專利名稱：地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沉積巖層變形構(gòu)造模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是通過模擬實(shí)驗(yàn)來展示自然界地質(zhì)構(gòu)造變形過程以及對(duì)變形過程中有限應(yīng)變的動(dòng)態(tài)觀察和精確測(cè)量的模擬實(shí)驗(yàn)儀。尤其是可以用于模擬研究具有同沉積生長(zhǎng)地層的構(gòu)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。
背景技術(shù)：
構(gòu)造變形模擬是研究地質(zhì)構(gòu)造變形過程的一種重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。上世紀(jì)80年代中期以來，構(gòu)造變形物理模擬方法在國(guó)內(nèi)外構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域取得了顯著成效，一些國(guó)際著名大學(xué)和研究所紛紛建立了各自的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，例如，美國(guó)斯坦福大學(xué)、賴斯大學(xué)、緬因州大學(xué)、英國(guó)倫敦大學(xué)、瑞士伯爾尼大學(xué)和瑞典烏普薩拉大學(xué)等。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)石油大學(xué)(北京)1991年建立了構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)室，主要用于模擬含油氣盆地構(gòu)造和油氣運(yùn)移方面的實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)室建設(shè)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(gòu)造研究中的砂箱模擬實(shí)驗(yàn)方法，周建勛、漆家福和童亨茂，1999，地震出版社》；中國(guó)地震局地質(zhì)研究所構(gòu)造物理開放實(shí)驗(yàn)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(jī)理，地殼和上地幔巖石的物理性質(zhì)和流變性質(zhì)與地震成因機(jī)制及動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行過大量的實(shí)驗(yàn)研究。然而，自然界地質(zhì)構(gòu)造的變形方式和過程是極其復(fù)雜的，每一種實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備都存在局限性，只能針對(duì)特定的研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行專門模擬實(shí)驗(yàn)研究。近年來，國(guó)內(nèi)外構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家十分重視研究具有同沉積生長(zhǎng)地層的構(gòu)造變形過程，強(qiáng)調(diào)沉積過程與構(gòu)造變形過程之間的相互關(guān)系，但是目前現(xiàn)有的構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備都不能實(shí)現(xiàn)這一研究目的，并且缺乏對(duì)構(gòu)造變形過程中有限應(yīng)變狀態(tài)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀察和記錄。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，而提供的一種既方便實(shí)用，又精確合理的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀。該實(shí)驗(yàn)儀既可以模擬同沉積生長(zhǎng)地層構(gòu)造變形過程，又可以對(duì)構(gòu)造變形過程中的應(yīng)變狀態(tài)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀察和記錄。
2、技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，包括基架，在基架上設(shè)有顯示地質(zhì)構(gòu)造變形過程的實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱的兩側(cè)為透明平板，兩端為可以前后移動(dòng)的推板，推板由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)箱的上方設(shè)有砂斗，該砂斗安裝在水平往復(fù)行走機(jī)構(gòu)上。
所述的水平往復(fù)行走機(jī)構(gòu)是安裝在實(shí)驗(yàn)箱兩側(cè)的水平軌道上的，砂斗安裝在該水平軌道上，并由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由帶有軌道的直線行走機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)和減速器組成。
本發(fā)明的工作原理是地質(zhì)構(gòu)造模擬綜合實(shí)驗(yàn)儀是一套具有多種功能的專用設(shè)備。除了具有地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)所需要的拉張、擠壓、拱升等功能外，還可自動(dòng)均勻添加實(shí)驗(yàn)材料，并在實(shí)驗(yàn)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(tái)上，結(jié)構(gòu)緊湊，便于操作、維修。整個(gè)裝置的動(dòng)力均由計(jì)算機(jī)控制的伺服電機(jī)提供。
實(shí)驗(yàn)儀的中央為一用來盛放實(shí)驗(yàn)材料和做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)箱。其箱體的兩側(cè)為透明的鋼化玻璃，耐磨且便于觀察實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。兩側(cè)與底部有密封體，用來密封實(shí)驗(yàn)材料。在箱體的兩端各設(shè)有電動(dòng)缸，這是一個(gè)精度較高的機(jī)械裝置，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手、機(jī)器人等各種機(jī)電一體化的設(shè)備上。在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過減速器的減速后，電動(dòng)缸的推桿帶動(dòng)箱體兩端的推板作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為實(shí)驗(yàn)提供充足的動(dòng)力、合適的速度和精確的位移等運(yùn)動(dòng)控制作用。
同樣底部也設(shè)有推板，并在伺服電機(jī)、減速器和電動(dòng)缸的的驅(qū)動(dòng)下作垂直上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但為了保證在斷電的情況下保持實(shí)驗(yàn)狀態(tài)不變，該伺服電機(jī)裝有剎車，在系統(tǒng)停電時(shí)能迅速吸合。電動(dòng)缸在計(jì)算機(jī)的控制下可做不同速度，不同方向的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到研究人員的要求。
置于實(shí)驗(yàn)箱上部的加料裝置(砂斗)在裝上砂后，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，其出砂口在實(shí)驗(yàn)箱兩端之間沿軌道(直線單元1)來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并在振動(dòng)器的幫助下均勻地將實(shí)驗(yàn)材料布撒在實(shí)驗(yàn)箱里。通過調(diào)節(jié)出砂口的大小和砂斗移動(dòng)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(dòng)生成裝置，分別在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(diào)運(yùn)動(dòng)，并通過微量泵，向模型表面注入顏料，生成相應(yīng)的圖案，供直接觀察，從而達(dá)到測(cè)量有限應(yīng)變的目的。
整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)儀用計(jì)算機(jī)控制，通過計(jì)算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)直接向?qū)嶒?yàn)儀發(fā)出指令，指揮協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)儀各執(zhí)行元件的動(dòng)作。加裝記錄裝置后，可記錄實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可采用現(xiàn)有技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。
3、有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行同沉積生長(zhǎng)地層的構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)，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(duì)構(gòu)造變形過程中的應(yīng)變狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，使用方便，效果好。
四

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的俯視圖。
圖3是添加裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3的側(cè)視圖。
圖5是實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖5的側(cè)視圖。
圖7是本發(fā)明的控制原理圖。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明主要提供地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)所需的各種動(dòng)作。如圖所示，置于基架1上的實(shí)驗(yàn)箱2的底部用厚20mm的有機(jī)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(shí)驗(yàn)的變化，兩側(cè)用帶有刻度的厚10mm鋼化玻璃做側(cè)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(dòng)的，用厚20mm有機(jī)玻璃制作，推板3的底邊和兩側(cè)用毛氈做密封，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)材料不會(huì)泄漏。實(shí)驗(yàn)箱的大小可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要做成不同的規(guī)格。如尺寸為(長(zhǎng)×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(shí)驗(yàn)箱的底部留一活動(dòng)推板5，用作拱升實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。推板由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)缸6、伺服電機(jī)7和減速器8組成。
實(shí)驗(yàn)箱的兩端推板3可以是一個(gè)整體的，也可以分成兩塊。分成兩塊時(shí)，四塊推板在四只水平安裝的電動(dòng)缸的推桿推動(dòng)下做直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，推板3可以相向運(yùn)動(dòng)，也可以同向運(yùn)動(dòng)?？梢詣蛩龠\(yùn)動(dòng)，也可變速運(yùn)動(dòng)。位移速度在0.001mm/s～2812.5mm/s之間可調(diào)。為了能適時(shí)地了解實(shí)驗(yàn)儀的工作情況，并加以控制，電動(dòng)缸的控制采用計(jì)算機(jī)全程監(jiān)視的控制方式，在計(jì)算機(jī)的屏幕上實(shí)時(shí)地顯示實(shí)驗(yàn)儀的工作狀況。在實(shí)驗(yàn)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(dòng)缸的有效行程為750mm，最大推力為8000N。為了保障整個(gè)裝置的安全運(yùn)行，控制柜上裝有急停按鈕，發(fā)生以外時(shí)按下該按鈕后，整個(gè)裝置停止工作。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)完全可以采用通常的控制技術(shù)。
為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙M量地再現(xiàn)自然真實(shí)的情況，需要將實(shí)驗(yàn)材料均勻地布撒在實(shí)驗(yàn)箱2內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，沿實(shí)驗(yàn)儀的兩側(cè)設(shè)有兩根有效行程為1800mm長(zhǎng)、載荷平臺(tái)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(tái)的移動(dòng)速度在0.0001mm/s～191.92mm/s可調(diào)。位移顯示精度不低于0.0001mm，速度顯示精度不低于0.0001mm/s。實(shí)驗(yàn)材料添加裝置安裝在直線水平軌道9上。實(shí)驗(yàn)材料添加裝置包括一個(gè)主要部分一砂斗4。直線水平軌道9驅(qū)動(dòng)砂斗移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)材料就均勻地布撒在實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)的控制下勻速地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的同時(shí)打開出砂口將實(shí)驗(yàn)材料均勻地布撒在實(shí)驗(yàn)箱2里。為保證布撒的均勻，砂斗4上安裝有振動(dòng)器11，布砂時(shí)打開振動(dòng)器，這樣能保證落砂的均勻性。直線行走機(jī)構(gòu)在計(jì)算機(jī)控制下，可方便地調(diào)整速度，以適應(yīng)不同的材料。同時(shí)，砂斗4上還可安裝數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝相機(jī)等記錄儀器10，用于記錄實(shí)驗(yàn)過程。此外機(jī)架上還安裝了劃線裝置，用于在實(shí)驗(yàn)前材料表面自動(dòng)生成圖案。
為了更好地觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)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(gè)二維(X-Y)方向協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，但又不能使機(jī)構(gòu)過于龐大，因而就利用材料添加裝置中的直線行走機(jī)構(gòu)(直線單元1)作為一個(gè)基本單元，在此基礎(chǔ)上再加裝另一個(gè)(Y)方向的與之垂直的直線行走機(jī)構(gòu)(直線單元2)。其基本參數(shù)為有效行程750mm、載荷平臺(tái)額定垂直載荷300N，載荷平臺(tái)的移動(dòng)速度在0.0001mm/s～84.97mm/s可調(diào)，位移顯示精度不低于0.0001mm，速度顯示精度不低于0.0001mm/s?？刂品绞脚c(X)方向的直線行走機(jī)構(gòu)(直線單元1)一樣，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行。工作時(shí)X-Y方向的直線行走機(jī)構(gòu)在程序的控制下，作協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)出墨架上的出墨頭12作協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，出墨頭在微量泵13的控制下注出一定量的顏料，噴灑在實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)，直到獲得滿意的效果。
整個(gè)驅(qū)動(dòng)和控制裝置的動(dòng)力提供采用市電，交流220V，50Hz。每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，然后經(jīng)過減速器增扭后輸出給各個(gè)執(zhí)行元件(伺服電機(jī))。控制部分采用工業(yè)計(jì)算機(jī)的中央控制系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)控制的精確多維驅(qū)動(dòng)裝置及設(shè)置不同的初始模型，使實(shí)驗(yàn)裝置方便地進(jìn)行重復(fù)性和破壞性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)。
控制部分由兩塊美國(guó)產(chǎn)的Baldor運(yùn)動(dòng)控制卡控制，每塊卡可獨(dú)立地控制四個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)，可做直線和圓弧等多種插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，可模擬電子齒輪，電子凸輪。用VisualBasic，Visual C++等語言，可調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡上的高級(jí)Mint語言功能。在專門編寫的程序下可方便的控制每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，程序可在Windows98/Windows2000/WindowsNT/Windows XP下運(yùn)行，界面友好，使用方便。控制原理圖見圖7，包括伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制工控電腦、顯示設(shè)備、鍵盤、存儲(chǔ)設(shè)備和輸入設(shè)備，利用上述設(shè)備并采用常規(guī)技術(shù)即能實(shí)現(xiàn)上述控制技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于該實(shí)驗(yàn)儀包括基架(1)，在基架(1)上設(shè)有顯示地質(zhì)構(gòu)造的實(shí)驗(yàn)箱(2)，該實(shí)驗(yàn)箱(2)的兩側(cè)為透明平板，兩端為可以前后移動(dòng)的推板(3)，推板(3)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)箱(2)的上方設(shè)有砂斗(4)，該砂斗(4)安裝在水平往復(fù)行走機(jī)構(gòu)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在實(shí)驗(yàn)箱(2)的底部設(shè)有可以上下移動(dòng)的推板(5)，該推板(5)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于實(shí)驗(yàn)箱(2)兩端的推板(3)分別由兩塊構(gòu)成，并分別由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述的水平往復(fù)行走機(jī)構(gòu)是安裝在實(shí)驗(yàn)箱(2)兩側(cè)的水平軌道(9)，砂斗(4)安裝在該水平軌道上，并由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由帶有推桿的電動(dòng)缸(6)、伺服電機(jī)(7)和減速器(8)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在實(shí)驗(yàn)箱(2)側(cè)面透明平板上設(shè)有顯示地質(zhì)厚度和地質(zhì)構(gòu)造變形量的刻度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在實(shí)驗(yàn)箱(2)的上方設(shè)有顯示地質(zhì)表面變化的記錄儀器(10)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在實(shí)驗(yàn)箱(2)的側(cè)板與底板之間、兩端推板與底板之間、推板與側(cè)板之間設(shè)有密封件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在砂斗(4)上設(shè)有振動(dòng)器(11)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于在水平往復(fù)行走機(jī)構(gòu)上設(shè)有與之垂直的前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在地質(zhì)表面形成所需圖案的出墨頭(12)安裝在前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，該出墨頭(12)由微量泵(13)控制。
全文摘要
本發(fā)明所述的地質(zhì)構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)儀，包括基架，在基架上設(shè)有顯示地質(zhì)構(gòu)造的實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱的兩側(cè)為透明平板，兩端為可以前后移動(dòng)的推板，推板由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)箱的上方設(shè)有砂斗，該砂斗安裝在水平往復(fù)行走機(jī)構(gòu)上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行同沉積生長(zhǎng)地層的構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)，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(duì)構(gòu)造變形過程中的應(yīng)變狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，使用方便，效果好。
文檔編號(hào)G09B23/40GK1790444SQ20051012308
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者賈東, 解國(guó)愛, 吳曉俊, 劉正, 張慶龍, 朱文斌, 舒良樹, 盧華復(fù), 張?jiān)罉? 楊振宇 申請(qǐng)人:南京大學(xué)