一种颗粒物料内聚力测试装置及方法与流程

1.本发明涉及一种颗粒物料内聚力测试装置及方法。


背景技术：

2.在生产、生活和科研中，颗粒物料的贮存、给料、输送、混合等都要克服颗粒物料颗粒间内聚力而导致能量消耗，进而导致材料利用率及工作效率的降低。此外，颗粒物料间的内聚力，直接影响着颗粒物料的流动性和物料坡度的稳定性：如湿粘颗粒物料的输送和矿物料堆的稳定等。因此，为了进行颗粒物料颗粒间内聚力测试分析，设计一种能够评估不同材料、不同压实力以及不同温湿度时，颗粒物料的内聚力的测试装置，对于节约能源、提高工作效率、改善和优化颗粒物料处理等方面具有十分重要的战略和实际意义。
3.目前，国内针对颗粒物料内聚力的测试多依赖于jenike型剪切测试，通过多次测量获得莫尔应力圆及屈服轨迹，再计算出内聚力，而直接测试颗粒物料内聚力研究较少，大多是对液体材料粘附力的测试研究。对现有的专利技术文献检索发现，专利公开号为：cn110174350a，专利名称为：一种黏土真粘聚力的测试装置及测试方法，该装置可以量测式样破坏时所受到的最大主应力σ和剪切面的倾角θ，根据莫尔库仑定理，画出莫尔圆，画过原点倾角为θ的直线与莫尔圆的交点a的切线b，切线b在纵轴上的截距即为黏土试样的真粘聚力，需多次测试和计算屈服轨迹线，计算过程较复杂；专利公开号为：cn104515735a，专利名称为：一种用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置及测试方法，该装置用于测试复杂形状构件成形过程中在非均匀速度场和压力场作用下所受的粘性附着力，结构复杂，不易操控；专利公开号为：cn114136523a，专利名称为：一种用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置及方法，该装置可以实现对水合物地层颗粒间几种不同形式的摩擦力开展测量，但是结构较为复杂，操作不方便，且无法测试颗粒间内聚力；专利公开号为：cn113029727a，专利名称为：的一种可形成规则球状水合物颗粒的粘附力测试装置，该装置结构复杂、局限性强，只针对球状颗粒，且仅应用于两个水合物颗粒颗粒间粘附力测量，无法完成颗粒物料间内聚力测量。专利公开号为：cn109323986b，专利名称为：一种气体水合物与矿物颗粒间粘附力的测试装置及方法，该装置能方便、精确地测定气体水合物与矿物颗粒间的粘附力,对评价水合物储层的力学性质以及指导海域水合物开采具有显著的实用价值，但是结构复杂、受环境温度影响大，且只针对一对颗粒间的粘附力进行测量，对颗粒物料的内聚力的测量无法完成。


技术实现要素：

4.本发明解决现有技术的不足而提供一种可以直接测得颗粒物料间内聚力、无需多次测试和计算屈服轨迹线的颗粒物料内聚力测试装置及方法。
5.为实现上述目的，本发明首先提出了颗粒物料内聚力测试装置，包括支撑座、试验平台、试样槽、拉伸试验装置和压紧装置；
6.所述试验平台固定在支撑座上，所述拉伸试验装置设置在试验平台的一端，所述
试样槽设置在试验平台上，所述试样槽顶部开口、内部设有放置颗粒物料的圆柱型空间，所述试样槽由沿垂直面切割为两个大小相同的第一半槽和第二半槽构成，所述第一半槽通过紧固螺栓固定在试验平台上，第二半槽通过直线导轨滑动安装在试验平台上，所述第二半槽与拉伸试验装置的拉伸端连接，第一半槽和第二半槽的开口相对布设；
7.所述压紧装置包括压板；所述压板的直径大于试样槽内圆柱型空间内径，且压板的直径与试样槽圆柱型空间内径之差不大于0.01mm。
8.本实施方式中，所述压紧装置还包括承重架和加载配重块，所述承重架包括顶板和与顶板连接的底板，所述顶板上设有小于压板的通孔，所述通孔内设有旋转手柄，所述顶板和底板之间设有压板，所述旋转手柄的一端固定在压板的顶部，另一端从顶板顶部伸出，所述压板底部与底板顶部之间的间距大于试验平台底部到试样槽顶部的距离，所述底板的底部中心设有用于安装加载配重块的悬挂杆。
9.本实施方式中，所述试样槽圆柱型空间的直径为90～95mm。
10.本实施方式中，所述压板的直径大于试样槽内圆柱型空间内径0.005mm。
11.本实施方式中，所述压紧装置还包括填充环，所述填充环内径与压板的外径相匹配。
12.本实施方式中，所述拉伸试验装置包括控制箱，控制箱内设置有伺服电机、传动装置、控制器、力传感器和数据采集卡，所述伺服电机通过传动装置与连接杆的一端连接，所述连接杆的另一端通过力传感器与第二半槽连接，通过力传感器可以监测连接杆对第二半槽的拉力和推力。
13.本实施方式中，所述传动装置采用高精度丝杠传动装置，所述伺服电机的输出端与丝杠连接，所述丝杠上螺纹连接有滑块，所述滑块通过限位装置限定其仅能沿丝杠方向移动，所述连接杆固定在滑块上与滑块联动。
14.本实施方式中，所述丝杠的最低速度不大于3mm/min。
15.本发明还包括一种颗粒物料内聚力测试方法，利用上述测试装置，包括如下步骤：
16.步骤一：将可第一半槽置于试验平台上，先通过两个定位销定位，再通过紧固螺栓进行固定；
17.步骤二：将压板放置在第一半槽上，控制伺服电机动作，通过高精度丝杠传动装置带动第二半槽沿导轨移动，与压板接触，当力传感器检测到压力示数突增时，控制伺服电机停止，取出压板，取出压板时可以控制伺服电机反转一圈，取出压板后，然后再控制伺服电机正转一圈回位，取出压板后，力传感器读数标定为0；
18.步骤三：将填充环放置在试样槽顶部，在试样槽内放入颗粒物料，填充高度高于试样槽的顶部；
19.步骤四：将压板通过填充环置于试样槽内，并将承重架置于压板上，然后根据试验要求在承重架上添加加载配重块；
20.步骤五：用旋转手柄往复旋转压板，使得颗粒物料压实；
21.步骤六：依次取下加载配重块、承重架、压板、旋转手柄和填充环；
22.步骤七：刮去高于试样槽顶部的多余颗粒物料；
23.步骤八：设置拉伸试验装置的丝杠旋转速度为3mm/min，启动伺服电机，带动第二半槽做匀速水平直线运动，并采集整个过程中的力传感器测值，输出至计算机中，得出力传
感器测得的力n随着时间t的走势变化图；
24.步骤九：通过力传感器测得的力n随着时间t的走势变化图，读取峰值拉力f
p
和恒定拉力f
co
，f
p-f
co
＝fc，fc为断裂面物料产生的内聚力；
25.步骤十：计算颗粒物料内聚抗拉强度，根据试样槽内径d和深度h，得出颗粒物料拉伸截面面积为：
26.a＝dh,
27.从而得出在测试的颗粒物料湿度和施加的压实力下，内聚力抗拉强度为
28.σ＝fc/a。
29.由于采用上述结构和方法，本发明有益效果：
30.1)本装置采用直接拉伸法测得颗粒物料间内聚力，与jenike型剪切测试相比，无需多次测试和计算屈服轨迹线。
31.2)本装置通过压板的直径大小第一半槽和第二半槽之间的接触力，一方面，保证第一半槽和第二半槽的端面不接触、无应力，另一方面，保证被测颗粒物料不会从第一半槽和第二半槽的间隙掉落，保证后续试验的顺利进行。
32.综上所述，本装置结构简单、操作方便、结果清晰易懂，可以直接测得颗粒物料间内聚力、无需多次测试和计算屈服轨迹线。
附图说明
33.图1是本发明试验平台的剖视图。
34.图2本发明的侧视图。
35.图3是本发明填充环、压板、承重架和加载配重块组合后的结构示意图。
36.图4是本发明的俯视图。
37.图5为本发明力传感器测得的力n随着时间t的走势变化图。
38.附图标号说明：11、试验平台；12、支撑座；13、紧固螺钉；14、定位销；15、试样槽；16、紧固螺栓；21、控制箱；22、连接杆；23、计算机；24、直线导轨；31、加载配重块；32、承重架；33、填充环；34、压板；35、旋转手柄；41、第一半槽；42、第二半槽。
具体实施方式
39.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的一部分实施例，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作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。
40.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
41.如图1至4所示，本发明包括一种颗粒物料内聚力测试装置，包括支撑座12、试验平台11、试样槽15、拉伸试验装置和压紧装置，
42.如图1、2所示，所述试验平台11通过紧固螺钉13固定在支撑座12上，所述拉伸试验装置固定在试验平台11的一端，所述试样槽设置在试验平台11上，所述试样槽15顶部开口、
内部设有放置颗粒物料的圆柱型空间，所述试样槽圆柱型空间的直径为90～95mm，所述试样槽由沿垂直面切割为两个大小相同的第一半槽41和第二半槽42构成，所述第一半槽41通过紧固螺栓16固定在试验平台11上，第二半槽42通过直线导轨24滑动安装在试验平台11上，所述第二半槽42与拉伸试验装置的拉伸端连接，第一半槽41和第二半槽42的开口相对布设；
43.所述拉伸试验装置包括控制箱21，控制箱21内设置有伺服电机、传动装置、控制器、力传感器和数据采集卡，所述伺服电机通过传动装置与连接杆22的一端连接，所述连接杆22的另一端通过力传感器与第二半槽42连接，通过力传感器可以监测连接杆对第二半槽42的拉力和推力；所述伺服电机驱动连接杆沿直线导轨24延伸方向移动，从而带动第二半槽42沿直线导轨24移动，所述传动装置采用高精度丝杠传动装置，所述伺服电机的输出端与丝杠连接，所述丝杠上螺纹连接有滑块，所述滑块通过限位装置限定其仅能沿丝杠方向移动，所述连接杆固定在滑块上与滑块联动，所述丝杠采用最低速度不大于3mm/min的丝杠。
44.所述力传感器检测精度不高于0.02n，本装置还包括计算机，所述力传感器通过数据采集卡与电计算机连接，所述计算机通过控制器与伺服电机电连接。
45.如图3所示，所述压紧装置包括承重架32、加载配重块31和压板34；所述压板34的直径大于试样槽内圆柱型空间内径，所述压板34的直径与试样槽内圆柱型空间内径差值不超过0.01mm，优选0.005mm，所述承重架32包括顶板和与顶板连接的底板，所述顶板上设有小于压板34的通孔，所述通孔内设有旋转手柄35，所述顶板和底板之间设有压板34，所述旋转手柄35的一端固定在压板34的顶部，另一端从顶板顶部伸出，所述压板34底部与底板顶部之间的间距大于试验平台11底部到试样槽顶部的距离，所述底板的底部中心设有用于安装加载配重块的悬挂杆；本实施例中，所述压紧装置还包括填充环33，所述填充环33内径与压板34的外径相匹配。
46.使用时，首先将压板34放置在第一半槽41上，然后控制伺服电机驱动第二半槽42移动，直到力传感器数值突增，伺服电机停止动作，此时表明第二半槽42已经到位，然后取出压板34(取出压板34时，可以控制伺服电机反转一圈，取出压板后，然后再控制伺服电机正转一圈)；由于压板34直径比试样槽内径大0.005mm，这样压板34首先作为定位件，一方面，保证第一半槽41和第二半槽42的端面不接触、无应力，另一方面，保证被测颗粒物料不会从第一半槽41和第二半槽42的间隙掉落；
47.然后将填充环33同轴放置在试样槽上，用以临时增加试样槽的高度，将颗粒物料的水分含量进行调节，调节到待测水分含量，然后将颗粒物料填充到试样槽内，填充高度高于试样槽的顶部；然后再将压板34安装在承重架32上；再次将压板34通过填充环33置于试样槽内，按照试验要求在承重架32上添加加载配重块31，可以对颗粒物料施加不同的压实力；
48.在加压过程中可以通过旋转手柄35旋转压板，使得颗粒物料压实，最后将承重架32取下，刮去高于试样槽15顶部的多余颗粒物料，完成试验前的被测颗粒物料的压紧。
49.最后进行拉伸试验，本发明具体的试验步骤如下：
50.步骤一：将可第一半槽41置于试验平台11上，先通过两个定位销14定位，再通过紧固螺栓16进行固定；
51.步骤二：将压板34放置在第一半槽41上，控制伺服电机动作，通过高精度丝杠传动装置带动第二半槽沿导轨移动，与压板34接触，当力传感器检测到相邻两次压力差大于0.04n时，表示第二半槽与压板34接触，控制伺服电机停止，取出压板34，取出压板34时可以控制伺服电机反转一圈，取出压板后，然后再控制伺服电机正转一圈回位，取出压板后，将力传感器读数标定为0；
52.步骤三：将填充环33放置在试样槽15顶部，在试样槽15内放入颗粒物料，填充高度高于试样槽的顶部；
53.步骤四：将压板34通过填充环33置于试样槽15内，并将承重架32置于压板上，然后根据试验要求在承重架32上添加加载配重块31；
54.步骤五：用旋转手柄35往复旋转压板34，使得颗粒物料压实；
55.步骤六：依次取下加载配重块31、承重架32、压板34、旋转手柄35和填充环33；
56.步骤七：刮去高于试样槽15顶部的多余颗粒物料；
57.步骤八：设置拉伸试验装置的丝杠旋转速度为3mm/min，启动伺服电机，带动第二半槽42做匀速水平直线运动，并采集整个过程中的力传感器测值，输出至计算机23中，得出力传感器测得的力n随着时间t的走势变化图，如图5所示，当开始拉伸颗粒物料时，力传感器测得的力会逐渐增大(图5中0.7s至3秒)，直至增大到最大值f
p
后逐渐减小，当颗粒物料被彻底拉断后，力传感器测得的力会下降至一个稳定值f
co
，(图5中3s至4s)；
58.步骤九：通过力传感器测得的力n随着时间t的走势变化图，读取峰值拉力f
p
和恒定拉力f
co
，f
p-f
co
＝fc，fc为断裂面物料产生的内聚力；
59.步骤十：计算颗粒物料内聚抗拉强度。根据试样槽15内径d和深度h，得出颗粒物料拉伸截面面积为：
60.a＝dh，
61.则在测试的颗粒物料湿度和施加的压实力下，内聚力抗拉强度为
62.σ＝fc/a。
63.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。