten av fjærkonstanten til det fluidum som er innfanget i drivsylinderen 4 6 og portpassasjene 78 og 80. Fjærkonstanten er på sin side proporsjonal med forholdet mellom kvadratet på det ringformede areal som passeres av stempelet 26, og volumet av fluidum som er innfanget i drivsylinderen 46 og portpassasjene 78 og 80. Ved å benytte et stempel med stor boring og kort slaglengde og ved å minimert lengdene av portpassasjene 78 og 80, maksimeres ovennevnte forhold og systemets egenfrekvens i den største utstrekning som er praktisk.

Formelen for beregning av systemets egenfrekvens (f) er:

hvor

W = vekten av rammen 12 i kg, og

K = fjærkonstanten til det innfangede fluidum i kg/cm beregnet ved hjelp av uttrykket

hvor 3 = fluidum-sammentrykningskoeffisient (f.eks.

1,75 • IO4 kg/cm<2>),

A = ringformet areal som passeres av stempelet 26

i cm<2>, og

V = innfanget fluidumvolum i cm^ fra servoventilen 86 til stempelets 26 overflate med stempelet i sin midtstilling i drivsylinderen 46.

En pådrags- eller forspenningsport 88 og en til-hørende passasje er også anordnet i stempeldelen 24 og tilveiebringer en anordning for innføring av et i hovedsaken konstant hydraulisk trykk til den hydrauliske forspenningssylinder 76. Forspenningsportpassasjen 88 er innkoplet mellom en hydraulisk tilførselskilde 90 med i hovedsaken konstant trykk og den hydrauliske forspenningssylinder 76.

Et radialt boringsparti 91 av forspenningsporten 88 står i forbindelse med den ytre overflate 84 av den nedre stangs 32 første sylindriske del 37 nær den hydrauliske forspenningssylinder 76. Den hydrauliske fluidumtilførsel med i hovedsaken konstant trykk fra kilden 90 har tilstrekkelig trykk til at vekten av reaksjonsmassen 44 forskyves eller utliknes ved hjelp av den oppadrettede, hydrauliske kraft som virker på den nedadvendende skulder 74 av forspenningssylin-derforingen 66 i reaksjonsmassedelen 44. Stempeldelen 24 omfatter også portpassasjer (ikke nærmere vist) for fluidum-trykktilbaketapping og opprettholdelse av tetningssystemet for reaksjonsmassedelens boring, hvilket portarrangement kan være av kjent type.

En alternativ utførelse av stempeldelen 24 er vist på fig. 2 og er generelt betegnet med henvisningstallet 24a. Den dobbelte stangende stempeldel 24a omfatter et drivs tempel

26a, en øvre stang 28a og en nedre stang 32a.

Den nedre stang 32a omfatter et første sylindrisk parti 92 som strekker seg fra drivstempelet 26a. Et avtagbart, andre sylindriske parti 94 av den nedre stang 32a har sin øvre ende 96 festet til det første parti 92 ved hjelp av et antall langsgående bolter 98, og den nedre ende 100 er tilpasset for befestigelse til rammen 12. Det avtagbare, andre sylindriske parti 94 har en ytterdiameter som er større enn ytterdiameteren av det første parti 92, slik at det er dannet en ringformet, oppadvendende skulder 102 som likner den oppadvendende skulder 42 på fig. 1. Den dobbelte stangende-stempeldel 24a på fig. 2 vil også inneholde portanordninger (ikke vist) av liknende utførelse som portene 78, 80 og 88

på fig. 1.

Under drift anbringes den hydrauliske vibrator 10 på et utvalgt sted på jordoverflaten idet bunnplaten 14 fastholdes på jordoverflaten under tilstrekkelig vekt til å sikre energikqpling. Den tilhørende elektroniske styresignal-generator og hydrauliske drivkilde (ikke vist) blir deretter energisert for å frembringe vibratorpåvirkning. I dette til-felle vil styresignalet ligge ved høyere frekvenser, av størrelsesorden 250 Hz ved de øvre svingefrekvenser. Servoventilen 86 styrer således vekselvis fluidumtrykk mellom portpassasjene 78 og 80 for å bevirke frem- og tilbakegående bevegelse av reaksjonsmassen 44 i forhold til stempelet 26, og derav følgende, vertikal frem- og tilbakegående bevegelse av bunnplaten 14. Den tyngdemotstand som forårsakes av reaksjonsmassens 44 vekt, oppheves ved tilførsel av et valgt fluidumtrykk fra kilden 90 via portpassasjen 88 til forspenningssylinderen 76.

Høyfrekvensvibrasjonene oppnås på optimal måte

ved (1) anbringelse av sylinderen 46 og stempelet 26 så nær som praktisk mulig til servoventilen 86, slik at fluidum-volumet og den tilhørende kompressibilitetsfaktor som er knyttet til portpassasjene, reduseres, og (2) reduksjon av både stempelets 26 slagbevegelse og sylinderens 46 volum i en grad som er praktisk gjennomførbar i betraktning av masse-vibrasjonene i det ønskede, høye frekvensområde. Disse for-anstaltninger muliggjør oppnåelse av effektiv energitilfør-sel til jorden av vibrasjonsenergi med en frekvens av stør-relsesorden 250 Hz og høyere.

Claims (5)

1. Hydraulisk vibratorinnretning omfattende en ramme (12) som omfatter en bunnplate (14) som er tilpasset for seismisk energitilførsel til jordoverflaten ved forholdsvis høye frekvenser, en vertikal, dobbeltstangende-stempeldel (24) som omfatter et drivstempel (26) , en øvre stang (28) som strekker seg fra drivstempelet (24) og har en ende festet til rammen (12), <p>g en nedre stang (32) som strekker seg fra drivstempelet og er festet til bunnplaten (14), en reaksjonsmasse (44) som er resiprokerbart anbrakt rundt stempeldelen (24) og danner en hydraulisk drivsylinder (46) rundt drivstempelet (26), idet reaksjonsmassen omfatter en forspenningssylinder (76), en første portanordning (78, 80) som er forbundet med drivsylinderen (46) og med en kilde (86) for hydraulisk fluidum under trykk, for innføring av hydraulisk fluidum til drivsylinderen (46) for å bevege drivstempelet (26) frem og tilbake i forhold til reaksjonsmassen (44), og en andre portanordning (88) for innføring av hydraulisk fluidum med i hovedsaken konstant trykk til forspenningssylinderen (76) , idet dette hydrauliske fluidum har tilstrekkelig trykk til at vekten av reaksjonsmassen (44) forskyves av en oppadrettet hydraulisk kraft som virker på reaksjonsmassen, karakterisert ved at den nevnte nedre stang (32) strekker seg mye lenger enn den øvre stang (28) og også har et første parti (36) som strekker seg fra drivstempelet (26) og har et avtagbart andre parti (40) som er forbundet med det første parti (36), idet det avtagbare, andre parti (40) danner en oppadvendende skulder (42) av den nedre stang (32), idet reaksjonsmassen (44) omfatter en nedadvendende skulder (74) som er beliggende under drivsylinderen (46) og over den nedre stangs (32) oppadvendende skulder (42) for å danne den hydraulisk forspennende sylinder (76) mellom de oppad- og nedadvendende skuldre, slik at det f jær-masse-system som er representert ved massen av rammen (12) og fjærkonstanten til det innfangede fluidum i drivsylinderen (46) og de nevnte portanordninger (78, 80), har en verdi som ligger over et driftsfrekvensområde som strekker seg inn i det høyere seismiske frekvensområde over 80 perioder pr. sekund.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at det avtagbare andre parti av den nedre stang (32) omfatter en sylindrisk hylse (40) som er anbrakt på det første parti (36).

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det første parti (36) av den nedre stang (32) omfatter en første sylindrisk del (37) som strekker seg fra drivstempelet (26) , og en andre sylindrisk del (38) som har redusert diameter og som strekker seg fra den første del og har en ende (34) festet til rammen (12), idet den sylindriske hylse (40) er anbrakt rundt den andre del (38) med redusert diameter og har en ytterdiameter som er større enn ytterdiameteren av den første sylindriske del (37).

4. Innretning ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den andre portanordning (88) står i forbindelse med den ytre overflate (84) av den første sylindriske del (37) av den nedre stangs (3 2) første parti (36) nær den hydrauliske forspenningssylinder (76).

5. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den hydrauliske drivsylinder (46) er dannet av en sylinderhylse (48) i hvilken drivstempelet (26) er resiprokerbart opptatt, og øvre og nedre sylinderfåringer (50 hhv. 52) som har nedre henholds-vis øvre ender (54 hhv. 56) som er konsentrisk opptatt i øvre og nedre ender av sylinderhylsen (48) for å avgrense de øvre og nedre ender (58 hhv. 60) av den hydrauliske drivsylinder (46), slik at lengden av den hydrauliske drivsylinder kan varieres ved å variere den avstand som sylinderfåringene (50, 52) strekker seg inn i sylinderhylsen (48).