Том 337 № 1 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/1/4974
Имитационная модель электромагнитного сейсмоисточника ударного типа для малоглубинной сейсморазведки
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.
Ключевые слова:
сейсмический метод, электромагнитный сейсмоисточник ударного типа, ээлектромагнитный привод, численный метод, методы структурного моделирования, магнитное поле, имитационная динамическая модель, кинетическая энергия, электромеханические процессы
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шнеерсон М.Б. Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки. – М.: ОАО «Изд-во Недра», 1998. – 527 с.
2. Шнеерсон М.Б. Основные направления развития технологии полевых работ наземной сейсморазведки // Экспозиция Нефть Газ. – 2020. – № 1 (74). – С. 16–19. DOI: 10.24411/2076-6785-2019-10065.
3. Ефимов Е.А. Численный анализ воздействия импульсного сейсмоисточника на приповерхностные грунты // Вестник Башкирского университета. – 2022. – Т. 27. – № 3. – С. 502–507. DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2022.3.2.
4. Bakulin A., Silvestrov I., Pevzner R. Surface seismics with DAS: An emerging alternative to modern point-sensor acquisition // The leading edge. – 2020. – Vol. 39. – № 11. – P. 808–818. DOI: https://doi.org/10.1190/tle39110808.1.
5. Ивашин В.В., Певчев В.П. К вопросу развития импульсных наземных сейсмоисточников для сейсморазведки // Научное обозрение. – 2012. – № 2. – С. 313–321.
6. Принципы повышения эффективности импульсных электромагнитных сейсмоисточников малой мощности для исследования малых глубин / В.А. Селезнев, В.А. Живодров, Г.Г. Угаров, К.М. Усанов // Приборы и системы разведочной геофизики. – 2003. – № 01 (03). – С. 28–29.
7. Электромагнитный импульсный сейсмоисточник малой мощности / Н.А. Бритков, А.П. Малахов, Н.П. Ряшенцев, А.П. Копейкин, Г.Г. Щерба // Электромагнитные импульсные системы. – Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1982. – С. 160–166.
8. Шнеерсон М.Б. Современные полевые технологии наземной сейсморазведки // Экспозиция Нефть Газ. – 2019. – № 4 (71). – С. 39–42. DOI: 10.24411/2076-6785-2019-10032.
9. Возбуждение гармонических колебаний дебалансным виброисточником для увеличения притока к скважинам при искусственном понижении грунтовых вод / А.В. Савченко, А.Г. Николаев, А.В. Козлов, Д.С. Евстигнеев // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2023. – № 7 (775). – С. 96–104. DOI: 10.32683/0536-1052-2023-775-7-96-104.
10. Плохих В.В. Создание пневматической ударной машины для реализации адаптивных технологических процессов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2022. – № 7. – С. 91–103. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_7_0_91.
11. Речкин А.А. Применение CFD-моделирования в исследовании и проектировании пневматических и гидравлических ударных устройств // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2022. – № 7. – С. 104–114. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_7_0_104.
12. Study of pneumatic sources of elastic waves for marine seismic exploration / G.L. Kozenkova, V.N. Talamanov, V.A. Kozenkov, S.I. Kondratyev, E.V. Khekert, M.A. Modina // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2061. – № 1. – art. 012068. DOI: 10.1088/1742-6596/2061/1/012068.
13. Варламов С.Е., Красноборов Д.В. Надежные виброисточники приходят на российский рынок // Приборы и системы разведочной геофизики. – 2023. – № 3 (78). – С. 107–112.
14. Development and parametric analysis of vibration system controlled by hydraulic shock rotary vibrator / Q. Ren, Z. Kou, J. Wu, T. Li, W. Yahya // Shock and Vibration. – 2021. – Vol. 2021. – P. 1–21. DOI: https://doi.org/10.1155/2021/1082963.
15. Детков В.А. К 40-летию импульсного источника «Енисей»: вчера, сегодня, завтра // Приборы и системы разведочной геофизики. – 2021. – № 4 (71). – С. 78–83.
16. Sadovskii V.M., Sadovskaya O.V., Detkov V.A. Analysis of elastic waves generated in frozen grounds by means of the electromagnetic pulse source "Yenisei" // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 193. – art. 012058. DOI: 10.1088/1755-1315/193/1/012058.
17. The construction of a simple portable electromagnetic vibrator from commercially available components / T. Dean, H. Nguyen, A. Kepic, D. Halliday // Geophysical Prospecting. – 2019. – Vol. 67. – № 6. – P. 1686–1697. DOI: https://doi.org/10.1111/1365-2478.12645.
18. Portable tunnel electromagnetic impulse shock source / Y. Hu, W. Wang, W. Liu, Z. Chen, J. Zhou, Z.A. Fu // Sensors. – 2023. – Vol. 23. – № 9. – art. 4213. https://doi.org/10.3390/s23094213.
19. Ткачук А.К., Степанов Д.С. Разработка автономного невзрывного сейсмоисточника для проведения подземной сейсморазведки // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. – 2016. –Т. 3. – № 2. – С. 198–201.
20. Певчев В.П. Анализ влияния форсировки короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника на КПД // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2010. – № 6. – С. 77–78.
21. Strike action electromagnetic machine for immersion of rod elements into ground / K.M. Usanov, A.V. Volgin, E.A. Chetverikov, V.A. Kargin, A.P. Moiseev, Z.I. Ivanova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87. – art. 032050. DOI: 10.1088/1755-1315/87/3/032050.
22. Нейман В.Ю., Нейман Л.А., Скотников А.А. Структурный анализ синхронных электромагнитных машин ударного действия // Автоматизированные электромеханические системы: сб. науч. тр. / под общ ред. В.Н. Аносова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – С. 106–120.
23. Ануфриев А.С., Певчев В.П. Моделирование процесса соударения якоря с индуктором в импульсном электромагнитном сейсмоисточнике // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2018. – № 2 (58). – С. 101–109.
24. Electric converters of electromagnetic strike machine with battery power / K.M. Usanov, A.V. Volgin, V.A. Kargin, A.P. Moiseev, E.A. Chetverikov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 327. – art. 052031. DOI: 10.1088/1757-899X/327/5/052031.
25. Neiman L.A., Neiman V.Yu., Shabanov A.S. A simplified calculation of the intermittent periodic operating regime of an electromagnetic impact drive // Russian Electrical Engineering. – 2014. –Vol. 85. – № 12. – P. 757–760. DOI: 10.3103/S1068371214120104.
26. Neyman L.A., Neyman V.Yu. A dynamic model for a pulse electromagnetic drive with a controlled striker position // Russian Electrical Engineering. – 2024. – Vol. 95. – № 5. – P. 364–369. DOI 10.3103/S1068371224700378.
27. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Расчет динамики электромагнитного привода колебательного движения с однополупериодным выпрямителем // Вестник МЭИ. – 2016. – № 6. – С. 64–71.
28. Caseiro L., Caires D., Mendes A. Prototyping power electronics systems with Zynq-based boards using Matlab/Simulink a complete methodology // Electronics. – 2022. – Vol. 11. – № 7. – art. 1130. https://doi.org/10.3390/electronics11071130.
29. Vibrating feeder electromagnetic drive model implemented in MatLab/Simulink / A. Semenov, M. Semenova, Y. Bebikhov, A. Egorov, P. Vasilyev, Y. Kharitonov // 2021 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS). IEEE. – 2021. – P. 88–92. DOI: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657343.
30. Eremochkin S.Y., Dorokhov D.V. Characteristics research of the semiconductor frequency converter in Matlab Simulink // 2021 XV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE). IEEE. – 2021. – P. 144–149. DOI: 10.1109/APEIE52976.2021.9647561.
31. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины ударного действия. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2021. – 480 с.
32. Nazaruddin N., Siallagan R. Software engineering development of finite element method programming applications in 2D frame structures using python programs // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2049. – art. 012031. DOI: 10.1088/1742-6596/2049/1/012031.
33. Shevchenko V.P., Babiychuk O.B., Boltenkov V.O. Study of current transformers magnetic field by method final elements using the FEMM software complex // Applied aspects of information technology. – 2019. – Vol. 2 (4). – P. 317–327.
34. Krutikov K.K., Rozhkov V.V. Features of electrical and magnetic skin effect modeling from alternating electromagnetic fields in FEMM // Russian Electrical Engineering. – 2020. – Vol. 91. – № 12. – P. 781–785. DOI: https://doi.org/10.3103/S106837122012010X.
35. Neiman L.A., Neiman V.Yu. The Influence of friction forces on performance dynamics of a two-mass electromagnetic vibrator model // Russian Electrical Engineering. – 2023. – Vol. 94. – № 5. – P. 310–313. DOI: 10.3103/S1068371223050139.
REFERENCES
1. Shneerson M.B. Theory and practice of ground non-explosive seismic exploration. Moscow, OAO Nedra Publ., 1978. 527 p. (In Russ.)
2. Shneerson M.B. Main directions of development of technology for field work of land seismic exploration. Ekspoziciya Neft Gaz, 2020, no. 1 (74), pp. 16–19. (In Russ.) DOI: 10.24411/2076-6785-2019-10065.
3. Efimov E.A. Numerical analysis of the impact of a pulsed seismic source on near-surface soils. Vestnik Bashkirskogo universiteta, 2022, vol. 27, no. 3, pp. 502–507. (In Russ.) DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2022.3.2.
4. Bakulin A., Silvestrov I., Pevzner R. Surface seismics with DAS: An emerging alternative to modern point-sensor acquisition. The leading edge, 2020, vol. 39, no. 11, pp. 808–818. (In Russ.) DOI: https://doi.org/10.1190/tle39110808.1.
5. Ivashin V.V. Pevchev V.P. On the development of pulsed ground seismic sources for seismic exploration. Nauchnoe obozrenie, 2012, no. 2, pp. 313–321. (In Russ.)
6. Seleznev V.A., Zhivodrov V.A., Ugarov G.G., Usanov K.M. Principles of increasing the efficiency of low-power pulsed electromagnetic seismic sources for shallow depth research. Pribory i sistemy razvedochnoy geofiziki, 2003, no. 01 (03), pp. 28–29. (In Russ.)
7. Britkov N.A., Malahov A.P., Ryashentsev N.P., Kopeykin A.P., Shcherba G.G. Low power electromagnetic pulse seismic source. Elektromagnitnye impulsnye sistemy, Novosibirsk, IGD SO AN SSSR Publ., 1982. pp. 160–166. (In Russ.)
8. Shneerson M.B. Modern field technologies for land seismic exploration. Ekspoziciya Neft Gaz, 2019, no. 4 (71), pp. 39–42. (In Russ.) DOI: 10.24411/2076-6785-2019-10032.
9. Savchenko A.V., Nikolaev A.G., Kozlov A.V., Evstigneev D.S. Excitation of harmonic oscillations by an unbalanced vibration source to increase the inflow to wells during an artificial decrease in groundwater. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitelstvo, 2023, no. 7 (775), pp. 96–104. (In Russ.) DOI: 10.32683/0536-1052-2023-775-7-96-104.
10. Plokhikh V.V. Pneumatic percussion tool to implement adaptive technologies. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull., 2022, no. 7, pp. 91–103. (In Russ.) DOI: 10.25018/0236_1493_2022_7_0_91.
11. Rechkin A.A. CFD-modeling in design and research of pneumatic and hydraulic percussion tools. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull., 2022, no. 7, pp. 104–114. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_7_0_104.
12. Kozenkova G.L., Talamanov V.N., Kozenkov V.A., Kondratyev S.I., Khekert E.V., Modina M. A. Study of pneumatic sources of elastic waves for marine seismic exploration. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 2061, no. 1, art. 012068. DOI: 10.1088/1742-6596/2061/1/012068.
13. Varlamov S.E., Krasnoborov D.V. Reliable vibration sources are coming to the Russian market. Pribory i sistemy razvedochnoj geofiziki, 2023, no. 3 (78), no. 107–112. (In Russ.)
14. Ren Q., Kou Z., Wu J., Li T., Yahya W. Development and parametric analysis of vibration system controlled by hydraulic shock rotary vibrator. Shock and Vibration, 2021, vol. 2021, pp. 1–21. DOI: https://doi.org/10.1155/2021/1082963.
15. Detkov V.A. To the 40th anniversary of the Yenisei pulse source: yesterday, today, tomorrow. Pribory i sistemy razvedochnoj geofiziki, 2021, no. 4 (71), pp. 78–83. (In Russ.)
16. Sadovskii V.M., Sadovskaya O.V., Detkov V.A. Analysis of elastic waves generated in frozen grounds by means of the electromagnetic pulse source «Yenisei». IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018, vol. 193, art. 012058. DOI: 10.1088/1755-1315/193/1/012058.
17. Dean T., Nguyen H., Kepic A., Halliday D. The construction of a simple portable electromagnetic vibrator from commercially available components. Geophysical Prospecting, 2019, vol. 67, no. 6, pp. 1686–1697. DOI: https://doi.org/10.1111/1365-2478.12645.
18. Hu Y., Wang W., Liu W., Chen Z., Zhou J., Fu Z. A Portable tunnel electromagnetic impulse shock source. Sensors, 2023, vol. 23, no. 9, art. 4213. DOI: https://doi.org/10.3390/s23094213.
19. Tkachuk A.K., Stepanov D.S. Development of an autonomous non-explosive seismic source for underground seismic exploration. Fundamentalnye i prikladnye voprosy gornykh nauk, 2016, vol. 3, no. 2. pp. 198–201.
20. Pevchev V.P. Science of mining machines the superexcitation and efficiency relation in a short-Stroke pulsed electromagnetic motor of a seismic source. Journal of Mining Science, 2010, vol. 46, no. 6, pp. 656–665. DOI: 10.1007/s10913-010-0083-9.
21. Usanov K.M., Volgin A.V., Chetverikov E.A., Kargin V.A., Moiseev A.P., Ivanova Z.I. Strike action electromagnetic machine for immersion of rod elements into ground. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2017, vol. 87, art. 032050. DOI: 10.1088/1755-1315/87/3/032050.
22. Neyman V.Yu., Neyman L.A., Skotnikov A.A. Structural analysis of synchronous electromagnetic impact machines. Avtomatizirovannye elektromekha-nicheskie sistemy. Ed. by. V.N. Anosov. Novosibirsk, NSTU Publ., 2011. pp. 106–120. (In Russ.)
23. Anufriev A.S., Pevchev V.P. Modeling the process of collision of an anchor with an inductor in a pulsed electromagnetic seismic source. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki, 2018. no. 2 (58), pp. 101–109.
24. Usanov K.M., Volgin A.V., Kargin V.A., Moiseev A.P., Chetverikov E.A. Electric converters of electromagnetic strike machine with battery power. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, vol. 327, art. 052031. DOI: 10.1088/1757-899X/327/5/052031.
25. Neiman L.A., Neiman V.Y., Shabanov A.S. A simplified calculation of the intermittent periodic operating regime of an electromagnetic impact drive. Russian Electrical Engineering, 2014, vol. 85, no. 12, pp. 757–760. DOI: 10.3103/S1068371214120104.
26. Neyman L.A., Neyman V.Yu. A dynamic model for a pulse electromagnetic drive with a controlled striker position. Russian Electrical Engineering, 2024, vol. 95, no. 5, P. 364–369. DOI: 10.3103/S1068371224700378.
27. Neyman L.A., Neyman V.Yu. Calculation of the dynamics of an electromagnetic drive of oscillatory motion with a half-wave rectifier. Vestnik MEI, 2016, no. 6. pp. 64–71. (In Russ.)
28. Caseiro L., Caires D., Mendes A. Prototyping power electronics systems with zynq-based boards using Matlab/Simulink A Complete Methodology. Electronics, 2022, vol. 11, no. 7, art. 1130. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics11071130.
29. Semenov A., Semenova M., Bebikhov Y., Egorov A., Vasilyev P., Kharitonov Y. Vibrating feeder electromagnetic drive model implemented in MatLab/Simulink. 2021 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), IEEE, 2021, pp. 88–92. DOI: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657343.
30. Eremochkin S.Y., Dorokhov D.V. Characteristics research of the semiconductor frequency converter in Matlab Simulink. 2021 XV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), IEEE, 2021, pp. 144–149. DOI: 10.1109/APEIE52976.2021.9647561.
31. Neyman L.A., Neyman V.Yu. Linear synchronous electromagnetic impact machines. Novosibirsk, NSTU Publ., 2021. 480 p. (In Russ.)
32. Nazaruddin N., Siallagan R. Software engineering development of finite element method programming applications in 2D frame structures using python programs. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 2049, art. 012031. DOI: 10.1088/1742-6596/2049/1/012031.
33. Shevchenko V.P., Babiychuk O.B., Boltenkov V.O. Study of current transformers magnetic field by method final elements using the FEMM software complex. Applied aspects of information technology, 2019, vol. 2 (4), pp. 317–327.
34. Krutikov K.K., Rozhkov V.V. Features of electrical and magnetic skin effect modeling from alternating electromagnetic fields in FEMM. Russian Electrical Engineering, 2020, vol. 91, no. 12, pp. 781–785. DOI: https://doi.org/10.3103/S106837122012010X.
35. Neiman L.A., Neiman V.Y. The Influence of friction Forces on performance dynamics of a two-mass electromagnetic vibrator model. Russian Electrical Engineering, 2023, vol. 94, pp. 5, pp. 310–313. DOI: 10.3103/S1068371223050139.
