CN112466197B - 一种砂箱物理模拟实验装置及模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

一种砂箱物理模拟实验装置及模拟实验方法。主要目的在于，为模拟各种先存断裂再活化，以及根据现今地层情况进行反演逆推地应力场提供一个高效、节能、精度高的实验设备。其特征在于：所述装置包括设备固定系统、水平运动系统、垂向运动系统、实验板系统以及控制系统；所述方法包括实验操作人员根据实际模拟需求选取完实验板样式，并安装调整固定好之后，在控制系统中的上位机操作界面输入控制指令，控制系统中的测控模块所含程序对给定指令进行判别和运算之后，经D/A转换传输至相应的水平运动系统和垂向运动系统，收到指令的运动系统将根据算法指令进行相应运行，并通过测控模块A/D转换，将当前运行情况，传输至上位机，在上位机操作界面上进行实时显示。

Description

一种砂箱物理模拟实验装置及模拟实验方法

技术领域：

本发明涉及一种应用于石油地质勘探领域中的砂箱物理模拟实验装置。

背景技术：

在石油地质勘探领域中，断层封闭性问题一直是一个热门且复杂的难题，在复杂而漫长的地质历史时期中，一个含油气盆地内部会经历多期、多次构造运动。由于构造运动的应力场的不同，构造变形也有很大差异，可能造成多期叠加变形，断层再活化，新生断层的出现等情况。尤其是断层再活化问题，对油气的运移、圈闭的形成、油气藏的保存和破坏都具有决定性作用。专利号为CN201710339650.2的一种砂箱物理模拟实验装置及其实验方法虽然给出了可模拟纯走滑和倾滑的实验装置及其实验方法，但是存在很多的局限性。比如：①、无法模拟走滑断层的斜滑现象，在实际研究工区中很少有纯走滑断层，几乎都伴有或多或少的斜滑现象；②、其翻版可调设计，缺少有效的调节器，使其根本无法实现准确的角度调节，并且由于可调设计使得翻板与实验板存在间隙，即使加以毛刷设计也不能有效的防止实验过程中出现漏砂的情况；③、其走滑底板和倾滑底板分别位于不同侧，使得无法模拟走滑和倾滑在同一盘的不同期叠加作用的构造运动；④、其走滑底板只能模拟走滑，倾滑底板只能模拟倾滑，功能过于单一，并且当其中一驱动模块出现故障时，模块对应的实验将无法进行，影响科研进度；⑤、其电机采用的是步进电机，虽然可以将步距角设置为很小，平滑运转，但是因为开环控制方式的因素，依然没有采用伺服电机的精度高。⑥、其专利没有给出对应的系统软件程序流程和上位操作界面设计，整个设计不完善。⑦、其角度标尺设计的角度指示范围过小，不能有效的满足所有实验需求。

综上所述，现在急需一台能够满足实际勘探需要，针对倾滑、斜滑和其他不同性质断层叠加作用的砂箱物理模拟实验装置。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提出了一种砂箱物理模拟实验装置，该装置可提供不同性质和不同产状的先存断裂、并叠加晚期不同性质位移场的作用，模拟断层多期叠加演化和构造变形，该装置可实现符合实际构造运动特征的斜滑、倾滑运动现象模拟，单一盘活动。如遇特殊构造情况也可以双盘同时运动，两盘独立设计。除斜滑、倾滑(正断层、逆断层)、走滑外，还能模拟反转构造，以及上述现象的叠加作用情况。该装置可用于模拟先存断裂的不同形式和再活化的不同性质对上覆沉积地层的不同影响，研究断裂形成机制，演化过程，辅助评价断层封闭能力，且装置操作简单、易懂，方便拆装，功能多样，实验精度高、可靠性强，生产成本廉价。

本发明的技术方案是：该种砂箱物理模拟实验装置，包括设备固定系统、水平运动系统、垂向运动系统、实验板系统以及控制系统。

设备固定系统分为左右两部分,每部分均包括轨道卡槽3、矩形钢架框4、活动板辅助杆5、第一丝杠1、螺丝帽11、移动轮2、手扶环扣14、手动刹车片16。两个轨道卡槽3开于两个矩形钢架框4长边上；两根活动板辅助杆5横向贯穿固定于矩形钢架框4内部；三根第一丝杠1均匀排列，位于活动板辅助杆5之下5mm处纵向穿过两矩形钢架框4并将其连接至一起，成为一个整体；48颗螺丝帽11内径及螺纹与第一丝杆1的外径和螺纹相符合，分为24组每组2颗，24组分别拧至第一丝杠1穿过两矩形钢架框4所形成的12个洞两侧贴紧固定，使得两矩形钢架框4相对距离固定；八个圆形移动轮2，分别位于两个矩形钢架框4的下部四个顶点附近；八个手扶环扣14，分别位于两个矩形钢架框4的两侧，结合移动轮2共同辅助调节和移动本实验设备；八套符合移动轮2的手动刹车片16，分别安装于每个移动轮2上，在调节和移动结束后，通过操作手动刹车片16将整个设备固定于当前位置。该系统用于承托整个设备和将两对称结构固定连接为一个整体，并根据实验要求，在实验准备阶段提供两对称结构的距离调节便利。

水平运动系统分为左右两部分,每部分均包括底面活动板8、环形卡扣19、刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6、滑块23、无牙螺杆13、伺服电机模块12、运行指示灯21、第二丝杠15、固定连接板22。两块底面活动板8下部分别通过环形卡扣19，将活动底板8与活动板辅助杆5相连；每块底面活动板8上固定有三个刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6，位于同一底面活动板8上的三个刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6分别位于边长为0.5m的等边三角形的三个顶点上，即等边三角形形式排布，其所刻的角度指示刻度线如图4所示；滑块23固定于每块底面活动板8上，每块滑块23有两根无牙螺杆13平行穿过；两组伺服电机模块12分别固定位于每块滑块23上部，伺服电机模块12中不仅有伺服电机还包括伺服驱动器等；伺服电机运行指示灯21，镶嵌安置于伺服电机模块12上部正中心；第二丝杠15，穿过伺服电机模块内部；用固定在矩形钢架框4两侧的四个固定连接板22，将第二丝杠15和无牙螺杆13的两端分别连接在一起，使得伺服电机转动时，伺服电机模块12和滑块23同步在第二丝杆15和无牙螺杆13上左右移动，带动底面活动板8做同样运动，从而实现通过控制伺服电机的转速和转向，进而控制底面活动板8的运动速度和运动方向。本发明水平运动系统结构的设计，使得底面活动板8的位移范围为0cm～40cm，已完全能够满足实际砂箱物理模拟实验的需求。该系统用于提供实验设备水平方向上的动力，即为模拟纯走滑断层以及斜滑现象提供水平方向上的运动速度。

垂向运动系统分为左右两部分,每部分均包括液压模块10、液压模块顶部第二固定连接件20。六个液压模块10，分别通过刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6，将液压模块10底部与底面活动板8铰接，在刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6这一侧，画有一与液压模块中轴线平行的直线，延长至刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6的刻度线上，用以指示液压模块倾斜角度(即待模拟断层的倾角度数)；液压模块10顶部，通过液压模块顶部第二固定连接件20将液压模块10和实验板9铰接，液压模块的上下部均采用铰接的方式相连，使得在重力作用下两块实验板9能够很好的贴合，避免了在实验过程中出现漏砂的情况。在实验过程中通过控制液压模块中的液压马达的正反转，实现实验板9的上升和下降。该系统用于提供上部实验板9在垂向上的动力，即为模拟正断层、逆断层以及斜滑现象提供垂向上的运动速度。

实验板系统9分为左右两部分,每部分均包括实验板9、带毛刷翻板17。根据实验板9下部液压模块的排列方式并结合实际砂箱物理模拟实验，每块实验板9的最短长度为0.6m，最短中心宽度为0.5m，厚度为5mm。实验板9根据模拟实验的具体要求可更换样式，除图1中给出的实验板9样式外，本发明还给出了其他多种常用的实验板9样式如图8至图12。图1中给出的是为模拟倾角为90度的倾滑断层、走滑断层、斜滑现象时所应采用的实验板9样式。图8至图12分别给出的是模拟断层倾角为15度、30度、45度、60度、75度的倾滑现象实验板样式。为切合实际，在模拟斜滑现象时，两板之间接触面与实验板9宽边相交的最小夹角应与待模拟断层的倾角相同。每一种实验板9样式，都附带带毛刷翻板17，长度与两实验板结合面长度一致；带毛刷翻板17的毛刷设计是为了在实验过程中防止实验板9上铺设的砂子往下渗漏，影响实验结果。

控制系统包括上位机18、测控模块24、导线7。上位机18主要用于提供计算机上位操作界面，显示设备当前工作状态和提供操作命令输入窗口，上位操作界面设计如图7所示。测控模块24主要包括PLC(可编程逻辑控制器)和A/D(模/数)、D/A(数/模)转换器，通过导线7将设备的各驱动模块环节分别与测控模块相连，传递信号，再将测控模块24和上位机相连。实验操作人员通过上位机18的操作界面输入控制指令，上位机输出的数字信号传输至测控模块24，测控模块24经D/A转换器将上位机的数字量信号转换为模拟量信号，传输至各驱动模块，各驱动模块按照输入指令要求的状态进行运行。同时测控模块24接收各驱动模块的状态信号，经A/D转换器，将驱动状态的模拟量信号转换为数字量信号传输至上位机18在操作界面进行状态实时显示。测控模块中PLC的程序，按照如图5、图6所示的控制流程思想进行编辑。程序流程图中的速度、位移分解算法思想如图14所示。图中θ为实验操作人员给出的斜滑角度，V_x为斜滑运动在X方向上的分运动速度，S_水平为斜滑运动在X方向上的分位移；V_y为斜滑运动在Y方向上的分运动速度，S_垂向为斜滑运动在Y方向上的分位移；V_斜为实验操作人员给出的斜滑速度，S_斜为系统程序根据实验操作人员所给出的斜滑速度和斜滑时间所自动运算出来的结果。设所给时间为t，则由图可知在系统运行过程中，t、θ、V_x、S_水平、V_y、S_垂向、V_斜、S_斜八个参数一直保持着如下的关系，①、S_斜＝V_斜×t；②、S_水平＝V_x×t；③、S_垂向＝V_y×t；④、V_x＝V_斜×cosθ；⑤、V_y＝V_斜×sinθ；⑥、S_水平＝S_斜×cosθ；⑦、S_垂向＝S_斜×sinθ。PLC内预置有控制程序，所述程序按照如下方式控制伺服电机模块和液压缸：

系统上电后，自动判别模式类别，本系统共设置两大控制模式，其一为，单一控制模式(即单轴控制)；其二为，斜滑控制模式(伺服电机和液压系统联动控制)。模式判别是否为斜滑模式，若是则执行斜滑模式子程序，系统再进一步判别斜滑模式下的X1Y1模式(伺服电机1与液压系统1联动)和X2Y2模式(伺服电机1与液压系统1联动)是否启动，若否，则该子程序对应的电机静止；若是，则启动的子模式所对应的两轴运动模块进行初始化配置，即分别进行清错和坐标零点标记；读取输入的预设实验参数(斜滑速度、斜滑角度、斜滑时间，如未输入斜滑时间则系统默认斜滑时间为正无穷大)，并赋值到对应的功能模块；系统功能模块根据上述读取值，按照平行四边形原则，即上述的速度和角度参数关系，将斜滑速度分解为水平速度和垂向速度；分解运算结束后，模块再根据上述速度时间参数关系，分别计算水平方向上和垂向上的分位移并赋值到下一模块；将所得位移结果进行线性距离到轴距的转换运算；运算结束后赋值到功能模块进行当前应走距离与零的关系判别，先判定垂向距离再判定水平方向上的距离，进而控制伺服电机和液压系统联动。联动模式下有以下几种情况：因伺服电机2和液压系统2联动时的情况与伺服电机1和液压系统1联动时的情况一致，则在此以伺服电机1和液压系统1为例，①、先判定当前应走垂向距离是否大于零，如是，再判定当前应走水平距离是否大于零，如是，则伺服电机1正转，液压马达1正转；②、当判定当前应走垂向距离大于零，再判定当前应走水平距离是否大于零，如否，再判定当前应走水平距离是否小于零，如是，则伺服电机1反转，液压马达1正转；③、当判定当前应走垂向距离大于零，再判定当前应走水平距离是否大于零，如否，再判定当前应走水平距离是否小于零，如否，则伺服电机1静止，液压马达1正转；④、若判定当前应走垂向距离是否大于零，为否，再判定当前应走垂向距离是否小于零，如是，再判定当前应走水平距离是否大于零，如是，则伺服电机1正转，液压马达1反转；⑤、若判定当前应走垂向距离是否大于零，为否，再判定当前应走垂向距离是否小于零，如是，再判定当前应走水平距离是否大于零，如否，再判定当前应走水平距离是否小于零，如是，则伺服电机1反转，液压马达1反转；⑥、若判定当前应走垂向距离是否大于零，为否，再判定当前应走垂向距离是否小于零，如是，再判定当前应走水平距离是否大于零，如否，再判定当前应走水平距离是否小于零，如否，则伺服电机1静止，液压马达1反转；⑦、若判定当前应走垂向距离是否大于零，为否，再判定当前应走垂向距离是否小于零，如否，再判定当前应走水平距离是否大于零，如是，则伺服电机1正转，液压马达1静止；⑧、若判定当前应走垂向距离是否大于零，为否，再判定当前应走垂向距离是否小于零，如否，再判定当前应走水平距离是否大于零，如否，再判定当前应走水平距离是否小于零，如是，则伺服电机1反转，液压马达1静止；⑨、若判定当前应走垂向距离是否大于零，为否，再判定当前应走垂向距离是否小于零，如否，再判定当前应走水平距离是否大于零，如否，再判定当前应走水平距离是否小于零，如否，则伺服电机1静止，液压马达1静止。两联动模式不存在互锁关系，即可两个子模式同时运行也可单独运行。在电机运行的同时，系统不断检测是否到达目标点，如是，则电机立即停止，如否则保持原有状态继续运行。

当系统上电后，斜滑模式判别为否时，则执行单一控制模式子程序，系统再进一步判别单一控制模式下的子程序是否启动，若否，则该子程序对应的电机静止；若是，则对启动的子模式进行轴运动初始化配置，即轴运动模块清错和标记坐标零点；配置结束后，系统自动读取实验者输入的预设参数(速度、时间，如未输入时间则系统默认时间为正无穷大)，并赋值到对应功能模块；根据读取的数值计算目标距离；将计算所得目标距离做轴距转换，然后通过功能模块判别当前应走距离与零的关系进而控制电机正反转。单一控制模式下共有四个相互不存在互锁关系的独立子程序，分别为X1单轴模式(伺服电机1单轴运动)、X2单轴模式(伺服电机2单轴运动)、Y1单轴模式(液压系统1单轴运动)、Y2单轴模式(液压系统2单轴运动)。单一控制模式下有以下几种运动情况：因上述单模式的控制方式一致，在此以X1单轴模式，即伺服电机1单轴运动为例，①、判断当前应走距离是否大于零，如是，则伺服电机正转；②、判断当前应走距离是否大于零，如否，再判断当前应走距离是否小于零，如是，则伺服电机反转；③、判断当前应走距离是否大于零，如否，再判断当前应走距离是否小于零，如否，则伺服电机静止。在电机运行的同时，系统不断检测是否到达目标点，如是，则电机立即停止，如否，则保持原有状态继续运行。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明不仅可以模拟纯走滑、正断层、逆断层，还能模拟符合实际研究工区的各种走滑断层的斜滑现象，解决了现今无法模拟斜滑现象的迫切问题。

2、本发明的实验板和带毛刷翻板为固定一起的整体，解决了在实验过程中的漏砂问题。

3、本发明的左右两侧都有独立的上下驱动结构，解决了在同一盘模拟走滑和倾滑的不同期叠加作用的构造运动问题。

4、本发明的设计方式为对称式设计，拓宽了设备的使用范围，解决了因单盘故障影响实验进度，耽误科研进程的问题。

5、本发明的驱动电机采用的是伺服电机，步进电机为开环控制不能实时反馈位置信息，伺服电机为闭环控制能精确、快速、稳定的进行位置控制，提高了实验精度。

6、本发明不仅给出了机械结构设计方案，还提供了对应的软件应用程序流程和上位操作界面，且足够简捷，有利于初学者快速掌握使用方法。

7、本发明的角度指示器的设计与安装方式不仅增加了角度指示范围，能够满足所有实验需求，并且还有较高的精度。

附图说明：

图1是本发明的主体组成结构示意图。

图2是本发明的底面底部结构示意图。

图3是本发明的顶面底部结构示意图。

图4是本发明的液压模块底座连接件上刻有的角度指示图。

图5是本发明所提及的PLC控制程序流程总图。

图6是本发明所提及的PLC斜滑子程序控制流程图

图7是本发明所使用的上位操作界面示意图。

图8是本发明在模拟断层倾角为15°的斜滑现象时应采用的实验板示意图。

图9是本发明在模拟断层倾角为30°的斜滑现象时应采用的实验板示意图。

图10是本发明在模拟断层倾角为45°的斜滑现象时应采用的实验板示意图。

图11是本发明在模拟断层倾角为60°的斜滑现象时应采用的实验板示意图。

图12是本发明在模拟断层倾角为75°的斜滑现象时应采用的实验板示意图。

图13是本发明模拟斜滑现象时，斜滑角度和斜滑方向与断层走向最小夹角关系的示意图。

图14是本发明模拟斜滑现象时，速度、位移分解运算原理示意图。

图中1-第一丝杠、2-移动轮、3-轨道卡槽、4-矩形钢架框、5-活动板辅助杆、6-第一固定连接件、7-导线、8-底面活动板、9-实验板、10-液压模块、11-螺丝帽、12-伺服电机模块、13-无牙螺杆、14-手扶环扣、15-第二丝杠、16-手动刹车片、17-带毛刷翻板、18-上位机、19-环形卡扣、20-第二固定连接件、21-运行指示灯、22-固定连接板、23-滑块、24-测控模块。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图3所示，该砂箱物理模拟实验装置主要由设备固定系统、水平运动系统、垂向运动系统、实验板系统、控制系统5个部分组成。

设备固定系统，用于承托整个设备和将两对称结构固定连接为一个整体，并根据实验要求，在实验准备阶段提供两对称结构的距离调节便利。其包括：轨道卡槽3、矩形钢架框4、活动板辅助杆5、第一丝杠1、螺丝帽11、移动轮2、手扶环扣14、手动刹车片16。两个轨道卡槽3分别为1cm宽，1cm深开于两个长2m，宽1.5m，高5cm的矩形钢架框4上；两根活动板辅助杆5长2m，直径为1cm横向贯穿固定于矩形钢架框4内部；三根第一丝杠1长为3.5m，直径为1.5cm，均匀排列，位于活动板辅助杆5之下5mm处纵向穿过两矩形钢架框4并将其连接至一起，成为一个整体；48颗螺丝帽11内径及螺纹与第一丝杆1的外径和螺纹相符合，分为24组每组2颗，24组分别拧至第一丝杠1穿过两矩形钢架框4所形成的12个洞两侧贴紧固定，使得两矩形钢架框4相对距离固定；八个圆形移动轮2外径为4cm，分别位于两个矩形钢架框4的下部四个顶点附近；八个手扶环扣14，分别位于两个矩形钢架框4的两侧，结合移动轮2共同辅助调节和移动本实验设备；八套符合移动轮2的手动刹车片16，分别安装于每个移动轮2上，在调节和移动结束后，通过操作手动刹车片16将整个设备固定于当前位置。

水平运动系统，用于提供实验设备水平方向上的动力，即为模拟纯走滑断层以及斜滑现象提供水平方向上的运动速度。水平运动系统包括：底面活动板8、环形卡扣19、刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6、滑块23、无牙螺杆13、伺服电机模块12、运行指示灯21、第二丝杠15、固定连接板22。两块钢制底面活动板8边长为1.6m，厚度为5mm；每块底面活动板8下部通过环形卡扣19，将活动底板8与活动板辅助杆5相连；每块底面活动板8上固定有三个刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6，位于同一底面活动板8上的三个刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6分别位于边长为0.5m的等边三角形的三个顶点上，即等边三角形形式排布，其所刻的角度指示刻度线如图4所示；滑块23固定于每块底面活动板8上，每块滑块23有两根无牙螺杆13平行穿过；两组伺服电机模块12分别固定位于每块滑块23上部，伺服电机模块12中不仅有伺服电机还包括伺服驱动器等，伺服电机型号为D08LD40-12A-30S，驱动器型号为BLD-120A，该电机加速性能好，能快速达到指定速度，应用于本发明装置相当贴切；伺服电机运行指示灯21，镶嵌安置于伺服电机模块12上部正中心；第二丝杠15，穿过伺服电机模块内部；用固定在矩形钢架框4两侧的四个固定连接板22，将第二丝杠15和无牙螺杆13的两端分别连接在一起，使得伺服电机转动时，伺服电机模块12和滑块23同步在第二丝杆15和无牙螺杆13上左右移动，带动底面活动板8做同样运动，从而实现通过控制伺服电机的转速和转向，进而控制底面活动板8的运动速度和运动方向。伺服电机正转时运行指示灯21为绿色，底面活动板沿X正方向运动(X正方向在底面活动板8上已标注，如图1所示)；伺服电机反转时运行指示灯21为红色，底面活动板沿X反方向运动。本发明水平运动系统结构的设计，使得底面活动板8的位移范围为0cm～40cm，已完全能够满足实际砂箱物理模拟实验的需求。

垂向运动系统，用于提供上部实验板9在垂向上的动力，即为模拟正断层、逆断层以及斜滑现象提供垂向上的运动速度。垂向运动系统包括：液压模块10、液压模块顶部第二固定连接件20。六个液压模块10，分别通过刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6，将液压模块10底部与底面活动板8铰接，在刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6这一侧，画有一与液压模块中轴线平行的直线，延长至刻有角度指示的液压模块第一固定连接件6的刻度线上，用以指示液压模块倾斜角度(即待模拟断层的倾角度数)；液压模块10顶部，通过液压模块顶部第二固定连接件20将液压模块10和实验板9铰接，液压模块的上下部均采用铰接的方式相连，使得在重力作用下两块实验板9能够很好的贴合，避免了在实验过程中出现漏砂的情况。在实验过程中通过控制液压模块中的液压马达的正反转，实现实验板9的上升和下降。

实验板系统，是用于铺设实验砂等实验材料的装置系统。其包括实验板9、带毛刷翻板17。实验板9、不锈钢材质，最短长度为0.6m，最短中心宽度为0.5m，厚度为5mm；根据实验板9下部液压模块的排列方式并结合实际砂箱物理模拟实验，给出上述实验板9的规格及材质要求。实验板9根据模拟实验的具体要求可更换样式，除图1中给出的实验板9样式外，本发明还给出了其他多种常用的实验板9样式如图8至图12。图1中给出的是为模拟倾角为90度的倾滑断层、走滑断层、斜滑现象时所应采用的实验板9样式。图8至图12分别给出的是模拟断层倾角为15度、30度、45度、60度、75度的倾滑现象实验板样式。为切合实际，在模拟斜滑现象时，两板之间接触面与实验板9宽边相交的最小夹角应与待模拟断层的倾角相同。每一种实验板9样式，都附带带毛刷翻板17，带毛刷翻板17为不锈钢材质，长度与两实验板结合面长度一致，宽度为0.2m，厚度为3mm；带毛刷翻板17的毛刷设计是为了在实验过程中防止实验板9上铺设的砂子往下渗漏，影响实验结果。

控制系统，是整个实验设备进行模拟实验的中枢，包括上位机18、测控模块24、导线7。上位机18主要用于提供计算机上位操作界面，显示设备当前工作状态和提供操作命令输入窗口；上位操作界面设计如图7所示，上位操作界面应用软件采用的是RSview32；测控模块24主要包括PLC和A/D(模/数)、D/A(数/模)转换器，所述PLC型号为罗克韦尔Micro850、转换器型号为DAC6573IPW。通过导线7将设备的各驱动模块环节分别与测控模块相连，传递信号，再将测控模块24和上位机相连。实验操作人员通过上位机18的操作界面输入控制指令，上位机输出的数字信号传输至测控模块24，测控模块24经D/A转换器将上位机的数字量信号转换为模拟量信号，传输至各驱动模块，各驱动模块按照输入指令要求的状态进行运行。同时测控模块24接收各驱动模块的状态信号，经A/D转换器，将驱动状态的模拟量信号转换为数字量信号传输至上位机18在操作界面进行状态实时显示。测控模块中PLC的程序，按照如图5、图6所示的控制流程思想进行编辑。程序流程图中的速度、位移分解算法思想如图14所示。图中θ为实验操作人员给出的斜滑角度，V_x为斜滑运动在X方向上的分运动速度，S_水平为斜滑运动在X方向上的分位移；V_y为斜滑运动在Y方向上的分运动速度，S_垂向为斜滑运动在Y方向上的分位移；V_斜为实验操作人员给出的斜滑速度，S_斜为系统程序根据实验操作人员所给出的斜滑速度和斜滑时间所自动运算出来的结果。设所给时间为t，则由图可知在系统运行过程中，t、θ、V_x、S_水平、V_y、S_垂向、V_斜、S_斜八个参数一直保持着如下的关系，①、S_斜＝V_斜×t；②、S_水平＝V_x×t；③、S_垂向＝V_y×t；④、V_x＝V_斜×cosθ；⑤、V_y＝V_斜×sinθ；⑥、S_水平＝S_斜×cosθ；⑦、S_垂向＝S_斜×sinθ。

所述PLC内置程序按照图5、图6所编写的控制程序流程和上位界面的设计可实现如下功能：

功能一，在整个统上电后，实验操作人员根据待模拟的实验情况，在上位界面选取相应的控制模式启动，系统程序自动检测工作模式，并对模式做相应判别。本程序共设有两个工作模式，单一控制模式(即单轴控制)和斜滑控制模式(伺服电机和液压系统联动控制)。单一控制模式，用于模拟纯走滑、正断层、逆断层的一种或多种叠加。检测到单一控制模式启动后，系统将自动进行单一控制模式下的各子模式检测(单一控制模式下共有四个子模式，分别是以伺服电机1作为轴运动模块、伺服电机2作为轴运动模块、液压系统1作为轴运动模块、液压系统2作为轴运动模块)，判别是否已启动，继而对启动的子模式进行初始化配置(即对所选子模式对应的轴运动模块进行清错和标记坐标零点)，配置结束后，读取实验操作人员通过上位操作界面设定的预设参数并赋值到对应的功能模块，程序中的运算模块将根据上述赋值参数计算目标距离(如未预设时间则系统默认时间为正无穷大)，因为伺服电机运动距离是轴距，而上述计算的距离为线性距离，所以需经距离转换模块将计算所得的线性距离结果转换为轴距，系统最后再根据此轴距判定当前应距离是大于零还是小于零，进而控制电机正反转，在电机开始运行后系统不断检测电机当前的运动位置，当检测到已经到达目标点后电机停止，如未到达目标点则继续保持原有的运行状态，在未设置运行时间的情况下只能通过点击停止按钮才能让电机立即停止运行。各子模式互相不存在互锁关系，可单独控制，也可同时控制多个子模式运行。

功能二、斜滑控制模式，用于模拟斜滑现象。在系统检测到斜滑控制模式子程序(即伺服电机和液压系统的联动控制)启动后，系统将再自动检测斜滑控制模式下的子模式启动情况(在斜滑控制模式下有两个子模式，一个是以伺服电机1和液压系统1分别作为水平运动和垂向运动的两个轴运动模块，另一个则分别是以伺服电机2和液压系统2分别作为水平运动和垂向运动的两个轴运动模块)，继而对启动后的子模式进行轴运动初始化配置(对所选子模式下的两个轴运动模块分别清错和标记坐标零点)，配置结束后，系统再读取实验操作人员通过在上位操作界面命令输入窗口设置的斜滑参数(如斜滑速度，斜滑角度，斜滑时间)并赋值到对应的功能模块，接下来系统将根据上述斜滑速度和斜滑角度将斜滑速度分解为水平方向上的速度和垂向上的速度，系统根据分解后的速度和所设斜滑时间分别计算各轴的目标距离(如未设置斜滑时间则默认为时间为正无穷大)，将计算结果分别赋值到对应轴的功能模块，再对各距离进行距离转换，将所得的线性距离值通过功能模块转换为轴距，最终再依次判别垂向上应走距离与零的关系，然后再判定水平方向上应走距离与零的关系，进而控制两轴所在电机的正反转，实现通过控制两轴联动来达到，实验板在整个平面上的全方位移动，实现斜滑模拟。斜滑模式的各子模式也互相不存在互锁关系，可单独控制，也可同时控制多个子模式运行。

功能三、在本系统控制程序中，单一控制模式和斜滑控制模式存在互锁关系，即两大控制模式不能同时运行，有效的避免了矛盾运动指令的出现；如需切换模式必须点击当前模式后的停止按钮，再重新启动另一模式。在运行过程中的任意时刻，按下对应的子模式停止按钮，该模式都将立即停止运行；按下对应的大模式停止按钮，则该大模式下的所有运行状态都将停止运行。通过停止按钮停止的运行环节，只是让电机停止运行，位移不清零，保持当前数值。在两大控制模式下的各子模式中均分别设置有一复位按钮。在运行环节停止后，按下该环节的复位按钮，该环节的运行状态将变换为前一状态的相反状态进行运行，直到回到上一运行状态起始位置。由于复位环节程序和正常起始运行程序类似，所以未在程序流程图中体现，其实现方式是用一简单的反赋值模块实现。

功能四、因为程序中的相关指令和模块都与上位界面中的对应标签进行了关联，所以上位操作界面不仅可以输入控制指令，还可以实时监测，当前运行环节的运动速度、运动时间、运动位移和运动方向。

在实际使用该设备时应注意，本系统提及的时间单位在输入时均为分钟(min)，且必须大于零。单一控制模式下，运动轴共有四个，分别为X1、X2、Y1、Y2，对于X1、X2而言，输入速度为负值时，运行方向为X轴的反方向，上位操作界面与设备上对应X1、X2轴运动的运行指示灯显示为红色，输入速度为正值时，运行方向为X轴的正方向，上位操作界面与设备上对应X1、X2轴运动的运行指示灯显示为绿色；对于Y1、Y2而言输入速度为负值时，运行方向为Y轴的反方向，上位操作界面与设备上对应Y1、Y2轴运动的运行指示灯显示为红色，输入速度为正值时，运行方向为Y轴的正方向，上位操作界面与设备上对应Y1、Y2轴运动的运行指示灯显示为绿色；X1、X2、Y1、Y2、X正方向、Y正方向如图1中已经标注。斜滑控制模式下，斜滑速度要求必须输入为正值，斜滑方向由角度控制，为保证实验精度、符合实际情况，在模拟斜滑现象时，实验板9的样式和斜滑角度之间应满足如图13的对应关系。图13是以与如图9所示实验板9样式相对应的几种斜滑情况为例的，θ_i(i＝1、2、3、4)是斜滑角度，α_i(i＝1、2、3、4)是实验板9两板接触面与实验板宽边的最小夹角；为保证实验的准确度、符合实际这个夹角也是模拟断层的倾角，其他类型斜滑也满足此例。图13中的XY平面表示的是设备的X1Y1或X2Y2平面，其中X轴与实验板9接触面中线相重合，Y轴与液压模块10的中轴线相平行。当输入斜滑速度和角度时，PLC程序的运算模块将按照如图14的原理分解速度；向下斜滑时，上位操作界面对应的斜滑环节运行指示灯为红色，向上斜滑时，上位操作界面对应的斜滑环节运行指示灯为绿色。

以模拟斜滑现象为例，本实验装置的具体使用过程为：

第一步，根据待模拟实际工区情况，选取实验板样式，调整液压模块倾斜角度，固定好实验设备。

第二步，按照1:10⁵比例缩小得出模型尺寸，选取合理的实验材料，如石英砂、硅胶、云母等，在实验板上铺设好。

第三步，开启设备控制系统，选取斜滑控制模式，在该模式下所选的子模式命令输入窗口中，输入控制指令(斜滑速度、斜滑角度、斜滑时间)，启动该子模式，设备开始运行。在此过程中可根据需要定时进行拍照记录、停止运行加以新材料，模拟沉积或停止运行，启动其他运行行为的控制，模拟多期叠加构造运动等。

第四步，实验结束后，可根据实际需求，对模型进行喷水固化、切片，观察剖面情况等一系列操作。而后记录数据，进行数据分析，得出实验结果，推进科研进程。

Claims (2)

1.一种砂箱物理模拟实验装置，包括设备固定系统、水平运动系统、垂向运动系统、实验板系统以及控制系统，其特征在于：

所述设备固定系统分为左右两部分,每部分均包括轨道卡槽(3)、矩形钢架框(4)、活动板辅助杆(5)、第一丝杠(1)、螺丝帽(11)、移动轮(2)、手扶环扣(14)以及手动刹车片(16)；其中，两个轨道卡槽(3)开于两个矩形钢架框(4)的长边上；两根活动板辅助杆(5)横向贯穿固定于矩形钢架框(4)内部；三根第一丝杠(1)均匀排列，位于活动板辅助杆(5)之下纵向穿过两矩形钢架框(4)并将其连接至一起，成为一个整体；48颗螺丝帽(11)内径及螺纹与第一丝杆(1)的外径和螺纹相符合，分为24组每组2颗，24组分别拧至第一丝杠(1)穿过两矩形钢架框(4)所形成的12个洞两侧贴紧固定，使得两矩形钢架框(4)相对距离固定；八个圆形的移动轮(2)，分别位于两个矩形钢架框(4)的下部四个顶点附近；八个手扶环扣(14)，分别位于两个矩形钢架框(4)的两侧，结合移动轮(2)共同辅助调节和移动本实验装置；八套适用于移动轮(2)的手动刹车片(16)，分别安装于每个移动轮(2)上，当在调节和移动结束后，通过操作手动刹车片(16)将整个实验装置固定于当前位置；

所述水平运动系统分为左右两部分,每部分均包括底面活动板(8)、环形卡扣(19)、刻有角度指示的液压模块第一固定连接件(6)、滑块(23)、无牙螺杆(13)、伺服电机模块(12)、运行指示灯(21)、第二丝杠(15)以及固定连接板(22)；其中，两块底面活动板(8)下部通过环形卡扣(19)将活动底板(8)与活动板辅助杆(5)相连；每块底面活动板(8)上固定有三个刻有角度指示的液压模块第一固定连接件(6)，位于同一底面活动板(8)上的三个刻有角度指示的液压模块第一固定连接件(6)分别位于边长为0.5米的等边三角形的三个顶点上，即以等边三角形的形式排布；滑块(23)固定于每块底面活动板(8)上，每块滑块(23)有两根无牙螺杆(13)平行穿过；两组伺服电机模块(12)分别固定位于每块滑块(23)上部，伺服电机模块(12)中包括伺服电机和伺服驱动器；伺服电机运行指示灯(21)，镶嵌安置于伺服电机模块(12)上部正中心；第二丝杠(15)穿过伺服电机模块内部；固定在矩形钢架框(4)两侧的四个固定连接板(22)，将第二丝杠(15)和无牙螺杆(13)的两端分别连接在一起，使得伺服电机转动时，伺服电机模块(12)和滑块(23)同步在第二丝杆(15)和无牙螺杆(13)上左右移动，带动底面活动板(8)做同样运动，从而实现通过控制伺服电机的转速和转向，进而控制底面活动板(8)的运动速度和运动方向；

所述垂向运动系统分为左右两部分,每部分均包括液压模块(10)以及液压模块顶部第二固定连接件(20)；六个液压模块(10)，分别通过刻有角度指示的液压模块第一固定连接件(6)，将液压模块(10)底部与底面活动板(8)铰接，在刻有角度指示的液压模块第一固定连接件(6)侧，画有一与液压模块中轴线平行的直线，延长至刻有角度指示的液压模块第一固定连接件(6)的刻度线上，用以指示液压模块倾斜角度；液压模块(10)顶部，通过液压模块顶部第二固定连接件(20)将液压模块(10)和实验板(9)铰接，液压模块的上下部均采用铰接的方式相连，使得在重力作用下两块实验板(9)能够很好的贴合，避免了在实验过程中出现漏砂；在实验过程中通过控制液压模块中的液压马达的正反转，实现实验板(9)的上升和下降；系统用于提供上部实验板(9)在垂向上的动力，即为模拟正断层、逆断层以及斜滑现象提供垂向上的运动速度；

所述实验板系统分为左右两部分,每部分均包括实验板(9)和带毛刷翻板(17)；

所述控制系统包括上位机(18)、测控模块(24)以及导线(7)；上位机(18)用于提供计算机上位操作界面，显示设备当前工作状态和提供操作命令输入窗口；测控模块(24)包括可编程逻辑控制器和模/数转换器以及数/模转换器，通过导线(7)将水平运动系统和垂向运动系统中的各驱动模块环节分别与测控模块(24)相连；

可编程逻辑控制器内预置有控制程序，实验操作人员通过上位机(18)的操作界面输入控制指令，上位机输出的数字信号传输至测控模块(24)，测控模块(24)经D/A转换器将上位机的数字量信号转换为模拟量信号，传输至各驱动模块，各驱动模块按照输入指令要求的状态进行运行；同时测控模块(24)接收各驱动模块的状态信号，经A/D转换器，将驱动状态的模拟量信号转换为数字量信号传输至上位机(18)，在操作界面进行状态实时显示；

设定θ为实验操作人员给出的斜滑角度，V_x为斜滑运动在X方向上的分运动速度，S_水平为斜滑运动在X方向上的分位移；V_y为斜滑运动在Y方向上的分运动速度，S_垂向为斜滑运动在Y方向上的分位移；V_斜为实验操作人员给出的斜滑速度，S_斜为系统程序根据实验操作人员所给出的斜滑速度和斜滑时间所自动运算出来的结果；所给时间为t；则在系统运行过程中，t、θ、V_x、S_水平、V_y、S_垂向、V_斜、S_斜八个参数一直保持着如下的关系，①、S_斜＝V_斜×t；②、S_水平＝V_x×t；③、S_垂向＝V_y×t；④、V_x＝V_斜×cosθ；⑤、V_y＝V_斜×sinθ；⑥、S_水平＝S_斜×cosθ；⑦、S_垂向＝S_斜×sinθ；

所述控制程序按照如下方式控制伺服电机模块和液压缸，执行下述操作：

系统上电后，自动判别模式类别，本系统共设置两大控制模式，其一为，单一控制模式；其二为，斜滑控制模式；模式判别是否为斜滑模式，若是则执行斜滑模式子程序，系统再进一步判别斜滑模式下的X1Y1模式和X2Y2模式是否启动，若否，则该子程序对应的电机静止；若是，则启动的子模式所对应的两轴运动模块进行初始化配置，即分别进行清错和坐标零点标记；读取输入的预设实验参数，所述预设实验参数包括斜滑速度、斜滑角度和斜滑时间，并赋值到对应的功能模块；系统功能模块根据上述读取值，按照平行四边形原则，即上述的速度和角度参数关系，将斜滑速度分解为水平速度和垂向速度；分解运算结束后，模块再根据上述速度时间参数关系，分别计算水平方向上和垂向上的分位移并赋值到下一模块；将所得位移结果进行线性距离到轴距的转换运算；运算结束后赋值到功能模块进行当前应走距离与零的关系判别，先判定垂向距离再判定水平方向上的距离，进而控制伺服电机和液压系统联动。

2.一种利用权利要求1所述实验装置进行模拟实验的方法，包括如下步骤：

第一步，根据待模拟实际工区情况，选取实验板样式，调整液压模块倾斜角度，固定好实验装置；

第二步，按照1:10⁵比例缩小得出模型尺寸，选取实验材料在实验板上铺设好；所述实验材料包括石英砂、硅胶和云母；

第三步，开启实验装置，选取斜滑控制模式，在该模式下所选的子模式命令输入窗口中，输入控制指令，所述控制指令包括斜滑速度、斜滑角度和斜滑时间；启动该子模式，装置开始运行；

第四步，根据实验要求，定时进行拍照记录、停止运行和添加新材料，模拟沉积；以及在停止运行后，通过重新设定参数模拟多期次叠加构造运动；

第五步，实验结束后，对模型进行喷水固化和切片，观察剖面情况并记录数据。

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