專(zhuān)利名稱(chēng):一種測(cè)量粉體材料動(dòng)摩擦系數(shù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及粉體材料與固體表面的動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量的裝置和方法,特別涉及與粉體材料摩擦系數(shù)相關(guān)的設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
摩擦系數(shù)是相互接觸的兩個(gè)物體之間的摩擦力與正壓力的比值。粉體材料摩擦系數(shù)隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生改變。摩擦系數(shù)的大小直接關(guān)系到摩擦力的大小,影響著動(dòng)力設(shè)備的設(shè)計(jì)或選擇。在加工粉體材料的擠出設(shè)備,攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)中,起著至關(guān)重要的作用。
當(dāng)前測(cè)定摩擦系數(shù)的儀器主要有擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀,磨耗儀器,摩擦系數(shù)測(cè)試儀等。但這些儀器主要針對(duì)于塊狀或片狀固體與固體表面的摩擦測(cè)定,或者是可以取樣為平面狀或片狀的物體之間的摩擦。對(duì)于粉體材料與固體表面在壓力和溫度變化的條件下的動(dòng)摩擦目前還沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)試方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于,通過(guò)提供一種測(cè)量粉體材料動(dòng)摩擦系數(shù)的裝置,以實(shí)現(xiàn)在不同溫度,轉(zhuǎn)速和壓力下對(duì)粉體材料與固體表面動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)定。
一種測(cè)量粉體材料動(dòng)摩擦系數(shù)的裝置,其特征在于應(yīng)用如下裝置進(jìn)行動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)量,其裝置的構(gòu)成為
電機(jī)1與扭矩傳感器3通過(guò)第一連接裝置2相聯(lián),扭矩傳感器3與軸11通過(guò)第二連接裝置4相聯(lián),電機(jī)1連接由第一軸承座5和第二軸承座14支撐的軸11 ;
第一筒體支架6和第二筒體支架10固定筒體18 ;軸11設(shè)置在筒體18內(nèi),筒體壁上開(kāi)孔安裝壓力傳感器8和熱電偶17 ;筒體頂部開(kāi)有加料孔9 ;筒體外部設(shè)有加熱套7 ;與軸11加工為一體的固定蓋板15位于軸的一端,軸的另一端設(shè)置有由套筒螺母13壓緊的可移動(dòng)套筒19 ;
筒體18的內(nèi)表面,與軸11加工為一體的固定蓋板15、由套筒螺母13壓緊的可移動(dòng)套筒19和軸11的表面構(gòu)成儲(chǔ)料腔16 ;固定蓋板15和可移動(dòng)套筒19與筒體18內(nèi)表面之間存在0. 10毫米 0. 20毫米的間隙;在軸表面上開(kāi)有數(shù)個(gè)縱向溝槽。
電機(jī)1與扭矩傳感器3通過(guò)第一連接裝置2相聯(lián),扭矩傳感器3與軸11通過(guò)第二連接裝置4相聯(lián),電機(jī)1驅(qū)動(dòng)由第一軸承座5和第二軸承座14支撐的軸11旋轉(zhuǎn);由第一筒體支架6和第二筒體支架10固定的筒體18的內(nèi)表面,與軸11加工為一體的固定蓋板(軸肩)15、由套筒螺母13壓緊的可移動(dòng)套筒19和軸11的表面構(gòu)成儲(chǔ)料腔16 ;固定蓋板(軸肩)15和可移動(dòng)套筒19與筒體18內(nèi)表面之間存在一定的間隙,一般取0. 10毫米 0. 20 毫米;該間隙最小值的選取應(yīng)該保證軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候不會(huì)與固定蓋板(軸肩)15和可移動(dòng)套筒19發(fā)生摩擦,從而保證軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候機(jī)筒內(nèi)壁只與粉體物料發(fā)生摩擦;筒體壁上開(kāi)孔安裝壓力傳感器8和熱電偶17,用來(lái)測(cè)量物料的壓力和溫度;筒體頂部開(kāi)有加料孔9 ;筒體外部設(shè)有加熱套7 ;在固定蓋板(軸肩)15內(nèi)側(cè)的軸表面上開(kāi)有長(zhǎng)度為a,寬度為b和深度為h的數(shù)個(gè)縱向溝槽,即在軸的工作段橫斷面加工為齒輪形狀,其直齒頂寬度為δ。開(kāi)槽的目的是利用粉體物料顆粒之間的內(nèi)摩擦系數(shù)大于物料與金屬表面的外摩擦系數(shù)的原理,增加物料與軸的接觸表面,固定與溝槽表面接觸的粉體物料,使得物料與軸保持同步轉(zhuǎn)速,并且保持物料在軸11轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中只發(fā)生與筒體18內(nèi)表面的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其中a,b,h的選取取決于物料的內(nèi)摩擦系數(shù)與外摩擦系數(shù)之間的差值。對(duì)于一般的物料其內(nèi)摩擦系數(shù)大于外摩擦系數(shù),采用溝槽結(jié)構(gòu)可保證物料在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中不會(huì)與軸的表面發(fā)生滑動(dòng);而直齒齒頂寬度δ在理論上越小越好,考慮到物料在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生摩擦,對(duì)齒棱作用一定的力矩,所以,直齒齒頂寬度δ與扭矩最大值和軸的材料強(qiáng)度有關(guān);而深度h與粉體物料的材料性能有關(guān),當(dāng)物料的內(nèi)摩擦系數(shù)與外摩擦系數(shù)差值很大的時(shí)候,深度h可以適當(dāng)減小。
應(yīng)用該裝置的工作過(guò)程將粉體材料從加料孔9放入儲(chǔ)料腔16內(nèi),旋轉(zhuǎn)套筒螺母 13推動(dòng)可移動(dòng)套筒19向筒體18內(nèi)軸向移動(dòng),壓實(shí)物料,增加物料壓力,當(dāng)設(shè)置在筒體18上的壓力傳感器8的讀數(shù)達(dá)到設(shè)定值P,停止旋轉(zhuǎn)套筒螺母13。由加熱套7加熱筒體18,當(dāng)熱電偶17溫度讀數(shù)升高至設(shè)定值T后,啟動(dòng)電機(jī)1,驅(qū)動(dòng)軸11旋轉(zhuǎn),調(diào)整轉(zhuǎn)速在合適的范圍內(nèi)。通過(guò)扭矩傳感器3測(cè)量因粉體材料與筒體18內(nèi)表面相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力矩值,該力矩值除以筒體18內(nèi)半徑得到粉體材料與筒體18內(nèi)表面的摩擦力,該摩擦力除以壓力傳感器測(cè)量的壓力值與筒體內(nèi)表面的工作表面積的乘積得到粉體材料與筒體內(nèi)表面的動(dòng)摩擦系數(shù)。
改變筒體內(nèi)的物料壓力、溫度、轉(zhuǎn)速時(shí),被檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)軸的扭矩值會(huì)發(fā)生變化,由此得出物料的動(dòng)摩擦系數(shù)隨溫度,轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線(xiàn)。
根據(jù)以上測(cè)量方法,以廢舊橡膠膠粉為例在雙螺桿擠出回收廢舊橡膠膠粉的過(guò)程中,擠出機(jī)機(jī)頭最高壓力一般左右,擠出機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速在20 100轉(zhuǎn)/分鐘之間,廢舊膠粉在130°C后會(huì)發(fā)生交聯(lián)。所以,當(dāng)筒體18上的壓力傳感器8的讀數(shù)在設(shè)定值 0. IMPa 5MPa之間時(shí),停止旋轉(zhuǎn)套筒螺母13。由加熱套7加熱筒體18,當(dāng)熱電偶17溫度讀數(shù)升高至設(shè)定值在20°C 110°C之間后,啟動(dòng)電機(jī)1,驅(qū)動(dòng)軸11旋轉(zhuǎn)。由于實(shí)驗(yàn)用雙螺桿擠出機(jī)螺桿直徑小于軸11的直徑,所以設(shè)定軸11的轉(zhuǎn)速范圍15 60轉(zhuǎn)/分鐘以便與實(shí)驗(yàn)用雙螺桿實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。
本專(zhuān)利的特征在于
粉體材料直接放入儲(chǔ)料腔16內(nèi),并由套筒螺母13推動(dòng)可移動(dòng)套筒19壓緊粉體材料,直至其壓力達(dá)到設(shè)定值;
在軸11上的固定蓋板(軸肩)15、可移動(dòng)套筒19和軸11上縱向溝槽的聯(lián)合擠壓作用下,被壓緊的粉體材料與隨軸11同步轉(zhuǎn)動(dòng)的蓋板內(nèi)表面和軸表面之間的摩擦力之和遠(yuǎn)大于粉體材料與筒體18內(nèi)表面的摩擦力,因此,粉體材料與軸11可保持同步轉(zhuǎn)動(dòng),并與筒體18內(nèi)表面產(chǎn)生滑動(dòng);
通過(guò)扭矩傳感器3和壓力傳感器8的測(cè)量值計(jì)算出粉體材料與筒體內(nèi)表面的動(dòng)摩擦系數(shù)。
所述專(zhuān)利內(nèi)容可用于各種粉體材料或微細(xì)顆粒與不同固體材料表面之間、在不同轉(zhuǎn)速,溫度和壓力下的動(dòng)摩擦系數(shù)。
圖1粉體材料動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量裝置的示意圖。
其中,1電機(jī),2第一連接裝置和4第二連接裝置,3扭矩傳感器,5第一軸承座和14 第二軸承座,6第一筒體支架和10第二筒體支架,7加熱套,8壓力傳感器,9加料孔,11軸, 12卡箍,13套筒螺母,15固定蓋板(軸肩),16儲(chǔ)料腔,17熱電偶,18筒體,19可移動(dòng)套筒。
圖加儲(chǔ)料腔16內(nèi)物料在常壓下的長(zhǎng)度LO示意圖2b儲(chǔ)料腔16內(nèi)物料被壓緊后的長(zhǎng)度L示意圖3a軸的表面開(kāi)溝槽示意圖北軸的橫截面示意圖4廢舊膠粉在一定條件下的摩擦系數(shù)隨壓力變化的曲線(xiàn)圖5該發(fā)明裝置的一種豎直設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖;具體實(shí)施方式
該裝置的零部件組成為
電機(jī)1與扭矩傳感器3通過(guò)第一連接裝置2相聯(lián),扭矩傳感器3與軸11通過(guò)第二連接裝置4相聯(lián),軸11由第一軸承座5和第二軸承座14支撐,筒體18由第一筒體支架6 和第二筒體支架10支撐,支撐物料一端的固定蓋板15以軸肩的形式與軸11加工為一體, 壓縮物料另一端的可移動(dòng)套筒19放置在軸11上,可移動(dòng)套筒19和套筒螺母13由卡箍12 聯(lián)接,并可在套筒螺母13的推動(dòng)下在筒體18內(nèi)來(lái)回移動(dòng)。筒體18內(nèi)表面、固定蓋板(軸肩)15、可移動(dòng)套筒19和軸11表面構(gòu)成一個(gè)儲(chǔ)料腔16。在儲(chǔ)料腔16內(nèi)的軸11表面上開(kāi)有溝槽結(jié)構(gòu),如圖1所示。
如圖3所示,筒體18內(nèi)直徑為D。經(jīng)過(guò)套筒螺母13壓緊可移動(dòng)套筒19后,儲(chǔ)料腔 16內(nèi)被擠壓粉體材料的有效軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)。由壓力傳感器8測(cè)得儲(chǔ)料腔內(nèi)的粉體材料對(duì)筒體18內(nèi)表面的壓力P。電機(jī)1驅(qū)動(dòng)軸11轉(zhuǎn)動(dòng)。由扭矩傳感器3測(cè)量扭矩值N。粉體材料與筒體內(nèi)表面的動(dòng)摩擦系數(shù)計(jì)算如下
粉體材料與筒體內(nèi)表面的有效接觸面積為
S = π DL(1)
設(shè)粉體材料與筒體內(nèi)表面的動(dòng)摩擦系數(shù)為f,則粉體材料與筒體內(nèi)表面因相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力為
F = fPS(2)
由粉體材料與筒體內(nèi)表面的摩擦力所產(chǎn)生的扭矩T
權(quán)利要求
1.一種粉體材料與金屬表面動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于電機(jī)與扭矩傳感器通過(guò)第一連接裝置相聯(lián),扭矩傳感器與軸通過(guò)第二連接裝置相聯(lián),電機(jī)連接由第一軸承座和第二軸承座支撐的軸;第一筒體支架和第二筒體支架固定筒體;軸設(shè)置在筒體內(nèi),筒體壁上開(kāi)孔安裝壓力傳感器和熱電偶;筒體頂部開(kāi)有加料孔;筒體外部設(shè)有加熱套;與軸加工為一體的固定蓋板位于軸的一端,軸的另一端設(shè)置有由套筒螺母壓緊的可移動(dòng)套筒;筒體的內(nèi)表面,與軸加工為一體的固定蓋板、由套筒螺母壓緊的可移動(dòng)套筒和軸的表面構(gòu)成儲(chǔ)料腔;固定蓋板和可移動(dòng)套筒與筒體內(nèi)表面之間存在0. 10毫米 0. 20毫米的間隙;在軸表面上開(kāi)有數(shù)個(gè)縱向溝槽。
2.應(yīng)用如權(quán)利要求1所述裝置進(jìn)行粉體材料與金屬表面動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量方法,其特征在于將粉體材料從加料孔放入儲(chǔ)料腔內(nèi),旋轉(zhuǎn)套筒螺母推動(dòng)可移動(dòng)套筒向筒體內(nèi)軸向移動(dòng),壓實(shí)物料,增加物料壓力,當(dāng)設(shè)置在筒體上的壓力傳感器的讀數(shù)達(dá)到設(shè)定值P,停止旋轉(zhuǎn)套筒螺母;由加熱套加熱筒體,當(dāng)熱電偶溫度讀數(shù)升高至設(shè)定值T后,啟動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn);通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量因粉體材料與筒體內(nèi)表面相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力矩值,該力矩值除以筒體內(nèi)半徑得到粉體材料與筒體內(nèi)表面的摩擦力,該摩擦力除以壓力傳感器測(cè)量的壓力值與筒體內(nèi)表面的工作表面積的乘積得到粉體材料與筒體內(nèi)表面的動(dòng)摩擦系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法,其特征在于改變筒體內(nèi)的物料壓力、溫度、轉(zhuǎn)速時(shí),被檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)軸的扭矩值會(huì)發(fā)生變化,由此得出物料的動(dòng)摩擦系數(shù)隨溫度,轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量粉體物料與金屬表面動(dòng)摩擦系數(shù)的裝置和方法。該裝置包括電機(jī),扭矩傳感器,第一軸承座和第二軸承座,第一筒體支架和第二筒體支架,加熱套,壓力傳感器,加料孔,軸,卡箍,驅(qū)動(dòng)螺母,固定蓋板、儲(chǔ)料腔,熱電偶,筒體,可移動(dòng)套筒??梢苿?dòng)套筒被用來(lái)壓實(shí)物料,改變物料的壓力,軸的表面開(kāi)深溝槽用來(lái)增大粉體物料與軸的接觸面的摩擦。粉體物料進(jìn)入料筒,在套筒螺母的驅(qū)動(dòng)下,可移動(dòng)套筒壓緊物料達(dá)到所設(shè)定的壓力。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下,軸轉(zhuǎn)動(dòng),與軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)的粉體物料與靜止的筒體內(nèi)表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。測(cè)量扭矩、壓力,計(jì)算摩擦系數(shù)。這種測(cè)量方法不需使用粘結(jié)劑固定粉體物料,減少了粘結(jié)劑帶來(lái)的誤差,測(cè)量方法最為準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01N19/02GK102507434SQ201110382368
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者任冬云, 劉英杰, 張立群, 楊彩霞 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)