基金项目:云南省地震局十五重点项目“昆明市活断层探测与地震危险性评价”资助.
(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)
ESS200 Electric Drop Hammer,coded seismic source,contravariant power source,malfunction analysis
备注
基金项目:云南省地震局十五重点项目“昆明市活断层探测与地震危险性评价”资助.
美国ESS200型电落锤是一种重复性好、便于运输和移动、可操作性强、经济实惠的绿色环保人工震源.可用于结构探测,又可用于地下介质物性变化的动态监测。在野外使用过程中,由于设计缺陷,容易发生故障,针对在使用过程中出现的一系列故障和问题,提出了针对性的分析和解决方案。并通过加装可编程逻辑控制器等处理措施,使之成为自动控制的编码震源。
ESS200 Electric Drop Hammer is a green artificial seismic source which is characterised by its repetitive use,convenient carriage and movement as well as its strong operability and economical price.The article targets to a spectrum of feasible suggestions and solutions related to problems and errors results in the using process of electric drop hammer.Then,ESS200 Electric Drop Hammer can be further improved as an automatically controlled coded seismic source by installing programmable logic controllers.
引言
人工震源通常包括炸药震源、震源枪、气枪震源、落重震源、锤击震源、气爆震源、撞击式震源、电火花震源、可控震源等。采用人工震源可将对地下状态和结构的被动监测变为主动探测(陈颙等,2006; 潘纪顺等,2002)。利用小当量人工震源研究区域地下结构是结构探测的一个发展方向。人工震源激发具有可控性强、定位精度高和重复性好等优点。在不同环境和尺度的实验场,可以选择最为合适的震源(罗桂纯等,2006,2008)。人们通常采用同一地点或小范围多次激发的方式提高人工震源的探测能力。同一台站接收到的多次激发信号,由于震源位置、震源机制和射线路径几乎相同,使得信号具有很高的相似性和很好的重复性(唐杰等,2009)。
一般的锤击震源能量较小、穿透有限、重复性较差; 随机可控震源由于对数据采集硬件有较高的要求,投资成本大; 车载可控震源投资更大。美国生产的Gisco ESS200型电落锤是一种重复性好、便于运输和移动、可操作性强、能量较大、激发波形好、时间触发测量准确、经济实惠的绿色环保人工震源; 震源车配备汽油发电机,具有有线或无线触发遥控装置,非常适合野外连续作业,是一种性价比高的浅层地震勘探震源。既可用于结构探测,又可用于地下介质物性变化的动态监测。利用小能量震源获得远距离的探测和高分辨率,是一种具有广阔发展前景的人工探测技术,尤其适合浅层地震勘探的需求(表1、图1)。
十五期间中国地震局购买了多台ESS200电落锤,由于设计缺陷,容易发生故障。针对近年来在野外操作过程中电落锤出现的故障和问题,本文提出了针对性的分析和解决措施,并对出现的问题及故障处理方法进行了系统总结。
1 注意事项、故障分析及排除方法
1.1 注意事项(1)有线触发:插头接线的时候要注意极性两端插头必须A对A、B对B,否则无法触发浅层勘探。
(2)无线触发:摩托罗拉对讲机出厂设置为13频道,为使无线零时触发信号输出功率大一些,传输距离远一些,发射和接收对话信道一般调到15频道以上(1~7和15~22频道的输出功率均为1 W,8~14频道为0.5 W),多耗电池电能使无线触发的接收信号更可靠一些。在不同地区的地形条件下需要用实验来确定选用的频道。
(3)摩托罗拉对讲机电池充电器:应特别注意配置电压为120 V,与我国标准不符。使用干电池很浪费,最好用6 V蓄电池代替,或改用220 V的充电器。
(4)电池充电:充电和锤击同时进行会严重干扰信号,美国的12 V、55 A/时蓄电池性能很好,可以连续锤击约200次,且过载能力较好,可大电流充放电(充电电流20~25 A,空载电压可达13.2 V左右)。可在锤击间隔期进行充电以补充电能。
(5)润滑油:按使用说明书润滑油须用“聚硅氧油”,但市场上无此类润滑油,可用一般润滑油代替。
(6)日常维护:锤击钢板上的螺母需要每天紧固,车体应基本水平才能保证锤头在导管里基本垂直,锤击钢板平面应以轮胎底部一致。为保证电落锤每一击的能量都一致,每天松紧橡皮带的人应为同一人,两端齿轮松紧的齿数应一致,锤不用时应用控制手柄的JOG键,将橡皮的弹力释放至不受力状态。
1.2 故障分析及排除(1)零件缺失:实验时发现发电机不能对蓄电池充电,检查发现连轴器缺失半圆销,使汽油机空转而磨损了轴套,而原来的半圆销太松,转动时被甩到发电机转子中。重新加工与轴套紧配合的半圆销,排除故障。
(2)齿轮、螺钉:齿轮轴太短无定位卡,容易摆动进而飞出打坏链条罩。实验的头几天击打几十锤后,变速箱连轴器固定螺钉和链条齿轮固定螺钉都会松动,需经常拧紧。原因是变速箱连轴器和链条齿轮只用一个M4螺钉固定,且无锥形定位坑。应急情况下在螺钉孔内滴入502胶水可解决问题。
(3)元器件:由于震动和链条的摆动,使链条旁边的锤击限位微动开关钢簧片触头频繁横向挤压胶木座,使其损坏。换上备用的微动开关,一天后又损坏了。无线零时触发控制器经常不触发或误触发,无线触发可靠性极差,使用时用有线触发控制并调节触发器灵敏度电位器工作点,使之正常稳定工作。
(4)锤头钢材:由于锤头钢材较软,经长期锤击后卷边变形并卡在导管里,可先垫上木块用大锤敲下来,用小锤敲平变形的卷边,再用锉刀清理,在导管里涂上润滑油后故障排除。
(5)减振:由于频繁震动锤击,锤头上的加速度计固定引线塑料螺母断裂损坏,使加速度计引线疲劳断裂无零时触发信号。触发控制器突然全部失灵,只有用另外的磁性加速度计粘贴在锤头顶部,信号输入到AD501数据采集器后送浅层勘探地震记录仪作零时触发信号,紧靠1号测点三分向地震仪旁的检波器经数据采集器提供精确GPS的时间,锤头旁的检波器经数据采集器后送笔记本电脑作记录锤击次数使用,浅层勘探仪的第48道检波器作为2号三分向地震仪测点的起始点。实验测试系统如图2所示。
(7)逆变电源:野外无220 V交流电源给MASTER-K可编程逻辑控制器供电,为解决这一问题,用一台500 W UPS电源逆变为220 V供电,由于UPS电源里面两只串联12 V、7 A/时蓄电池容量不够,在外面用两只串联12 V、65 A/时蓄电池代替使用,既解决了MASTER-K可编程逻辑控制器的供电问题和数据采集器24 V直流供电问题,又解决了笔记本电脑野外充电问题和照明问题(用5 W电子节能灯)。两只12 V、65 A/时的蓄电池须连续55~60 h充电一次。实验供电系统框图如图3所示。
2 结论
美国ESS200型电落锤在野外长时间的使用中出现了诸多问题,既有机械方面的也有电器方面的,本文对这些故障进行仔细分析,排除了这些故障,使之正常工作。这些措施虽然解决了暂时的应急问题,但没有解决根本问题。要彻底解决这些问题必须重新加长齿轮轴,并在齿轮轴上安装防侧滑卡环,连轴器和齿轮用锥形螺钉固定,且须在其轴上打锥形定位眼,最好再增加一颗固定螺钉。链条旁的限位开关可改为光控或磁控的,不用机械的。如用机械控制其触头的簧片,应改为磷铜簧片。另外,由于所有机械和电器控制部分均处在长期的强烈振动中,应加强减震措施,以保证电路板和机械的正常运行。无线零时触发的发射和接收信号必须改进,保证不误触发和有可靠的信号接收。电池充电器应改用我国的220 V标准。零时加速度计引线固定螺母应由塑料改成铁质的且应加弹簧垫圈。应增加易损零件如皮带、限位开关、零时加速度计、无线零时触发控制器的备份。原来的锤击钢板太薄,仅1.5 cm厚,已经变形,应改成4~5 cm厚的以增加刚度。增加防雨棚。拖车挂钩要改造成适用于我国车型的挂钩。
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