一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于岩石材料试件制备技术领域，尤其涉及一种基于快速成型技术三维裂隙岩石材料试件制备系统。
【背景技术】
[0002]随着经济的快速发展，地铁、隧道、矿山开掘等地下工程的发展越来越迅速。然而，在地下工程所处岩层环境中普遍存在着裂隙、节理、断层等软弱结构面，对岩体力学性能造成不同程度的影响，给地下工程的稳定性控制带来了很大难度和不确定性。掌握裂隙岩体力学性能的变化规律，对地下工程稳定性控制具有很重要的指导意义。
[0003]研究岩体裂隙的发展破坏过程是掌握裂隙岩体力学性能变化规律的重要手段，岩体内部的原生裂纹对岩体的强度和稳定性产生十分重要的影响，国内外很多岩体失稳崩塌事故都是由于岩体内部的原生裂纹在外力作用下扩展生长最终贯通的结果。针对此问题，前人开展了大量的实验工作研究受压情况下岩体内部裂纹的扩展贯通情况，然而试件制作过程中如何加工预制裂隙是一个比较困难的问题。有关含裂隙岩体相关性质的研究大部分集中在石膏、水泥砂浆等与其他混合料根据一定配比制作的类岩石相似材料上，传统裂隙加工主要采用掺入裂纹片、预埋金属条或者聚合物薄条等方法。
[0004]裂隙岩体实验中往往需要在试件上制作不同角度和张开度的裂隙，岩石是脆性材料，传统的制作工艺技术瓶颈在于:
[0005](I)—种传统方法，在标准岩石试件上制作贯通裂隙时很难保证裂隙角度和张开度的精度，而裂隙精度达不到要求将会直接影响试验结果，不能准确的反映岩石裂隙的扩展规律。
[0006](2)另一种传统方法，使用模具预埋金属条或者聚合物薄条等注塑方法制作的裂隙仅限于简单的裂隙，无法制作复杂的裂隙，复杂程度远远低于真实现场岩石构造，故模拟相似程度低，不能真实反映岩石裂隙的扩展规律。
[0007](3)传统方法制作的裂隙的形状受制作工艺限制，无法进行数字化设计。
[0008]由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提尚。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型为避免上述现有技术存在的不足之处，将先进的快速成型技术应用于裂隙岩石试件制备实验当中，提出了一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统。
[0010]本实用新型所采用的技术方案为:
[0011]—种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，包括控制装置、配料装置、打印成型装置，控制装置通过集成线分别与配料装置和打印成型装置相连，所述配料装置包括配料桶架、设置在配料桶架上的配料桶和伺服输料栗，配料桶内盛装有打印所需的混合材料，配料桶的出料口与给料管相连通，配料桶与伺服输料栗相连;打印成型装置包括打印喷头，配料桶通过给料管与打印喷头相连，打印成型装置还包括能够带动打印喷头沿X向运动的X向控制机构、沿Y向运动的Y向控制机构以及沿Z向运动的Z向控制机构，其中，X向为三维裂隙岩石材料试件的长度方向，γ向为三维裂隙岩石材料试件的宽度方向，ζ向为三维裂隙岩石材料试件的高度方向。
[0012]所述配料桶上设置有重量传感器，重量传感器与计算机相连;所述控制装置还包括控制台和计算机，计算机设置在控制台上。
[0013]所述X向控制机构包括X向伺服电机、与X向伺服电机的输出轴相连的X向滚珠丝杠、与X向滚珠丝杠相连的X向滑板以及设置在X向滚珠丝杠一侧且与X向滑板相适配的X向导轨，X向滚珠丝杠的长度方向与X向导轨的长度方向相互平行，X向滑板沿X向导轨滑动；
[0014]所述Z向控制机构包括Z向伺服电机、与Z向伺服电机的输出轴相连的Z向滚珠丝杠、与Z向滚珠丝杠相连的Z向滑板以及与Z向滚珠丝杠的长度方向相互平行且与Z向滑板相适配的Z向导轨，Z向滑板沿Z向导轨滑动，Z向伺服电机和Z向导轨均设置在X向滑板上；
[0015]所述Y向控制机构包括Y向伺服电机、与Y向伺服电机的输出轴相连的Y向滚珠丝杠、与Y向滚珠丝杠相连的Y向滑板以及设置在Y向滚珠丝杠一侧且与Y向滑板相适配的Y向导轨，Y向滑板与打印喷头紧固相连，Y向伺服电机和Y向导轨均与Z向滑板相连；
[0016]所述打印喷头在X向控制机构、Y向控制机构及Z向控制机构的配合下逐层进行三维立体打印，实现三维裂隙岩石材料试件的快速成型。
[0017]所述Z向导轨有两条，其分别设置在Z向滚珠丝杠的两侧;所述打印成型装置还包括X向滚珠丝杠支撑架和Z向滚珠丝杠支撑架，X向滚珠丝杠支撑架上设置有供X向滚珠丝杠穿过的X向导向环，Z向滚珠丝杠支撑架的两端分别与两条Z向导轨的顶端相连，Z向滚珠丝杠支撑架上设置有供Z向滚珠丝杠穿过的Z向导向环;所述Y向控制机构还包括Y向伺服电机定位板，Y向伺服电机定位板与Z向滑板紧固连接，Y向伺服电机和Y向导轨均设置在Y向伺服电机定位板上;所述Z向滑板的顶部设置有供给料管穿过的限位环。
[0018]所述基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统还包括实验装置，实验装置包括实验加载装置和实验台；实验台的顶端一侧设置有试件打印支撑机构、另一侧放置有用于盛装试件的试件盒，实验台的下方设置有恒温箱，恒温箱内盛放有已打印完的试件;所述实验加载装置包括定位底板和设置在定位底板上的X向加载机构、Y向加载机构和Z向加载机构，三维裂隙岩石材料试件打印完成后置入试件盒内，试件盒放置在定位底板的中央位置，试件盒的顶端、左端、右端、前端和后端均开设有加载孔，其中，开设在试件盒左端的加载孔的中轴线与开设在试件盒右端的加载孔的中轴线位于同一条直线上，开设在试件盒前端的加载孔的中轴线与开设在试件盒后端的加载孔的中轴线位于同一条直线上。
[0019]所述试件打印支撑机构包括若干层自下而上依次叠放的试件围套，试件围套位于打印喷头的下方，各试件围套设置有用于放置三维裂隙岩石材料试件打印过程中各二维层片的容置腔。
[0020]各所述试件围套均包括两个U型框板，两个U型框板对接配合成一个矩形框板，各U型框板的顶端均设置有U型凸楞，各U型框板的底端与U型凸楞位置相对的地方均开设有U型凹槽，U型框板的两端分别固连有定位耳板，同属一个试件围套的两个U型框板通过螺栓螺母组件紧固定位，相邻两层试件围套通过相对的U型凸楞和U型凹槽连接定位;所述实验台上设置有试件底座，试件底座的顶端设置有口字型凸楞，口字型凸楞与位于最底层的试件围套的两个U型框板的U型凹槽连接定位。
[0021]所述X向加载机构包括X向加载油缸、X向加载油缸定位座、X向挡板及X向阻力臂，X向加载油缸设置在X向加载油缸定位座上，X向挡板位于X向加载油缸定位座的对侧，X向加载油缸定位座通过多根X向支撑杆与X向挡板相连，X向阻力臂与X向挡板固连，X向加载油缸的液压杆能够穿过试件盒左端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加X向加载力，X向阻力臂穿过试件盒右端的加载孔与试件盒内的三维裂隙岩石材料试件相接触;Y向加载机构包括Y向加载油缸、Y向加载油缸定位座、Y向挡板及Y向阻力臂，Y向加载油缸设置在Y向加载油缸定位座上，Y向挡板位于Y向加载油缸定位座的对侧，Y向加载油缸定位座通过多根Y向支撑杆与Y向挡板相连，Y向阻力臂与Y向挡板固连，Y向加载油缸的液压缸能够穿过试件盒前端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加Y向加载力，Y向阻力臂穿过试件盒后端的加载孔与试件盒内的三维裂隙岩石材料试件相接触;Z向加载机构包括Z向加载油缸和Z向加载油缸定位座，Z向记载油缸设置在Z向加载油缸定位座上，Z向加载油缸定位座位于试件盒的上方，Z向加载油缸定位座通过多根Z向支撑杆与定位底板相连，Z向加载油缸的液压杆能够穿过试件盒顶端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加Z向加载力。
[0022]所述计算机完成试件的三维数字模型的建立、模型截面的分割、二维层片信息的识别以及打印路径的规划，计算机根据建立的三维数字模型控制配料装置进行打印所需的混合材料的配给，计算机根据规划出的打印路径控制打印成型装置进行三维裂隙岩石材料试件的逐层打印，计算机控制实验加载装置对打印出的三维裂隙岩石材料试件进行加载试验。
[0023]由于采用了上述技术方案，本实用新型所取得的有益效果为:
[0024]I利用本实用新型进行岩石试件裂隙的打印制作，能够保证裂隙角度和张开度的精度，能准确的反映岩石裂隙的扩展规律。
[0025]2、本实用新型采用数字化建立含有裂隙的试件，裂隙可控性强，可制作复杂的裂隙。
[0026]3、本实用新型采用计算机控制打印的过程，大大降低了试件制作难度和工人劳动强度。
【附图说明】
[0027]图1为基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统的立体结构图。
[0028]图2为图1的侧视图。
[0029]图3为图1的俯视图。
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