CN101603916A - 一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置及方法，其流程为：取所要测的物料颗粒放在水平放置的摩擦板上，对待测摩擦板进行加热，数据采集模块采集温度数据，当温度达到设定的温度时，在角度调整装置的控制下慢慢旋转摩擦板的角度，当物料刚开始下滑时，记录角度，当测得物料下滑的数量在设定重量时(如90％物料)，记录角度，测得物料全部下滑时，控制器向角度调整装置发送停止指令，记录下滑角度，最后，控制器将所获得的各个数据进行处理，这样可以测得在不同温度下物料沿滑道下滑的角度；通过滑动角及相关参数，控制模块最终求得物料与接触壁的摩擦系数。

Description

一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置及方法

技术领域

本发明属于高分子材料加工机械技术领域，具体涉及一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置及方法。

背景技术

目前，高分子材料及其复合材料在成型加工过程中，要将材料从固态转变为粘流态，或将固态物料与粘流物态混合成型；上述物料在经过这一工艺过程时，要经过挤出、注射等工艺流程，于是，物料要经过加工设备中的螺杆将物料固体输送到塑化流程中。

挤出机和注射机是物料加工过程中的重要设备等，在这些设备中，螺杆是其关键部件，起到搅拌混合并均化物料，输送物料，使原料由固体变成熔融状态，靠摩擦作用将物料注射浸入模具型腔。在对螺杆进行设计时，需要了解物料与螺杆及物料与筒壁之间的摩擦系数；在实际物料被挤出时，许多物料的摩擦系数与温度有很大关系，而摩擦系数又是影响加工质量与效率的重要参数，因此，摩擦系数的测定研究是提高产品质量的重要研究方向，有关有关物料与金属螺杆或机筒之间的摩擦系数数据一般是在技术手册上查找，对于新材料则不能查找或获得准确数据，使研究工作缺少数据而影响研究的可靠性。螺杆加工中物料与加料斗、机筒和螺杆的摩擦因数是一个非常重要的参数，它直接影响挤出过程物料产生的热量，物料的加工质量及挤出机、注射机塑化过程的效率。

目前很少有有关物料摩擦系数的全面的资料数据；另外，随着新的物料种类的增多，了解这些新的物料的摩擦系数参数将会变得困难；结合生产流程的温度变化来研究物料之间摩擦系数的数据关系更是一个新的课题，目前，尚未见有关聚合物材料及应用于聚合物可变温度摩擦系数的相关测定装置的报道。

发明内容

综上所述，目前虽然有一些技术参数可查，但缺少变温条件，从理论上分析，摩擦系数f^*可由下式计算：

$f^{*}=\frac{t_{\mathrm{ij}}^{*}}{t_{\mathrm{ii}}}$

其中：t_ij ^*为作用于物料与金属之间滑动摩擦剪切应力，t_ii为作用于物料与金属之间的法向应力

但上式中剪切应力与法向应力在实际生产中受影响因素很多如温度、滑动速度、接触压力、金属表面状态、聚合物粒子大小及硬度、压实程度、时间、相对温度等等，都难于测得。特别螺杆的螺棱是盘旋于圆柱体的，如果通过螺杆测定物料与机筒或筒壁之间的摩擦系数，成本高，难度大，时间长。所以很难快速获得设计中非常需要的摩擦系数值。

本发明思路是将螺杆螺纹展开于一个斜面上，通过直接测得物料相对于斜面金属板之间的滑动角然后换算为物料与金属板之间的摩擦系数值，不但可以直接测定读取摩擦系数值，而且可以测定温度变化时的摩擦系数，可以实际了解各种高分子材料和其混合的材料与金属或非金属之间的摩擦系数，从而制定合理的生产工艺条件。这是生产中最需要的有关物料的技术数据和参考资料，为了能方便测定物料在常温或温度变化时的摩擦系数，实际了解各种高分子材料与金属之间的摩擦系数及相互关系，本发明提出了一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置，该装置可以方便地测定物料和金属之间的摩擦关系，快速获取物料的摩擦系数，也可以通过改变温度，了解不同温度时物料之间的摩擦系数，为研究工作者及企业提供快捷、便利的设计依据，为企业提供直观可靠的实验分析数据，使企业提前获得物料的合理的技术参数与条件，从而制定相关生产工艺流程，提高产品质量与效率。

本发明提供一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置，该装置包括控制器、加热装置、数据采集器、称重装置、角度调整装置、显示器和机体等机械装置部分。控制器负责整个装置的控制指令的下达、数据的传输、计算和处理；加热装置负责对摩擦板进行加热控制和冷却控制；数据采集器负责温度数据的采集和分析；称重装置负责计量集料箱内物料的重量；角度调整装置负责摩擦板的角度调整；显示器负责显示当前温度、物料摩擦系数、系统状态等数据；机械部分包含刻度盘、摩擦板、带滑道的插槽、集料箱、托板支架、机架和底座等。该测定装置的原理是：模拟实际加工过程，在加工部件上取一定数量的微元，然后把提取的微元放在摩擦板上，同时通过控温加热装置对温度实行控制，依据滑落的比例数和当前摩擦板的角度，通过计算得到相应的实验数据。

本发明还提供一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定方法。具体过程为：

将所要测的摩擦板插入插槽中，先水平放置，取所要测的一定重量的物料颗粒(或木粉或两者的混合物)放在水平放置的摩擦板上。然后对待测摩擦板进行加热，数据采集模块采集温度数据，当温度达到设定的温度时，在角度调整模块的控制下摩擦板以转轴为圆心沿逆时针方向慢慢旋转，检测物料的下滑状态，当物料刚开始运动时，此时称重模块刚刚测量出物料重量，角度调整模块把此时的滑动角传给控制器，同时再继续提高摩擦板的下滑角度，当称重模块测得某设定重量的物料时(如90％物料)，称重模块向控制器发送信号，同时，控制器向角度调整模块发送记录指令，记录下滑角，继续旋转，当称重模块测得全部所测物料的重量时，此时，全部物料已下滑，称重装置向控制器发送信号，同时，控制器向角度调整装置发送停止指令，角度调整装置停止调整角度，记录下滑角度，并向控制器上传所测角度，控制器将所获得的各个数据进行处理，这样可以测得在不同温度下物料沿滑道下滑的角度；通过滑动角及相关参数，控制模块最终求得物料与摩擦板的摩擦系数。

本测定装置可以测得塑料、橡胶、木粉等颗粒状物料基体在不同温度下的摩擦系数，由此可以得到与挤出机加料斗，机筒，螺杆相同材质板材的摩擦系数。同时还可以测得木粉等与塑料基体混合物的摩擦系数。

螺杆加工中物料与加料斗、机筒和螺杆的摩擦因数是一个非常重要的参数。可以将其分为内摩擦因数和外摩擦系数。内摩擦因数是物料的粒子层滑过另一粒子层时产生的阻力的量度。外摩擦系数是松散物料与不同结构材料壁间界面上存在的阻力的量度。

本测定装置是主要用于测定聚合物或与聚合物混合成型的粉料(称物料)与金属或非金属材料之间摩擦系数的。用前述方法将被测物料放置在被测金属板表面上，逐渐增大平板的表面与水平面的夹角直至物体刚开始滑动为止。相应于滑动开始的角为滑动角，其摩擦系数等于滑动角的正切值，即

f^*＝tanβ_s

其中：f^*表示静摩擦系数，β_s表示滑动角。

影响摩擦系素和的因素很多，温度、滑动速度、接触压力、金属表面状态、聚合物粒子大小及硬度、压实程度、时间、相对温度等，上述方法将温度因素、金属表面状态考虑其中，可以直接测得其滑动角，用正切值换算成摩擦系数。

在温度读取时，利用多个采温点(点数为8，均布于整个被测摩擦板)的温度，对其求加权平均可以获得较准确的温度值，即，

$T=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(K_i\×T_i/8)$

其中，K_i为采集点的权值。

实验可以变换多种金属板，或非金属板，也可变换各种聚合物料或非聚合物料，所以本实验由复杂因素影响的摩擦系数，变为简单的摩擦系数的获取，可以通过环境因素影响系数与封闭环境因素之间的关系，最终确定其摩擦系数。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明的摩擦实验装置示意图。

图2为本发明的数据采集器分布示意图。

图中，1.被测物料；2.刻度板；3.摩擦板；4.带滑道的插槽；5.数据采集器；6.加热装置；7.托板支架；8.机架；9.角度调整装置；10.集料箱；11.称重装置；12.显示器；13.控制器；14.底座；15.转轴。

具体实施方式

参阅图1所示，控制器(13)负责整个测试装置的控制指令的下达、数据的传输和处理；加热装置(6)负责对摩擦板(3)进行加热控制和冷却控制，为实验提供环境条件；数据采集器(5)负责温度数据的采集，并把采集的数据传送给控制器(13)；称重装置(11)负责集料箱(10)内物料的重量，通过控制器(13)为角度调整装置(9)提供起停条件；角度调整装置(9)负责摩擦板(3)的角度调整，并向控制器(13)传送角度值；显示器(12)负责显示当前温度、物料摩擦系数、系统状态等数据；刻度盘(2)是供人们查看用的简易设备，可以帮助人们了解旋转的角度；带滑道的插槽(4)是为了便于更换摩擦板(3)而设置的机械机构；集料箱(10)负责装盛滑落下来的物料，同时将被称重装置(11)实时称重；托板支架(7)、机架(8)和底座(14)是为了稳固测定装置而设计的机械机构。其操作流程为：

首先向控制器(13)输入被测物料(1)的重量和需要加热的温度，并把被测物料(1)放在摩擦板(3)上，按动启动按钮后，开始启动，控制器(13)开始发送指令到加热装置(6)，数据采集器(5)实时向控制器(13)发送测量的温度数据，当温度到达指定温度时，控制器(13)开始发送指令到角度旋转装置(9)，摩擦板(3)在角度控制装置(9)的控制下缓慢以转轴(15)为圆心沿逆时针方向旋转，当到达一定的角度时，被测物料(1)开始下滑并掉入集料箱(10)，此时，称重装置(11)将测得物料的重量并同时将首次测得的时机传给控制器(13)，控制器(13)记录此时通过角度控制装置(9)传送来的实际角度；同时再继续提高摩擦板(3)的下滑角度，当称重装置(11)测得某设定重量的物料时(如90％物料)，称重装置(11)向控制器(13)发送信号，同时，控制器(13)向角度调整装置(9)发送记录指令，记录下滑角，继续提升板，当称重装置(11)测得全部所测物料的重量时，此时，全部物料已下滑，称重装置(11)向控制器(13)发送信号，同时，控制器(13)向角度调整装置(9)发送停止指令，角度调整装置(9)停止调整角度，记录下滑角度，并向控制器(13)上传所测角度，控制器(13)将所获得的各个数据进行处理，这样可以测得在不同温度下物料沿滑道下滑的角度；通过滑动角及相关参数，控制器最终求得物料与接触壁的摩擦系数。

参阅图2所示，本实用新型的数据采集器(5)共有8个，在摩擦板(3)上呈均匀分布，对于采集过来的8个数据T_i(i＝1，2，3…，8)，控制器(13)首先采用中值滤波滤掉不必要的干扰数据，然后对此8个数据T_i采用加权平均的计算方法获得最终的采集结果，即，

$T=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(K_i\×T_i/8)$

其中，K_i为采集点的权值。

本发明所述的测定装置可以测塑料、橡胶、木粉等颗粒状物料基体在不同温度下的摩擦系数，同时还可以测得木粉等与塑料基体混合物的摩擦系数。

Claims (7)

1、一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置，其包括一刻度板、一摩擦板、两个带滑道的插槽、8个数据采集器、一加热装置、一托板支架、一机架、一角度调整装置、一集料箱、一转轴、一称重装置、一显示器、一控制器和一底座；其特征是：所述摩擦板可插入带滑道的插槽中，并可在角度调整装置控制下以转轴为圆心沿逆时针方向旋转。

2、根据权利要求1所述的直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置，其特征是：所述控制器负责控制指令的下达、数据的传输、计算和处理。

3、根据权利要求1所述的直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置，其特征是：所述加热装置可对摩擦板进行加热控制和冷却控制。

4、根据权利要求1所述的直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置，其特征是：所述称重装置可计量集料箱内物料的重量。

5、根据权利要求1所述的直读变温式高分子材料摩擦系数测定装置，其特征是：所述控制器采用下列公式计算8个数据采集器所采集的数据：

$T=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(K_i\×T_i/8)$

其中，K_i为采集点的权值。

6、一种直读变温式高分子材料摩擦系数测定方法，取所要测的一定重量的物料颗粒放在水平放置的摩擦板上，对摩擦板进行加热，当温度达到设定的温度时，所述角度调整模块控制摩擦板开始沿逆时针方向旋转，检测物料的下滑数量和摩擦板旋转角度，当全部物料已下滑时，所述控制器向角度调整装置发送停止指令，所述角度调整装置停止，所述控制器将所获得的各个数据进行处理，最终通过公式求得物料与摩擦板的摩擦系数。

7、根据权利要求6所述的直读变温式高分子材料摩擦系数测定方法，其特征是：所述摩擦系数由下述公式计算：

f^*＝tanβ_s

其中：f^*表示静摩擦系数，β_s表示滑动角。

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