CN109493705B - 用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置。底板置于离心机的吊篮上，底板装有丝杆组件，丝杆平行于底板布置，转向器和丝杆支撑柱固定底板上，底板上有滑动导轨；底板上有电机，电机两端输出轴和两个转向器连接，转向器和丝杆端部连接；固定挡板和丝杆螺纹连接且和滑动导轨嵌合，固定挡板下部有可拆卸挡板，下端通过铰链和摆动挡板铰接连接；底板上有弧形柱曲面的曲面台；离心机旋转工作时曲面台的弧形柱曲面的各处运动轨迹均在以离心机旋转轴为圆心轴的同一圆柱面上。本发明能使得实验中流体材料处于同一离心力等位面，从而防止其发生非实验动力原因的流动，消除了现有技术的模拟误差，地质构造物理模拟更准确。

Description

用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置

技术领域

本发明涉及了一种地质构造物理模拟实验装置，尤其是涉及了一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置。

背景技术

对于以百万年为基本计时单位的地质构造变形过程，人类无法直接观测其完整演化历史。然而，构造模拟可以在实验室条件下以可接受的时长重现地质构造变形过程，是了解构造变形过程及其机理的有效途径。时至今日，构造物理模拟研究方法已有二百多年的历史。由于数学模拟方法尚未取得实质性的突破，物理模拟研究依然是研究构造变形过程与机理的最重要方法。

由于成本限制，目前构造物理模拟主要是在常重力条件下进行。然而，按照构造模拟的相似理论，当在实验室中用缩时缩尺模型模拟地质构造过程时，除天然岩石模拟材料参数需要调整外，重力加速度值也应按比例增加。常重力构造模拟装置的先天相似性缺陷，导致这一方法在涉及岩石流动(如地幔柱上涌、软流圈对流、下地壳流动以及岩浆及膏盐地层底辟作用等)问题的构造过程模拟方面存在很大的局限性。

众所周知在离心机所营造的超重力条件下开展的模拟实验是解决这一问题的有效途径，并且国内外已有多位学者利用低成本鼓式离心机开展了超重力构造物理模拟研究，然而该方式具有明显不足。首先，由于鼓式离心机半径短，致使径向重力加速度变化较大，无法为模型提供相对均匀的超重力环境；其次，鼓式离心机机舱空间狭小，导致模型建模尺寸较小，模型分辨率过低；再次，鼓式离心机机舱内难以放置信息采集装置，导致无法对实验过程开展实时观测。

发明内容

为克服背景技术中所提及的不足，本发明的目的在于提供一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置。由于大型工程离心机的半径远大于实验模型厚度，故模型所处超重力场较为均匀。另外，大型工程离心机的吊篮空间较大，可容纳较大尺度的地质模型，模型分辨率可实现显著提升。此外，较广阔的吊篮空间也给实验结果采集提供了足够视域范围，可以实现对于实验过程信息的实时采集。由此，该发明所提供装置可克服上述现有超重力物理模拟实验装置的不足。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括底板和曲面台；底板置于离心机的吊篮上，底板的两侧均安装有丝杆组件，丝杆组件包括丝杆、滑动导轨、转向器和丝杆支撑柱，丝杆平行于底板布置，丝杆的两端分别支撑连接在转向器和丝杆支撑柱之间，转向器和丝杆支撑柱固定在底板上，丝杆下方的底板上均固定有滑动导轨；两根丝杆同一端之间的底板上固定有电机，电机两端对称设有输出轴，电机两端的输出轴均经各自的传动轴和两个丝杆组件中的两个转向器的一端连接，每个转向器的另一端均和丝杆端部连接；固定挡板连接在两个丝杆组件的两根丝杆之间，固定挡板的两端端部均和丝杆螺纹连接且底部和滑动导轨嵌合，固定挡板下部安装有可拆卸挡板，可拆卸挡板的下端通过铰链和摆动挡板铰接连接；底板上中间固定有曲面台，曲面台上表面为弧形柱曲面，弧形柱曲面的切线方向与丝杆平行，柱曲面的母线方向与固定挡板平行；离心机旋转工作时曲面台的弧形柱曲面的各处运动轨迹均在以离心机旋转轴为圆心轴的同一圆柱面上，摆动挡板采用柔性材料，并覆盖接触曲面台的弧形柱曲面。

离心机在旋转运行时，所述的弧形柱曲面的圆心轴和离心机的旋转轴重合。

所述的弧形柱曲面的曲率半径为离心机在旋转运行时旋转轴到底板底面的距离减去底板的厚度，再减去曲面台中心的厚度。

所述的底板采用钢材料制成。

所述的曲面台为实验操作台面，上面放置实验材料及模型，所述的曲面台采用铝合金材料制成。

所述的固定挡板的两端底部固定连接有滑块，滑块嵌装滑动导轨上。

动力部分的功能是提供实验所需动力。

曲面台部分的功能是提供实验所需操作台面。曲面台放置于底板中央位置，其上表面为弧形柱曲面，曲面台其他表面为平面。

挡板部分的功能是将动力部分的推力传递给实验模型。其中固定挡板的两端贯穿并嵌入丝杆螺母与两根丝杆相耦合，可拆卸挡板固定于固定挡板中央位置，其下端与摆动推板以铰链相连接，摆动推板与曲面台上表面相接触。

本发明特殊设计了曲面台上表面为弧形柱曲面和可柔性调整活动的挡板部分，使得曲面台上流体材料处于同一离心力等位面，从而防止其发生非实验动力原因的流动，消除了现有技术的模拟误差。

本发明的有益效果是：

(1)利用该装置可以在大型离心机中进行地质构造物理模拟实验，实现对于地质构造现象的超重力物理模拟研究，使得地质构造物理模拟更准确；

(2)曲面台的弧形柱曲面结构能够保证位于其上的实验模型处于同一重力等势面上，从而有效避免流体实验材料因非实验原因而发生流动；

(3)整个装置具有较大刚度，不易发生形变，从而有效保证装置能够在超重力状态下正常运行；

(4)可拆卸挡板与摆动挡板以铰链连接，能够保证摆动挡板随着曲面台高低起伏而随意摆动，从而实现在整个实验过程中摆动挡板与曲面台的密切接触；

(5)电机及传动轴分布于底板短边一侧而丝杆分布于底板长边两侧，在保证传递动力的同时为曲面台留出空间，最大限度节约离心机吊篮有效空间。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为挡板部分结构示意图。

图3为挡板与曲面台接触关系的剖面图。

图中：1、底板，2、曲面台，3、电机，4、传动轴，5、转向器，6、丝杆，7、丝杆支撑柱，8、滑动导轨，9、固定挡板，10、滑块，11、可拆卸挡板，12、铰链，13、摆动挡板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括底板1、曲面台2、动力部分和挡板部分。

如图1所示，底板1置于离心机的吊篮上，底板1的两侧均安装有丝杆组件，丝杆组件包括丝杆6、滑动导轨8、转向器5和丝杆支撑柱7，丝杆6平行于底板1布置，丝杆6的两端分别支撑连接在转向器5和丝杆支撑柱7之间，转向器5和丝杆支撑柱7固定在底板1上，丝杆6下方的底板1上均固定有滑动导轨8；两根丝杆6同一端之间的底板1上固定有电机3，电机3两端对称设有输出轴，电机3两端的输出轴均经各自的传动轴4和两个丝杆组件中的两个转向器5的一端连接，每个转向器的另一端均和丝杆6端部连接，转向器5的两端分别位于两个垂直的侧面，转向器上传动轴方向与丝杆方向呈垂直关系，丝杆6另一端端部和丝杆支撑柱7连接，丝杆支撑柱7对丝杆6起到固定支撑作用；主要由电机3、传动轴4和丝杆组件构成了动力部分，动力部分中的电机3为动力来源。

如图2所示，固定挡板9连接在两个丝杆组件的两根丝杆6之间，固定挡板9平行于电机3的输出轴和传动轴4，固定挡板9的两端端部均和丝杆6螺纹连接且底部和滑动导轨8嵌合，固定挡板9下部安装有可拆卸挡板11，可拆卸挡板11的下端通过铰链12和摆动挡板13铰接连接；主要由固定挡板9、可拆卸挡板11、铰链12和摆动挡板13构成了挡板部分。

底板1上中间固定有曲面台2，曲面台2上表面为弧形柱曲面，弧形柱曲面的切线方向与丝杆6平行，柱曲面的母线方向(轴线方向)与固定挡板9平行；离心机吊篮和底板1的铰接轴平行于底板1但垂直于弧形柱曲面的轴向方向，使得离心机旋转工作时曲面台2的弧形柱曲面的各处运动轨迹均在以离心机旋转轴为圆心轴的同一圆柱面上，离心机在旋转运行时，弧形柱曲面的圆心轴和离心机的旋转轴重合。如图3所示，摆动挡板13采用柔性材料，并覆盖接触曲面台2的弧形柱曲面。

弧形柱曲面的曲率半径为离心机在旋转运行时旋转轴到底板1底面的距离(即大型离心机的有效半径)减去底板1的厚度，再减去曲面台2中心的厚度。这样能保证大型离心机运行时，曲面台2的上表面与该处的离心力等位面完全贴合，如图3所示，从而避免放置在其上的实验材料(尤其是流体材料)因不处于同一离心力等位面而发生非实验动力原因的流动。

为保证强度，所述的底板1采用钢材料制成。

如图1所示，曲面台2为实验操作台面，上面放置实验材料及模型，为保证强度，同时兼顾质量，所述的曲面台2采用铝合金材料制成。

如图1所示，转向器5将传动轴4的转动方向转向并传递到丝杆6，由于固定挡板9内由丝杆螺母与一对丝杆6耦合，丝杆6旋转通过丝杠螺母滑轨副带动固定挡板9沿丝杆6平移。

如图1和图2所示，固定挡板9两端内嵌丝杆螺母，故其两端与两根丝杆6耦合。固定挡板9两端下部与两个滑块10相固定，滑块10与滑动导轨8嵌合，由此，滑块10既对固定挡板有支撑作用，又将其与滑动导轨8想衔接，保证固定挡板9可以延丝杆6方向发生平移。固定挡板9中间位置以螺丝固定有可拆卸挡板11，其与下部摆动挡板13以铰链12相连接，保证摆动挡板13可以以铰链12的旋转轴为中心发生翻转摆动。

如图1和图3所示，摆动挡板13下方与曲面台2的上表面相接触，当固定挡板9发生平移时，由于摆动挡板13可以沿铰链12发生上下摆动，故在重力的作用下，固定挡板9平移到任意位置，摆动挡板13均可保证与曲面台2的上表面保持接触关系。

具体实施时，将固定挡板9平移至理想位置，再将实验模型及所需实验材料放置于曲面台2上。利用吊车将整个装置吊装至大型离心机吊篮中，连接好必要的线路，准备工作完成。启动大型离心机，待离心机加速至设定加速度值以后，根据实验要求启动电机3，驱动固定挡板9以特定速度平移特定距离，摆动挡板13则以相同速度行进相同距离，推进位于曲面台2上表面的实验模型及材料发生形变，产生实验现象。至实验结束，将该装置整体从吊篮中卸下。

由此可以看出，本发明在为实验模型及材料提供均匀超重力场的同时，极大扩展了实验模型尺度，提高了模型分辨率。配合大型离心机吊篮空间较大的优点，为实时采集实验过程数据提供了便利。因此，本发明在实现大型离心机中开展地质构造物理模拟实验的基础上，还兼具了以上诸多技术优点，有着显著的技术效果。

Claims (6)

1.一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置，其特征在于：包括底板(1)和曲面台(2)；底板(1)置于离心机的吊篮上，底板(1)的两侧均安装有丝杆组件，丝杆组件包括丝杆(6)、滑动导轨(8)、转向器(5)和丝杆支撑柱(7)，丝杆(6)平行于底板(1)布置，丝杆(6)的两端分别支撑连接在转向器(5)和丝杆支撑柱(7)之间，转向器(5)和丝杆支撑柱(7)固定在底板(1)上，丝杆(6)下方的底板(1)上均固定有滑动导轨(8)；两根丝杆(6)同一端之间的底板(1)上固定有电机(3)，电机(3)两端对称设有输出轴，电机(3)两端的输出轴均经各自的传动轴(4)和两个丝杆组件中的两个转向器(5)的一端连接，每个转向器的另一端均和丝杆(6)端部连接；固定挡板(9)连接在两个丝杆组件的两根丝杆(6)之间，固定挡板(9)的两端端部均和丝杆(6)螺纹连接且底部和滑动导轨(8)嵌合，固定挡板(9)下部安装有可拆卸挡板(11)，可拆卸挡板(11)的下端通过铰链(12)和摆动挡板(13)铰接连接；底板(1)上中间固定有曲面台(2)，曲面台(2)上表面为弧形柱曲面，弧形柱曲面的切线方向与丝杆(6)平行，柱曲面的母线方向与固定挡板(9)平行；离心机旋转工作时曲面台(2)的弧形柱曲面的各处运动轨迹均在以离心机旋转轴为圆心轴的同一圆柱面上，摆动挡板(13)采用柔性材料并覆盖接触曲面台(2)的弧形柱曲面。

2.根据权利要求1所述的一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置，其特征在于：离心机在旋转运行时，所述的弧形柱曲面的圆心轴和离心机的旋转轴重合。

3.根据权利要求1所述的一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置，其特征在于：所述的弧形柱曲面的曲率半径为离心机在旋转运行时旋转轴到底板(1)底面的距离减去底板(1)的厚度，再减去曲面台(2)中心的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置，其特征在于：所述的底板(1)采用钢材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置，其特征在于：所述的曲面台(2)为实验操作台面，上面放置实验材料及模型，所述的曲面台(2)采用铝合金材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种用于大型离心机超重力场下的地质构造物理模拟实验装置，其特征在于：所述的固定挡板(9)的两端底部固定连接有滑块(10)，滑块(10)嵌装滑动导轨(8)上。

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