Имитационная модель электромагнитного сейсмоисточника ударного типа для малоглубинной сейсморазведки

Abstract

Актуальность. Для решения задач рудной и инженерной геологии ведущее место отводится сейсмическому методу изучения геологического строения малых глубин земной поверхности с использованием невзрывных наземных источников для возбуждения упругих волн. Признанным фактом повышения эффективности сейсмического метода для малых глубин до 500 м является использование ударных электромагнитных источников сейсмических колебаний. Ударные электромагнитные сейсмоисточники обладают широким частотным спектром возбуждаемого сигнала и высоким КПД передачи энергии ударом. Актуальность исследования обусловлена перспективностью практического использования электромагнитных сейсмоисточников в малоглубинной сейсморазведке, а также необходимостью совершенствования методов их динамического расчета. Цель: разработка имитационной динамической модели электромагнитного привода сейсмоисточника ударного типа для анализа электромеханических процессов, учитывающей взаимодействия инерционных масс в механической системе, сопровождаемые потерями энергии. Методы: электрического баланса напряжений в электромеханической системе, вариационные принципы на основе уравнений Лагранжа второго рода, конечно-элементного моделирования магнитного поля, численного моделирования дифференциальных уравнений в программе Matlab Simulink с применением структурных схем, сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Результаты. Разработана имитационная динамическая модель электропривода импульсного сейсмоисточника ударного типа. Динамическая модель учитывает нелинейные свойства применяемых конструкционных материалов, потоки рассеяния и потери энергии в электромеханической системе. Использование модели позволяет производить анализ динамического состояния сейсмоисточника в широком диапазоне изменения входных параметров и повысить качество проектирования. Отмечено, что процессом регулирования кинетической энергии на выходе сейсмоисточника целесообразно управлять в период рабочего хода бойка. Представлены результаты имитационного моделирования в переходных квазиустановившихся режимах. Приведено сравнение результатов численных расчетов на основе созданной модели с экспериментальными данными

Relevance. The basic method for solving problems of ore and engineering geology is the seismic method for studying the geological structure of shallow depths under the ground surface where non-explosive ground sources of elastic waves are used. It is known that increasing the efficiency of the seismic method when it is applied at shallow depths until 500 m is achieved by using electromagnetic percussion sources of seismic vibrations. Electromagnetic percussion generators of seismic-waves can generate wideband signals and have high efficiency of the impact energy transfer. The topic of the research is urgent as electromagnetic seismic-wave generators are perspective for the practical application in seismic prospecting and it is necessary to improve methods of dynamic calculation of them. Aim. To develop a simulation dynamic model of the electromagnetic drive of the electromagnetic percussion seismic source for the analysis of electromechanical processes taking into account the interaction of inertial masses in a mechanical system accompanied by energy losses. Method. Electrical balance of voltages in an electromechanical system, variation principles based on Lagrange equations of the second kind, finite-element simulation of magnetic field, numeric simulation of differential equation in Matlab Simulink where block diagrams are used, comparison of calculation and experimental data. Results. The authors have developed the simulation dynamic model of the electric drive of the electromagnetic percussion seismic source. Using the model for the analysis of electromechanical processes and making adjustments when selecting the main design elements allows improving the quality of designing of electromagnetic drives of seismic sources. The dynamic model takes into account the nonlinear properties of the applied structural materials, scattering flows and energy losses in the electromechanical system. The paper introduces the results of simulation modeling in transient quasi-steady-state modes and gives the comparison of the results of numerical calculations based on the created model with the experimental data. It is advisable to control the process of regulating the kinetic energy at the output of the seismic source during the working stroke of the striker