基于KZ-28型可控震源的隔振模型理论研究

曲 喆 方 日 李建良 李淑清 陶知非 马 磊

(1.天津科技大学电子信息与自动化学院；2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司)

基于KZ-28型可控震源的隔振模型理论研究

曲 喆1方 日1李建良1李淑清1陶知非2马 磊2

(1.天津科技大学电子信息与自动化学院；2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司)

根据KZ-28可控震源的固有频率，设计了振动特性与之相符的被动-主动隔振共同作用时的实验模型。通过对实验模型进行隔振分析，确定了该模型在被动隔振与主动隔振时的激振频率范围。最后推导出了主动隔振控制力与下板激励振动和模型振动参数之间的关系式。

可控震源 固有频率 模型设计 隔振分析 混合隔振

KZ-28型可控震源由于隔振问题，在激发过程中会受到近地表物性结构、振动器机械结构、液压伺服控制及控制系统等多种非线性环节的影响，导致输入到地面的信号发生畸变，影响勘探质量，尤其在低于10Hz的低频范围时更为严重[1,2]。为避免振动干扰，提高勘探质量[3]，笔者以KZ-28型可控震源技术参数为基础，通过分析和计算得出其固有频率，并据此设计了与可控震源振动特性相符的实验隔振模型，通过对模型进行隔振技术研究，得出隔振规律和结论，为后续实验研究指明方向。

1 KZ-28型可控震源固有频率分析

KZ-28型可控震源车由车体、振动器和安装在两者之间的隔振弹簧组成。工作时，激振装置对振动器进行激振，整个车体作为静载荷压在振动器上，有专门技术来保障车体和振动器只能在垂直方向振动。因此可以把整个系统简化为单自由度振动模型，如图1所示。

图1 单自由度振动模型

KZ-28型可控震源车的主要技术参数如下：

最大激振力 275kN

振动器位移有效行程 ±38mm

最大振幅极限频率 6Hz

最大静载压重 279kN

振动器尺寸 1235mm×2130mm×165mm

整车质量 31×103kg

(1)

由于车体质量M等于振动器上的最大静载压重，于是M=27.9×103kg，因此由车体和弹簧组成的单自由度系统固有频率ωn(或fn)为：

(2)

阻尼比ζ为：

(3)

2 KZ-28型可控震源实验模型设计

为了便于对KZ-28型可控震源进行隔振研究，需设计一个实验模型，该模型必须与KZ-28型可控震源具有相同的振动物理特性，即相同的振动自由度、固有频率和相似的几何尺寸。

2.1 模型结构和尺寸设计

由于可控震源是单自由度振动模型，因此设计实验模型(图2)主体由上下两块钢板和中间的4个隔振弹簧构成。依据KZ-28型可控震源振动器尺寸，模型上下板的尺寸设计为325mm×185mm×5mm，上下钢板的质量mp=2.34kg。为了保证模型上板只在垂直方向振动，在底板上固定了4个圆柱形立柱，同时在上板的相应位置打4个圆孔，使4个立柱分别从4个孔(尽量光滑)中穿出，实现上板的小阻尼振动。弹簧两端分别固定在下板和上板上。为了便于在上下两块钢板之间安装作动器，上下两板之间的距离设计为200mm。

图2 KZ-28型可控震源实验模型

2.2 模型固有频率设计

2.3 弹簧尺寸设计

根据圆柱螺旋弹簧设计计算标准GB/T 23935-2009的要求，对弹簧基本参数进行选定和计算。选定工作圈数n=36，高度H=220mm，中径D2=22mm，材料剪切模量G=80GPa。则弹簧钢丝的线径d为：

(4)

根据弹簧尺寸，确定4个立柱的直径为18mm，上板4个孔的直径为19.5mm，4个孔的圆心到板近边的距离为25mm。

3 实验模型隔振振动分析

对KZ-28型可控震源实验模型进行被动隔振和主动隔振的实验研究，探索KZ-28型可控震源隔振装置的可行设计方案。

3.1 被动隔振分析

模型被动隔振及其受力分析示意图如图3所示。

图3 模型被动隔振及其受力分析示意图

假设下板的振动位移xs=Asinω1t，其中ω1是被动隔振响应的角频率，在下板振动的激励下，上板的运动微分方程为：

(5)

解方程(5)，得到上板的稳态响应xp(t)为：

xp(t)=B1sin(ω1t-ψ1)

(6)

位移传递率Td为：

(7)

隔振效率η为：

η=(1-Td)×100%

(8)

取λ=5，ζ=0.01，激振频率5fn=12.85Hz，位移传递率Td=0.042，隔振效率η=95.8%，完全满足KZ-28型可控震源对隔振的要求；取λ=2，ζ=0.01，2fn=5.14Hz，Td=0.33，η=66.7%，不满足隔振要求。

通过以上分析，得到结论如下：

a. 当频率比λ>5或激振频率f1>12.85Hz时，被动隔振可以达到KZ-28型可控震源对隔振的要求；

b. 当频率比λ<5或激振频率f1<12.85Hz时，被动隔振无法达到隔振要求，此时应采用以主动隔振为主、被动隔振为辅的混合隔振方法[6]。

3.2 主动隔振分析

模型主动隔振及其受力分析示意图如图4所示。

图4 模型主动隔振及其受力分析示意图

作动器通过在上板上施加一个振动控制力来控制上板振动，达到有效隔振的目的。假设作动器作用到上板上的控制力f(t)=F0sin(ω2t+φ)，其中ω2是主动隔振响应的角频率，则上板的运动微分方程为：

(9)

根据振动叠加原理，将方程(9)分解为两个方程：

(10)

(11)

方程(10)是在被动隔振分析中已经研究过的被动隔振微分方程。方程(11)是主动隔振微分方程，解方程(11)得：

xa(t)=B2sin(ω2t+φ-ψ2)

(12)

x(t)=xp(t)+xa(t)

=B1sin(ω1t-ψ1)+B2sin(ω2t+φ-ψ2)

(13)

x(t)是主动隔振和被动隔振共同起作用时的振动情况。理论上，混合隔振的目标是在下板激振源工作时，上板在作动器激振力的作用下，振动尽可能地小。最理想的情况是使x(t)=xp(t)+xa(t)=0，即B1sin(ω1t-ψ1)+B2sin(ω2t+φ-ψ2)=0,可见，只有B2=B1，且ω2=ω1时，该式才能成立，此时有sin(π+ω1t-ψ1)=sin(ω2t+φ-ψ2)，于是φ=π+ψ2-ψ1，代入f(t)=F0sin(ω2t+φ)得到：

(14)

要想达到理想的混合隔振效果，理论上，只要作动器能精确施加控制力，就能够实现对上板振动的理想控制。后续的实验研究将以此为依据，设计适当的控制算法，产生精确的主动控制力，对混合隔振的有效性进行测试，为KZ-28型可控震源的隔振装置设计提供实验依据。

4 结束语

笔者以KZ-28型可控震源车为基础，通过分析其技术参数，得到了可控震源的固有频率。在此基础上，设计了一套与KZ-28型可控震源具有相同自由度、固有频率、相似几何尺寸的实验模型，并对模型的被动隔振和主动隔振进行了理论分析。通过分析，确认了所设计模型与KZ-28型可控震源具有相同的振动物理特性；确定了被动隔振在激振频率大于12.85Hz时起主要作用，而主动隔振在激振频率小于12.85Hz时起主要作用；推导出了混合隔振时作动器振动控制力与下板激励振动和模型振动物理参数之间的关系式。为KZ-28型可控震源的隔振装置设计奠定了理论基础。

[1] 蓝加达.可控震源非线性扫描在高分辨率地震采集中的应用[J].石油物探,2008,47(2):208～211.

[2] 佟训乾,林君,姜弢,等.陆地可控震源发展综述[J].地球物理学进展,2012,27(5):1912～1921.

[3] 凌云,高军,孙德胜,等.可控震源在地震勘探中的应用前景与问题分析[J].石油物探,2008,47(5):425～438.

[4] 吴天行,华宏星.机械振动[M].北京:清华大学出版社,2014:28～30.

[5] 陈怀海,贺旭东.振动及其控制[M].北京:国防工业出版社,2015:6～11.

[6] 张磊,付永领,刘永光,等.主动隔振技术及其应用与发展[J].机床与液压,2005,(2):5～8.

TheoreticalResearchontheVibrationIsolationModelBasedonKZ-28Vibroseis

QU Zhe1, FANG Ri1, LI Jian-liang1, LI Shu-qing1,TAO Zhi-fei2,MA Lei2
(1.CollegeofElectronicInformationandAutomation,TianjinUniversityofScience&Technology;2.GeophysicalProspectingINC.,ChinaNationalPetroleumCorporation)

Basing on intrinsic frequency of KZ-28 vibroseis, an experimental model for vibration characteristics and its corresponding action of passive and active vibration isolation was designed. Through vibration isolation analysis of the model, the scopes of exciting frequencies of this model at passive and active vibration isolations were determined. Finally, the relationship among the control force of active vibration isolation, the exciting vibration of the lower plate and the vibration parameters of the model was derived.

vibroseis, intrinsic frequency, model design, vibration isolation analysis, hybrid vibration isolation

TH865

A

1000-3932(2017)07-0648-04

2016-11-21，

2017-03-01)

国家“863”计划项目(2012AA061201)。

曲喆(1991-)，硕士研究生，从事现代传感技术与数据融合的研究，wjnjrs@163.com。