KZ-28型可控震源混合隔振仿真研究

曲 喆,馬 磊,李建良,陶知非,李淑清

(1.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750)

KZ-28型可控震源混合隔振仿真研究

曲 喆1,馬 磊2,李建良1,陶知非2,李淑清1

(1.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750)

KZ-28型可控震源由于僅裝備了被動(dòng)隔振系統(tǒng)，在低頻段振動(dòng)時(shí)隔振效果不理想，導(dǎo)致震源輸出的波形產(chǎn)生畸變，從而影響地震勘探的質(zhì)量。為此，需要設(shè)計(jì)一套混合隔振系統(tǒng)。以該震源的技術(shù)參數(shù)和工作方式為基礎(chǔ)，確定了震源的振動(dòng)模型為單自由度模型，設(shè)計(jì)了震源的被動(dòng)隔振和混合隔振的仿真模型，并使用LabVIEW設(shè)計(jì)了仿真程序，進(jìn)行被動(dòng)隔振和混合隔振的仿真。仿真結(jié)果表明：采用被動(dòng)隔振方式，只有當(dāng)激振頻率高于13 Hz時(shí)，隔振效率才能大于95%；采用混合隔振方式，可以實(shí)現(xiàn)1～250 Hz頻率范圍內(nèi)95%以上的隔振效率，可以解決該震源低頻隔振不理想的問(wèn)題。根據(jù)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：在該震源的新型隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以采用分頻段隔振技術(shù)，即在1～17 Hz的低頻段采用混合隔振方式，而在17～250 Hz的高頻段采用被動(dòng)隔振方式。

可控震源； LabVIEW； 測(cè)控系統(tǒng)； 被動(dòng)隔振； 混合隔振； 分頻段隔振

0 引言

KZ-28型可控震源是東方地球物理公司自主研發(fā)的大噸位級(jí)可控震源，它作為地球物理勘探中的激發(fā)裝備，用于陸地油氣勘探過(guò)程中地震波信號(hào)的激發(fā)[1]。振動(dòng)器是可控震源的核心部分，它在震源工作時(shí)通過(guò)振動(dòng)產(chǎn)生激發(fā)信號(hào)，并將激發(fā)信號(hào)下傳到大地[2]。然而振動(dòng)器在工作的同時(shí)也不可避免地對(duì)可控震源本身造成影響，尤其在低頻段振動(dòng)時(shí)會(huì)使可控震源輸出的激發(fā)信號(hào)波形產(chǎn)生畸變，從而影響所采集的地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)[3]。KZ-28型可控震源盡管已經(jīng)安裝了被動(dòng)隔振彈簧，受可控震源本身的固有頻率影響，通過(guò)彈簧對(duì)其進(jìn)行被動(dòng)隔振，在中高頻范圍內(nèi)才會(huì)取得良好的隔振效果；但是在低頻范圍內(nèi)的隔振效果則不太理想，尤其在可控震源的固有頻率附近完全沒有隔振效果。因此，迫切需要設(shè)計(jì)針對(duì)該可控震源的被動(dòng)-主動(dòng)隔振共同作用的混合隔振系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)1～250 Hz頻率范圍內(nèi)理想的隔振效果。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司研發(fā)的基于G語(yǔ)言的測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面、高效的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的功能擴(kuò)展模塊[4-5]。采用該軟件可以直接設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并且可以將仿真程序直接設(shè)置在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，因此具有非常強(qiáng)的實(shí)用性。

本文首先建立了KZ-28型可控震源的物理振動(dòng)模型，分析了被動(dòng)隔振和混合隔振達(dá)到理想隔振效果的頻率范圍。利用LabVIEW的控制設(shè)計(jì)與仿真模塊，設(shè)計(jì)了以上述模型為基礎(chǔ)的被動(dòng)隔振和混合隔振仿真程序，并對(duì)不同的激振頻率和阻尼比進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，通過(guò)被動(dòng)隔振和混合隔振分頻段聯(lián)合作用，在KZ-28型可控震源上能夠?qū)崿F(xiàn)1～250 Hz頻率范圍內(nèi)95%以上的隔振效率，因此，KZ-28型可控震源新型隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用這種隔振技術(shù)。

1 KZ-28型可控震源的振動(dòng)特性

KZ-28型可控震源在工作時(shí)由于只在垂直方向發(fā)生振動(dòng)，因此可將其簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)模型，如圖1所示。圖1中：m為車體質(zhì)量；k為彈簧剛度；c為系統(tǒng)阻尼；M為振動(dòng)器質(zhì)量。

圖1 單自由度振動(dòng)模型

KZ-28型可控震源的四個(gè)技術(shù)參數(shù)分別為：車體質(zhì)量m=2.79×103kg；彈簧剛度k=7.24×106N/m；振動(dòng)器振幅A=3.8×10-2m；系統(tǒng)固有頻率fn=2.57 Hz。阻尼比與阻尼系數(shù)的關(guān)系如下：

(1)

式中：阻尼系數(shù)c<1，因此ζ<0.01，即KZ-28型可控震源屬于弱阻尼系統(tǒng)。

對(duì)于KZ-28型可控震源來(lái)說(shuō)，當(dāng)激振頻率1 Hz≤f≤5fn=12.85 Hz時(shí)，對(duì)提高地震勘探質(zhì)量來(lái)說(shuō)具有特殊重要的意義，而在這一頻段被動(dòng)隔振又不能達(dá)到理想的隔振效果。主動(dòng)隔振可以實(shí)現(xiàn)激振頻率在固有頻率附近的完美隔振。基于上述分析，要實(shí)現(xiàn)理想的隔振效果，可以考慮在1 Hz≤f≤13 Hz的低頻段用混合隔振的方式，在13 Hz

下面根據(jù)KZ-28可控震源的振動(dòng)特性，使用LabVIEW設(shè)計(jì)仿真程序，進(jìn)行被動(dòng)隔振和混合隔振仿真，探討為KZ-28型可控震源設(shè)計(jì)分頻段工作的新型隔振系統(tǒng)的可行性。

2 隔振模型與仿真程序

2.1 被動(dòng)隔振仿真模型

被動(dòng)隔振通過(guò)在激振源和隔振對(duì)象之間安裝隔振裝置，改變了隔振對(duì)象的振動(dòng)物理特性，實(shí)現(xiàn)了隔振功能。在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中，隔振對(duì)象的物理振動(dòng)特性不能隨激振源振動(dòng)參數(shù)的改變而改變，因此稱為被動(dòng)隔振。

KZ-28型可控震源被動(dòng)隔振的物理模型如圖2所示。圖2中：x為車體振動(dòng)位移；xs=0.038sin(2πft)為振動(dòng)器的振動(dòng)位移，f為激振頻率。該振動(dòng)通過(guò)隔振彈簧傳遞給車體，成為車體的激振源，取車體靜平衡位置o為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖2 被動(dòng)隔振物理模型

根據(jù)圖2可得如下被動(dòng)隔振動(dòng)力學(xué)微分方程：

(2)

2.2 混合隔振仿真模型

混合隔振是指被動(dòng)隔振和主動(dòng)隔振共同作用的隔振方式。主動(dòng)隔振要在原來(lái)被動(dòng)隔振的系統(tǒng)上加上一個(gè)主動(dòng)控制力，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激振，抵消原來(lái)的激振力產(chǎn)生的震動(dòng)，從而達(dá)到隔振的目的。KZ-28型可控震源的主動(dòng)隔振主要用于解決1～13 Hz低頻段被動(dòng)隔振不能解決的隔振問(wèn)題。

KZ-28型可控震源混合隔振模型如圖3所示。圖3中：f(t)為主動(dòng)控制力，其他參數(shù)與圖2被動(dòng)隔振中的參數(shù)意義完全一樣。

圖3 混合隔振物理模型

根據(jù)圖3可得如下混合隔振動(dòng)力學(xué)微分方程：

(3)

2.3 隔振仿真程序設(shè)計(jì)

由式(2)、式(3)可知，混合隔振只比被動(dòng)隔振多了主動(dòng)控制力f(t)項(xiàng)，因此可以把被動(dòng)和混合隔振用一個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)，用一個(gè)隔振方式開關(guān)來(lái)選擇隔振方式。

混合隔振仿真采用閉環(huán)控制。由于PID控制算法簡(jiǎn)單、可靠性高、魯棒性好，尤其適用于建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)[6-8]，因此本仿真程序設(shè)計(jì)中采用PID閉環(huán)控制算法，通過(guò)試驗(yàn)法確定PID控制算法中的三個(gè)參數(shù)為Kp=24 500、TI=1.35、TD=0.6。

根據(jù)式(2)和式(3)，采用LabVIEW設(shè)計(jì)了被動(dòng)和混合隔振仿真程序。除了仿真功能，程序還實(shí)現(xiàn)了計(jì)算隔振振幅、位移傳遞率和隔振效率的功能，以便比較仿真結(jié)果。

3 隔振仿真及結(jié)果分析

3.1 被動(dòng)隔振

假設(shè)振動(dòng)器的振動(dòng)位移為xs=0.038sin(2πf)，振幅A=0.038 mm，阻尼比ζ=0.01，激振頻率f分別取1 Hz、3 Hz、8 Hz、13 Hz、17 Hz進(jìn)行仿真。被動(dòng)隔振仿真結(jié)果如表1所示。

表1 被動(dòng)隔振仿真結(jié)果

由表1 可以看出，當(dāng)激振頻率f≥13 Hz時(shí)，隔振效率超過(guò)了95%；而當(dāng)激振頻率f<13 Hz時(shí)，頻率越小，隔振效果越差。

3.2 混合隔振

混合隔振仿真條件與被動(dòng)隔振仿真條件相同。混合隔振仿真結(jié)果如表2所示。

表2 混合隔振仿真結(jié)果

由表2可以看出，激振頻率在1～17 Hz的低頻范圍內(nèi)，混合隔振的隔振效果非常理想，隔振效率都在97%以上，尤其在激振頻率為1～3 Hz時(shí)，隔振效率都達(dá)到了99%以上。而被動(dòng)隔振仿真在激勵(lì)頻率為1～3 Hz時(shí)已經(jīng)完全失效。因此，激勵(lì)頻率在1～17 Hz的低頻范圍內(nèi)，混合隔振能夠?qū)崿F(xiàn)KZ-28型可控震源的完美隔振，達(dá)到了理想的隔振效果，即在KZ-28可控震源隔振新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用混合隔振方式在原理上是可行的。

3.3 阻尼比對(duì)隔振的影響

根據(jù)單自由度弱阻尼系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)理論，系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)的響應(yīng)由瞬態(tài)振動(dòng)和穩(wěn)態(tài)振動(dòng)兩部分組成。而瞬態(tài)振動(dòng)時(shí)，最大振幅衰減到指定振幅的衰減時(shí)間與阻尼比成反比，可用如下公式計(jì)算[8]：

(4)

由式(4)可以看出，阻尼比可能對(duì)被動(dòng)隔振效果產(chǎn)生很大影響，因此有必要對(duì)阻尼比ζ對(duì)被動(dòng)隔振效果的影響進(jìn)行仿真，為新型混合隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。分別取阻尼比ζ為0.01和0.05、激勵(lì)頻率f=13 Hz，進(jìn)行被動(dòng)隔振仿真。仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同阻尼比的被動(dòng)隔振仿真結(jié)果

由表3可以看出，阻尼比對(duì)被動(dòng)隔振達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的隔振振幅及隔振效率影響不大，隨著阻尼比的增加，瞬態(tài)響應(yīng)衰減的時(shí)間顯著縮短。下面采用式(4)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

由表1和表2可以看出，當(dāng)激振頻率為17 Hz時(shí)，被動(dòng)隔振和混合隔振有最接近的隔振振幅、位移傳遞率和隔振效率，因此把混合隔振和被動(dòng)隔振的切換點(diǎn)定在17 Hz，這樣混合隔振和被動(dòng)隔振之間就可以平穩(wěn)切換。設(shè)計(jì)KZ-28型可控震源新型隔振系統(tǒng)時(shí)，將阻尼比提高到0.05以上，被動(dòng)隔振波形就能在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這有利于取得更好的被動(dòng)隔振效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)KZ-28型可控震源在工作時(shí)產(chǎn)生的激發(fā)信號(hào)受到振動(dòng)干擾產(chǎn)生畸變的問(wèn)題，將可控震源簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)模型，設(shè)計(jì)了被動(dòng)隔振和混合隔振的物理模型；用LabVIEW設(shè)計(jì)了隔振仿真程序，并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：當(dāng)激勵(lì)頻率大于13 Hz時(shí)，僅用被動(dòng)隔振就能達(dá)到95%以上的隔振效率；而當(dāng)激勵(lì)頻率小于13 Hz時(shí)，用混合隔振能達(dá)到95%以上的隔振效率，尤其在激勵(lì)頻率與可控震源固有頻率相近時(shí)，在被動(dòng)隔振已經(jīng)完全不起作用的情況下，混合隔振同樣可以實(shí)現(xiàn)95%以上的隔振效率。在激振頻率大于17 Hz的中高頻率范圍內(nèi)，采用被動(dòng)隔振方式；在1～17 Hz的低頻范圍內(nèi)，采用混合隔振的方式，可以實(shí)現(xiàn)1～250 Hz頻率范圍內(nèi)95%以上的隔振效率，完全滿足了KZ-28型可控震源對(duì)隔振的要求。在KZ-28型可控震源新型隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用這種分頻段隔振技術(shù)。在新型隔振系統(tǒng)中，如果能將阻尼比提高到0.05以上，被動(dòng)隔振能夠獲得更好的效果，但此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施方案還有待進(jìn)一步研究。

[1] 丁雅萍.KZ-28型可控震源振動(dòng)器平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能研究[D].成都:西南石油大學(xué),2015.

[2] 黃志強(qiáng),李剛,丁雅萍,等.KZ-28型可控震源振動(dòng)器平板性能有限元分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2016,35(11):1673-1678.

[3] 陶知非.可控震源輸出信號(hào)畸變控制問(wèn)題的研究[J].物探裝備,2007,17(1):1-13.

[4] 張黎,蔡亮.基于LabVIEW的虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2014,33(1):82-85.

[5] 劉松斌,王海星,馬雙,等.基于LabVIEW的單片機(jī)與PC機(jī)串口通信顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015(7):806-808.

[6] 吳天行,華宏星.機(jī)械振動(dòng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014:44-51.

[7] 張春良,梅德慶,陳子辰.振動(dòng)主動(dòng)控制及應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2011:72-73.

[8] 鄭兆昌.機(jī)械振動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980:48-49.

ResearchontheHybridVibrationIsolationSimulationofKZ-28Vibroseis

QU Zhe1,MA Lei2,LI Jianliang1,TAO Zhifei2,LI Shuqing1

(1.College of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300222，China;2.Bureau of Geophysical Prospecting INC.,China National Petroleum Corporation,Zhuozhou 072750，China)

KZ-28 vibroseis is unable to provide satisfactory effects of vibration isolation when it is working at low vibration frequencies because it is only equipped with a passive isolation system,so the output waveform of vibration source is distorted,and the quality of seismic exploration is affected.Thus a hybrid vibration isolation system is required in order to address this problem.With the technical parameters and the working mode of this vibration source as the basis,it is determined that the vibration model of this source is a single-degree-of-freedom model; the passive vibration isolation and a simulation model of the vibration source are designed,and the simulation program is designed using LabVIEW,to carry out the simulation for passive vibration isolation and hybrid vibration isolation.The simulation results indicate that if passive isolation is used,the isolation efficiency does not exceed 95% until the excitation frequency increases above 13 Hz.Conversely,in the hybrid isolation mode,the isolation efficiency stays above 95% throughout the working frequency range of 1 Hz to 250 Hz,hence providing a solution to the vibration source problem of poor isolation at low frequencies.The conclusion is that in new design of the vibration isolation system,different isolation modes for different frequency bands can be considered,hybrid isolation mode for 1 Hz to 17 Hz,and passive mode for 17 Hz to 250 Hz.

Vibroseis； LabVIEW； Measurement and control system； Passive vibration isolation； Hybrid vibration isolation； Frequency band based vibration isolation

TH865;TP29

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709001

修改稿收到日期:2017-04-17

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012AA061201)

曲喆(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事現(xiàn)代傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)融合方向的研究。E-mail:wjnjrs@163.com。 李淑清(通信作者)，女，博士，教授，主要從事現(xiàn)代傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)融合方向的研究。E-mail:lshq@tust.edu.cn。