DE4016038C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrator zur Erzeugung seis­ mischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erzeugung seismischer Wellen erfolgt in den letzten Jahren verstärkt durch den Einsatz von Vibratoren. Dabei wird die für eine geforderte Reichweite benötigte seis­ mische Energie anstelle durch eine Impulsanregung durch einen mehrere Sekunden andauernden Schwingungszug mit re­ lativ kleiner Druckamplitude verteilt. Die Schwingungs­ frequenz des Vibrators kann nach einer vorgegebenen Zeit­ funktion verändert werden. Es können auch nichtlineare Frequenzänderungen nahezu beliebiger Form mit Hilfe ge­ eigneter Steuerungseinrichtungen erreicht werden.

Die Kraftquelle eines Vibrators bewirkt in der Regel eine vertikale gegenphasige Erregung einer Schwingmasse in Form einer Bodenplatte und einer Reaktionsmasse, die über eine Kolbenzylindereinheit gegen die Bodenplatte abgestützt ist. Zur Erhöhung der stationären Andruckkraft der Bodenplatte wird diese in der Regel durch die Auflast des Trägerfahr­ zeuges des Vibrators gegen den Boden gepreßt.

Mit Hilfe derartiger Vibratoren werden in der Regel P-Wel­ len erzeugt. Durch eine synchrone, phasenverschobene Anre­ gung einer Gruppe von Vibratoren, die im Abstand zueinan­ der angeordnet sind, läßt sich eine gewünschte Richtcha­ rakteristik erzielen. Hiermit ist es möglich, mit derarti­ gen Vibratoren auch Scherwellen zu erzeugen. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung von Scherwellen besteht darin, Schwing- und Reaktionsmasse eines Vibrators in horizontaler Richtung gegeneinander schwingen zu lassen. Hierzu ist eine stabile Kopplung mit dem Boden erforderlich.

Ein Vibrator ist beispielsweise auch aus der DE-OS 23 32 134 bekannt. Hierbei ist mit der Bodenplatte eine Kolbenstange verbunden, die in ihrem mittleren Be­ reich einen Kolben trägt, der in einem Zylinderraum beweg­ lich ist, der durch eine Ausnehmung einer schweren Reak­ tionsmasse gebildet ist. Durch wechselnde Zuführung von Hydraulikflüssigkeit zu den Teilzylinderräumen oberhalb und unterhalb des Kolbens ist die gewünschte Ansteuerung des Vibrators erreichbar. Zum Ausgleich der statischen Ge­ wichtsbelastung der Reaktionsmasse ist ein zusätzlicher Zy­ linderraum oberhalb des Arbeitszylinders vorgesehen. Zur Abstützung des freien Kolbenendes dient ein um die Reak­ tionsmasse herumgeführter Tragrahmen, der wiederum mit der Bodenplatte verbunden ist und damit die Reaktions­ masse einschließt.

Aus der DE-OS 24 20 781 ist ein Vibrator bekannt, der ebenfalls eine schwere Reaktionsmasse verwendet, in der eine Kolbenstange geführt ist. Zur Bildung der Zylinder­ räume beidseitig des Kolbens sind von den Enden der Re­ aktionsmasse her Laufbuchsen in die Bohrung der Reak­ tionsmasse eingesetzt. Diese dienen zur Abstützung und Abdichtung der Kolbenstange gegenüber der Reaktionsmasse.

Bei den bekannten Vibratoren besteht die Reaktionsmasse aus einem einteiligen, in der Regel gegossenen Eisenblock. Die Reaktionsmasse kann ein Gewicht von mehreren Tonnen auf­ weisen und ist daher entsprechend aufwendig zu handhaben. Es gibt Bestrebungen, die Größe der Reaktionsmassen von Vibratoren auf über 4 Tonnen anzuheben. Da die Reaktionsmassen aus einem Stück gefertigt werden, ist deren Bearbeitung und Hand­ habung in der Regel sehr aufwendig. Bei defekten Reaktionsmassen, beispielsweise bei Beschädigung des Zylinderraums, muß die gesamte schwere Masse transportiert werden, beispielsweise aus entfernten Ländern zum Hersteller zurücktransportiert werden. Es entstehen sehr hohe Transportkosten. Aufgrund des hohen Ge­ wichtes ist es ferner sehr aufwendig, die Bearbeitung und Re­ paratur auf geeigneten Maschinen durchzuführen. Schließlich ist der Wert einer derartigen Reaktionsmasse sehr hoch, so daß bei einem Bruch, bei dem die gesamte Reaktionmasse verschrottet werden muß, hohe Kosten entstehen.

Aus der DE 27 37 991 A1 ist ein seismischer Breitbandvibrator mit einer Reaktionsmasse, einer darin vorgesehenen zylindrischen Bohrung, einer Betätigungsstange und einem Kolben bekannt. Gemäß dieser Druckschrift sind an der Reaktionsmasse zusätzliche Masseteile befestigt. Diese zusätzlichen Massen sind ein Vielfachanschluß und ein Steuerventil sowie gegen­ überliegend ein rückwärtiges Ausgleichsgewicht und Seiten­ gewichte. Somit besteht die Reaktionsmasse aus einer vielstückig zusammengeschraubten Masse.

Nachteilig an dieser Ausführung ist, daß die Reaktionsmasse einen Großteil der gesamten Masse umfaßt und gleichzeitig in einer darin vorgesehenen zylindrischen Bohrung den Zylinderraum des Vibrators bildet. Aufgrund der erforderlichen Genauigkeit, Belastbarkeit und Haltbarkeit des Vibratorzylinders muß daher die gesamte Reaktionsmasse aus einem hochwertigen Material unter aufwendiger Bearbeitung hergestellt werden. Zudem erschwert die hohe Masse dieses Bauteils eine rationelle und kostengün­ stige Bearbeitung. Die zusätzlich angeschraubten Massen dienen hauptsächlich zum Gewichtsausgleich für den Vielfachanschluß mit Steuerventil, der die Druckbeaufschlagung der beiden Zy­ linderräume oberhalb und unterhalb des Kolbens steuert. Damit haben die zusätzlichen Masseteile nur ein relativ kleines Gewicht.

Ausgehend von dem letztgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Vibrator zur Erzeugung seismischer Energie anzugeben, dessen Reaktionsmasse kosten­ günstiger herzustellen und leichter zu handhaben ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfin­ dung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße mehrteilige Ausbildung der Reak­ tionsmasse lassen sich die notwendigen Bearbeitungsvorgänge im wesentlichen auf den Teil der Reaktionsmasse reduzieren, der das geringere Gewicht aufweist. Der Arbeitszylinder zur Aufnahme des Kolbens kann aus einem hochwertigen Material gefertigt sein, der eine präzise Bearbeitung und Behandlung zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit ermöglicht. Die eigentliche Masse, nämlich das Zusatzgewicht, wird nur mit geringem Aufwand bearbeitet.

Die Erfindung weist den besonderen Vorteil auf, daß das eigentliche Arbeitsteil, der Arbeitszylinder, von dem Masse­ teil losgelöst behandelt werden kann. Wenn die Reaktionsmasse beispielsweise durch übermäßige Beanspruchung zerbricht, kann der Arbeitszylinder von dem Zugangsgewicht gelöst werden und es ist lediglich das Zusatzgewicht zu ersetzen. Der Ar­ beitszylinder kann an Ort und Stelle verbleiben und es ist keine aufwendige Bearbeitung des Zusatzgewichts erforderlich. Andererseits ist es möglich, daß für den Fall, daß die Laufflächen des Arbeitszylinders oder der Zylinderraum beschädigt sind, der Arbeitszylinder ausgetauscht wird, ohne daß es erforderlich wäre, das gesamte Zusatzgewicht ebenfalls zu ersetzen.

Gemäß der Erfindung beträgt die Masse des Arbeitszylinders nur 1/5 bis 1/6 der Masse der gesamten Reaktionsmasse.

Der Arbeitszylinder kann aus wesentlich besserem, nahezu verschleißfreiem Werkstoff gefertigt werden, z. B. aus Werk­ stoffen, die sich nitrieren lassen.

Bei Verwendung von Stahl ist das spezifische Gewicht für den Arbeitszylinder günstiger. Es besteht eine größere Freiheit zur Herstellung gewünschter Masseformen um den Arbeitszylinder herum, z. B. zum Bau von Scherwellen- oder Straßenvibratoren.

Durch die Erfindung läßt sich ein Vibrator kostengünstiger herstellen, und es sind geringere Transportkosten bei Repa­ raturen zu kalkulieren. Der eigentliche Arbeitszylinder kann für verschiedene Vibratortypen mit unterschiedlicher Gewichts­ größe gleiche Grundmaße aufweisen.

Die Figur zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vibrators.

Es ist eine Bodenplatte 5 vorgesehen, die die translatorische Bewegung der Kolbenstange 1 in den Erdboden überträgt und so die für seismische Messungen erforderliche Druckwelle erzeugt. In der Bodenplatte 5 ist über einen Spannsatz 6 eine Verbin­ dung und Kraftübertragung zwischen Kolbenstange 1 und Boden­ platte 5 realisiert. Der Spannsatz 6 ist vorzugsweise als Schnellspannsatz ausgebildet.

Die Kolbenstange 1 kann entweder massiv oder aus dickwandigem Rohr gebildet sein. Der eigentliche ringförmige Kolben 14 be­ findet sich im mittleren Bereich der Kolbenstange 1 und läuft in einem aus den Teilzylindern 15, 16 des Arbeitszylinders ge­ bildeten Zylinderraum. Den Teilzylinderräumen 15, 16 wird im Arbeitsbetrieb über die Zulaufkanäle 17, 18, die über das Servo­ ventil 12 gesteuert werden, wechselweise Drucköl zugeführt. Dabei wird die mit der Kolbenstange 1 verbundene Bodenplatte in der einen und der Arbeitszylinder 2 mit der Zusatzmasse 4 in der anderen Richtung beschleunigt. Im Gleichgewichtszustand ist dabei die Summe der Kräfte=0.

Der Arbeitszylinder 2 weist an der Ober- und Unterseite Füh­ rungsbuchsen 3 auf, die den Zylinderraum begrenzen und gleich­ zeitig als Gleitlager mit hydrostatischer Lagerung der Kolbenstange dienen. Sie sind mit Niederdrucköl von beispielsweise 5 bar beaufschlagt.

An der das Servoventil 12 tragenden Verteilerplatte 11 ist zusätzlich ein Hydrospeicher 13 vorgesehen, der den Ölstrom im Hoch- und Niederdruck-Hydraulikkreis des Vibratorsystems glättet.

Der Arbeitszylinder 2 ist in einer Ausnehmung der Zusatzmasse 4 aufgenommen. Zur Verbindung von Arbeitszylinder 2 und Zusatzmasse 4 ist eine Spannbolzen-Befestigungsschraube 9 vorgesehen. Auf dem Umfang der Zusatzmasse sind mehrere Spannbolzen 9 vorgesehen. Über die Spannbolzen 9 erfolgt sowohl eine Verbindung zwischen Arbeitszylinder 2 und Zu­ satzmasse 4 als auch ein schnelles Lösen dieser Einheiten für einen Service bzw. Reparaturarbeiten an Arbeitszylinder 2 bzw. Zusatzmasse 4. Der Spannbolzen 9 wird mit Hilfe der Befestigungsmutter 10 angezogen, die leicht von oberhalb des Vibrators zugänglich ist.

Am oberen Ende des Kolbens 1 ist ein oberer Anschlag 7 be­ festigt, der Puffer 21 aufweist, die eine Wegbegrenzung der Zusatzmasse nach oben bilden. Entsprechende Puffer sind auf der Unterseite der Zusatzmasse 4 vorgesehen, um den Verschiebe­ weg der Zusatzmasse 4 nach unten zu begrenzen bzw. im ent­ lasteten Zustand die Zusatzmasse 4 auf der Bodenplatte 5 auf­ liegen zu lassen.

An dem Anschlag 7 ist ferner ein Wegmeßgerät 20 mit einem Wegaufnehmer 19 befestigt, mit dessen Hilfe eine Steuerung der Antriebsenergien erfolgen kann.

Zur Verdrehsicherung von Zusatzmasse 4 und Kolbenstange 1 ist eine Führungsstange 8 vorgesehen, die vom oberen Anschlag 7 in eine Bohrung der Zusatzmasse 4 hineinragt.

Der Arbeitszylinder 2 ist in der dargestellten Ausführungs­ form in einer Ausnehmung des Zusatzgewichts 4 aufgenommen. Die Zusatzmasse 4 kann jedoch auch andere Ausführungsformen um­ fassen, insbesondere auch selbst mehrteilig ausgebildet sein.

Der Arbeitszylinder 2 besteht aus hochwertigem Stahl, dessen Innenoberfläche nitriert sein kann. Wegen der geringen Größe des Arbeitszylinders können auch komplizierte Zylinderformen und Hydraulikzufuhrkanäle verwendet werden. Dagegen ist die Zusatzmasse 4, die etwa 5/6 des Gesamtgewichts der Reaktions­ masse beträgt, aus qualitativ schlechterem Material hergestellt. Ihre spangebende Bearbeitung beschränkt sich auf etwa 2 Flächen und führt daher insgesamt zu wesentlichen Kostenreduzierungen.

Bei Scherwellen-Vibratoren kann die zweiteilige Vibrator­ masse waagerecht gelegt werden, so daß eine durchgehende Kol­ benstange eine Zweipunktlagerung ermöglicht.

Bezugszeichenliste

 1 Kolbenstange
 2 Arbeitszylinder
 3 Führungsbuchsen
 4 Zusatzmasse
 5 Bodenplatte
 6 Spannsatz
 7 oberer Anschlag
 8 Führungsstange
 9 Spannbolzen
10 Befestigungsmutter
11 Verteilerplatte
12 Servoventil
13 Hydrospeicher
14 Kolben
15 Zylinderraum
16 Zylinderraum
17 Zulaufkanal
18 Zulaufkanal
19 Wegaufnehmer
20 Wegmeßgerät
21 Puffer

Claims (4)

1. Vibrator zur Erzeugung seismischer Energie mit einer Boden­ platte (5) und einer schweren Reaktionsmasse, die gegenein­ ander durch einen durch einen Arbeitszylinder (2) hindurch­ geführten Kolben (14) mit Kolbenstange (1) über hydraulische Steuereinrichtungen (11, 12, 13) bewegbar sind, wobei der eigenständige Arbeitszylinder (2) als Teil der Reaktionsmasse mit einer Zusatzmasse mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Arbeitszylinders 1/5 bis 1/6 der Masse der gesamten Reaktionsmasse beträgt und der Arbeitszylinder (2) aus hochwertigem Stahl und die schwere Zusatzmasse (4) aus geringwertigem Gußeisen bestehen.

2. Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (2) obere und untere Führungsbuchsen (3) aufweist, zwischen deren Stirnseiten und dem Kolben (14) je ein mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbarer Zylinderraum (15, 16) gebildet ist.

3. Vibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Arbeitszylinder (2) ein mit der hydraulischen Steuereinrichtung verbundener Hydropuffer (13) angeordnet ist.

4. Vibrator nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdrehsicherung von Zusatzmasse (4) und Kolbenstange (1) eine zur Kolben­ stange (1) parallel angeordnete Führungsstange (8) zwischen Zusatzmasse (4) und einem am oberen Ende der Kolbenstange (1) angeordneten Anschlag (7) vorgesehen ist.