本發(fā)明涉及固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置及方法。

背景技術(shù)：

固體顆粒物質(zhì)是大量離散的固體顆粒相互作用而組成的復(fù)雜體系，在自然界中廣泛存在，它兼有固體和液體的形態(tài)而又不盡相同，因此其具有其獨(dú)特復(fù)雜的力學(xué)特性。即便是最簡單的干燥的無黏連顆粒體系都呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的現(xiàn)象和行為。顆粒物質(zhì)中單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)服從牛頓定律，但在外力或者內(nèi)部應(yīng)力狀況變化時(shí)，顆粒體系整體會產(chǎn)生流動(dòng)，表現(xiàn)出流體的性質(zhì)，形成顆粒流。

在振動(dòng)條件下，顆粒物質(zhì)與邊界之間的相互作用力將對顆粒物質(zhì)的動(dòng)態(tài)行為產(chǎn)生影響，從摩擦學(xué)角度來看，對于振動(dòng)激勵(lì)下承載顆粒物質(zhì)表面摩擦測試該領(lǐng)域的研究還沒有成熟的儀器及方法。

因此，從試驗(yàn)角度定量測量振動(dòng)激勵(lì)條件下承壓顆粒物質(zhì)對邊界摩擦作用，對于從基礎(chǔ)理論上揭示顆粒物質(zhì)的力學(xué)特性具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值，而且在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制藥等領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置及方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為從基礎(chǔ)理論上揭示顆粒物質(zhì)的力學(xué)特性提供測試設(shè)備。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明提供了一種振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置，包括底座、支框、徑向壓力施加裝置、徑向壓力傳感器、徑向推力桿、料槽、探測桿、振動(dòng)裝置、滑座、軸向壓力傳感器和軸向位移施加裝置。

所述底座的一端固設(shè)有所述料槽，所述料槽內(nèi)設(shè)有凹槽，所述料槽頂面和底面的中部分別設(shè)有第一通孔和第二通孔，所述底座的另一端設(shè)有軸向位移施加裝置，所述軸向位移施加裝置和所述料槽之間設(shè)有滑座，所述軸向位移施加裝置與所述滑座之間設(shè)有所述軸向壓力傳感器；所述振動(dòng)裝置設(shè)置于所述滑座上，所述探測桿與所述振動(dòng)裝置剛性連接為一體，所述探測桿與所述第一通孔和所述第二通孔間隙配合并貫穿所述第一通孔、所述凹槽和所述第二通孔。

所述料槽外圍設(shè)有所述支框，所述徑向壓力施加裝置為偶數(shù)個(gè)，對稱設(shè)置在所述支框上，所述徑向壓力施加裝置分別通過一所述徑向壓力傳感器與一所述徑向推力桿連接，每個(gè)所述徑向推力桿的末端均位于所述料槽的凹槽內(nèi)且與所述凹槽間隙配合。

優(yōu)選地，所述底座的一端設(shè)有兩個(gè)開有卡槽的側(cè)板，所述料槽包括料槽本體和側(cè)擋板，所述側(cè)擋板通過螺栓與所述料槽設(shè)有凹槽的一側(cè)連接，所述第一通孔設(shè)置在所述料槽本體上，所述第二通孔設(shè)置在所述側(cè)擋板上，所述料槽和所述側(cè)擋板的兩端分別嵌入所述卡槽中。

優(yōu)選地，所述凹槽為十字型凹槽，所述徑向壓力施加裝置為四個(gè)。

優(yōu)選地，還包括實(shí)驗(yàn)臺，所述底座和所述支框設(shè)置在所述試驗(yàn)臺上。

優(yōu)選地，所述徑向推力桿的末端設(shè)有柱狀圓弧面，所述柱狀圓弧面在施加徑向推力后和所述探測桿同心。

優(yōu)選地，所述滑座與所述底座之間設(shè)有平面直線滾針軸承。

優(yōu)選地，所述滑座兩端均設(shè)有立板，靠近所述料槽的立板上設(shè)有一通孔，所述探測桿的一端設(shè)有法蘭，所述探測桿穿過所述通孔，所述法蘭由一壓環(huán)通過螺栓固定在所述立板上，所述法蘭兩側(cè)均設(shè)有緩沖墊；靠近所述軸向位移施加裝置的立板與所述軸線壓力傳感器連接。

優(yōu)選地，所述振動(dòng)裝置采用超聲振動(dòng)、電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、氣壓或液壓振動(dòng)產(chǎn)生軸向單點(diǎn)集中激勵(lì)或周向多點(diǎn)均布激勵(lì)，振動(dòng)頻率為10～25kHz，振幅為2～100μm。

優(yōu)選地，所述徑向壓力施加裝置和所述軸向位移施加裝置為液壓缸，氣壓缸，電子推桿或斜楔塊機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明還提供了一種使用如上述技術(shù)方案中任一項(xiàng)所述的振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置測試振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦力的方法，包括以下步驟：

S1：向料槽內(nèi)添加固體顆粒物質(zhì)；

S2：開啟徑向壓力施加裝置，使徑向壓力施加裝置同步對稱施加設(shè)定的均衡壓力，使固體顆粒物質(zhì)壓緊于探測桿外圓面上，并保持壓力不變，記錄徑向壓力傳感器的數(shù)值；

S3：開啟振動(dòng)裝置，對探測桿施加振動(dòng)；

S4：開啟軸向位移施加裝置，推動(dòng)探測桿軸向移動(dòng)，記錄軸向壓力傳感器的數(shù)值；

S5：探測桿的位移達(dá)到設(shè)定距離后，停止記錄徑向壓力傳感器軸向壓力傳感器的數(shù)值，關(guān)閉振動(dòng)裝置，徑向壓力施加裝置和軸向位移施加裝置復(fù)位。

優(yōu)選地，步驟S1包括將料槽的一個(gè)徑向推力桿及徑向壓力傳感器拆除，探測桿穿過第一通孔和第二通孔，使其端部與側(cè)蓋板外壁齊平，由料槽的凹槽口處向由料槽、側(cè)蓋板和其余徑向推力桿形成的料倉內(nèi)倒入待測的固體顆粒物質(zhì)，加入固體顆粒物質(zhì)的體積以保證固體顆粒物質(zhì)承載后的厚度為0.5～1倍探測桿的半徑為準(zhǔn)；將拆除的徑向推力桿和徑向壓力傳感器復(fù)位，使所有徑向推力桿的初始停留位置與探測桿的間距保持一致。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：本發(fā)明可以通過調(diào)整徑向壓力施加裝置施加不同徑向壓力，同時(shí)還可以設(shè)置不同的振幅及振動(dòng)頻率，可以方便地測試不同振動(dòng)參數(shù)下的不同種類的固體顆粒物質(zhì)在承受壓力時(shí)與探測桿接觸表面的摩擦性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置主要部件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明徑向壓力施加裝置、料槽、探測桿和固體顆粒物質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明料槽本體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明振動(dòng)裝置和滑座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明測試振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦力的方法的流程圖；

其中，1-探測桿，2-側(cè)擋板，3-徑向推力桿，4-徑向壓力傳感器，5-料槽本體，6-滑座，7-振動(dòng)裝置，8-軸向壓力傳感器，9-軸向位移施加裝置，10-底座，11-固體顆粒物質(zhì)，12-法蘭，13-壓環(huán)，14-徑向壓力施加裝置，15-支框，16-試驗(yàn)臺。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)表面摩擦測試裝置及方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為從基礎(chǔ)理論上揭示顆粒物質(zhì)的力學(xué)特性提供測試設(shè)備。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1：如圖1-5所示，本實(shí)施例提供了一種振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)11表面摩擦測試裝置，包括底座10、支框15、徑向壓力施加裝置14、徑向壓力傳感器4、徑向推力桿3、料槽、探測桿1、振動(dòng)裝置7、滑座6、軸向壓力傳感器8和軸向位移施加裝置9。

所述底座10和所述支框15設(shè)置在所述試驗(yàn)臺16上，以固定所述底座10和所述支框15，使二者的位置相對固定。所述底座10的一端設(shè)有兩個(gè)開有卡槽的側(cè)板，所述料槽包括料槽本體5和側(cè)擋板2，所述側(cè)擋板2通過螺栓與所述料槽設(shè)有凹槽的一側(cè)連接，所述料槽本體5中部設(shè)有第一通孔，所述側(cè)擋板2中部設(shè)有第二通孔，所述料槽本體5和所述側(cè)擋板2的兩端分別嵌入所述卡槽中，所述料槽本體5的底面和所述卡槽通過螺栓固定連接。所述料槽本體5內(nèi)設(shè)有十字型凹槽，以方便徑向推力桿3對固體顆粒物料施加均衡的壓力；所述支框15設(shè)置在所述料槽外圍，所述徑向壓力施加裝置14為四個(gè)，對稱設(shè)置在所述支框15上，所述徑向壓力施加裝置14分別通過一所述徑向壓力傳感器4與一所述徑向推力桿3連接，所述徑向壓力傳感器4用以測定徑向徑向推力的大小，每個(gè)所述徑向推力桿3的末端均位于所述料槽的十字型凹槽內(nèi)且與所述凹槽間隙配合，所述間隙應(yīng)小于顆粒的直徑，以保證顆粒承壓時(shí)不外泄為準(zhǔn)；所述徑向推力桿3的末端設(shè)有柱狀圓弧面，所述柱狀圓弧面在徑向壓力施加裝置14施加了徑向推力后和所述探測桿1同心，以保證徑向推力桿3對固體顆粒物質(zhì)11的作用力傳遞至探測桿1上的法向壓力周向均布。

所述底座10的另一端固定設(shè)有軸向位移施加裝置9，所述軸向位移施加裝置9和所述料槽之間設(shè)有滑座6，所述滑座6與所述底座10之間設(shè)有平面直線滾針軸承，以減少滑座6與底座10之間的摩擦力對測試結(jié)果的影響。所述滑座6兩端均設(shè)有立板，靠近所述料槽的立板上設(shè)有一通孔，所述探測桿1與所述振動(dòng)裝置7剛性連接為一體，所述探測桿1的一端設(shè)有法蘭12，所述探測桿1穿過所述通孔，所述法蘭12由一壓環(huán)13通過螺栓固定在所述立板上，所述法蘭12兩側(cè)均設(shè)有緩沖墊，緩沖墊可以防止振動(dòng)裝置7產(chǎn)生的振動(dòng)被滑座6吸收；所述探測桿1與所述第一通孔和所述第二通孔間隙配合并貫穿所述第一通孔、所述十字型凹槽及所述第二通孔，所述間隙應(yīng)小于顆粒的直徑，以保證顆粒承壓時(shí)不外泄為準(zhǔn)；靠近所述軸向位移施加裝置9的立板通過所述軸線壓力傳感器與所述軸向位移施加裝置9連接。所述軸向壓力傳感器8探測到的數(shù)值即為固體顆粒物質(zhì)11與探測桿1之間的摩擦力。

需要說明的是：所述振動(dòng)裝置7可以采用超聲振動(dòng)、電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、氣壓或液壓振動(dòng)，凡是能夠產(chǎn)生軸向單點(diǎn)集中激勵(lì)或周向多點(diǎn)均布激勵(lì)，使振動(dòng)頻率在10～25kHz，振幅在2～100μm內(nèi)均可；所述徑向壓力施加裝置14和所述軸向位移施加裝置9可以為液壓缸，氣壓缸，電子推桿或斜楔塊機(jī)構(gòu)，凡是能夠穩(wěn)定施加作用力并施加力的大小、方向和時(shí)間可被控制均可適用。

本實(shí)施例還提供了一種使用如上述實(shí)施例1中振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)11表面摩擦測試裝置測試振動(dòng)激勵(lì)下固體顆粒物質(zhì)11表面摩擦力的方法，包括以下步驟：

S1：向料槽內(nèi)添加固體顆粒物質(zhì)11，具體為將料槽的一個(gè)徑向推力桿3及徑向壓力傳感器4拆除，探測桿1穿過第一通孔和第二通孔，使其端部與側(cè)蓋板外壁齊平，由料槽的凹槽口處向由料槽、側(cè)蓋板和其余徑向推力桿3形成的料倉內(nèi)倒入待測的固體顆粒物質(zhì)11，加入固體顆粒物質(zhì)11的體積以保證固體顆粒物質(zhì)11承載后的厚度為0.5～1倍探測桿1的半徑為準(zhǔn)；將拆除的徑向推力桿3和徑向壓力傳感器4復(fù)位，使所有徑向推力桿3的初始停留位置與探測桿1的間距保持一致；

S2：開啟徑向壓力施加裝置14，使徑向壓力施加裝置14同步對稱施加設(shè)定的均衡壓力，使固體顆粒物質(zhì)11壓緊于探測桿1外圓面上，并保持壓力不變，記錄徑向壓力傳感器4的數(shù)值；

S3：開啟振動(dòng)裝置7，對探測桿1施加振動(dòng)；

S4：開啟軸向位移施加裝置9，推動(dòng)探測桿1軸向移動(dòng)，記錄軸向壓力傳感器8的數(shù)值；

S5：探測桿1的位移達(dá)到設(shè)定距離后，停止記錄徑向壓力傳感器4軸向壓力傳感器8的數(shù)值，關(guān)閉振動(dòng)裝置7，徑向壓力施加裝置14和軸向位移施加裝置9復(fù)位。

徑向壓力傳感器4的數(shù)值以及軸向壓力傳感器8和軸向位移施加裝置9所得的力與位移數(shù)據(jù)均由采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，最終傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

所述固體顆粒物質(zhì)11由直徑在0.2～0.8mm的固體顆粒組成，可以是鋼丸顆粒，陶瓷顆粒，SiC顆粒，二氧化硅顆?；蛱烊患?xì)沙等。

本實(shí)施例可以通過調(diào)整徑向壓力施加裝置14施加不同徑向壓力，同時(shí)還可以設(shè)置不同的振幅及振動(dòng)頻率，可以方便地測試不同振動(dòng)參數(shù)下的不同種類的固體顆粒物質(zhì)11在承受壓力時(shí)與探測桿1接觸表面的摩擦性能。

本實(shí)施例也可以測定非振動(dòng)條件下顆粒物質(zhì)外摩擦力，只需在測試的過程中不開啟振動(dòng)裝置7即可?；诖?，本實(shí)施例兼具測試非振動(dòng)以及施加振動(dòng)條件下的固體顆粒物質(zhì)11的摩擦力，能夠?qū)崿F(xiàn)對比觀察振動(dòng)條件對于固體顆粒物質(zhì)11與探測桿1外圓之間摩擦力的影響。

具體地，本實(shí)施例在設(shè)計(jì)過程中各個(gè)部件的設(shè)計(jì)參數(shù)及注意事項(xiàng)和選型如下：探測桿1的直徑為20mm，探測桿1穿過料槽及側(cè)蓋板上的第一通孔和第二通孔且為間隙配合，間隙為0.1～0.2mm，保證顆粒不外泄，并且使探測桿1在軸向方向上順暢運(yùn)行。

料槽的側(cè)蓋板和料槽本體5之間的內(nèi)腔形成對稱均布的四個(gè)方形凹槽，凹槽為邊長22mm的方柱形，四個(gè)徑向推力桿3以間隙配合分別安裝于四個(gè)方形凹槽內(nèi)，單側(cè)間隙為0.05～0.1mm。徑向推力桿3末端與顆粒接觸部分為與探測桿1同軸的圓柱弧面，弧面半徑為15mm，從而保證徑顆粒物質(zhì)傳遞至探測桿1上的法向壓力周向均布。

軸向推力施加裝置采用電子推桿，并通過螺栓固定于底座10上，電子推桿給安裝于滑座6上的探測桿1提供水平軸向推力；支框15與底座10均采用螺栓固定于試驗(yàn)臺16上，保證試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行，徑向壓力施加裝置14采用液壓缸，并配有壓力供給系統(tǒng)。

固體顆粒物質(zhì)11采用粒徑為0.5mm的不銹鋼球，向料槽內(nèi)添加的固體顆粒物質(zhì)11的體積為9ml。液壓缸同時(shí)施加四個(gè)方向的均衡壓力，施加壓力為3MPa，將固體顆粒物質(zhì)11壓緊于探測桿1外圓上，形成一個(gè)內(nèi)徑20mm，外徑30mm左右，高度為22mm的固體顆粒物質(zhì)圓環(huán)。振動(dòng)裝置7的振動(dòng)頻率采用20kHz，振幅為6μm，對探測桿1施加軸向高頻振動(dòng)。電子推桿以5mm/s的速度推動(dòng)探測桿1做水平軸向移動(dòng)，整個(gè)測試過程移動(dòng)位移為50mm。測試結(jié)束后，將液壓缸和電子推桿復(fù)位，以便進(jìn)行下一個(gè)不同參數(shù)條件的測試。

本說明書中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。