车载式重锤震源气动液控系统研究.pdf

2 0 1 5年 第 4 4卷 第 1 2期 第 1 9页 石油矿 o I L FI ELD 场 机 械 EQUI P ME NT 2 0 1 5 ， 4 4 1 2 1 9 - 2 2 文 章 编 -N - i 0 01 34 8 2 20 1 5 1 2 - O 01 9 04 车载式重锤震源气动液控系统研究 林 玉兰 ， 李进付。 ， 付广萌 ， 郭振 ， 陈志礼。 I ． 中石化石油工程设计有 限公 司 ， 山东 东营 ， 2 5 7 0 1 7 ； 2 ． 中石化胜利石油工程有 限公 司 钻井 工艺研究 院 ， 山东 东 营， 2 5 7 0 1 7 摘 要 炸 药震 源和 可控震 源在 现行 陆地 地震 勘探 中得 到 了广 泛应 用 。但 炸 药震 源存在 重 复性差 、 环 境 破 坏性 大 、 施 工 复杂 等缺 点 ； 可 控震 源 中的重锤 式 震 源 虽然特 别适合 建 筑物 比较 密集的 中浅层 地 质 勘探 ， 但存 在 出力小 、 行 程 固定 等 问题 。为适 应 中西部 中浅 地层 地 质勘 查 需 求 ， 实现 冲击 能 量 6 O k J 、 同一地点 作 业 4次且作 业不 启 泵的性 能指 标要 求 ， 采 用开放 气缸 加速 重锤 结构作 为震 击 出力 结 构 ， 采 用液 压 系统作 为 出力 结构 的控 制 与操 作 系统 。在 气动 系统 与液控 系统 方案研 究基 础 上 ， 对 其 气动 系统 、 液控 系统 的核 心构件 进 行设 计计 算 ， 设 计 出一种 运 载 方便 、 出力 可控 、 动 作 快速 、 能 多次 重复锤击的车载式气动液控重锤震源系统 。为中西部 中浅地层地质勘查提供一种车载式重锤气动 液控 震 源解 决方案 。 关键 词 可控 震源 ； 重锤 震 源 ； 气动 ； 液控 ； 系统 中图 分类 号 TE 9 3 4 ． 2 文献标 识 码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 4 8 2 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 0 5 Pne u m a t i c Hy d r a u l i c Co nt r o l St u d y o n Ve h i c l e W e i g ht Dr o p S e i s mi c S o u r c e LI N Yu l a n ， LI J i n f u ， FU Gu a n g me n g ， GUO Z h e n ， CHEN Z h i l i 。 1 | S i n o p e c Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g Co r p o r a t i o n， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7， C hi n a； 2 ． Dr i l l i n g “T e c h n o l o gy Re s e a r c h I n s t i t u t e． S i n o pe c S h e n g l i Oi l fi e l d S e r v i c e Co r p o r a t i o n， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7， Ch i n a Ab s t r a c t Dy na m i t e a nd vi br os e i s s ou r c e a r e wi de l y us e d i n e x i s t i ng 1 a nd s e i s mi c e xp l or a t i o n． H o we v e r， t h e dy na mi t e s ou r c e ha s pr o bl e ms o f po o r r e pr o du c i bi l i t y， e n v i r on m e nt a l de s t r u c t i v e n e s s， a nd c o m p l i c a t e d c o ns t r uc t i o n； t h ou gh t he Ve hi c l e W e i g ht Dr op Se i s mi c S ou r c e i s p a r t i c ul a r l y s u i t a b l e f o r s h a l l o w g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n i n mo r e i n t e n s i v e b u i l d i n g a r e a ， i t h a s p r o b l e ms o f s ma l l f o r c e ， f i x e d s t r o k e e t c ． I n o r d e r t o me e t t h e r e q u i r e me n t o f Mi d we s t S h a l l o w S t r a t a Ge o l o g i c a l S u r v e y， t o a c h i e v e p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s s u c h a s I mp a c t En e r g y r e a c h i n g 6 0 k J ， wo r k i n g f ou r t i m e s i n on e p l a c e wi t h out s t a r t i ng t he pu m p； i t a d o pt s o pe n c y l i nd e r a c c e l e r a t i on we i gh t d r o p a s s ho c k o ut p ut s t r u c t ur e， hy dr a u l i c s y s t e m a s t he c o nt r o l a n d o pe r a t i o n s y s t e m o f o ut pu t s t r u c t u r e ． Th e n。 i t c a l c u l a t e s p n e u ma t i c h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m’ S c o r e c o mp o n e n t b y me a n s o f s t u d y i ng s ol u t i o ns o f t h e pn e u m a t i c hy d r a ul i c c o nt r o l s y s t e m．M e a nwh i l e， i t d e s i gn s a v e h i c l e we i ght d r o p s ou r c e s ys t e m wh i c h i s c a r g o c o nv e n i e nt ， o f c on t r ol l a b l e o ut p ut s i z e， f a s t ，a nd r e pe a t e d l y ha m me r i n g． Thus i t ma y pr ov i de a s o l ut i o n of t he v e h i c l e we i g ht d r op pn e u m a t i c h yd r a ul i c c on t r o l s e i s mi c s ou r c e f or t he M i d we s t s h al l o w s t r a t a Ge o l og i c a l Su r ve y． Ke y wo r d s v i b r o s e i s s o u r c e ； we i g h t d r o p s e i s mi c s o u r c e ； p n e u ma t i c ； h y d r a u l i c c o n t r o l ； s y s t e m 篓 、 古 ． 1l 川 【 人 高 级 工 程 师 , 1 9 8 7 年 毕 业 于 华 东 石 油 学 院 机 械 系 ， 从 事 石 油 地 面 设 备 的 研 究 与 作 者 简 介 林 玉 兰 1 9 6 4 一 ， 女 ， 山 东 乳 山 人 ，高 级 工 程 师 年 毕 业 于 华 东 囱 田 罕 阮 微 尔 争 佃 侧 设计工作 。 石 油矿 场机 械 2 0 1 5年 1 2 月 在现行陆地地震勘探 中， 炸药震源和可控震源 得到了广泛应用。炸药震源存在重复性差、 对环境 的破坏 性 强、 施工 流程 复 杂、 对人 身 威胁 大等 缺 点口 ； 可控震源中的重锤式震源特别适合建筑物 比 较 密集 的浅层 石油 勘 探 ， 但 存 在 出力 小 、 行 程 固定 、 多次冲击操作效率低等问题l 3 ] 。在可控震源气动 液控方面， 管治平研究了柴油保护系统L 5 ； 钟远坤对 液压伺服系统进行 了分析[ 6 ； 王鸿雁等设计了一种 车载式锤击震源控制系统 ， 给出了气动控制回路和 电器控 制 回 路 图 ， 并 用 P L C 进 行 气 动 控 制 系 统 设 计 ； 邓东等针对 I ／ 0 AHV I V可控震源液压系统 的工作原理进行了讲述 ； 针对 KZ 一 2 8型可控震源 的结冰现象 ， 赵永林对气源部分进行了改进 ； 针对 国产可控震源液压系统中气泡油问题 ， 赵贺强提供 了解决方案 。但是针对重锤震源气动液控部分 具体结构的设计计算却很少。为满足中浅层石油勘 探需要 ， 结合车载式重锤震源震击功能需求， 针对某 型震源车开展了车载式重锤震源气动液控系统方案 研究 ， 设计了气动液控系统核心结构 。 1 车载式重锤震源 总体方案 在地质勘探 中， 为了取得更准确的地质资料， 核 心在于提高可控震源的额定出力 ， 确保其振动器先 进性和可靠性[ 4 ] 。结合重锤震源冲击能量 6 0 k J 、 冲 击速度快等要求 ， 设计 出如 图 1所示气动液控震 源 系统 ， 主要 由气动系统 、 液 控系 统两 部分 组成 。气 l 一砧板支撑液缸 ； 2 ～空气弹簧 ； 3 一 锤头起 升液缸 ； 4 一 冲击 台； 5 ～重锤 ； 6 一砧板 ； 7 一 支撑板 ； 8 一导 向柱 ； 9 一 气缸 ； 1 O 一车桥 ； l 1 一砧板悬挂液缸 ； 1 2 一 丢手 ； l 3 一丢手夹持液缸 。 图 1 震 源系统振动器结构 动部分主要用于驱动重锤加速 向下冲击 ； 液控部分 主要用于支撑车身为冲击做准备 、 回收气体 以及夹 持丢手并为下次冲击做准备 、 收回砧板实现悬停。 震源 车行 驶到 预定 区域 ， 选择好 震 源点 ， 将砧板 组件 砧板 、 冲击台、 支撑板 预位； 砧板预位过程靠 砧板支撑液缸将砧板组件从车桥下方推 出， 将整个 汽车抬起 ， 然后释放重锤震击冲击 台制造地震波 ， 之 后靠锤头起升液缸将重锤 回收到初始位置 ， 结合需 要继续震击或结束收尾 ， 结束收尾工作是借助砧板 支撑 液缸将 砧板 组 件 收 回至 初 始 位 ， 完 成 目标震 击 点 的作 业 。 2 重锤气动执行 系统 2 ． 1 气 动 系统方 案设计 结合出力和快速响应要求 ， 气 动系统采用如 图 2所示气动驱动重锤方式作为出力结构 ， 主要包括 ① 动力 源 氮气瓶 、 储气 罐 ； ②执行 元件 一 端完 全开 放的气缸 ； ③辅助装置 手动截止阀等 ； ④气动传感 元件 位置传感器 。 系统采用氮气瓶或储气罐提供高压工作气源 。 在运输时或冲击作用前重锤被悬挂机构悬置。工作 时， 打开手动截止阀 工、 Ⅱ对储气罐充气 ， 储气罐压 力达到一定值时关闭手动截止 阀 I， 并打开手动截 止阀 Ⅲ ， 气体流入气缸上腔； 压力一定时， 重锤被释 放并在高压气体对气缸活塞产生的推力和 自重作用 下加 速推 出后 冲击砧 台 ； 当 冲击结束 后 ， 借 助锤头 回 收装置将重锤 回收至初始位 置并依靠悬挂机 构悬 置， 同时将气缸 内的氮气压回到储气罐内 ， 完成反压 回收过程 。 4 1 一锤头； 2 一砧板； 3 一储气罐； 4 一氮气瓶； 5 一手动截止阀； 6 一减压阀； 7 一二通接头； 8 一快换二通接头； 9 一转换接头； 1 o 一储气罐接头； n～冲击气缸接头 ； 1 2 一冲击气缸 。 图 2 气动系统原理 图 第 4 4 卷第 1 2期 林玉兰 ， 等 车载式重锤震源气动液控系统研究 2 ． 2 气动系统核心构件计算 工作时， 重锤受到 自身重力及膨胀气体 的推力 作用 ， 向下加速冲击。重锤触及砧板获得能量 E 一 p S - m g H 1 式中 E为设计冲击能量 ， 取 6 0 k J ； P为气缸设计压 力 ， MP a ； H 为锤头冲击行程 ， 为保证车台有足够的 抬升 高度 ， 设计 气 缸 的行 程 为 7 0 0 mm； S为 气 缸 截 面积 ， mm。 ； D 为气 缸 内径 ， mm； 卵为气缸 效 率 ； m 为 重锤 质量 ， 5 0 0 k g ； g为 重力 加速度 ， m／ s 。 当气缸设计压力 P为 6 ． 3 MP a时， 气缸缸 径 D 1 7 0 mm。由于结构限制并考虑气缸标准系列 ， 选择 气 缸 缸 径 D一 2 0 0 mm； 气 缸 缸 径 为 2 0 0 r n m 时 ， 气缸工作压力 P 为 4 ． 5 4 MP a即可实现 6 O k J 的冲击能量要求 。为保证 冲击效果 ， 按气缸最低工 作压力 P不小于 4 ． 6 MP a来设计气动系统 。储气罐 需提供气缸 4次冲击 ， 耗气量可按式 2 ～ 3 计算 。 g o 号 D ￡ 2 P P VV。 3 式 中 D为液缸 内径 ， mm； l 为气缸设计行程， mm； 。为单 次耗 气量 ， L； P 为储 气罐 工作 压 力， 6 ． 3 MP a ； P 为储气罐最低压力， 4 ． 6 MP a ； V 为储气罐 体积， L ； 经计算储气罐体积 V。 一2 2 I 。在不考虑漏 失情况下 ， 完成 1次冲击所需 的气量为单次作用气 量 ， 加上气管等管件内储存的气体消耗 ， 储气罐体积 取 3 0 L， 完 成 4次 冲击储 气罐 的体积 为 1 2 0 L。 3液压驱 动系统 3 ． 1 液 压 系统原 理 液控系统 的功能主要为实现各个执行元件的顺 序动作提供驱动能量， 确保可以完成 4次冲击 。震 源 系统 液压 系统方 案如 图 3所示 ， 包含 ①动 力源 取 力机 构 、 泵 、 蓄能器 ； ② 执行元 件 砧板在 车桥 悬停 夹 持运输时的砧板悬挂液缸 2组、 控制锤头组件提升 的锤头起升液缸 2组 、 控 制砧板升降的砧板支撑液 缸 2组 、 控制锤头释放的丢手夹持液缸 2组 ； ③控制 模 块 4个 相 同 原 理 阀 组 ， 实 现 各 液 缸 的动 作 的 控 制 ； ④传感元件 位置传感器 ， 实现各 执行液缸的行 程检测。其中锤头起升液缸、 砧板支撑液缸 、 丢手夹 持液缸各辅助装置的控制机理相同。 1 一 三位 四通 电磁 换向阀 ； 2 一液压锁 ； 3单向节流 阀； 4 一节流阀 。 图 3 液压 系统原 理图 液 控系统 通 过 汽 车取 力 ， 驱 动 液 压 泵 给 蓄 能器 和其 他 液压元 件 提供液 压 能 。震 源 车按 同一 目标位 4次连续 冲击振动设计 ， 各液缸靠液压储能器供液 而不启动液压泵 。同时设低压油箱， 回收 4次冲击 作业 的动力液 体 ， 动力 液 体 循 环 使 用 。震 源 系 统 的 工作 过 程如 下 1 准备过程 。将震源车行驶至 目标震击点 ， 6 YA 得 电 ， 砧 板悬 挂 液缸 活塞 杆 回 收 ， 悬 挂 系 统 松 开 4根 导 向柱 ， 到达 S 3 1 ； 4 YA 得 电 ， 使 砧 板支 撑 液 缸向下运动并达到撑起车身作为压重 的效果 ， 此时 到 达 2 2 ， 砧 板预 位完 成准备 过 程 。 2 锤 头起 升液 缸 预位 。2 YA 得 电 ， 锤 头起 升 石油 矿场 机 械 2 0 1 5年 1 2月 液缸向下推出到达预定位置 ， 即大于锤头行程的距 离 S 1 2 ， 防止干涉锤头向下冲击。 3 冲击过 程 。7 YA得 电， 夹持 液 缸 活塞 杆 回 收装 置 释 放 锤 头 组 件 ， 到 达 4 1 ， 制 造 一 次 人 工 地震 。 4 锤头复位。此时 1 YA得电， 锤头起升液缸 将锤头组件向上抬起到预定位置 1 1 ， 触发传感器 发出信号使 8 YA得电， 夹持液压缸夹紧锤头组件 ， 将冲击气缸内气体压 回储气罐并使其复位 ， 这样就 完 成一 次锤击 。 5 连续震击 。结合人工地震需要 ， 如需继续 震击 ， 返回步骤 2 ， 可完成连续 4次 冲击而不启动液 压 泵 ， 直到 目标 点完成 震击 。 6 砧 板 复位 。完 成物 探工 作后需 要将 砧板 收 回， 此时 3 YA得电， 砧板升降液缸向上运动 ， 收回砧 板 ， 到达一定位置 2 1 ； 砧板悬挂液缸作用夹持导 向 柱 ， 实现砧板复位与悬停 。 3 ． 2 液控系统核心构件计算 液控系统的核心构件 中， 砧板支撑液缸要求能 够 承受 汽车 质量 与振 动 器 自重 ； 砧 板 悬 挂 液缸 要 求 能够承受砧板重力作用 ， 实现砧板的悬停 ； 锤头起升 液缸要克服锤头 自重并将气缸 内高压气体压 回储气 罐； 当重锤在 自身重力与气缸高压气体作用下 ， 丢手 夹持液缸需要在一定压力下实现夹持 ； 蓄能器为整 个系统提供完成既定冲击次数的能量 。按照各液缸 载荷需求 、 活塞面积 、 工作行程等关 系开展 液缸计 算口 出液缸参数汇总表 1 ， 液压系统按 最高工作压 力 1 6 MP a 、 最低工作压力 9 MP a设计 。 表 1 震源 液控 系统液缸主要参数 采 用一个 蓄 能器 为 所 有 液缸 提 供 能 量 补充 ， 蓄 能器有 效容 积为 预定工作 次 数下所 有液 缸耗 油量体 积之和 ， 蓄能器所需提供总液体体积与冲击次数和各 组液缸耗液量有关 。砧板支撑液缸与悬挂液缸均工 作一次即可， 而锤头起升液缸与夹持液缸工作次数需 与锤头冲击次数相同， 由式 4 求出蓄能器的体积。 一2 n l n V2 - F n V3 V 4 式中 为砧板支撑液缸工作一次所需液体体积 ， L； V 。 为 锤头 起 升 液 缸 工 作 一 次 所 需 液 体 体 积 ， L； 。为夹持液缸工作一次所需液体体积 ， L； V 为悬 挂液缸工 作一次 所需液 体体积 ， L； 为系统 泄漏 系数。 经计算可 得 完 成一 次工作 蓄能 器 的有效容 积 V 一4 1 ． 5 L， 完 成 4次 冲击所 需 的动力 液体 体 积 为 1 6 6 L。 4 结 论 1 对车载式重锤震源气动液控系统的方案设 计 与基本 原理 进行 了研究 。 2 震源系统采用一端全部开放 的气缸 ， 使重 锤在高压氮气 以及 自重共 同作用下加速 向下， 冲击 迅 速 、 震 击能 力强 。 3 液控系统综合实现 4次冲击无需启动液压 泵 ， 实现了作业速度快的作业效果。 4 为中浅地层地质勘查提供一种气动液控震 源解决 方案 。 参考文献 [ 1 ] 高健． 可控 震源编 码激 发技术 研究 [ D] ． 吉 林 吉林 大 学 ， 2 0 1 3 ． [ 2 - 1 倪宇东． 可控震源地震勘探 新方法研 究与 应用[ D ] ． 武 汉 中国地质大学 ， 2 0 1 2 ． F - 3 - 1 刘金 中 ， 马铁荣． 可控震源 的发展状 况[ J ] ． 石 油科技论 坛 ， 2 o 0 8 5 3 8 - 4 2 ． [ 41 南 文海 ， 丁志淦． 可控震源发展中有关 问题 的探讨 [ J ] ． 物探装备 ， 1 9 9 9 2 2 6 2 9 ． [ 5 ] 管治平． 可 控震 源车柴 油机保 护 系统[ J ] ． 石 油地 球物 理勘探 ， 1 9 8 5 5 5 4 2 5 4 4 ． [ 6 ] 钟远坤． 可控震源 车液压伺 服系统 的分 析I- J ] ． 机 床与 液压 ， 1 9 8 3 3 6 - 1 2 ． [ 7 1 王鸿雁 ， 肖文生 ， 崔学政 ， 等． 一种车载式锤击震 源控制 系统设计[ J ] ． 液压与气动 ， 2 o 1 2 1 2 6 1 6 4 ． [ 8 -1 邓东 ， 李 彩霞． I ／ O AHV I V可控震源 液压 系统工 作原 理[ J ] ． 物探装备 ， 2 0 0 4 3 2 1 7 2 2 1 ． [ 9 ] 赵永林 ． KZ 一 2 8型可控 震源 气源 部分改 进[ J ] ． 物 探装 备 ， 2 o 0 5 2 9 6 - 9 9 ． E l o ] 赵贺强． 国产可控震源液压 系统 中气泡 油问题 的解 决 [ J ] ． 物探装备 ， 2 O O l 2 1 1 1 - 1 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