Предложения по организации контроля качества работы вибрационных источников на профиле (стр. 3 )

На западных вибраторах используют специально разработанные распределительные каскады фирм ATLAS или MOOG, пропускные способности которых огромны и превышают 800 л/мин. Отечественные сервоклапаны имеют пропускную способность 200-350 л/мин. Кроме того, за счет упрощенной конструкции у них заниженный в 3-5 раз коэффициент преобразования, что требует от управляющего сервоклапана более мощного управляющего гидравлического потока.

Положение золотника распределительного каскада отслеживается датчиком перемещения ⑦, благодаря которому электронный блок управления может точно знать, где находится золотник и управлять его колебанием. Этим занимается та часть блока управления, которая называется "электрогидравлической следящей системой". В ней имеется контур обратной связи по положению золотника. Качество работы этого контура регулируется параметром, который называется "коэффициентом обратной связи". Значение коэффициента должно быть оптимальным для данного сервоклапана: при заниженном значении управление золотником будет неэффективным, при завышенном – могут возникнуть неконтролируемые автоколебания. Блок управления ADVANCE II может сам определить оптимальное значение этого параметра в ходе специальной процедуры автоматической адаптации к вибратору. Эта процедура называется "калибровка". Полученный в ходе калибровки параметр можно вручную откорректировать в ту или иную сторону для получения более эффективных результатов.

Возбудитель вибрации

В основе возбудителя вибрации – силовой гидроцилиндр двустороннего действия. Шток гидроцилиндра соединен с излучающей (опорной) плитой, а корпус – с реактивной массой, которая замыкает на себя "отдачу" гидроцилиндра.

Ход реактивной массы контролируется датчиком положения ⑧, сигнал которого используется в контуре регулирования положения реактивной массы электрогидравлической следящей системы. Этот контур регулирования не оказывает существенного влияния на качество излучения. Основная его задача состоит в том, чтобы не допустить соударений реактивной массы об ограничители при ее колебании.

Гидроцилиндр имеет два основных параметра: номинальное (расчетное) усилие и максимальный ход. Номинальное усилие определяется как произведение рабочей площади плунжера Sц на номинальное давление в гидросистеме Рн:

Fц. ном. = Sц * Рн.

Номинальное усилие гидроцилиндра является основной мощностной характеристикой вибратора и входит в его название. В технической документации этот параметр иногда называют странным термином "пиковое усилие". В своем развитии сейсмические вибраторы выросли от 5-тонных до 30-тонных.

Номинальное усилие гидроцилиндра характеризует лишь потенциальные возможности вибратора. Дело в том, что грунт обладает упругими и демпфирующими свойствами, которые вместе с элементами возбудителя вибрации образуют сложную колебательную систему. Ей присущи три характерных частоты: два резонанса и расположенный между ними "антирезонанс". На частотах резонанса вибрационное усилие на грунт может превысить номинальное усилие гидроцилиндра, а в области "антирезонанса" – может и не достигнуть его.

Величина вибрационного усилия воздействия на грунт определяется по формуле:

Fгр = -(MRM * XRM + MBP * XBP),

где:        MRM, и MBP – величины масс реактивной массы и опорной плиты соответственно;

       XRM, и XBP – величины вибрационного ускорения реактивной массы и опорной плиты соответственно.

Блок управления умеет вычислять усилие по этой формуле. Необходимые для этого ускорения измеряются с помощью акселерометров ⑥. Результат вычисления используется системой стабилизации усилия (Force Control), которая обеспечивает воздействие на грунт строго заданной величины.

Предельная мощность излучения

Мощность излучения у вибратора регулируется одним способом – изменением амплитуды управляющего тока сервоклапана. От величины тока пропорционально зависит амплитуда колебаний золотника, а от них зависит величина переменного гидравлического потока, поступающего в силовой гидроцилиндр возбудителя вибрации.

Если, начиная работать на малой мощности излучения, постепенно ее увеличивать, то рано или поздно вибратор выйдет на предельный режим работы, при котором вибрационное усилие уже не будет возрастать. Рассмотрим подробнее, от чего зависит предельный режим работы.

В первую очередь следует отметить ограничения, накладываемые на вибратор самой конструкцией. Действительно, у реактивной массы ограничена амплитуда колебаний, скорость ее перемещения ограничена производительностью насосной установки, а ускорение – ограничено номинальным усилием гидроцилиндра. В координатах "Усилие – частота" эти ограничения будут выглядеть в виде линий 1, 2 и 3 соответственно. Рабочая область лежит ниже этих линий.

На высоких частотах возрастают потери гидравлического потока на сжатие рабочей жидкости (линия 4). И, наконец, свои ограничения накладывает амплитудно-частотная характеристика системы "вибратор – грунт" (линия 5).

В зависимости от частотного диапазона свип-сигнала будут проявляться те или иные ограничения.

Низкочастотная часть свипа ограничивается линиями 1 и 2. То есть мощность излучения очень низких частот (единицы герц) ограничена конструктивным ходом реактивной массы, а мощность излучения низких частот – ограничена производительностью насосной установки (или пропускной способностью сервоклапана).
Высокочастотная часть свипа ограничена линией 4, положение которой также связано с пропускной способностью сервоклапана на высоких частотах. Грубо говоря, сервоклапан не успевает заполнять полости гидроцилиндра рабочей жидкостью в достаточной степени, чтобы в них создалось необходимое давление.
Амплитудно-частотная характеристика системы "вибратор – грунт" создает ограничения в средней части свип-сигнала (20-50Гц) своим "антирезонансным" провалом. Чем мягче грунт, тем ниже провал и тем больше он смещен в сторону низких частот.

Влияние нагрузочных характеристик грунта

Влияние характеристик грунта не ограничивается только образованием "антирезонансного провала". Для работы вибратора важнейшее значение имеет и сама величина нагрузки.

Если не вдаваться в дебри теории дроссельного силового гидропривода, каковым является возбудитель вибрации нашего вибратора, то простыми словами можно охарактеризовать ситуацию следующим образом. Вибратор развивает максимальное усилие при неподвижной плите, что равносильно работе на очень жестком грунте.

Чем мягче грунт, тем больше требуется амплитуда колебаний плиты для развития заданного усилия и тем больше требуется величина переменного гидравлического потока в полости гидроцилиндра. Этот поток нужно создать насосной установкой, а затем еще и пропустить через сервоклапан. У вибраторов с маломощной насосной установкой, работа на мягком грунте создает дефицит потока, что автоматически приводит к падению давления. У вибраторов с мощной насосной установкой слабым звеном оказывается сервоклапан, который не может пропустить через себя необходимый поток.

На практике эта закономерность проявляется самым драматичным образом. Как только вибратор попадает на участок профиля с "мягким" грунтом, его усилие падает. 16-тонный вибратор оказывается не в состоянии развить и 5-6 тонн. Особенно заметно реагируют на мягкий грунт те вибраторы, мощностные ресурсы которых ограничены. К ним относятся первые модели отечественных вибраторов, собранные из отечественных комплектующих. Причем электроника (электронная система управления вибратором) не имеет к этой проблеме ни малейшего отношения и ничем не может исправить ситуацию.

Еще несколько слов по поводу сервоклапана. Он может создать ограничения двумя способами. Если его распределительный (главный) каскад имеет низкий коэффициент преобразования (усиления), то соответствующим образом возрастает нагрузка на управляющий каскад сервоклапана (MOOG). Зачастую на его вход приходится подавать управляющий ток предельно допустимого значения, что крайне нежелательно, поскольку это приводит к сокращению его ресурса. Такая ситуация характерна для распределительного каскада ПЭГ-350.

Если распределительный каскад обладает необходимым коэффициентом, но имеет низкую пропускную способность, то колебания его золотника быстро достигают предельных значений. Большой угрозы для надежности это не представляет. Эта ситуация присуща распределительным каскадам УЭГ.

Электроника фирмы Pelton имеет возможность устанавливать границы для допустимых величин входного тока и амплитуды колебаний распределительного золотника. Работа контролируется таким образом, чтобы не допускать перехода за эти границы. При подходе одного из параметров к границе блок управления просто-напросто занижает величину электрического управляющего сигнала (другими словами – снижает мощность излучения). Факт достижения пороговых значений фиксируется и выводится на индикацию.

Таким образом, при попадании вибратора на мягкий грунт от него следует ожидать:

падения давления в гидросистеме; снижения мощности излучения из-за достижения предельных значений входного тока сервоклапана; снижения мощности излучения из-за достижения предельных значений колебаний золотника распределительного каскада сервоклапана.

Во всех случаях на силовой характеристике вибратора, которая в идеале должна быть равномерной, появляется провал.

Идеальным для вибратора является плотный грунт с ровной поверхностью. На нем вибратор в состоянии развить максимальное усилие, на которое он способен. При попадании на мягкий грунт возбудителю вибрации требуется увеличенный гидравлический поток. Если его не хватает, то амплитуда усилия падает, а уровень искажений возрастает.