专利名称：三轴地震振动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于地震探矿的振动器，更特殊地说，是涉及一种采用液压驱动三轴振动器的用于地震探矿的系统和方法。
地震探矿通常包括将冲击波，或震动引入到一个地质构造中去。然后，这个冲击波通过这个构造中的不同岩层的反射部分被加以检测。这个反射的冲击波被用来研究这个构造中的不同矿层的形状，组成和深度。产生这种振动的最主要的方法是利用不同形式的液压振动器。颁发给Crowell等人的美国专利No.5,401,919中的内容及所引的参考文献，描述了一种产生压缩波的这种机器。
描述三轴功能地震振动器的专利，包括颁发给Betz的美国专利4,662,473；颁发给Airhart的美国专利4,665,314；4,660,675；以及4,719,607。这些专利的每一个都描述了一种设备，它可以在不同的倾斜角度和方位角上产生振动的地震波，而不用重新定位装置的地面接触底板，或者不用重新定位载运这种装置的车辆。然而，这些现有技术的装置需要重新定位或重新设置某些部位，如振动器的机壳，以便产生出垂直的剪切波和压缩波。而且，这些装置不能在不产生大量的压缩波的同时产生剪切波。
美国专利No.4,853,907描述了一种可倾斜地震振动器。这个装置提供了一种机构“用来沿着所选择的向量途径产生振动信号”。这个装置可以安装在车辆上，它包括一个地面接合底板18，这个底板连接到一个下升降框架14上(第3列，第64-65行)。振动器34包括一个万能节38，它将一个轴36连接到底板18上(4列，18-22行)。一个振动重块44固定在轴36上，并且往复运动这个轴从而把振动传送到底板18上(4列，30-31行)。
现有的技术不能提供一个装置，可以沿着三个轴同时地产生地震振动，也不能选择性地只产生剪切波。因此，所需要的是一种地震振动器，它可以同时地或者有选择地把压缩波(P-波)和正交剪切波(S1波和S2波)传递到地球表面中去。而且，所需要的是一种系统或方法，它可以更精确地，在更好的隔绝冲击的安排下控制地震源的斜度和方位。
现有技术的另一个P波隔绝系统使用链条在底板处于升起和收藏位置时，将底板和一个地脚维持在恰当的方向。而且，隔绝空气袋在垂直方向上起作用，同时，一系列约束连接牢固地约束着振动器，防止它在横向上活动。但是，在P波和S波的联合操作中，横向的刚性约束可能会允许很大一部分S波能量传递到车辆上去。因此，为了产生S波，并且提供更好的冲击隔离，传递到载车上去的输出能量必须被消除。同时，选择一个有非常弱的约束的横向约束系统，可能会限制地震振动器在水平和平坦的地形上工作。这是因为在有斜度的地方工作可以允许振动器在操作时在横向上移进载车的框架内。
对上述的三轴振动器系统固有问题的解决方案，不能在现有技术中找到。因此，所需要的是一个振动隔离系统，它可以沿着多轴均匀地提供一个地震振动器的恰当的平稳的约束。
据此，本发明提供一个三轴地震振动器，一个用于这种振动器的隔离系统，以及一种方法，它可以将压缩波和剪切波的三轴线地震振动，或者是依次地，或者是同时地传递到地球的表面中去。
这个地震振动器包括一个地面接触底板，它将振动能量传递到地表中去。一个支持结构有一个回转装置，它包括一个接收在承窝装置内的球体。高架支脚将底板以相离开的关系牢固地连接到支承结构上去。这个回转装置以可转动方式支撑着一个振动器装置。这个振动器装置包括一个作用重物，一个双作用缸，以及一个P波活塞轴。这个活塞轴有一个第一和第二端，以及一个中心部位在第一和第二端之间进行连接。活塞安装在活塞轴上并位于作用重物的一个空腔内。活塞轴的第一端连接到球体上。一个第一伺服液压控制回路，将一个直线往复振动沿着活塞轴的轴线方向前后运动地产生到作用重物上。当地震振动器处于一个优先的垂直和水平操作位置时，这个往复振动沿着一个基本垂直的轴线产生。这个往复振动通过回转装置传递到支撑结构，向下再到高架支脚，传递到底板，然后传到地表。一个第二伺服液压控制回路将一个第一震荡振动产生到活塞轴上，然后也传到作用重物上去。这个震荡振动通过活塞轴的第二端传递到底板，然后传到地表中去。
在本发明的另一个特点中，一个第三伺服液压控制回路在活塞轴的第二端里产生一个第二震荡振动，从而产生一个基本上与第一震荡振动相垂直的第二连续震荡振动。
在本发明的另一特点中，第二控制回路包括至少一个驱动缸，它以不可滑动配合方式与活塞轴的第二端相联接。
在本发明的另一特点中，第二控制回路在活塞轴的第二端上产生持续的震荡振动。当地震振动器处于一种优先操作位置上时，这个振荡振动跟随一个基本为圆形的路径，这个路径有一个基本上与地心和球体中心共直线的轴线，从而产生基本上相等的正交剪切波振动。
在本发明的另一特点中，第二和第三控制回路协同操作，每一个包括一个相对的，水平安装的，单作用的伺服液压驱动液压缸对，这个液压缸对以滑动方式配合一个束缚座。活塞轴的第二端安装在束缚座内。驱动缸对的驱动液压缸以滑动方式与束缚座配合，从而控制了它的运动。束缚座的控制使活塞轴的第二端得到控制。第二和第三伺服液压控制回路协同工作以便将连续的震荡振动产生在活塞轴的第二端上。这个震荡振动最好跟随一个基本圆形的路径，这个路径有一个轴线基本上与地心和球体中心共直线。在地震振动器处于垂直和水平操作时，这个联合的震荡振动产生相等的正交S波振动。
在本发明的另一特点中，第二控制回路包括一个相对的，水平安装的，单作用的伺服液压驱动液压缸对，这个液压缸对与一个束缚座相配合。活塞轴的第二端安装到这个束缚座中。这个驱动缸对的驱动液压缸以不可滑动方式与束缚座相接合，这样也与振动装置活塞轴的第二端相配合。
在本发明的另一特点中，第二控制回路包括至少一个相对的，水平安装的，单作用的伺服液压驱动液压缸对。这个驱动液压缸固定在底板上，并且与一个束缚座相配合。这个束缚座固定在活塞轴的第二端之上，从而使驱动缸可以振荡作用重物。
在本发明的另一特点中，第二和第三控制回路有选择地驱动和控制二个相对的，水平安装的，单作用的液压驱动缸对，每个活塞有一个与另一对相垂直的位置。
在本发明的另一特点中，提供了一个方法，它将相结合的压缩波和剪切波的地震振动产生到地表中去。这个方法包括的步骤有(a)在作用重物中产生基本垂直的振动；(b)产生作用重物的基本水平的震荡振动；(c)将这些振动传递到地表中去。
本发明所获得的一个优点是，它可以在一套装置中产生压缩波和二种剪切波，从而不需要重新构造地震振动器以便同时产生所有的三种振动，或者有选择地按顺序产生它们。
本发明所获得的另一个优点是，它可以允许选择地震波的类型来传输到地表中去。这一点很重要，因为在有些情况下只需要三种地震波中的一种或两种。例如，有时要求产生压缩波，随后产生两个正交方向上的剪切波。
图1是本发明的优先实施例的侧视图。
图2是图1的发明沿着B-B线部分在时间T1时的顶视图。
图3是图1的发明沿着B-B线的部分在时间T2时的顶视图。
图4是本发明的另一个实施例的侧视图。
图5是图4的发明沿着A-A线部分的顶视图。
图6是本发明的振动隔离支撑的侧视图。
图7是本发明的振动隔离支撑的顶视图。
参照图1，一个地震振动器10包括一个地面接触底板12，高架腿16，一个顶部吊架18，一个振动器组合20，以及一个控制机构21。底板与地表22相接触。高架腿16刚性地将顶吊架18与底板12相隔一段距离固定起来。振动器组合20包括一个作用重物24，一个双作用伺服液压驱动液压缸30，一个液压控制器32以及一个P波活塞轴34。双作用液压缸30位于作用重物24以内。活塞轴34以可滑动方式固定在轴衬36和38上，而轴衬分别利用护架盖40和42被固定在位。
这根活塞轴34有一个顶端41和一个底端43。一个球体44通过一个螺栓46和一个螺帽48固定在顶端41上。一个承座组合50包括一个顶部束缚部位52和一个底部束缚部位54，它们共同将球体44保持住。紧固器56穿过一个顶部夹持板58，顶部和底部横向法兰60和62，以及一个底部夹持板64，承座组合50约束着球体94，同时允许球体围着它的中心65自由转动。
承座组合50离开底板12一个距离连接到顶部横架18上，这个距离是足够地长，使振动器组合20不会接触到底板12。球体44和承座50共同形成一个转动组合，它们以可转动方式支撑着振动器组合20。一个束缚组合66支撑着活塞轴34的底端43。束缚组合66包括一个球体68和一个承座72。球体68通过一个紧固器70固定到活塞轴34上。承座72有一个顶部束缚部位74和一个底部束缚部位76，它们约束着球体68。紧固器78与部位74和76相接合。
液压控制器32连接到一个伺服液压控制回路80。这个控制回路80包括双作用油缸30，两个双向供/排通道82和84，这些通道形成在作用重物24内，并且将压力和排放管线连接到双作用油缸30上去，一个可控液压开关(没有画出)，一个液体储槽(没有画出)，以及一个液压泵(没有画出)。这个双作用油缸30包括一个可拆卸的缸衬86，一个P波活塞88，它固定在活塞轴34上，以及一个护圈90。这个可拆卸的缸衬86有一个内腔，活塞88配合在其中，并且可以自由地作往复运动。活塞88将内腔分为一个上舱92和一个下舱94。双向供/排通道82连接到上舱92。双向供/排通道84连接到下舱94。
现在来看图2，控制机构21处于时间T1的位置显示其上。这个控制机构21包括一个液压控制器96，控制回路100和102，以及一个束缚组合66(示于图1)。控制回路100和102连接到液压控制器96。每个控制回路100和102分别包括一个水平安装的单作用驱动液压缸对104和106。这个驱动液压缸对104和106相互正交地固定到底板12上。承座72有平坦的光滑的滑动表面110,112,114和116。每个驱动液压缸对104和106，通过相应的位于驱动活塞120上的滑动表面118，是可以配合到相对的侧面110和112，或者114和116上去的。
由于顶端41以可转动方式安置在承座组合50之中，底端43就可以自由地被驱动油缸对104和106改变位置。球体68以及承座72也就相对于底板12可以自由移动。虽然球体68固定到活塞轴34上，但是承座72仍然可以自由地在球体68上转动。这种安排允许承座72可以维持在一种与驱动液压缸对104和106的油缸的驱动平面相平行的方向上。因为束缚组合66连接到活塞轴34的端部，表面118可以相对于侧面110,112,114，和116作自由的垂直和水平滑动。
不管在P波还是S波的操作中，地震振动器10的一种优选的位置是使底板12平坦地和水平地安放在地表22上，而且高脚支架16向上延伸，与重力梯度向量Fg相反。在这种位置上，振动器组合20的底端43的震荡，沿着一个基本环形的路径130产生，这个环形路径130有一个轴线，与地心(没有画出)和球体44的中心65基本上成一直线。
现在参看图1，在P波的操作中，液压控制器32控制着控制回路80的时序和驱动方式。液压控制器32沿着活塞轴34的轴线124把直线往复振动产生在作用重物24中。在地震振动器处于优先的直立和水平的操作位置上时，这个往复振动沿着基本垂直的轴线产生。这样产生的P波能量，通过顶部横架18，再向下到高脚支架16，传递到底板12上去。底板12然后将这个振动能量发送到地表22之中去。
再来看图2，在S波的操作中，液压控制器96控制着控制回路100和102的时序和驱动方式。这个控制回路100和102利用液压缸对104和106的驱动产生S波能(或者是S1波，或者是S2波，或者二者都有)，两个驱动液压缸对104和106维持与承座72的接触。驱动液压缸对104产生S1震荡振动，而驱动液压缸对106产生S2震荡振动。S1和S2伺服阀126和128分别控制着相应的驱动液压缸对104和106。液压控制器96控制着液压液体从S1和S2伺服阀126和128中出来的流动，使这两个阀门互相之间有一个90°的相位差，从而将震荡振动传送到底端43上。这个振荡振动沿着一个环形路径130，如图2和图3中所示那样，并且有一个与底板12基本上垂直的轴线，并与球体44的中心65共直线。这样产生的S波能量传递到驱动液压缸对104或106中去，传递到底板12中去，然后传递到地表22中去。
参看图3，控制机构21的动态过程被描绘出来，显示出在时间T2时底板12上的端部118的位置。控制机构21产生一个活塞轴94的底端43的大致为环形的运动，使得活塞轴底端跟随着一个环形轨迹130(与它在时间T1时在图2中的位置相比)。
参看图4，本发明的第二个不同的实施例可以产生同时的P波和S1或S2波。在这个实施例中，在图1中所示的控制回路80，把液压压力提供到活塞88两侧的上和下腔室92和94中。一个控制机构201包括一个液压控制器202，一个伺服液压控制回路203，以及一个束缚组合206。这个控制回路203将液体压力提供到一个活塞(没有画出)的驱动侧，这个活塞位于两个驱动液压缸204的一个选定的液压缸内。驱动液压缸204是相对的，水平安装的，并且是单作用的。它固定在底板12上，并与束缚组合206相配合。束缚组合206包括一个球体208，如在图5中所示。承座209包括一个顶部束缚部位210和一个底部束缚部位212。紧固器214将部位210和212一起围绕球体208联接起来。驱动液压缸204以非滑动方式与束缚组合206相配合，也同样与活塞轴216的底端43相配合。
现在来看图5，伺服液压控制回路203包括二个相反的，水平安装的，单作用的，伺服液压的驱动液压缸对204和218，它们以正交的关系安装在底板12上。这个控制回路203包括一个切换阀220，它可以在一个时间以可选择的方式，控制和驱动一对驱动液压缸(例如，如图5中所示的驱动液压缸对204)。
液压缸204和218包括圆杆端222，每个杆端有一个球形表面224。这些球形面224与束缚组合206上的球形凹座226相配合。
在S波操作中，控制回路203在一个时间有选择地控制和驱动一对液压缸(例如，图5中所示的液压缸对204)。这样，在任何给定的时刻，所选定的液压缸对与凹座206相配合，同时没有被选定的液压缸对不与凹座配合。
为了在操作时保持接触，伺服液压控制回路203施加压力到驱动液压缸对204或218的每个液压缸中的活塞(没有画出)的驱动侧上，这个压力大于回退侧的压力，足够抵消惯性和其它的动态力，当驱动束缚组合206时，这些力可能会使球面224脱离与球形凹座的配合。
当选定的驱动液压缸对204或218往复运动束缚组合206时，这个束缚组合沿着一个直线轨迹往复运动，同时球体208相对于活塞轴216转动。因为作用重物24是固定在活塞轴216上的，并且活塞轴与承座209相配合，这个选定的驱动液压缸对就可以震荡作用重物24。这个运动产生一个震荡振动，通过相配合的驱动液压缸对传递到底板12上，然后传送到地表22之中。
现在来看图6，一个振动隔离支撑227将地震振动器与载车的框架229隔离开来。空气袋228和230安置在角铁托架234和236之间。每个角铁托架234固定在一个底座232上。每个角铁托架236固定在底板12上。角铁托架234和236使空气袋228和230以大约45°倾斜。如图7中所示，空气袋228和230容纳着大致相同压力的空气，并且对称地分布。
在优先实施例中，如在图6和图7中所示，两对空气袋228，以相反的轴线，在横向垂直平面中倾斜，同时两对空气袋230，以相反的轴线，在纵向平面中倾斜。气袋228和230是通过空气阀芯充气的，类似于普通汽车轮胎的充气方式。
在操作中，气袋228和230提供了基本上非轴向特定的支撑给地震振动器10。轴向特定的支撑如果需要也可以得到，这可以利用控制气袋228和230中气体的压力来做到。
本发明包括了一个方法，在上面对实施例和地震振动器10的操作的描述中已进行了叙述，它可以将联合的压缩波和剪切波振动传递到地表22中去。这个方法包括如下步骤(a)在作用重物24中产生大致垂直的振动；(b)产生作用重物的大致上水平的震荡振动；(c)将这些振动传递到地表22中去。
根据本发明可以获得的一个优点在于，它可以用一个设置产生所有三个地震波，因此当需要三类地震波的另一种时，不用重新改变地震振动器的设置。
根据本发明可以获得的另一个优点在于，它可以选择传递到地表中去的地震波的类型。
本发明可以获得的又一个优点在于，技术人员可以调节振动隔离的参数，以便适应环绕地震振动器的地形。
在不偏离本发明的范围内可以制造出几种不同的类型。例如，一种单一的，双作用，水平安装在底板12上并且可转动地连接到底端43的液压缸，可以代替一种单作用，伺服液压驱动液压缸对(即104)，而基本上不影响该装置的功能。
进一步，尽管本发明最好是安装在车辆上的，并且可以用于地震探矿的地震波产生上，然而本发明的系统并不局限于上面讨论的地震探矿的环境，它可以被用于其它的需要同时产生振动波的应用中。
尽管对本发明的说明性实施例已进行了描述，很广范围内的改进，改变，替换可以在前述分布中预期得到，并且在某些情况下，本发明的一些特点可以在不采用其它相应特点的情况下被采用。因此，所附加的权利要求可以被广泛的解释，并在本发明的范围内保持一致。
权利要求
1.一种地震振动器，可以有选择地将压缩波和剪切波的地震振动传送到地球表面之中，它包括a、一个接触地表的底板，将振动能传送到地表中去；b、一个支撑结构，带有一个连接于其上的转动组合；c、高脚支架，将底板和支撑结构在空间上分开地刚性连接起来；d、一个振动器组合，它有第一端和第二端，这两个端被一个中间部位连接起来，这个振动器组合被转动组合在它的第一端以可转动方式支撑着，并且包括一个中心在振动轴线上的作用重物；e、第一和第二控制装置，第一控制装置在地震振动器处于操作位置时，使作用重物沿着振动器组合的基本上垂直的振动轴线作往复振动，第二控制装置产生振动器组合第二端的一个第一震荡振动，这些振动被传输到底板上并且发射到地表中去。
2.根据权利要求1的地震振动器，其特征在于，进一步包括一个第三控制装置，它在与第一震荡振动基本正交的方向上，产生振动器组合第二端的一个第二震荡振动。
3.根据权利要求1的地震振动器，其特征在于，第二控制装置包括至少一个驱动器，它以非滑动配合的方式与振动器组合的第二端相联接。
4.根据权利要求1的地震振动器，其特征在于，当地震振动器处于优选的操作位置时，第二控制装置沿着一个大致环形的轨迹，将连续的震荡振动传递到振动器组合的第二端，这个环形轨迹有一个轴线，这个轴线与地心和球体中心基本上在一条直线上。
5.根据权利要求2的地震振动器，其特征在于，当地震振动器处于优选的操作位置时，第二和第三控制装置协同工作，沿着一个大致环形的轨迹，将连续的震荡振动传递到振动器组合的第二端，这个环形轨迹有一个轴线，这个轴线与地心和球体中心基本上在一条直线上。
6.根据权利要求1的地震振动器，其特征在于，第二控制装置具有相对的驱动液压缸的有选择性的驱动功能。
7.根据权利要求2的地震振动器，其特征在于，第二和第三控制装置可以有选择性地驱动两个基本上相对的驱动液压缸对，每个液压缸对的位置基本上与另一个液压缸对相垂直。
8.根据权利要求5的地震振动器，其特征在于，第二和第三控制装置有选择性地驱动两个基本上相对的驱动液压缸对，每个液压缸对的位置基本上与另一个液压缸对相垂直。
9.根据权利要求8的地震振动器，其特征在于，进一步包括一个束缚组合，这个束缚组合以可转动方式安置在振动器组合的第二端上，其中，这个束缚组合包括一个外棱形罩和一个内球体，这个球体固定在振动器组合的活塞轴上，而且，外棱形罩和驱动液压缸的杆端有相对应的可配合滑动表面，这些表面在地震振动器操作时与棱形罩保持配合。
10.一种地震振动器，可以将结合的压缩波和剪切波的地震振动传递到地表中去，它包括a、一个接触地表的底板，将振动能量传递到地表中去；b、一个支撑结构，带有一个连接其上的转动组合；c、高脚支架，将底板和支撑结构在空间上分开地刚性连接起来；d、一个振动器组合，它有第一端和第二端，这两个端被一个中间部位连接起来，这个振动器组合被转动组合在它的第一端以可转动方式支撑着，并且包括一个中心在一个基本上垂直的振动轴线上的作用重物；e、控制装置，包括一个第一控制回路，使作用重物沿着振动器组合的振动轴线往复振动，以及一个第二控制回路，当地震振动器处于优选的操作位置时，使振动器组合的第二端沿着一个基本环形的轨迹震荡，这个环形轨迹有一个轴线，基本上与地心和球体中心在一条直线上，这些控制装置激发起振动，这些振动被传输到底板上并且发射到地表中去。
11.一种将联合的压缩波和剪切波地震振动传递到地表中去的方法，包括以下步骤a、使一个作用重物沿一根轴杆往复振动而产生基本上垂直的振动，这根轴杆有一个第一端和一个第二端，这个第一端从一个安置在支撑结构上的球体悬挂下来，这根轴杆从球体上延伸出来朝向一个接触地表的底板，同时长脚支架固定在支撑结构和底板上并在二者之间延伸，从而使支撑结构和底板被维持在一个空间上分开的关系上；b、利用可控制地作用轴杆的第二端使作用重物震荡来产生作用重物的基本上为水平的震荡振动；以及c、将这些振动传输到地表中去。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，震荡振动是由驱动液压缸产生的，这些液压缸激发轴杆第二端的第一和第二震荡振动，这个第一和第二震荡振动基本上是相互正交的。
全文摘要
一种三轴地震振动器(10)可以将压缩和剪切波的地震振动,或者是顺序地,或者是同时地发送到地球表面中去。这个地震振动器包括一个地表接触底板(12),它将振动能量体送到地表中去;一个支撑结构;一个振动器组合(20),它在一端上以可转动方式被支撑结构支撑着;以及伺服液压控制回路(21),它产生沿着振动器组合的振动轴的往复振动,以及振动器组合的连续震荡振动。这样产生的振动被传递到底板并发射到地表中去。这些振动和它们的反射然后可以被记录下来并加以分析,从而确定所测地域上地表的矿物组成。
文档编号G01V1/02GK1233384SQ97198794
公开日1999年10月27日 申请日期1997年9月30日 优先权日1996年10月18日
发明者约翰·马克·克罗威尔, 里斯·迈克尔·埃文斯, 詹姆斯·爱德华·泰斯科 申请人:输入输出公司