Электромолоты и электросейсмоисточники


Монографии НГТУ
Серия основана в 2004 году

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ»


      д-р техн, наук, проф. (председатель) Н.В. Пустовой
      д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) АТ. Вострецов
      д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь) В.Н. Васюков

      д-р техн. наук, проф. АЛ. Батаев
      д-р техн. наук, проф. АЛ. Воевода
      д-р техн. наук, проф. В.В. Губарев
      д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
      д-р физ.-мат. наук, проф. А.К. Дмитриев
      д-р физ.-мат. наук, проф. ВТ. Дубровский
      д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев
      д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
      д-р техн. наук, проф. Г.И. Расторгуев
      д-р физ.-мат. наук, проф. ВЛ. Селезнев
      д-р техн. наук, проф. ЮТ. Соловейчик
      д-р техн. наук, проф. АЛ. Спектор
      д-р юрид. наук, доц. ВЛ. Толстых
      д-р техн. наук, проф. АТ. Фишов
      д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина
      д-р техн. наук, проф. ВЛ. Хрусталев
      д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко

А.П. МАЛАХОВ




ЭЛЕКТРОМОЛОТЫ
И ЭЛЕКТРОСЕЙСМОИСТОЧНИКИ

Монография









НОВОСИБИРСК 2 0 13

УДК 622.231.5-83 М181


Рецензенты:
Г.М. Симаков, д-р техн. наук, проф.
В.Ю. Нейман, д-р техн. наук, проф.





       Малахов А.П.
М181 Электромолоты и электросейсмоисточники : монография / А.П. Малахов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013. - 280 с. (Серия «Монографии НГТУ»)
          ISBN 978-5-7782-2308-0
          Основой монографии послужили результаты научно-исследовательских работ автора, направленные на создание систем питания и управления мощными импульсными (ударными) и вибрационными машинами.
          Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработана методика расчета и выбора параметров систем управления мощными электромагнитными и линейными асинхронными машинами ударного действия. Обобщены результаты работ, выполненные в творческих коллективах института горного дела СО РАН и Новосибирского государственного технического университета, связанные с созданием мощных вибросейсмоисточников, обеспечивающих полный требуемый диапазон частот и усилий.
          Монография может быть полезна исследователям всего спектра проблем, связанных с созданием электромеханических преобразователей энергии, а также студентам, магистрантам и аспирантам для их совместной работы с профессиональными исследователями.




УДК 622.231.5-83

                                        © Малахов А.П., 2013
                                        © Новосибирский государственный технический университет, 2013


ISBN 978-5-7782-2308-0

A.P. MALAKHOV




ELECTRIC HAMMERS AND SEISMIC GENERATORS

Monograph









NOVOSIBIRSK 2 0 13

UDC 622.231.5-83
M181

Reviwers:

Prof. G.M. Simakov, D.Sc. (Eng.) Prof. V.Yu. Neuman, D.Sc. (Eng.)





       Malakhov A.P.
M181 Electric hammers and seismic generators : monograph I A.P. Malakhov. - Novosibirsk : NSTU Publisher, 2013. - 280 pp. ("NSTU Monographs" series).

           ISBN 978-5-7782-2308-0

           The monograph is based on the results of the author's research focused on creating power supply and control systems for high-power pulse (impact) and vibration machines.
           Theoretical and experimental results used for developing design methods and selecting parameters of systems that control high-power impact electromagnetic and linear induction machines are presented. The monograph generalizes the results of research on high-power vibration seismic generators designed in the Mining Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences and Novosibirsk State Technical University. These generators produce seismic signals in the whole range of forces and frequencies.
           The monograph can be useful to explorers engaged in studying electromechanical converters as well as to undergraduate, graduate and postgraduate students doing research under the supervision of experienced scientists.






UDC 622.231.5-83


                                                   © Malakhov A.P., 2013 © Novosibirsk State

Technical University, 2013


ISBN 978-5-7782-2308-0

        ПРЕДИСЛОВИЕ


    Монография является результатом цикла научно-исследовательских работ, выполненных автором в коллективах института горного дела СО РАН и Новосибирского государственного технического университета, тематика которых была связана с повышением эффективности технологических процессов в строительстве, горном деле и в

разведке полезных ископаемых при одновременном снижении отри

цательного влияния на окружающую среду.
   Результаты научных и практических исследований, которые приведены в монографии, подтверждают преимущества применения импульсных технологий, осуществляемых посредством силовых импульсных систем, генерирующих импульсы силы определенной

частоты и интенсивности, а именно электромагнитных ударных молотов и молотов с линейными асинхронными электродвигателями.
    В центре внимания автора на протяжении нескольких десятилетий находились проблемы, возникающие при разработке электромагнитных молотов, основным звеном которых является электромагнитный двигатель с линейным перемещением якоря и электроприводы ударных машин, в которых преобразование электрической энергии в механическую происходит с помощью линейного асинхронного двигателя.
    В связи с тем что в совокупности преобразования и распределения энергии привод является основным компонентом технической системы, особую важность приобретает результативность исследований,

направленных на повышение энергетических и технико-экономических показателей двигателей, которые в значительной степени определяются режимами их управления и регулировочными свойствами питающих устройств. Правильный выбор законов управления позволяет осуществить рациональный процесс энергопреобразования, увеличить быстродействие электромагнитных двигателей. Развитие силовой промышленной электроники, создание обмоточных проводов с температуростойкой изоляцией, совершенствование систем охлаждения и углубления методов расчета и исследований расширили возможности создания надежных в работе электромагнитных молотов на

различные энергии ударов.
   В первой и второй главах монографии обоснована базовая конструктивная схема электромагнитного молота, приводится расчет магнитной цепи длинноходового электромагнитного молота, описываются динамические процессы, происходящие в электромеханической

7

системе электромагнитного молота, приводятся упрощенные расчеты динамических и тепловых процессов, определяющих работоспособность молота, способы обеспечения охлаждения рассматриваемых конструкций, сформулированы требования, определены принципы построения и аргументирована экономическая целесообразность применения полностью управляемых импульсных тиристорных преобразователей. В заключение приведены результаты экспериментальных исследований мощных электромагнитных молотов на различных промышленных площадках РФ.
   Техническим продолжением темы исследований является доказательность выбора линейного асинхронного двигателя с трубчатыми ротором и статором, формирование схемы замещения, позволяющей рассчитывать параметры электродвигателей и их энергетические характеристики. Приведенные параметры ряда двигателей позволяют проследить их взаимное влияние и выработать основные рекомендации разработчикам линейных асинхронных двигателей, отвечающих требованиям, предъявляемым к импульсным ударным системам. Дается анализ систем управления и питания линейными асинхронными двигателями. Выявляются особенности современных частотнорегулируемых электроприводов, позволяющих создавать ударные машины практически на любые энергии ударов с массами бойков в 100 т и более, реализация которых необходима для строительства нефтяных платформ на шельфовых месторождениях, в частности, на шельфовых районах Арктики РФ.
   В 70-е годы XX века важнейшим направлением научных исследований и проектно-конструкторских работ, связанных с электромеханическими системами, воздействующими на грунт, стало создание импульсных и вибрационных сейсмоисточников, позволяющих осуществлять работы по поиску, прогнозированию землетрясений, залежей полезных ископаемых и изучению глубинного строения Земли. Первые - генерируют и передают грунту кратковременные импульсные усилия, продолжительность которых намного меньше периода возбуждаемых волн. Вторые - возбуждают и передают грунту квазигармо-нические нагрузки переменной частоты и довольно большой длительности для осуществления накопления энергии вибрации в удаленных местах приема вибросейсмической информации.
   Теоретической базой, способствующей практической разработке вибрационных и импульсных (невзрывных) сейсмических устройств, послужили фундаментальные исследования, проведенные научными

8

ПРЕДИСЛОВИЕ

В

сотрудниками институтов физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, институтами горного дела, геологии и геофизики, вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук, которые совместно с заинтересованными отраслевыми научно-исследовательскими институтами, конструкторскими бюро и высшими учебными заведениями России дали теоретическое обоснование и сформулировали основные направления и пути создания физико-технических основ вибрационного сейсмического метода. При этом теория вибрационного возбуждения сейсмических сигналов опиралась на фундаментальную теорию прочности и динамики упругих сред, в разработку которой важный вклад внесли такие ученые, как А.С. Алексеев, В.Н. Опарин, А.В. Николаев, Ю.Н. Работнов, Н.П. Ряшенцев, ЕН. Шемякин, Н.Н. Пузырев, Г.И. Марчук, Н.С. Чичинин, А.В. Бабешко, В.И. Юшин и другие, работы которых приведены в библиографическом списке. Прочная теоретическая база способствовала практической разработке вибрационных и импульсных (невзрывных) сейсмических устройств для целей сейсморазведки, где требуются виброисточники со сравнительно небольшими усилиями порядка 10⁵ Н в частотном диапазоне 5...150 Гц.
   Продолжение углубления фундаментальных знаний и интенсивная работа по совершенствованию методов вибрационного просвечивания Земли сибирскими учеными позволили разработать и изготовить источники, обеспечивающие амплитуду создаваемых усилий 100 тс. Ряд подобных источников создан для интенсификации добычи нефти на низкодебитных нефтедобывающих предприятиях РФ.
   Для решения проблемы создания мощных вибросейсмоисгочников в структуре Сибирского отделения Российской академии наук создавались специальные конструкторские бюро, в настоящее время действует на правах института «Сибирская геофизическая служба» СО РАН.
   Результаты теоретических и экспериментальных исследований импульсных сейсмоисточников, а также конструктивные схемы мощных систем приведены в третьей главе настоящей монографии.
   Четвертая, пятая и шестая главы посвящены вибросейсмоисточникам. Здесь содержатся сведения, позволяющие понять механизм вибро-сейсмических воздействий, а также обобщаются существующие технические проблемы и предлагаются способы их реализации.
   Кроме того, приводится процесс решения задачи повышения излучаемой сейсмической мощности центробежных и эксцентриковых виброисточников и аргументируются способы компенсации их реактивной

9

Q

мощности. Обоснована необходимость исследований электромеханических вибросейсмоисточников, анализируются основные принципы управления электроприводами электромеханических вибросейсмоисточников. Представлены результаты комплексных исследований, позволивших создать системы питания и автоматизированного управления, обеспечивающие необходимую точность воспроизведения колебаний.
   Дана оценка перспективам создания вибраторов с эксцентриковыми вибровозбудителями, обеспечивающих более высокие частоты по сравнению с центробежными дебалансными вибраторами. Приведены конструкции регулируемых эксцентриковых вибровозбудителей. Обосновываются и приводятся способы регулирования величин эксцентриков гидравлическими и механическими устройствами и силовая схема управления эксцентриковыми вибросейсмоисточниками, обладающими высокими технико-экономическими и качественными показателями. В качестве приводов при этом применяются современные высоконадежные частотно-регулируемые транзисторные электроприводы.
   В результате анализа особенностей высокочастотных электродинамических вибросейсмоисточников и вибросейсмоисточников с возбудителями на основе линейных синхронных двигателей сформулированы предложения по созданию вибросейсмоисточников с механическими вибровозбудителями сейсмических колебаний на основе существующих устройств.
   В заключении приводится описание тем и результатов научноисследовательских работ, в которые автор внес свой вклад и результативность которых была бы невозможна без научных коллективов под руководством академиков РАН А.С. Алексеева, Е.И. Шемякина, д.т.н., проф. И.С. Чичинина, д.т.н., проф. Н.П. Ряшенцева, к.т.н. А.Т. Малова (Институт горного дела СО РАН) и научного коллектива Новосибирского государственного технического университета, объединившего д.т.н. В.Н. Аносова, к.т.н. Н.Н. Путинцева, д.т.н. Г.М. Симакова, к.т.н. В.М. Кавешникова, к.т.н. Н.В. Макарюка, к.т.н. В.В. Жигилина, Н.А. Вриткова., В.В. Ахримеева, к.т.н. В.Т. Сысенко, Л.В. Музалевского, Г.В. Рязановского, Е.В. Артемова, к.т.н. М.В. Глазырина. Трудно также переоценить практическую помощь в создании электромолотов, импульсных и вибрационных сейсмоисточников, оказанную Н.В. Мака-рюком, В.И. Пинаковым, И.С. Чичининым, В.И. Юшиным, И.Н. Хор-совым, В.П. Ушаковым, Е.Н. Чередннковым, Ю.Г. Щербой, М.С. Хай-ретдиновым, В.В. Житилиным, В.И. Хуторным.

10