一种脆性颗粒滚动摩擦系数测量装置

1.本实用新型属于滚动摩擦系数测量领域，具体涉及一种脆性颗粒滚动摩擦系数测量装置。


背景技术：

2.颗粒介质是人类生产生活中常见的一种物质组态，其离散的特性导致它表现出一些不同于一般固体，液体，气体的独特性质，但是人们对颗粒物料的认识远远没有到达成熟的地步，如今离散单元法已被证明是一个可靠和有效的工具来表征颗粒状散装物料的性质。颗粒的微观力学特性影响颗粒流宏观的性质。因此，通过精准的实验来标定输入edem中的接触参数就显得尤为重要，对于后续土方机械等的研究中精准的表达物料间及其设备的宏观参数有着不可或缺的影响。
3.滚动摩擦系数是edem仿真中重要的接触参数，它直接影响仿真的精度和结果，滚动摩擦的选取对物料料堆得检测和评估具有很大的意义。对于滚动摩擦系数的测定，目前还没有确切的测量装置及测量方法，大多数都是通过虚拟测量来标定滚动摩擦系数。通过虚拟测量，控制变量法反推出来的滚动摩擦系数，由于各个参数的不断变化，存在较大的误差。现有的颗粒测量装置我们查到有专利号201621411240.1公开的一种测量滚动摩擦系数的装置，装置包括竖面高台、弧形斜台、石板，所述的竖面高台为方形体，四个侧面均为竖直面，竖面高台的顶端设置有弧形斜台；所述的弧形斜台的底端与竖面高台的一个侧面连接，这个侧面的底部设置有水平的石板；所述的石板上铺有湿纸巾。该实用新型在弧形斜台上设置夹持装置，便于测量实验小球初始滚落位置的角度及高度，使测量数据更为精确；弧形斜台设置在竖面高台上，使弧形斜台的底端和石板之间形成高度差，便于计算实验小球水平抛出的动能。该装置用于测量硬质颗粒(如石头颗粒)是没有问题的，但是当要测量脆性颗粒(如土壤颗粒)，抛出后容易发生颗粒破碎，得不到足够的测量数据，影响测量时的精度。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种脆性颗粒滚动摩擦系数测量装置，本实用新型装置减少了抛出设置，降低了脆性颗粒发生破碎的风险，继而可提高测量时的精度。
5.为实现上述的目的，本实用新型的技术方案为：
6.一种脆性颗粒滚动摩擦系数测量装置，包括弧形台，还包括平台和侧壁，所述平台相切接在弧形台的底端，所述侧壁设于弧形台和平台的同一侧面，所述侧壁上安装有轴承，所述轴承内安装有转轴，所述转轴位于弧形台与平台的交接线上方，所述转轴上分别设有用于测量待测颗粒转动角度的角度测量机构和用于将待测颗粒沿弧形台的弧面移动和释放的颗粒挡件。
7.作为进一步的技术方案，以上所述颗粒挡件包括提升杆和颗粒挡板，所述提升杆
活动穿过转轴上下表面，提升杆的上端设有限位杆，继而使提升杆卡在转轴的上表面，与转轴同轴心转动；所述转轴的上表面设有用于放置限位杆的限位座；所述颗粒挡板设在提升杆的下端，当提升杆卡在转轴的上表面时，颗粒挡板与所述弧面的间距小于待测颗粒的直径。
8.作为进一步的技术方案，以上所述角度测量机构包括角度板和角度指示针，所述角度板以轴承为圆心安装于侧壁上；所述角度指示针的一端与固定在转轴上，与转轴同轴心转动；所述角度指示针的另一端指向角度板上的角度数。
9.作为进一步的技术方案，当提升杆自然竖直放置时，所述角度指示针指向角度板上的0
°
。
10.作为进一步的技术方案，以上所述弧形台的弧面角度不大于90
°
。
11.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
12.1、本实用新型的装置将原本具有高度差的竖直高台替换为平台，待测颗粒不需要抛出，降低了脆性颗粒发生破碎的风险，可以得到足够的测量数据，提高测量时的精度；并且，本实用新型可用于测量硬质颗粒和脆性颗粒(如土壤颗粒)，应用范围更广。
13.2、本实用新型设计了颗粒挡件与角度测量机构同步转动，当提升杆以转轴为圆心转动带动待测颗粒沿着弧形台的弧面移动时，角度指示针与转轴同步转动，可直接读出待测颗粒的起始位置与竖直面的夹角θ度数；当待测颗粒到达设定角度时，提升杆向上提起即可实现待测颗粒无初速度沿着弧面向平台滚动，继而实现滚动和角度测量同步进行，减少了实验人员分开测量角度的繁琐操作，并且待测颗粒和角度指示针同步移动，测量更为准确。
附图说明
14.图1为本实用新型一种脆性颗粒滚动摩擦系数测量装置的结构示意图；
15.图2为本实用新型测量数据示意图。
16.附图标记：1-弧形台，2-平台，3-侧壁，4-轴承，5-转轴，6-提升杆，7-颗粒挡板，8-限位杆，9-限位座，10-角度板，11-角度指示针，12-待测颗粒。
具体实施方式
17.下面结合实施例对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式并不局限于实施例表示的范围。
18.实施例1：
19.如图1所示，一种脆性颗粒滚动摩擦系数测量装置，包括弧形台1，弧形台1的弧面角度为90
°
，还包括平台2和侧壁3，平台2相切接在弧形台1的底端，侧壁3设于弧形台1和平台2的同一侧面，侧壁3上安装有轴承4，轴承4内安装有转轴5，转轴5位于弧形台1与平台2的交接线上方，转轴5上分别设有用于测量待测颗粒转动角度的角度测量机构和用于将待测颗粒12沿弧形台1的弧面移动和释放的颗粒挡件。颗粒挡件包括提升杆6和颗粒挡板7；提升杆6活动穿过转轴5上下表面，可实现上下自由移动；提升杆6的上端设有限位杆8，继而使提升杆6限位卡在转轴5的上表面，与转轴5同轴心转动；转轴5的上表面设有用于放置限位杆8的限位座9，限位座9为v形结构固定在转轴5的上表面，限位杆8放置在v形结构之间，实现前
后限位；颗粒挡板7设在提升杆6的下端，颗粒挡板7为条形板结构，与提升杆6组成“l”形，可与提升杆6一同转动；当提升杆6卡在转轴5的上表面时，颗粒挡板7与弧面的间距小于待测颗粒12的直径，这样可实现待测颗粒12的遮挡，继而可将待测颗粒12由颗粒挡板7推动至弧面的设定高度处。
20.侧壁3上设有角度测量机构，角度测量机构包括角度板10和角度指示针11，角度板10以轴承4为圆心安装于侧壁3上，角度板10呈扇形结构位于轴承4的右下角处，角度指示针11的一端与固定在转轴5上，与转轴5同轴心转动；角度指示针11的另一端指向角度板10上的角度数，本实施例中提升杆6与角度指示针11夹角呈90
°
，当提升杆6自然竖直放置时，角度指示针11水平指向角度板10上的0
°
，当提升杆6开始转动时，角度指示针11同步转动后的读数即为提升杆6的转动角度，又为待测颗粒12的起始位置与竖直面的夹角θ。
21.本实用新型的装置操作如下：
22.1、初始状态时，提升杆6通过限位杆8悬空卡在转轴5上，且呈自然竖直放置，此时角度指示针11水平指向角度板10上的0
°
。
23.2、将待测颗粒12放置于颗粒挡板7的后面；
24.3、转动提升杆6，颗粒挡板7同步转动将待测颗粒12推到弧形台1的弧面上，此时同步读出角度指示针11的读数，即待测颗粒12的起始位置与竖直面的夹角θ的角度；
25.4、向上提起提升杆6，颗粒挡板7移开，待测颗粒12沿着弧形台1的弧面滚动至平台2上直至停止。
26.5、测量待测颗粒12在平台2上的滚动距离l，即可进行计算。
27.一种脆性颗粒滚动摩擦系数的测量方法，是采用如上实施例1的一种脆性颗粒滚动摩擦系数测量装置进行测量，将待测颗粒12放置于弧形台1上使其无初速度往下滚动至平台2上直到停止，测量这一过程中待测颗粒12在弧形台1上的滚动摩擦阻力功q1、在平台2上的直线摩擦阻力功q2以及待测颗粒12的重力功q，利用能量守恒定律q＝q1+q2，计算出待测颗粒12的滚动摩擦系数μ。
28.滚动摩擦阻力功q1的测量方法为：
29.(1)记录待测颗粒12的起始位置与竖直面的夹角θ；
30.(2)当待测颗粒12往下滚动微小角度β时，由于角度非常小，则待测颗粒12对弧形台1的正压力不变，此过程摩擦力为
31.f＝μmgcos(θ-β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ①
32.(3)待测颗粒12相对滚动的距离：
[0033][0034]
(4)此过程中滚动摩擦所做的功为
[0035]
δq1＝f
·
l1[0036]
即
[0037]
由此可知，滚动摩擦阻力功q1在弧形台1所做的功为β在[0，θ]内的积分，即
[0038]
[0039]
其中，
[0040]
r：弧形台1的半径；
[0041]
μ：滚动摩擦系数；
[0042]
m：待测颗粒12的重量；
[0043]
g：重力加速度。
[0044]
摩擦阻力功q2按照公式
⑤
计算：
[0045]
q2＝μmgl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ⑤
[0046]
其中，
[0047]
μ：滚动摩擦系数；
[0048]
m：待测颗粒12的重量；
[0049]
g：重力加速度；
[0050]
l：待测颗粒12在平台2的滚动距离。
[0051]
待测颗粒12的重力功q按照公式
⑥
计算：
[0052]
q＝mgh＝mgr(1-cosθ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ⑥
[0053]
其中，
[0054]
m：待测颗粒12的重量；
[0055]
g：重力加速度；
[0056]
h：待测颗粒12与平台2之间的垂直高度；
[0057]
r：弧形台1的半径；
[0058]
θ：待测颗粒12的起始位置与竖直面的夹角。
[0059]
作为进一步的技术方案，以上滚动摩擦系数μ，根据q＝q1+q2得到等式：
[0060][0061]
进一步推导得到：
[0062]
mgr(1-cosθ)＝rμmg(1-cosθ)+μmgl，
[0063]
继而计算出μ＝r(1-cosθ)/[r(1-cosθ)+l]；
[0064]
r：弧形台1的半径；
[0065]
θ：待测颗粒12的起始位置与竖直面的夹角；
[0066]
l：待测颗粒12在平台2的滚动距离；
[0067]
r与l的测量单位一致。
[0068]
待测颗粒12为土壤颗粒，待测颗粒12的起始位置与竖直面的夹角θ为15
°
，弧形台1的半径r390mm。
[0069]
测试面：弧形台1和平台2的接触面为钢；最终得到土壤颗粒在平台2的滚动距离l(单位mm)结果如表1所示：
[0070]
表1
[0071]
测试次数土壤颗粒测试次数土壤颗粒测试次数土壤颗粒139013422253762386143872636234451543627384
439216385284065354173742943964091839830413738819398314018344204153232593642140433364104072239734354113782342435383123352445236391
[0072]
根据数据分析最终确定测得的l的平均值为391.2。跟根据公式μ＝r(1-cosθ)/[r(1-cosθ)+l]对滚动摩擦系数为进行求解，其中r＝390，θ＝15
°
。可以求得土壤颗粒-钢面的滚动摩擦系数值为0.033。
[0073]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“首”、“尾”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接；可以是拆卸连接；也可以是点连接；可以是直接连接；可以是通过中间媒介间接连接，可以使两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本实用新型中未详尽说明的设备连接方式，均按本领域的常规连接方式理解。
[0074]
上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。