Устройство для определения внутренних коэффициентов трения покоя и движения сыпучих материалов Российский патент 2024 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к технике для определения коэффициентов трения сыпучих материалов.

Известно устройство (патент РФ №2638393) для определения фрикционных характеристик материалов, содержащее корпус с приводом вращения вертикального вала регулируемой частоты, силоизмеритель, а также чашку и обойму, расположенные соосно, первая из которых соединена с валом, а вторая взаимодействует с силоизмерителем, причем обойма свободно центрируется по чашке и выполнена с одной или несколькими неподвижными перегородками, расположенными вдоль ее оси.

Недостаток устройства заключается в том, что на оси чашки нет перемещения слоев исследуемого материала, а в окрестностях оси скорость намного меньше, чем в непосредственной близости к стенке. Таким образом, при определении внутреннего коэффициентов трения движения и покоя, условия контакта подвижного и неподвижного слоев исследуемого материала сильно отличаются, что снижает точность определения данных коэффициентов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения коэффициентов трения (Dietmar Schulze Shear Testing of Powders for Process Optimization // ANNUAL TRANSACTIONS OF THE NORDIC RHEOLOGY SOCIETY, VOL. 21, 2013, рр. 99-106), содержащее основание, вертикальную ось, нижнюю кольцевую камеру, установленную с возможностью вращения относительно вертикальной оси, привод вращения нижней камеры, узел для определения крутящего момента относительно вертикальной оси, включающий узел измерения силы, крышку. Недостатком данного устройства является невозможность определения коэффициентов внутренних коэффициентов трения движения сыпучих материалов. Кроме этого, наблюдается большой разброс в значениях внешних коэффициентов трения при малых численных значениях этих коэффициентов, т.е. для хорошо сыпучих материалов, например монодисперсного сухого песка.

Задача изобретения - повышение точности определения: коэффициента внутреннего трения движения одного сыпучего материала; коэффициента взаимного трения покоя и коэффициента трения движения разных сыпучих материалов.

Технический результат по изобретению заключается в повышении информативности и точности определения коэффициентов трения сыпучих материалов.

Технический результат по изобретению достигается тем, что в устройстве для определения внутренних коэффициентов трения покоя и движения сыпучих материалов, содержащем основание, вертикальную ось, нижнюю кольцевую камеру, установленную с возможностью вращения относительно вертикальной оси, привод вращения нижней камеры, узел для определения крутящего момента относительно вертикальной оси, включающий узел измерения силы и крышку, устройство дополнительно снабжено верхней кольцевой камерой установленной на вертикальной оси с помощью подшипников качения, состоящей из двух цилиндрических обечаек, соединенных между собой, а узел для определения крутящего момента верхней камеры относительно вертикальной оси выполнен в виде тросика, один край которого соединен с наружней поверхностью верхней камеры, второй через блок соединен с гирей, установленной на весы, причем часть тросика намотана на наружнюю поверхность верхней камеры, а зазор между верхней и нижней камерами менее 0,1 мм.

Кроме этого, технический результат по изобретению достигается тем, что тросик состоит из двух частей, соединенных между собой упругим элементом.

Реализация изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана схема устройства при определении внутренних коэффициентов трения, на фиг. 2 - вариант соединения двух частей тросика упругим элементом, по п. 2 формулы изобретения, на фиг. 3 - схема для расчета коэффициентов трения, на фиг. 4 - изменение силы сдвига, при выполнении устройства по п. 1 формулы изобретения (кривая 1) и при выполнении устройства по п. 2 формулы изобретения (кривая 2).

Устройство состоит из основания 1, на котором установлена ось 2. На оси 2 с помощью подшипников 3 установлены нижняя 4 и верхняя 5 кольцевые камеры. В верхней кольцевой камере установлено нагрузочное кольцо 6 с возможностью свободного перемещения в вертикальном направлении. Вращение нижней кольцевой камеры осуществляется лебедкой 7 через приводной тросик 8. Один край приводного тросика жестко соединен с нижней кольцевой камерой, часть приводного тросика намотана на наружнюю поверхность этой камеры, а второй край приводного тросика соединен с лебедкой 7. Верхняя кольцевая камера тросиком 9, через блок 10 соединена с гирей 11, установленной на весах 12. Для регулирования зазора между верхней и нижней камерами используется втулка 13. К наружним поверхностям кольцевых камер 4 и 5 приварено по одной втулке 14, для объединения камер.

При выполнении устройства по п. 2 формулы изобретения, тросик 9 (фиг. 1) выполнен из двух частей, соединенных между собой упругим элементом 16, как показано на фиг. 2. В качестве упругого элемента можно использовать резиновый жгут или пружину.

При определении внутренних коэффициентов трения устройство используется следующим образом. Втулкой 13 устанавливают минимально возможный зазор между нижней 4 и верхней 5 кольцевыми камерами, но не более 0,1 мм, таким образом, чтобы камеры свободно вращались относительно оси 2, не касаясь друг друга. При величине зазора более 0,1 мм частицы сыпучего материала могут попасть между камерами, что увеличит трение между камерами и снизит точность определения крутящего момента. Сыпучий материал засыпают в нижнюю и верхнюю кольцевые камеры 4, 5. Во втулки 14 вставляют цилиндрический палец и сообщают камерам круговые колебания с частотой 1 Гц, круговой амплитудой от 3 до 5 градусов, в течении 30-50 секунд. После этого вынимают из втулок палец, устанавливают сверху крышку 6 с определенным весом Р и замеряют расстояние по вертикали от между верхними плоскостями нагрузочного кольца 6 и верхней кольцевой камеры 5. Наматывают часть приводного тросика 8, один край которого зафиксирован на барабане лебедки 7, на наружнюю поверхность нижней кольцевой камеры 4 и фиксируют второй край этого тросика на наружной поверхности камеры. Часть тросика 9 наматывают на наружнюю поверхность верхней кольцевой камеры 5 и фиксируют край тросика на этой поверхности. Второй край тросика 9 через блок 10 фиксируют на гире 11. После проведения указанных предварительных операций переходят к определению коэффициентов внутреннего трения сыпучего материала, включают привод лебедки 7 и фиксируют изменения показаний весов 12 во времени. Проще всего это делать подключив электронные весы к персональному компьютеру. В начале процесса верхняя кольцевая камера будет вращаться совместно с нижней кольцевой камерой и показания весов будут уменьшаться. Когда крутящий момент, действующий на верхнюю кольцевую камеру со стороны тросика 9 станет равен моменту трения, действующего на эту камеру со стороны сыпучего материала, находящегося в нижней кольцевой камере, в горизонтальной плоскости между камерами 4 и 5 в сыпучем материале произойдет переход от коэффициента внутреннего трения покоя к коэффициенту внутреннего трения движения и показания весов 12 резко увеличатся. Если на компьютер поставить специальную программу, которая будет вычислять численные значения силы F₂, как разность веса гири и показаний весов, то изменения этой силы во времени будут иметь вид, показанный на фиг. 3. Для расчета численных значений коэффициентов трения необходимо от силы перейти к касательным напряжениям, которые действуют в сечении А-А. Выделим кольцо дифференциально малой толщины dρ, как показано на фиг. 3. Дифферинциально малый момент трения, который создает это кольцо равен:

dM=ρdFdS (1)

где dF= τ, dS - площадь кольца равная π2ρdρ, dF=τ

Полный момент трения можно определить, как интеграл;

Со стороны тросика 9 на верхнюю кольцевую камеру действует крутящий момент М_КР=F₂R. Из уравнения равновесия:

М_КР=М_ТР (3)

Из равенства () касательные напряжения, а следовательно коэффициент трения равен:

τ=f_ТР=F₂R/ (4)

Если в ф-лу (4) подставить значение F₂, соответствующее началу поворота верхней кольцевой камеры 5, относительно нижней кольцевой камеры 4, то получим значение коэффициента внутреннего трения покоя f_ТРП. Если подставить значение F₂, соответствующее равномерному вращению верхней кольцевой камеры 5, относительно нижней кольцевой камеры 4, то получим значение коэффициента внутреннего трения движения f_ТРД.

При определении коэффициентов трения разных материалов в нижнюю кольцевую камеру засыпают один материал, а в верхнюю другой, но процедура определения остается той же, что описана выше.

После определения коэффициентов внутреннего трения сыпучий материал высыпают и взвешивают. Поскольку известен объем, который материал занимал при определении коэффициента трения, рассчитывают насыпную плотность сыпучего материала.

На фиг. 4 показаны графики изменения силы F₂ во времени при использовании устройства по п. 1 ф-лы изобретения (кривая 1) и по п. 2 - кривая 2). Графики изменения тангенциальных напряжений в плоскости контакта между частицами, находящимися в нижней 4 и верхней 5 кольцевых камерах. Следует отметить, что не только характер кривых, но и численные значения коэффициентов трения хорошо согласуются с результатами, полученными с использованем устройства (описание полезной модели к патенту № 95843 РФ Информационно-измерительная система для определения коэффициента внутреннего трения сыпучего материала/ Першина С.В., Ди Дженнаро, А.И., Мищенко С.В., Егоров С.А. Першин В.Ф.; заявитель и патентообладатель Тамбовский государственный технический университет.-№ 2009115159/22; заяв. 21.04.2009; опубл. 10.07.2010, Бюл. №19), но повысилась точность определения указанных характеристик.

Сравнение результатов, полученных с использованием прототипа и предлагаемого устройства показало, что отклонения отдельных измерений от средних значений на предлагаемом устройстве на 15% меньше, чем для прототипа.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить коэффициенты внутреннего трения покоя и движения, т.е. поставленная задача решена.

Устройство относится к технике для определения коэффициентов трения сыпучих материалов. Устройство для определения внутренних коэффициентов трения покоя и движения сыпучих материалов содержит основание, вертикальную ось, нижнюю кольцевую камеру, установленную с возможностью вращения относительно вертикальной оси, привод вращения нижней камеры, узел для определения крутящего момента относительно вертикальной оси, включающий узел измерения силы и нагрузочное кольцо, устройство дополнительно снабжено верхней кольцевой камерой, установленной на вертикальной оси с помощью подшипников качения, состоящей из двух цилиндрических обечаек, соединенных между собой, а узел для определения крутящего момента верхней камеры относительно вертикальной оси выполнен в виде тросика, один край которого соединен с наружной поверхностью верхней камеры, второй через блок соединен с гирей, установленной на весы, причем часть тросика намотана на наружную поверхность верхней камеры, зазор между верхней и нижней камерами не более 0,1 мм. Технический результат – повышение информативности и точности определения коэффициентов трения сыпучих материалов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для определения внутренних коэффициентов трения покоя и движения сыпучих материалов, содержащее основание, вертикальную ось, нижнюю кольцевую камеру, установленную с возможностью вращения относительно вертикальной оси, привод вращения нижней камеры, узел для определения крутящего момента относительно вертикальной оси, включающий узел измерения силы, крышку, устройство дополнительно снабжено верхней кольцевой камерой, установленной на вертикальной оси с помощью подшипников качения, состоящей из двух цилиндрических обечаек, соединенных между собой, а узел для определения крутящего момента верхней камеры относительно вертикальной оси выполнен в виде тросика, один край которого соединен с наружной поверхностью верхней камеры, второй через блок соединен с гирей, установленной на весы, причем часть тросика намотана на наружную поверхность верхней камеры, а зазор между верхней и нижней камерами не более 0,1 мм.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тросик состоит из двух частей, соединенных между собой упругим элементом.