一种振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置及方法与流程

本发明涉及固体颗粒物质表面摩擦测试装置技术领域，特别是涉及一种振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置及方法。

背景技术：

固体颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系，在自然界中广泛存在，它兼有固体和液体的形态而又不尽相同，因此其具有其独特复杂的力学特性。即便是最简单的干燥的无黏连颗粒体系都呈现出非常复杂的现象和行为。颗粒物质中单个颗粒的运动服从牛顿定律，但在外力或者内部应力状况变化时，颗粒体系整体会产生流动，表现出流体的性质，形成颗粒流。

在振动条件下，颗粒物质与边界之间的相互作用力将对颗粒物质的动态行为产生影响，从摩擦学角度来看，对于振动激励下承载颗粒物质表面摩擦测试该领域的研究还没有成熟的仪器及方法。

因此，从试验角度定量测量振动激励条件下承压颗粒物质对边界摩擦作用，对于从基础理论上揭示颗粒物质的力学特性具有重要学术价值，而且在工业、农业、制药等领域的应用具有广阔前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，为从基础理论上揭示颗粒物质的力学特性提供测试设备。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置，包括底座、支框、径向压力施加装置、径向压力传感器、径向推力杆、料槽、探测杆、振动装置、滑座、轴向压力传感器和轴向位移施加装置。

所述底座的一端固设有所述料槽，所述料槽内设有凹槽，所述料槽顶面和底面的中部分别设有第一通孔和第二通孔，所述底座的另一端设有轴向位移施加装置，所述轴向位移施加装置和所述料槽之间设有滑座，所述轴向位移施加装置与所述滑座之间设有所述轴向压力传感器；所述振动装置设置于所述滑座上，所述探测杆与所述振动装置刚性连接为一体，所述探测杆与所述第一通孔和所述第二通孔间隙配合并贯穿所述第一通孔、所述凹槽和所述第二通孔。

所述料槽外围设有所述支框，所述径向压力施加装置为偶数个，对称设置在所述支框上，所述径向压力施加装置分别通过一所述径向压力传感器与一所述径向推力杆连接，每个所述径向推力杆的末端均位于所述料槽的凹槽内且与所述凹槽间隙配合。

优选地，所述底座的一端设有两个开有卡槽的侧板，所述料槽包括料槽本体和侧挡板，所述侧挡板通过螺栓与所述料槽设有凹槽的一侧连接，所述第一通孔设置在所述料槽本体上，所述第二通孔设置在所述侧挡板上，所述料槽和所述侧挡板的两端分别嵌入所述卡槽中。

优选地，所述凹槽为十字型凹槽，所述径向压力施加装置为四个。

优选地，还包括实验台，所述底座和所述支框设置在所述试验台上。

优选地，所述径向推力杆的末端设有柱状圆弧面，所述柱状圆弧面在施加径向推力后和所述探测杆同心。

优选地，所述滑座与所述底座之间设有平面直线滚针轴承。

优选地，所述滑座两端均设有立板，靠近所述料槽的立板上设有一通孔，所述探测杆的一端设有法兰，所述探测杆穿过所述通孔，所述法兰由一压环通过螺栓固定在所述立板上，所述法兰两侧均设有缓冲垫；靠近所述轴向位移施加装置的立板与所述轴线压力传感器连接。

优选地，所述振动装置采用超声振动、电磁振动、机械振动、气压或液压振动产生轴向单点集中激励或周向多点均布激励，振动频率为10～25kHz，振幅为2～100μm。

优选地，所述径向压力施加装置和所述轴向位移施加装置为液压缸，气压缸，电子推杆或斜楔块机构。

本发明还提供了一种使用如上述技术方案中任一项所述的振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置测试振动激励下固体颗粒物质表面摩擦力的方法，包括以下步骤：

S1：向料槽内添加固体颗粒物质；

S2：开启径向压力施加装置，使径向压力施加装置同步对称施加设定的均衡压力，使固体颗粒物质压紧于探测杆外圆面上，并保持压力不变，记录径向压力传感器的数值；

S3：开启振动装置，对探测杆施加振动；

S4：开启轴向位移施加装置，推动探测杆轴向移动，记录轴向压力传感器的数值；

S5：探测杆的位移达到设定距离后，停止记录径向压力传感器轴向压力传感器的数值，关闭振动装置，径向压力施加装置和轴向位移施加装置复位。

优选地，步骤S1包括将料槽的一个径向推力杆及径向压力传感器拆除，探测杆穿过第一通孔和第二通孔，使其端部与侧盖板外壁齐平，由料槽的凹槽口处向由料槽、侧盖板和其余径向推力杆形成的料仓内倒入待测的固体颗粒物质，加入固体颗粒物质的体积以保证固体颗粒物质承载后的厚度为0.5～1倍探测杆的半径为准；将拆除的径向推力杆和径向压力传感器复位，使所有径向推力杆的初始停留位置与探测杆的间距保持一致。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明可以通过调整径向压力施加装置施加不同径向压力，同时还可以设置不同的振幅及振动频率，可以方便地测试不同振动参数下的不同种类的固体颗粒物质在承受压力时与探测杆接触表面的摩擦性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置结构示意图；

图2为本发明振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置主要部件结构示意图；

图3为本发明径向压力施加装置、料槽、探测杆和固体颗粒物质的结构示意图；

图4为本发明料槽本体的结构示意图；

图5为本发明振动装置和滑座结构示意图；

图6为本发明测试振动激励下固体颗粒物质表面摩擦力的方法的流程图；

其中，1-探测杆，2-侧挡板，3-径向推力杆，4-径向压力传感器，5-料槽本体，6-滑座，7-振动装置，8-轴向压力传感器，9-轴向位移施加装置，10-底座，11-固体颗粒物质，12-法兰，13-压环，14-径向压力施加装置，15-支框，16-试验台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种振动激励下固体颗粒物质表面摩擦测试装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，为从基础理论上揭示颗粒物质的力学特性提供测试设备。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：如图1-5所示，本实施例提供了一种振动激励下固体颗粒物质11表面摩擦测试装置，包括底座10、支框15、径向压力施加装置14、径向压力传感器4、径向推力杆3、料槽、探测杆1、振动装置7、滑座6、轴向压力传感器8和轴向位移施加装置9。

所述底座10和所述支框15设置在所述试验台16上，以固定所述底座10和所述支框15，使二者的位置相对固定。所述底座10的一端设有两个开有卡槽的侧板，所述料槽包括料槽本体5和侧挡板2，所述侧挡板2通过螺栓与所述料槽设有凹槽的一侧连接，所述料槽本体5中部设有第一通孔，所述侧挡板2中部设有第二通孔，所述料槽本体5和所述侧挡板2的两端分别嵌入所述卡槽中，所述料槽本体5的底面和所述卡槽通过螺栓固定连接。所述料槽本体5内设有十字型凹槽，以方便径向推力杆3对固体颗粒物料施加均衡的压力；所述支框15设置在所述料槽外围，所述径向压力施加装置14为四个，对称设置在所述支框15上，所述径向压力施加装置14分别通过一所述径向压力传感器4与一所述径向推力杆3连接，所述径向压力传感器4用以测定径向径向推力的大小，每个所述径向推力杆3的末端均位于所述料槽的十字型凹槽内且与所述凹槽间隙配合，所述间隙应小于颗粒的直径，以保证颗粒承压时不外泄为准；所述径向推力杆3的末端设有柱状圆弧面，所述柱状圆弧面在径向压力施加装置14施加了径向推力后和所述探测杆1同心，以保证径向推力杆3对固体颗粒物质11的作用力传递至探测杆1上的法向压力周向均布。

所述底座10的另一端固定设有轴向位移施加装置9，所述轴向位移施加装置9和所述料槽之间设有滑座6，所述滑座6与所述底座10之间设有平面直线滚针轴承，以减少滑座6与底座10之间的摩擦力对测试结果的影响。所述滑座6两端均设有立板，靠近所述料槽的立板上设有一通孔，所述探测杆1与所述振动装置7刚性连接为一体，所述探测杆1的一端设有法兰12，所述探测杆1穿过所述通孔，所述法兰12由一压环13通过螺栓固定在所述立板上，所述法兰12两侧均设有缓冲垫，缓冲垫可以防止振动装置7产生的振动被滑座6吸收；所述探测杆1与所述第一通孔和所述第二通孔间隙配合并贯穿所述第一通孔、所述十字型凹槽及所述第二通孔，所述间隙应小于颗粒的直径，以保证颗粒承压时不外泄为准；靠近所述轴向位移施加装置9的立板通过所述轴线压力传感器与所述轴向位移施加装置9连接。所述轴向压力传感器8探测到的数值即为固体颗粒物质11与探测杆1之间的摩擦力。

需要说明的是：所述振动装置7可以采用超声振动、电磁振动、机械振动、气压或液压振动，凡是能够产生轴向单点集中激励或周向多点均布激励，使振动频率在10～25kHz，振幅在2～100μm内均可；所述径向压力施加装置14和所述轴向位移施加装置9可以为液压缸，气压缸，电子推杆或斜楔块机构，凡是能够稳定施加作用力并施加力的大小、方向和时间可被控制均可适用。

本实施例还提供了一种使用如上述实施例1中振动激励下固体颗粒物质11表面摩擦测试装置测试振动激励下固体颗粒物质11表面摩擦力的方法，包括以下步骤：

S1：向料槽内添加固体颗粒物质11，具体为将料槽的一个径向推力杆3及径向压力传感器4拆除，探测杆1穿过第一通孔和第二通孔，使其端部与侧盖板外壁齐平，由料槽的凹槽口处向由料槽、侧盖板和其余径向推力杆3形成的料仓内倒入待测的固体颗粒物质11，加入固体颗粒物质11的体积以保证固体颗粒物质11承载后的厚度为0.5～1倍探测杆1的半径为准；将拆除的径向推力杆3和径向压力传感器4复位，使所有径向推力杆3的初始停留位置与探测杆1的间距保持一致；

S2：开启径向压力施加装置14，使径向压力施加装置14同步对称施加设定的均衡压力，使固体颗粒物质11压紧于探测杆1外圆面上，并保持压力不变，记录径向压力传感器4的数值；

S3：开启振动装置7，对探测杆1施加振动；

S4：开启轴向位移施加装置9，推动探测杆1轴向移动，记录轴向压力传感器8的数值；

S5：探测杆1的位移达到设定距离后，停止记录径向压力传感器4轴向压力传感器8的数值，关闭振动装置7，径向压力施加装置14和轴向位移施加装置9复位。

径向压力传感器4的数值以及轴向压力传感器8和轴向位移施加装置9所得的力与位移数据均由采集系统进行采集，最终传输至计算机进行分析处理。

所述固体颗粒物质11由直径在0.2～0.8mm的固体颗粒组成，可以是钢丸颗粒，陶瓷颗粒，SiC颗粒，二氧化硅颗粒或天然细沙等。

本实施例可以通过调整径向压力施加装置14施加不同径向压力，同时还可以设置不同的振幅及振动频率，可以方便地测试不同振动参数下的不同种类的固体颗粒物质11在承受压力时与探测杆1接触表面的摩擦性能。

本实施例也可以测定非振动条件下颗粒物质外摩擦力，只需在测试的过程中不开启振动装置7即可。基于此，本实施例兼具测试非振动以及施加振动条件下的固体颗粒物质11的摩擦力，能够实现对比观察振动条件对于固体颗粒物质11与探测杆1外圆之间摩擦力的影响。

具体地，本实施例在设计过程中各个部件的设计参数及注意事项和选型如下：探测杆1的直径为20mm，探测杆1穿过料槽及侧盖板上的第一通孔和第二通孔且为间隙配合，间隙为0.1～0.2mm，保证颗粒不外泄，并且使探测杆1在轴向方向上顺畅运行。

料槽的侧盖板和料槽本体5之间的内腔形成对称均布的四个方形凹槽，凹槽为边长22mm的方柱形，四个径向推力杆3以间隙配合分别安装于四个方形凹槽内，单侧间隙为0.05～0.1mm。径向推力杆3末端与颗粒接触部分为与探测杆1同轴的圆柱弧面，弧面半径为15mm，从而保证径颗粒物质传递至探测杆1上的法向压力周向均布。

轴向推力施加装置采用电子推杆，并通过螺栓固定于底座10上，电子推杆给安装于滑座6上的探测杆1提供水平轴向推力；支框15与底座10均采用螺栓固定于试验台16上，保证试验稳定运行，径向压力施加装置14采用液压缸，并配有压力供给系统。

固体颗粒物质11采用粒径为0.5mm的不锈钢球，向料槽内添加的固体颗粒物质11的体积为9ml。液压缸同时施加四个方向的均衡压力，施加压力为3MPa，将固体颗粒物质11压紧于探测杆1外圆上，形成一个内径20mm，外径30mm左右，高度为22mm的固体颗粒物质圆环。振动装置7的振动频率采用20kHz，振幅为6μm，对探测杆1施加轴向高频振动。电子推杆以5mm/s的速度推动探测杆1做水平轴向移动，整个测试过程移动位移为50mm。测试结束后，将液压缸和电子推杆复位，以便进行下一个不同参数条件的测试。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。