一种动态粉体流动行为分析仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种动态粉体流动行为分析仪，包括电机A，其输出轴与连接杆连接，连接杆底端连接有压力传感器；上下移动平台，其滑动连于竖直支撑导向杆，底部连接压力平台，压力平台设有与上下移动平台底部连接的扭矩传感器，扭矩传感器底部连接有扭力架；光栅尺，其与上下移动平台的一侧连接；电机B，其输出轴与中心轴杆连接，中心轴杆套设连接有旋转平台，旋转平台内设有凹槽，凹槽内设置有剪切盒，剪切盒上设有与其对应设置的盒盖，盒盖上设有与扭力架对应的定位槽；压力传感器、扭矩传感器、光栅尺均与一控制系统连接。该技术方案在可变主应力下驱动剪切盒旋转，结合高精度自动化控制系统可进行自动数据采集分析、统计。
【专利说明】
-种动态粉体流动行为分析仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种动态粉体流动行为分析仪，属于国际专利分类表中％01N借 助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料"技术领域。
【背景技术】
[0002] 通过分析粉体动态数据来描述流动行为表征。粉体工业在加工、存储、运输、料仓 中常出现拱架/鼠孔结构，如压缩拱，其由受料仓压力作用固结强度增加导致结拱;姨形拱， 其由块状物料互相晒合在孔口架桥成拱;粘结粘附拱，其由水分、静电吸附导致粉料与仓壁 粘附力增强成拱;气压平衡拱，其由卸料装置密封不好，导致大量空气从底部漏入仓内使料 层上下气压平衡所致。
[0003] 在粉粒料的胆存与输送系统中，物料的流动性、物料之间及物料与固体壁面的摩 擦;在料斗的设计中，排料口的大小、料斗壁的倾斜角W及粉料对料斗壁的压力，设计不合 理的料斗会给生产造成很大的困难;运些影响粉粉体流动的行为特征无法采用传统的测休 止角，振实密度、流速测量方法来解决；需要一种新的测量方法及测量装置，可W模拟粉体 实际状态环境下获得实时动态数据分析。
[0004] 现有仪器只能满足部分功能测试使用，常用应变控制式直接剪切仪来实施；而应 变控制式直接剪切仪直接对试样进行剪切，对粉体剪切性、内部强度、内部摩擦角进行测 定，其由剪切盒、垂直加压设备、剪切传动装置、测力计W及位移量测系统组成。垂直加压设 备可采用杠杆传动;测力计，采用应变圈；量表为百分表或位移传感器，其具体操作步骤如 下：
[0005] 1)对准剪切盒的上下盒，手稿固定销钉；
[0006] 2)将准备好的预处理过的试样，压入剪切盒底，移去环刀，并顺次加上传压活塞及 加压框架；
[0007] 3)取不少于4个试样，并分别施加不同的垂直压力，其压力大小根据要求而定，加 载负荷时应轻轻加上；
[000引 4)当在试样上施加垂直压力后，若每小时垂直变形不大于0.005mm，则认为试样已 达到固结稳定；
[0009] 5)试样达到固结稳定后，安装测力计，徐徐转动手轮，使上盒前端的钢珠恰与测力 计接触，测记测力计初读数；
[0010] 6)松开外面四只螺杆，拔去里面固定销钉，然后开动电动机，使应变圈受压，观察 测力计的读数，它将随下盒位移的增大而增大，没测力计读数不再增加或开始倒退时，即出 现峰值，认为试样已破坏，记下破坏值，停机；
[0011] 7)当剪切过程中测力计读数无峰值时，继续剪切到达峰值时停机；
[0012] 8)剪切结束后，卸载剪切力和垂直压力，取出试样；
[0013] 9)计算:手工绘画出W剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位 移关系曲线，计算抗剪强度、内摩擦角、粘聚力。
[0014] 其存在如下的缺陷和不足：
[0015] 1)样品预处理的过程非常复杂，样品处理均匀性受操作者的经验影响很大；
[0016] 2)应变条件复杂，繁多的机械结构处理，实施比较复杂；
[0017] 3)上下剪切盒位移变化，从而使剪切面发生变化，逐渐变小；
[0018] 4)因样品固结预先处理，限定的剪切面不一定是最薄弱面；
[0019] 5)剪切面上受到的剪应力分布不均匀；
[0020] 6)无法重复性剪切一个样品，数据的重复性较差；
[0021] 7)粉体受到加工工艺过程中内部溫湿度环境变化影响，同时在仓储、运输、卸料等 过程中会受外部溫湿度环境变化的影响;运些环境变化对粉体的流动行为的影响是不可忽 略的因素，现有的只能在常溫下进行；
[0022] 8)现有的测量只能在常溫状态下测试，无法模拟粉体在不同的环境下如:高溫、低 溫、湿度或者溫度交变状态下的分析粉体的流动行为特性；
[0023] 9)现有的技术和测试方法自身的限制，无法量化测试过程中的粉体流动行为动态 变化数据分析和模型建立；
[0024] 10)无法测量壁面摩擦角，从而无法与内摩擦角数据来确定设计一个料斗半顶 角；
[0025] 11)粉体的松装密度变化在整个粉体流动行为分析中是很重要的，在剪切强度(主 应力）、莫尔圆、破坏包络线及库仑粉体中描述流动行为特性，现有的无法测量。 【实用新型内容】
[0026] 有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种能够在可变主应力下驱动剪切盒旋转， 并结合高精度自动化控制系统进行自动数据采集分析、统计的一种动态粉体流动行为分析 仪。
[0027] 本实用新型的另外一个目的在于提供一种可W模拟粉体在不同的环境变化条件 下进行测量的一种动态粉体流动行为分析仪。
[00%]为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：
[0029] -种动态粉体流动行为分析仪，其包括：
[0030] -电机A，其输出轴与一竖直向下延伸的连接杆连接，所述连接杆底端连接有压力 传感器；
[0031] -上下移动平台，其滑动连于竖直支撑导向杆，其底部连接有呈空屯、圆柱状的压力 平台，所述压力平台的空屯、区域内设有与所述上下移动平台底部连接的扭矩传感器，所述 扭矩传感器底部连接有扭力架；
[0032] -光栅尺，其与所述上下移动平台的一侧连接，随所述上下移动平台同步上下移 动；
[0033] -电机B，其输出轴与一中屯、轴杆连接，所述中屯、轴杆与所述扭矩传感器同屯、对应 设置，所述中屯、轴杆外壁套设连接有一旋转平台，所述旋转平台内设有凹槽，所述凹槽内设 置有与该凹槽形状、大小相应的剪切盒，所述剪切盒上设有与其对应设置的盒盖，所述盒盖 上设有与所述扭力架对应的定位槽；
[0034] 所述压力传感器、扭矩传感器、光栅尺均与一控制系统连接。
[0035] 优选地，上述的一种动态粉体流动行为分析仪，其中所述旋转平台和所述剪切盒， 盒盖均设置于一箱体内，所述箱体内设有电加热元件A，制冷装置和水箱，该水箱内设有电 加热元件B，W及紫外灯和氣气灯，W及一气体输入口和一气体输出口，所述气体输入口用 于输入臭氧或保护气氛，所述剪切盒的一侧分别设有用于感测粉体溫度变化和湿度变化的 溫度传感器和湿度传感器，所述电加热元件A、电加热元件B、溫度传感器和湿度传感器均与 所述控制系统电连接。
[0036] 优选地，上述的一种动态粉体流动行为分析仪，其中所述盒盖为平面型盒盖，其底 部为水平面状。
[0037] 优选地，上述的一种动态粉体流动行为分析仪，其中所述盒盖为刀片型盒盖，其底 部沿其圆周方向依次均匀间隔设置有多个刀片。
[0038] 优选地，上述的一种动态粉体流动行为分析仪，其中所述控制系统包括控制电路 模块W及与该控制电路模块连接的计算机、显示屏、键盘和打印机。
[0039] 优选地，上述的一种动态粉体流动行为分析仪，其中所述竖直支撑导向杆竖直支 撑连接于一底板与一顶板之间，所述电机A由一固定板固定连接于所述顶板上，所述电机B 固定连接于所述底板上。
[0040] 优选地，上述的一种动态粉体流动行为分析仪，其中所述剪切盒与所述旋转平台 的凹槽卡扣连接。
[0041] 较现有技术，本实用新型技术效果主要体现在W下几个方面：
[0042] (1)本实用新型实施时电机A带动连接杆和压力传感器驱动上下移动平台向下运 动，此时光栅尺随上下移动平台自由向下运动，进而上下移动平台带动压力平台施压主应 力于盖子上，此时通过控制系统的键盘和显示器把光栅尺的上下移动高度、压力传感器的 应力读数清零后，电机A返回原点；将称重好的粉体均匀倒入剪切盒内并刮平并盖上盖子； 启动电机A传动连接杆带动压力传感器，进而带动可移动平台和压力平台施压主应力于盖 子上，此时扭力架与盖子定位槽连接，因结构的设计，扭矩传感器通过扭力架与盖子定位槽 连接时，扭力架不对盖子定位槽产生压力或者阻力，为活动结构，只与盖子为旋转接触时产 生扭力、速度和正反转动；当压力平台与盖子产生应力后，启动电机B带动旋转平台转动，扭 矩传感器可W获得粉体的扭力，正反转速度及盖子位移数据等;光栅尺可W获得粉体受到 电机A产生应力下压缩的高度，主应力来自压力传感器，由压力传感器、扭矩传感器、光栅尺 获得的测量数据由控制系统进行自动数据采集分析、统计。
[0043] (2)本实用新型设置有用于模拟环境变化的箱体，具体地箱体内设有电加热元件 A，制冷装置和水箱，该水箱内设有电加热元件B，W及紫外灯和氣气灯，W及一气体输入口 和一气体输出口，该气体输入口用于输入臭氧或保护气氛，其可用于模拟单一环境或交变 环境下对粉体进行测试，如单一高溫环境或单一低溫环境下，或是单一高湿度环境或单一 低湿度环境，或是单一紫外环境或是单一臭氧环境或是在保护气氛环境下进行测试，或是 利用氣气灯拟全阳光光谱环境下进行测试，甚至利用气体输入口或是气体输出口连接抽真 空装置，模拟全真空环境下进行测试;还可W设定交替变化的溫湿度来试验，比如在一定时 间内的高溫与低溫的交替变化，或者恒定的溫度或者湿度变化环境来测试，或是在臭氧或 保护气氛或紫外环境下模拟高溫与低溫的交替变化，或者恒定的溫度或者湿度变化环境来 进行测试，解决现有技术中测量只能在常溫状态下进行粉体物性测试，无法模拟粉体在不 同的环境下测量的问题。
【附图说明】
[0044] 图1:本实用新型实施例1结构示意图；
[0045] 图2:本实用新型盒盖结构侧视图；
[0046] 图3:本实用新型盒盖结构仰视图；
[0047] 图4:本实用新型实施例2结构示意图；
[004引图5:莫尔圆图解示图；
[0049] 图6:粉体屈服轨迹示图；
[0050] 图7:有效屈服轨迹示图；
[0051] 图8:粉体物料的流动函数曲线图。
【具体实施方式】
[0052] W下结合附图，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详述，W使本实用新型技 术方案更易于理解和掌握。
[0053] K实施例0
[0054] 如图1所示，一种动态粉体流动行为分析仪，其包括：
[0055] 电机A1，其输出轴与一竖直向下延伸的连接杆2连接，连接杆2底端连接有压力传 感器3;上下移动平台4,其滑动连于竖直支撑导向杆16,其底部连接有呈空屯、圆柱状的压力 平台5,压力平台5的空屯、区域内设有与上下移动平台4底部连接的扭矩传感器6,扭矩传感 器6底部连接有扭力架7;光栅尺8,其与上下移动平台4的一侧连接，随上下移动平台4同步 上下移动；电机B9,其输出轴与一中屯、轴杆10连接，中屯、轴杆10与扭矩传感器6同屯、对应设 置，中屯、轴杆10外壁套设连接有一旋转平台11，旋转平台11内设有凹槽12,凹槽12内设置有 与该凹槽12形状、大小相应的剪切盒13,剪切盒13上设有与其对应设置的盒盖14,盒盖14上 设有与扭力架7对应的定位槽15;压力传感器3、扭矩传感器6、光栅尺8均与一控制系统连 接。
[0056] 其中盒盖14为平面型盒盖，其底部为水平面状，当然根据不同的测试原理可W选 择不同的盒盖14结构，如图2和图3所示，盒盖14为刀片型盒盖，其底部沿其圆周方向依次均 匀间隔设置有多个刀片29。
[0057] 其中，控制系统包括控制电路模块W及与该控制电路模块连接的计算机、显示屏、 键盘和打印机。
[0058] 另外，具体地，如图1所示，竖直支撑导向杆16竖直支撑连接于底18板与顶板17之 间，电机A1由固定板19固定连接于顶板17上，电机B9固定连接于底板18上。
[0059] 此外，剪切盒13与旋转平台11的凹槽12卡扣连接，其随旋转平台11同步转动。
[0060] 该技术方案实施时，为活动结构，只与盖子为旋转接触时产生扭力、速度和正反转 动；当压力平台与盖子产生应力后，启动电机B带动旋转平台转动，扭矩传感器可W获得粉 体的扭力，正反转速度及盖子位移数据等;光栅尺可W获得粉体受到电机A产生应力下压 缩的高度，主应力来自压力传感器，由压力传感器、扭矩传感器、光栅尺获得的测量数据由 控制系统进行自动数据采集分析、统计。
[0061] Κ实施例幻
[0062] 如图4所示，旋转平台11和剪切盒13,盒盖14均设置于箱体20内，箱体20内设有电 加热元件Α21，制冷装置27和水箱25,该水箱25内设有电加热元件B26，W及紫外灯23和氣气 灯24，W及气体输入口 28和气体输出口 22，气体输入口 28用于输入臭氧或保护气氛，剪切盒 13的一侧分别设有用于感测粉体溫度变化和湿度变化的溫度传感器和湿度传感器(图中未 显示），电加热元件A21、电加热元件B26、溫度传感器和湿度传感器均与控制系统电连接。
[0063] 该技术方案设置有用于模拟环境变化的箱体，其可用于模拟单一环境或交变环境 下对粉体进行测试，如单一高溫环境或单一低溫环境下，或是单一高湿度环境或单一低湿 度环境，或是单一紫外环境或是单一臭氧环境或是在保护气氛环境下进行测试，或是利用 氣气灯拟全阳光光谱环境下进行测试，甚至利用气体输入口或是气体输出口连接抽真空装 置，模拟全真空环境下进行测试;还可W设定交替变化的溫湿度来试验，比如在一定时间内 的高溫与低溫的交替变化，或者恒定的溫度或者湿度变化环境来测试，或是在臭氧或保护 气氛或紫外环境下模拟高溫与低溫的交替变化，或者恒定的溫度或者湿度变化环境来进行 测试，解决现有技术中测量只能在常溫状态下进行粉体物性测试，无法模拟粉体在不同的 环境下测量的问题。
[0064] 该技术方案测试粉体剪切性、流动函数、内部强度、内部摩擦函数具体操作如下：
[0065] 1、在测试内摩擦角和剪切性时，选择刀片型盒盖实施，电机A通过压力传感器设置 主应力σ作用于盒盖，给剪切盒内的粉体施加压力，此时扭力架与盒盖连接，开启电机B带动 剪切盒旋转，此时粉体受到剪切力τ通过扭矩传感器输出；
[0066] 2、在测试内摩擦角Φ i时，通过莫尔-库仑定律，得知在最大主应力〇1和最小主应力 03背景下，根据莫尔理论，如果散粒物料在二向应力作用下沿着某一个平面产生破坏，则在 运个平面内存在一定的正应力曰和剪应力τ的组合。破坏平面内的正应力σ和剪应力τ可由力 平衡求出〇 = 〇icos目+〇3s i η目；τ = (σ广〇3)cos目sin目（σ广最大主应力；〇3-最小主应力；目-破 坏平面和最大主应力平面之间的夹角）；
[0067] 对同一种物料在不同的最小应力03情况下作试验，可得出散粒物料发生破坏时的 一系列01，因此由控制系统自动分析并可作出莫尔应力圆(莫尔圆）；
[0068] 根据库仑定律可知，莫尔包络线可用下式表示为：
[0069] T = c+〇tan Φ i
[0070] 式中τ-散粒体抗剪强度，C-散粒体粘聚力，ο-破坏平面上的正应力，φ?-内摩擦 角，因此由控制系统自动分析并可作出莫尔包络线。
[0071] 散粒物料的剪切强度和内摩擦角可直接用图解法求出，当然它们的数值也可用莫 尔圆图解法直接求出，具体地，散粒物料的内摩擦角Φι即为莫尔包络线和水平线的夹角， 莫尔包络线即表示散粒物料的剪切强度，如图5所示。
[0072] 为了模拟稳定流动时出现的应力状态，对粉体样品先进行密实处理，然后再进行 剪切处理，因此，在比压实荷重下的不同垂直作用力进行剪切实验，由得到的正应力σ和剪 应力τ作图，因此由控制系统自动分析并可作出粉体屈服轨迹，如图6所示。
[0073] 通过电机A驱动压力平台进而带动盒盖施加密实载荷V和剪切力S于粉体。剪切一 直延伸到剪切力达到稳定值为止，该稳定值表明塑性流动已经在整个粉体样品层内发生 了，此时可W认为密实是充分的，收回压力平台和盒盖，运时颗粒上的应力，就在莫尔圆上 的E点，因此由控制系统自动分析并可作出有效屈服轨迹，如图7所示。
[0074] 有效内摩擦角:有效屈服轨迹与横坐标之间的夹角称为有效内摩擦角d。它与粉体 物料的内摩擦角有关，是衡量处于流动状态粉体流动阻力的一个参数。
[0075] 在一个筒壁无摩擦的、理性的圆柱形圆筒内，使粉体在一定的密实最大主应力σι 作用下压实，然后取去圆筒，在不加任何侧向支承的情况下，如果被密实的粉体试样不倒 塌，则说明其具有一定的密实强度。运一密实强度就是开放屈服强度fc。
[0076] 如果粉体倒塌料了，则说明运种粉体的开放屈服强度fc = 0。
[0077] 开放屈服强度f。值小的粉体，流动性好，不易结拱。
[0078] 在相应的密实应力下，对粉体物料进行剪切试验，可W确定开放屈服强度f。，并由 此可W建立该粉体物料的流动函数FF
[0079]
[0080] 当fc = 0时，FF=w，即粉体完全自由流动。
[0081] 由图8可知，fc值和01值的两条直线相交于一个临界值，由此可W确定料拱的尺寸 B。根据流动不流动判据，交点W下，粉体物料形成足够的强度支撑料拱，使流动停止。该点 W上，粉体物料的强度不够，不能形成料拱，就发生重力流动；
[0082] 稳定料拱的拱脚上作用着主应力01，它与料拱的跨距B成正比；
[0083] 作用在料拱脚处的主应力可W表示为：
[0084]
[0085] H(0) = (l+m)+O.Ol(O.5+m)0
[0086] 式中PB-物料容积密度，B-卸料口宽度，Θ-料斗半顶角，m为料斗形状系数，轴线对 称的圆锥形料斗，m= 1;平面对称的模形料斗，m = 0;
[0087] 因此，可得流动因素 ff:
[008引
[0089] 式中，S(0)为应力函数，对于各种数值不同的有效内摩擦角、壁面摩擦角和料斗半 顶角e，Jenike已经算出了它们的流动因素。
[0090] 因此，可根据化nssen法可W确定整体流料仓最小卸料口径：
[0091] ①剪切测定，在ο-τ坐标上画出屈服轨迹，求有效内摩擦角d、开放屈服强度fc、壁 摩擦角Φτ;
[0092] ②流动型式判断图上的整体流区域中选择料斗半顶角Θ，并确定料斗的流动因数 ff;
[0093] ③相应的摩尔圆上确定fc及〇1值，做出流动函数FF曲线，并在同一座标中画出ff;
[0094] ④出最小卸料口径。
[0095] 该技术方案测试粉体密实密度、时间固结函数、壁面摩擦具体操时，选择使用平面 型盖子进行实施，其具体测试方法和原理，此不作寶述。
[0096] 另外，影响粉体流动性的环境因素很多，如溫度和化学变化，高溫时颗粒可能结块 或软化，而冷却时可能产生相变，运些都可能影响粉体的流动性;湿度，湿料可w影响屈服 轨迹和壁摩擦系数，而且还能引起料壁黏附等，因此，增设的可用于模拟环境的箱体很好的 解决了此类问题。
[0097] 通过W上描述可W看出，该技术方案在可变主应力下驱动剪切盒旋转，结合高精 度自动化控制系统可进行自动数据采集分析、统计，另外，还可W模拟粉体在不同的环境变 化条件下进行测量。
[0098] 当然，W上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任 何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范 围之内。
【主权项】
1. 一种动态粉体流动行为分析仪，特征在于，其包括： -电机A，其输出轴与一竖直向下延伸的连接杆连接，所述连接杆底端连接有压力传感 器； -上下移动平台，其滑动连于竖直支撑导向杆，其底部连接有呈空心圆柱状的压力平 台，所述压力平台的空心区域内设有与所述上下移动平台底部连接的扭矩传感器，所述扭 矩传感器底部连接有扭力架； -光栅尺，其与所述上下移动平台的一侧连接，随所述上下移动平台同步上下移动； -电机B，其输出轴与一中心轴杆连接，所述中心轴杆与所述扭矩传感器同心对应设置， 所述中心轴杆外壁套设连接有一旋转平台，所述旋转平台内设有凹槽，所述凹槽内设置有 与该凹槽形状、大小相应的剪切盒，所述剪切盒上设有与其对应设置的盒盖，所述盒盖上设 有与所述扭力架对应的定位槽； 所述压力传感器、扭矩传感器、光栅尺均与一控制系统连接。2. 根据权利要求1所述的一种动态粉体流动行为分析仪，其特征在于:所述旋转平台和 所述剪切盒，盒盖均设置于一箱体内，所述箱体内设有电加热元件A，制冷装置和水箱，该水 箱内设有电加热元件B，以及紫外灯和氣气灯，以及一气体输入口和一气体输出口，所述气 体输入口用于输入臭氧或保护气氛，所述剪切盒的一侧分别设有用于感测粉体温度变化和 湿度变化的温度传感器和湿度传感器，所述电加热元件A、电加热元件B、温度传感器和湿度 传感器均与所述控制系统电连接。3. 根据权利要求1所述的一种动态粉体流动行为分析仪，其特征在于:所述盒盖为平面 型盒盖，其底部为水平面状。4. 根据权利要求1所述的一种动态粉体流动行为分析仪，其特征在于:所述盒盖为刀片 型盒盖，其底部沿其圆周方向依次均匀间隔设置有多个刀片。5. 根据权利要求1所述的一种动态粉体流动行为分析仪，其特征在于:所述控制系统包 括控制电路模块以及与该控制电路模块连接的计算机、显示屏、键盘和打印机。6. 根据权利要求1所述的一种动态粉体流动行为分析仪，其特征在于:所述竖直支撑导 向杆竖直支撑连接于一底板与一顶板之间，所述电机A由一固定板固定连接于所述顶板上， 所述电机B固定连接于所述底板上。7. 根据权利要求1所述的一种动态粉体流动行为分析仪，其特征在于:所述剪切盒与所 述旋转平台的凹槽卡扣连接。
【文档编号】G01N19/00GK205483842SQ201620013552
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月5日
【发明人】曾令长
【申请人】曾令长