一種基于快速成型技術(shù)的三維裂隙巖石材料試件制備系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于巖石材料試件制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于快速成型技術(shù)三維裂隙巖石材料試件制備系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵、隧道、礦山開(kāi)掘等地下工程的發(fā)展越來(lái)越迅速。然而，在地下工程所處巖層環(huán)境中普遍存在著裂隙、節(jié)理、斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)巖體力學(xué)性能造成不同程度的影響，給地下工程的穩(wěn)定性控制帶來(lái)了很大難度和不確定性。掌握裂隙巖體力學(xué)性能的變化規(guī)律，對(duì)地下工程穩(wěn)定性控制具有很重要的指導(dǎo)意義。
[0003]研究巖體裂隙的發(fā)展破壞過(guò)程是掌握裂隙巖體力學(xué)性能變化規(guī)律的重要手段，巖體內(nèi)部的原生裂紋對(duì)巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生十分重要的影響，國(guó)內(nèi)外很多巖體失穩(wěn)崩塌事故都是由于巖體內(nèi)部的原生裂紋在外力作用下擴(kuò)展生長(zhǎng)最終貫通的結(jié)果。針對(duì)此問(wèn)題，前人開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)工作研究受壓情況下巖體內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展貫通情況，然而試件制作過(guò)程中如何加工預(yù)制裂隙是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。有關(guān)含裂隙巖體相關(guān)性質(zhì)的研究大部分集中在石膏、水泥砂漿等與其他混合料根據(jù)一定配比制作的類巖石相似材料上，傳統(tǒng)裂隙加工主要采用摻入裂紋片、預(yù)埋金屬條或者聚合物薄條等方法。
[0004]裂隙巖體實(shí)驗(yàn)中往往需要在試件上制作不同角度和張開(kāi)度的裂隙，巖石是脆性材料，傳統(tǒng)的制作工藝技術(shù)瓶頸在于:
[0005](I)—種傳統(tǒng)方法，在標(biāo)準(zhǔn)巖石試件上制作貫通裂隙時(shí)很難保證裂隙角度和張開(kāi)度的精度，而裂隙精度達(dá)不到要求將會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果，不能準(zhǔn)確的反映巖石裂隙的擴(kuò)展規(guī)律。
[0006](2)另一種傳統(tǒng)方法，使用模具預(yù)埋金屬條或者聚合物薄條等注塑方法制作的裂隙僅限于簡(jiǎn)單的裂隙，無(wú)法制作復(fù)雜的裂隙，復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)巖石構(gòu)造，故模擬相似程度低，不能真實(shí)反映巖石裂隙的擴(kuò)展規(guī)律。
[0007](3)傳統(tǒng)方法制作的裂隙的形狀受制作工藝限制，無(wú)法進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。
[0008]由此可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和提尚。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]本實(shí)用新型為避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，將先進(jìn)的快速成型技術(shù)應(yīng)用于裂隙巖石試件制備實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，提出了一種基于快速成型技術(shù)的三維裂隙巖石材料試件制備系統(tǒng)。
[0010]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為:
[0011]—種基于快速成型技術(shù)的三維裂隙巖石材料試件制備系統(tǒng)，包括控制裝置、配料裝置、打印成型裝置，控制裝置通過(guò)集成線分別與配料裝置和打印成型裝置相連，所述配料裝置包括配料桶架、設(shè)置在配料桶架上的配料桶和伺服輸料栗，配料桶內(nèi)盛裝有打印所需的混合材料，配料桶的出料口與給料管相連通，配料桶與伺服輸料栗相連;打印成型裝置包括打印噴頭，配料桶通過(guò)給料管與打印噴頭相連，打印成型裝置還包括能夠帶動(dòng)打印噴頭沿X向運(yùn)動(dòng)的X向控制機(jī)構(gòu)、沿Y向運(yùn)動(dòng)的Y向控制機(jī)構(gòu)以及沿Z向運(yùn)動(dòng)的Z向控制機(jī)構(gòu)，其中，X向?yàn)槿S裂隙巖石材料試件的長(zhǎng)度方向，γ向?yàn)槿S裂隙巖石材料試件的寬度方向，ζ向?yàn)槿S裂隙巖石材料試件的高度方向。
[0012]所述配料桶上設(shè)置有重量傳感器，重量傳感器與計(jì)算機(jī)相連;所述控制裝置還包括控制臺(tái)和計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)設(shè)置在控制臺(tái)上。
[0013]所述X向控制機(jī)構(gòu)包括X向伺服電機(jī)、與X向伺服電機(jī)的輸出軸相連的X向滾珠絲杠、與X向滾珠絲杠相連的X向滑板以及設(shè)置在X向滾珠絲杠一側(cè)且與X向滑板相適配的X向?qū)к墸琗向滾珠絲杠的長(zhǎng)度方向與X向?qū)к壍拈L(zhǎng)度方向相互平行，X向滑板沿X向?qū)к壔瑒?dòng)；
[0014]所述Z向控制機(jī)構(gòu)包括Z向伺服電機(jī)、與Z向伺服電機(jī)的輸出軸相連的Z向滾珠絲杠、與Z向滾珠絲杠相連的Z向滑板以及與Z向滾珠絲杠的長(zhǎng)度方向相互平行且與Z向滑板相適配的Z向?qū)к?，Z向滑板沿Z向?qū)к壔瑒?dòng)，Z向伺服電機(jī)和Z向?qū)к壘O(shè)置在X向滑板上；
[0015]所述Y向控制機(jī)構(gòu)包括Y向伺服電機(jī)、與Y向伺服電機(jī)的輸出軸相連的Y向滾珠絲杠、與Y向滾珠絲杠相連的Y向滑板以及設(shè)置在Y向滾珠絲杠一側(cè)且與Y向滑板相適配的Y向?qū)к?，Y向滑板與打印噴頭緊固相連，Y向伺服電機(jī)和Y向?qū)к壘cZ向滑板相連；
[0016]所述打印噴頭在X向控制機(jī)構(gòu)、Y向控制機(jī)構(gòu)及Z向控制機(jī)構(gòu)的配合下逐層進(jìn)行三維立體打印，實(shí)現(xiàn)三維裂隙巖石材料試件的快速成型。
[0017]所述Z向?qū)к売袃蓷l，其分別設(shè)置在Z向滾珠絲杠的兩側(cè);所述打印成型裝置還包括X向滾珠絲杠支撐架和Z向滾珠絲杠支撐架，X向滾珠絲杠支撐架上設(shè)置有供X向滾珠絲杠穿過(guò)的X向?qū)颦h(huán)，Z向滾珠絲杠支撐架的兩端分別與兩條Z向?qū)к壍捻敹讼噙B，Z向滾珠絲杠支撐架上設(shè)置有供Z向滾珠絲杠穿過(guò)的Z向?qū)颦h(huán);所述Y向控制機(jī)構(gòu)還包括Y向伺服電機(jī)定位板，Y向伺服電機(jī)定位板與Z向滑板緊固連接，Y向伺服電機(jī)和Y向?qū)к壘O(shè)置在Y向伺服電機(jī)定位板上;所述Z向滑板的頂部設(shè)置有供給料管穿過(guò)的限位環(huán)。
[0018]所述基于快速成型技術(shù)的三維裂隙巖石材料試件制備系統(tǒng)還包括實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)加載裝置和實(shí)驗(yàn)臺(tái)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)的頂端一側(cè)設(shè)置有試件打印支撐機(jī)構(gòu)、另一側(cè)放置有用于盛裝試件的試件盒，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的下方設(shè)置有恒溫箱，恒溫箱內(nèi)盛放有已打印完的試件;所述實(shí)驗(yàn)加載裝置包括定位底板和設(shè)置在定位底板上的X向加載機(jī)構(gòu)、Y向加載機(jī)構(gòu)和Z向加載機(jī)構(gòu)，三維裂隙巖石材料試件打印完成后置入試件盒內(nèi)，試件盒放置在定位底板的中央位置，試件盒的頂端、左端、右端、前端和后端均開(kāi)設(shè)有加載孔，其中，開(kāi)設(shè)在試件盒左端的加載孔的中軸線與開(kāi)設(shè)在試件盒右端的加載孔的中軸線位于同一條直線上，開(kāi)設(shè)在試件盒前端的加載孔的中軸線與開(kāi)設(shè)在試件盒后端的加載孔的中軸線位于同一條直線上。
[0019]所述試件打印支撐機(jī)構(gòu)包括若干層自下而上依次疊放的試件圍套，試件圍套位于打印噴頭的下方，各試件圍套設(shè)置有用于放置三維裂隙巖石材料試件打印過(guò)程中各二維層片的容置腔。
[0020]各所述試件圍套均包括兩個(gè)U型框板，兩個(gè)U型框板對(duì)接配合成一個(gè)矩形框板，各U型框板的頂端均設(shè)置有U型凸楞，各U型框板的底端與U型凸楞位置相對(duì)的地方均開(kāi)設(shè)有U型凹槽，U型框板的兩端分別固連有定位耳板，同屬一個(gè)試件圍套的兩個(gè)U型框板通過(guò)螺栓螺母組件緊固定位，相鄰兩層試件圍套通過(guò)相對(duì)的U型凸楞和U型凹槽連接定位;所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置有試件底座，試件底座的頂端設(shè)置有口字型凸楞，口字型凸楞與位于最底層的試件圍套的兩個(gè)U型框板的U型凹槽連接定位。
[0021]所述X向加載機(jī)構(gòu)包括X向加載油缸、X向加載油缸定位座、X向擋板及X向阻力臂，X向加載油缸設(shè)置在X向加載油缸定位座上，X向擋板位于X向加載油缸定位座的對(duì)側(cè)，X向加載油缸定位座通過(guò)多根X向支撐桿與X向擋板相連，X向阻力臂與X向擋板固連，X向加載油缸的液壓桿能夠穿過(guò)試件盒左端的加載孔對(duì)試件盒內(nèi)的三維裂隙巖石材料試件施加X(jué)向加載力，X向阻力臂穿過(guò)試件盒右端的加載孔與試件盒內(nèi)的三維裂隙巖石材料試件相接觸;Y向加載機(jī)構(gòu)包括Y向加載油缸、Y向加載油缸定位座、Y向擋板及Y向阻力臂，Y向加載油缸設(shè)置在Y向加載油缸定位座上，Y向擋板位于Y向加載油缸定位座的對(duì)側(cè)，Y向加載油缸定位座通過(guò)多根Y向支撐桿與Y向擋板相連，Y向阻力臂與Y向擋板固連，Y向加載油缸的液壓缸能夠穿過(guò)試件盒前端的加載孔對(duì)試件盒內(nèi)的三維裂隙巖石材料試件施加Y向加載力，Y向阻力臂穿過(guò)試件盒后端的加載孔與試件盒內(nèi)的三維裂隙巖石材料試件相接觸;Z向加載機(jī)構(gòu)包括Z向加載油缸和Z向加載油缸定位座，Z向記載油缸設(shè)置在Z向加載油缸定位座上，Z向加載油缸定位座位于試件盒的上方，Z向加載油缸定位座通過(guò)多根Z向支撐桿與定位底板相連，Z向加載油缸的液壓桿能夠穿過(guò)試件盒頂端的加載孔對(duì)試件盒內(nèi)的三維裂隙巖石材料試件施加Z向加載力。
[0022]所述計(jì)算機(jī)完成試件的三維數(shù)字模型的建立、模型截面的分割、二維層片信息的識(shí)別以及打印路徑的規(guī)劃，計(jì)算機(jī)根據(jù)建立的三維數(shù)字模型控制配料裝置進(jìn)行打印所需的混合材料的配給，計(jì)算機(jī)根據(jù)規(guī)劃出的打印路徑控制打印成型裝置進(jìn)行三維裂隙巖石材料試件的逐層打印，計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)加載裝置對(duì)打印出的三維裂隙巖石材料試件進(jìn)行加載試驗(yàn)。
[0023]由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型所取得的有益效果為:
[0024]I利用本實(shí)用新型進(jìn)行巖石試件裂隙的打印制作，能夠保證裂隙角度和張開(kāi)度的精度，能準(zhǔn)確的反映巖石裂隙的擴(kuò)展規(guī)律。
[0025]2、本實(shí)用新型采用數(shù)字化建立含有裂隙的試件，裂隙可控性強(qiáng)，可制作復(fù)雜的裂隙。
[0026]3、本實(shí)用新型采用計(jì)算機(jī)控制打印的過(guò)程，大大降低了試件制作難度和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為基于快速成型技術(shù)的三維裂隙巖石材料試件制備系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖2為圖1的側(cè)視圖。
[0029]圖3為圖1的俯視圖。
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