專利名稱：地質構造變形物理模擬實驗設備的制作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型涉及一種沉積巖層變形構造模擬的實驗設備，是通過模擬實驗來展示自然界地質構造變形過程以及對變形過程中有限應變的動態(tài)觀察和精確測量的地質構造變形物理模擬實驗設備。尤其是可以用于模擬研究具有同沉積生長地層的構造變形過程，也就是模擬與沉積作用同步發(fā)育的巖層的變形過程。
二背景技術：
構造變形模擬是研究地質構造變形過程的一種重要的實驗技術手段。上世紀80年代中期以來，構造變形物理模擬方法在國內(nèi)外構造地質學研究領域取得了顯著成效，一些國際著名大學和研究所紛紛建立了各自的相關實驗室，例如，美國斯坦福大學、賴斯大學、緬因州大學、英國倫敦大學、瑞士伯爾尼大學和瑞典烏普薩拉大學等。在國內(nèi)，中國石油大學(北京)1991年建立了構造物理模擬實驗室，主要用于模擬含油氣盆地構造和油氣運移方面的實驗研究，其實驗室建設概要和部分成果在1999年公開出版的專著中做了一些介紹《盆地構造研究中的砂箱模擬實驗方法，周建勛、漆家福和童亨茂，1999，地震出版社》；中國地震局地質研究所構造物理開放實驗室，在巖石破裂和摩擦與地震震源物理過程、地震前兆特征與物理機理，地殼和上地幔巖石的物理性質和流變性質與地震成因機制及動力學等方面進行過大量的實驗研究。然而，自然界地質構造的變形方式和過程是極其復雜的，每一種實驗模擬設備都存在局限性，只能針對特定的研究對象和實驗目的進行專門模擬實驗研究。近年來，國內(nèi)外構造地質學家十分重視研究具有同沉積生長地層的構造變形過程，強調沉積過程與構造變形過程之間的相互關系，但是目前現(xiàn)有的構造變形模擬實驗設備都不能實現(xiàn)這一研究目的，并且缺乏對構造變形過程中有限應變狀態(tài)的動態(tài)實時觀察和記錄。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術中存在的不足，而提供的一種既方便實用，又精確合理的地質構造變形物理模擬實驗設備。該實驗儀既可以模擬同沉積生長地層構造變形過程，又可以對構造變形過程中的應變狀態(tài)實現(xiàn)動態(tài)實時觀察和記錄。
2、技術方案為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，包括基架，在基架上設有顯示地質構造變形過程的實驗箱，該實驗箱的兩側為透明平板，兩端為可以前后移動的推板，推板由驅動機構驅動，在實驗箱的上方設有砂斗，該砂斗安裝在水平往復行走機構上。
所述的水平往復行走機構是安裝在實驗箱兩側的水平軌道上的，砂斗安裝在該水平軌道上，并由驅動機構驅動。
所述驅動機構由帶有軌道的直線行走機構、伺服電機和減速器組成。
本實用新型的工作原理是地質構造模擬綜合實驗儀是一套具有多種功能的專用設備。除了具有地質構造模擬實驗所需要的拉張、擠壓、拱升等功能外，還可自動均勻添加實驗材料，并在實驗材料表面生成規(guī)定的圖案。所有的裝置均集成在三張串聯(lián)的工作臺上，結構緊湊，便于操作、維修。整個裝置的動力均由計算機控制的伺服電機提供。
實驗儀的中央為一用來盛放實驗材料和做實驗的實驗箱。其箱體的兩側為透明的鋼化玻璃，耐磨且便于觀察實驗過程，箱體的周邊有不銹鋼制作的框架，既能承受一定的壓力，又不影響觀察實驗。兩側與底部有密封體，用來密封實驗材料。在箱體的兩端各設有電動缸，這是一個精度較高的機械裝置，現(xiàn)在被廣泛應用在機械手、機器人等各種機電一體化的設備上。在伺服電機的驅動下經(jīng)過減速器的減速后，電動缸的推桿帶動箱體兩端的推板作水平往復運動，為實驗提供充足的動力、合適的速度和精確的位移等運動控制作用。
同樣底部也設有推板，并在伺服電機、減速器和電動缸的的驅動下作垂直上下的往復運動。但為了保證在斷電的情況下保持實驗狀態(tài)不變，該伺服電機裝有剎車，在系統(tǒng)停電時能迅速吸合。電動缸在計算機的控制下可做不同速度，不同方向的協(xié)調運動，從而達到研究人員的要求。
置于實驗箱上部的加料裝置(砂斗)在裝上砂后，在伺服電機驅動下，其出砂口在實驗箱兩端之間沿軌道(直線單元1)來回往復運動，并在振動器的幫助下均勻地將實驗材料布撒在實驗箱里。通過調節(jié)出砂口的大小和砂斗移動速度的大小，可模擬不同沉積速率的沉積巖層的生成過程。
表面刻線自動生成裝置，分別在伺服電機的驅動下，沿X方向軌道(直線單元1)、Y方向軌道(直線單元2)做協(xié)調運動，并通過微量泵，向模型表面注入顏料，生成相應的圖案，供直接觀察，從而達到測量有限應變的目的。
整個模擬實驗儀用計算機控制，通過計算機的鍵盤、鼠標直接向實驗儀發(fā)出指令，指揮協(xié)調實驗儀各執(zhí)行元件的動作。加裝記錄裝置后，可記錄實驗過程和實驗結果。其中計算機控制技術可采用現(xiàn)有技術予以實現(xiàn)。
3、有益效果與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于能夠進行同沉積生長地層的構造變形模擬實驗，既可以定量控制沉積巖層的模擬變形速率，又可以定量控制和模擬沉積速率，對構造變形過程中的應變狀態(tài)實時動態(tài)觀測。結構簡單合理，使用方便，效果好。
四

圖1是本實用新型的結構示意圖。
圖2是圖1的俯視圖。
圖3是添加裝置的結構示意圖。
圖4是圖3的側視圖。
圖5是實驗箱的結構示意圖。
圖6是圖5的側視圖。
圖7是本實用新型的控制原理圖。
五具體實施方式
本實用新型主要提供地質構造模擬實驗所需的各種動作。如圖所示，置于基架1上的實驗箱2的底部用厚20mm的有機玻璃做襯里，外表用不銹鋼制作，輕便、美觀、耐用。為了便于觀察實驗的變化，兩側用帶有刻度的厚10mm鋼化玻璃做側板，刻度最小間隔為1mm，四周用不銹鋼做邊框。兩端推板3是活動的，用厚20mm有機玻璃制作，推板3的底邊和兩側用毛氈做密封，保證實驗時實驗材料不會泄漏。實驗箱的大小可根據(jù)實驗的需要做成不同的規(guī)格。如尺寸為(長×寬×高，單位mm，下同)1600×800×400，1600×600×400、1600×600×200、1600×400×400、1600×400×300、1600×400×200、1600×200×400。根據(jù)需要還可在實驗箱的底部留一活動推板5，用作拱升實驗時使用。推板由驅動機構驅動，該驅動機構由電動缸6、伺服電機7和減速器8組成。
實驗箱的兩端推板3可以是一個整體的，也可以分成兩塊。分成兩塊時，四塊推板在四只水平安裝的電動缸的推桿推動下做直線運動。根據(jù)實驗的需要，推板3可以相向運動，也可以同向運動?？梢詣蛩龠\動，也可變速運動。位移速度在0.001mm/s～2812.5mm/s之間可調。為了能適時地了解實驗儀的工作情況，并加以控制，電動缸的控制采用計算機全程監(jiān)視的控制方式，在計算機的屏幕上實時地顯示實驗儀的工作狀況。在實驗儀上有添加系統(tǒng)位移、速度的顯示，位移顯示精度不低于0.0001mm，速度顯示精度不低于0.0001mm/s。每只電動缸的有效行程為750mm，最大推力為8000N。為了保障整個裝置的安全運行，控制柜上裝有急停按鈕，發(fā)生以外時按下該按鈕后，整個裝置停止工作。計算機控制技術完全可以采用通常的控制技術。
為了使實驗能盡量地再現(xiàn)自然真實的情況，需要將實驗材料均勻地布撒在實驗箱2內(nèi)。為了實現(xiàn)這一功能，沿實驗儀的兩側設有兩根有效行程為1800mm長、載荷平臺額定垂直載荷300公斤的直線水平軌道9(直線單元1)。載荷平臺的移動速度在0.0001mm/s～191.92mm/s可調。位移顯示精度不低于0.0001mm，速度顯示精度不低于0.0001mm/s。實驗材料添加裝置安裝在直線水平軌道9上。實驗材料添加裝置包括一個主要部分一砂斗4。直線水平軌道9驅動砂斗移動，實驗材料就均勻地布撒在實驗箱2內(nèi)。砂斗4為不銹鋼制作，用基架與直線水平軌道9(直線單元1)連接。在計算機的控制下勻速地往復運動，運動的同時打開出砂口將實驗材料均勻地布撒在實驗箱2里。為保證布撒的均勻，砂斗4上安裝有振動器11，布砂時打開振動器，這樣能保證落砂的均勻性。直線行走機構在計算機控制下，可方便地調整速度，以適應不同的材料。同時，砂斗4上還可安裝數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝相機等記錄儀器10，用于記錄實驗過程。此外機架上還安裝了劃線裝置，用于在實驗前材料表面自動生成圖案。
為了更好地觀察實驗對象變化的情況，需要在材料表面畫出一定的圖案。這就需要該裝置能有一個二維(X-Y)方向協(xié)調運動的機構，但又不能使機構過于龐大，因而就利用材料添加裝置中的直線行走機構(直線單元1)作為一個基本單元，在此基礎上再加裝另一個(Y)方向的與之垂直的直線行走機構(直線單元2)。其基本參數(shù)為有效行程750mm、載荷平臺額定垂直載荷300N，載荷平臺的移動速度在0.0001mm/s～84.97mm/s可調，位移顯示精度不低于0.0001mm，速度顯示精度不低于0.0001mm/s。控制方式與(X)方向的直線行走機構(直線單元1)一樣，由計算機統(tǒng)一進行。工作時X-Y方向的直線行走機構在程序的控制下，作協(xié)調運動，帶動出墨架上的出墨頭12作協(xié)調運動，出墨頭在微量泵13的控制下注出一定量的顏料，噴灑在實驗材料表面，形成所需圖案。根據(jù)情況出墨量的大小可自行調節(jié)，直到獲得滿意的效果。
整個驅動和控制裝置的動力提供采用市電，交流220V，50Hz。每個運動單元均采用伺服電機驅動，然后經(jīng)過減速器增扭后輸出給各個執(zhí)行元件(伺服電機)?？刂撇糠植捎霉I(yè)計算機的中央控制系統(tǒng)，通過計算機控制的精確多維驅動裝置及設置不同的初始模型，使實驗裝置方便地進行重復性和破壞性構造運動的模擬實驗。
控制部分由兩塊美國產(chǎn)的Baldor運動控制卡控制，每塊卡可獨立地控制四個單元的運動，可做直線和圓弧等多種插補運動，可模擬電子齒輪，電子凸輪。用VisualBasic，Visual C++等語言，可調用運動控制卡上的高級Mint語言功能。在專門編寫的程序下可方便的控制每個方向的運動狀態(tài)，程序可在Windows98/Windows2000/WindowsNT/Windows XP下運行，界面友好，使用方便。控制原理圖見圖7，包括伺服電機、運動控制工控電腦、顯示設備、鍵盤、存儲設備和輸入設備，利用上述設備并采用常規(guī)技術即能實現(xiàn)上述控制技術。
權利要求1.一種地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于該實驗儀包括基架(1)，在基架(1)上設有顯示地質構造的實驗箱(2)，該實驗箱(2)的兩側為透明平板，兩端為可以前后移動的推板(3)，推板(3)由驅動機構驅動，在實驗箱(2)的上方設有砂斗(4)，該砂斗(4)安裝在水平往復行走機構上。
2.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于在實驗箱(2)的底部設有可以上下移動的推板(5)，該推板(5)由驅動機構驅動。
3.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于實驗箱(2)兩端的推板(3)分別由兩塊構成，并分別由驅動機構驅動。
4.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于所述的水平往復行走機構是安裝在實驗箱(2)兩側的水平軌道(9)，砂斗(4)安裝在該水平軌道上，并由驅動機構驅動。
5.根據(jù)權利要求1、2、3或4所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于驅動機構是由帶有推桿的電動缸(6)、伺服電機(7)和減速器(8)組成。
6.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于在實驗箱(2)側面透明平板上設有顯示地質厚度和地質構造變形量的刻度。
7.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于在實驗箱(2)的上方設有顯示地質表面變化的記錄儀器(10)。
8.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于在實驗箱(2)的側板與底板之間、兩端推板與底板之間、推板與側板之間設有密封件。
9.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于在砂斗(4)上設有振動器(11)。
10.根據(jù)權利要求1所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，其特征在于在水平往復行走機構上設有與之垂直的前后運動機構，在地質表面形成所需圖案的出墨頭(12)安裝在前后運動機構上，該出墨頭(12)由微量泵(13)控制。
專利摘要本實用新型所述的地質構造變形物理模擬實驗設備，包括基架，在基架上設有顯示地質構造的實驗箱，該實驗箱的兩側為透明平板，兩端為可以前后移動的推板，推板由驅動機構驅動，在實驗箱的上方設有砂斗，該砂斗安裝在水平往復行走機構上。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于能夠進行同沉積生長地層的構造變形模擬實驗，既可以定量控制沉積巖層的模擬變形速率，又可以定量控制和模擬沉積速率，對構造變形過程中的應變狀態(tài)實時動態(tài)觀測。結構簡單合理，使用方便，效果好。
文檔編號G09B23/00GK2857006SQ20052013981
公開日2007年1月10日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權日2005年12月15日
發(fā)明者解國愛, 劉正, 吳曉俊, 賈東, 張慶龍, 朱文斌, 盧華復, 舒良樹, 張岳橋, 楊振宇 申請人:南京大學