CN102507433A - 一种颗粒介质在双筒剪切过程中的摩擦学测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，其特征是设置一双筒剪切单元，是以主轴通过推力轴承、角接触球轴承和关节轴承分别与筒体顶板、筒体底板和机体联结，有机玻璃管内圈与主轴固定装配，有机玻璃管外圈是由四周的螺杆定位在筒体顶板和筒体底板之间，筒体顶板和筒体底板能够围绕主轴自由旋转；在螺杆上以过盈配合套装偏心套筒，有机玻璃管外圈是以各螺杆上套装的偏心套筒获得径向定位；在有机玻璃管外圈和有机玻璃管内圈之间形成环形区域的剪切室。本发明整体结构简单，使用方便，能有效地测量出在不同摩擦副表面结构、颗粒种类、尺度和数量、摩擦副间隙以及转速等因数条件下双筒装置所受的剪切力，即颗粒介质与界面的摩擦力。

Description

一种颗粒介质在双筒剪切过程中的摩擦学测试装置

技术领域

本发明涉及一种测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，用于对颗粒物质所受剪切力进行测量。 

背景技术

传统润滑油在温度超过200℃时其性能就逐渐下降，在温度达到500℃时，润滑油因内部的分解，基本失去作用。 

颗粒物质具有某些独特的性质以及连续颗粒物质在极端温度条件下仍可以保持较好的固体特性，因而被用于润滑领域。随着颗粒流润滑的应用日渐广泛，针对颗粒流润滑的实验研究越来越被重视，常见的实验装置有平行板剪切和同心环状剪切装置。 

已有技术如公开文献1[Craig K，Buckholz R H，and Domoto G.Effect of Shear Surface Boundaries on Stress for Shearing Flow of Dry Metal Powders-An Experimental Study[J].ASME J.Tribol，1987，109(2)：232-237.]中构建的环状剪切装置用于研究干燥金属颗粒的快速剪切过程；公开文献2[夏建新、毛旭锋.非均匀颗粒流应力关系实验研究[J].岩土力学，2009，30(8)：79-82.]中构建的内外筒均可单独旋转的同心圆筒颗粒剪切实验装置，用于测量非均匀离散颗粒在旋转剪切流动下的切应力变化。但是，相关文献构建的实验装置所能实现的工况单一，如公开文献1中的实验装置是针对干燥金属颗粒介质受快速剪切作用而构建的；公开文献2中所报导的测试装置其外筒的半径和内外筒的表面结构(内筒外壁和外筒内壁均贴有橡胶)是固定不变的；并且在公开文献1和公开文献2中所述实验装置的内外筒均无法实现偏置，而在实际应用中，轴和轴颈(如承受径向载荷的滑动轴承)始终存在偏心距，这使得实验装置并不能真实地反映实际工况。 

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，以期能够有效地测量出在不同的摩擦副表面结构、颗粒种类、尺度和数量、摩擦副间隙以及转速等因数条件下双筒装置所受的剪切阻力，即测量颗粒介质与界面之间的摩擦力。 

本发明为解决技术问题采用如下技术方案： 

本发明测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，其结构特点是设置： 

一双筒剪切单元，是以有机玻璃管内圈与主轴固定装配，有机玻璃管外圈是由四周的螺杆定位在筒体顶板和筒体底板之间，筒体顶板通过推力轴承与主轴连接并能够围绕主轴自由 旋转，所述四个螺杆以主轴的轴线为中心呈等径均匀分布；在所述筒体顶板与主轴和有机玻璃管内圈的端面之间安装有密封圈，筒体底板通过角接触球轴承与主轴连接并能够绕主轴自由旋转；在所述螺杆上以过盈配合套装偏心套筒，所述偏心套筒由与螺杆螺纹配合的螺母锁紧固定，有机玻璃管外圈是以各螺杆上套装的偏心套筒获得径向定位；在所述有机玻璃管外圈和有机玻璃管内圈之间形成环形区域的剪切室； 

一传动单元，是以电机的输出轴通过套筒联轴器连接主轴，主轴的另一端支承在关节轴承中，所述电机和关节轴承固定在机体上，以所述关节轴承和套筒联轴器保持从电机的输出轴端经主轴至关节轴承均处在同一轴线上； 

一测试单元，设置拉压力传感器，所述拉压力传感器的检测端与钢丝绳相连接，所述钢丝绳的另一端与固定设置在筒体顶板上的凸柱相连接，拉压力传感器固定在传感器支架上。 

本发明测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置的结构特点也在于： 

所述有机玻璃外圈是通过套装在螺杆上的四个偏心套筒获得径向定位；偏心套筒上标定刻度值，以所述刻度值指示刻度位置相对作为偏心套筒回转中心的螺杆轴线的距离。 

所述主轴通过推力轴承、角接触球轴承和关节轴承分别与筒体顶板、筒体底板和机体联结。 

在所述机体上安装摄影仪。 

与已有技术相比，本发明有益效果体现在： 

1、本发明能够有效地测量出在不同的摩擦副表面结构、颗粒种类、尺度和数量、摩擦副间隙以及转速等因素条件下双筒装置所受的剪切阻力，即测量颗粒介质与界面的摩擦力； 

2、本发明是以偏心套筒使有机玻璃管外圈在径向获得定位，通过调节偏心套筒，即可调整有机玻璃管外圈与有机玻璃管内圈之间的偏心距离，同时通过更换不同表面结构和半径的有机玻璃管外圈以及不同种类、尺度和数量颗粒介质，并配合控制电机在不同的转速，能够实现多种工况条件的实验； 

3、本发明整体结构简单，使用方便，尤其是通过推力轴承、角接触球轴承和关节轴承将筒体顶板、筒体底板和机体与主轴联结使得该装置在进行实验时能够方便快捷地根据不同实验条件更换有机玻璃外圈，同时能够保证有机玻璃内外圈轴线的平行度；推力轴承、角接触球轴承和螺栓的配套使用能够有效避免有机玻璃内外圈发生轴向窜位。 

4、本发明通过设置摄影仪对实验过程中外层一定数量的着色颗粒的运动过程进行实时跟踪，从而加深对颗粒物质作为润滑介质是的动态过程的了解和认识，为进一步认识颗粒介质在受剪切作用条件下的运动过程提供资料。 

附图说明

图1a为本发明结构示意图； 

图1b为图1a的A-A视图； 

图2为本发明中摩擦副原理图； 

图3为本发明中偏心套筒示意图； 

图中标号：1套筒联轴器；2筒体顶板；3凸柱；4钢丝绳；5拉压力传感器；6传感器支架；7偏心套筒；8筒体底板；9关节轴承；10角接触球轴承；11有机玻璃管内圈；12有机玻璃管外圈；13螺杆；14剪切室；15主轴；16密封圈；17推力轴承；18摄影仪；19示波器。 

具体实施方式

参见图1a和图1b，本实施例中颗粒介质在双筒剪切过程中的摩擦学测试装置的结构设置为： 

双筒剪切单元是以有机玻璃管内圈11与主轴15固定装配，有机玻璃管外圈12是由四周的螺杆13定位在筒体顶板2和筒体底板8之间，筒体顶板2通过推力轴承17与主轴15连接并能够围绕主轴15自由旋转，四个螺杆13以主轴15的轴线为中心呈等径均匀分布；在筒体顶板2与主轴15和有机玻璃管内圈11的端面之间安装有密封圈16，避免在实验过程中颗粒物质进入该间隙带来误差；筒体底板8通过角接触球轴承10与主轴15连接并能够绕主轴15自由旋转；在螺杆13上以过盈配合套装偏心套筒7，有机玻璃管外圈12是以各螺杆13上套装的偏心套筒7获得径向定位；在有机玻璃管外圈12和有机玻璃管内圈11之间形成环形区域的剪切室14。 

图1a和图3所示，本实施例中偏心套筒7上标定刻度值，偏心套筒7以过盈配合套装在螺杆13上，以此将螺杆13的轴线作为偏心套筒7的回转中心，以所述刻度值指示刻度位置相对该回转中心的距离；筒体底板8以阶梯孔与螺杆13配合。 

传动单元是以电机的输出轴通过套筒联轴器1连接主轴15，主轴15的另一端支承在关节轴承9中，电机和关节轴承9固定在机体上，以关节轴承9和套筒联轴器1保持从电机的输出轴端经主轴至关节轴承均处在同一轴线上。 

测试单元包括：设置拉压力传感器5，拉压力传感器5的检测端与钢丝绳4相连接，钢丝绳4的另一端与固定设置在筒体顶板2上的凸柱3相连接，拉压力传感器5固定在传感器支架6上。 

具体实施中，在机体上安装摄影仪18，用以摄取剪切室14中最外层颗粒物质在受剪切 作用下的动态过程。 

实验过程中，在剪切室14中填充实验所需的颗粒物质并根据实验要求的有机玻璃管外圈的半径、内外圈的表面几何特征条件来选择有机玻璃管内圈11和有机玻璃管外圈12；旋转螺杆13上的偏心套筒7来调节偏心套筒7外圆与有机玻璃管外圈12接触点到偏心套筒7旋转中心的距离，从而实现对有机玻璃管内圈11与有机玻璃管外圈12偏置尺寸的调节，以实现剪切室14的尺寸或形状的变化。 

当电机带动主轴15和有机玻璃管内圈11转动，经颗粒对有机玻璃管外圈12的内壁产生摩擦力矩，即实验所要测试的剪切力，通过测试系统测出该力矩。 

构成测试系统的设置也包括将传感器输出连接到示波器19，用于直接观察并记录实验数据，摄像仪18用于拍摄记录实时的着色颗粒运动画面，可以跟踪拍摄一颗或几颗染色颗粒在剪切室中运动情况。 

Claims (4)

1.一种测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，其特征是设置：

一双筒剪切单元，是以有机玻璃管内圈(11)与主轴(15)固定装配，有机玻璃管外圈(12)是由四周的螺杆(13)定位在筒体顶板(2)和筒体底板(8)之间，筒体顶板(2)通过推力轴承(17)与主轴(15)连接并能够围绕主轴(15)自由旋转，所述四个螺杆(13)以主轴(15)的轴线为中心呈等径均匀分布；在所述筒体顶板(2)与主轴(15)和有机玻璃管内圈(11)的端面之间安装有密封圈(16)，筒体底板(8)通过角接触球轴承(10)与主轴(15)连接并能够绕主轴(15)自由旋转；在所述螺杆(13)上以过盈配合套装偏心套筒(7)，所述偏心套筒(7)由与螺杆(13)螺纹配合的螺母锁紧固定，有机玻璃管外圈(12)是以各螺杆(13)上套装的偏心套筒(7)获得径向定位；在所述有机玻璃管外圈(12)和有机玻璃管内圈(11)之间形成环形区域的剪切室(14)；

一传动单元，是以电机的输出轴通过套筒联轴器(1)连接主轴(15)，主轴(15)的另一端支承在关节轴承(9)中，所述电机和关节轴承(9)固定在机体上，以所述关节轴承(9)和套筒联轴器(1)保持从电机的输出轴端经主轴至关节轴承均处在同一轴线上；

一测试单元，设置拉压力传感器(5)，所述拉压力传感器(5)的检测端与钢丝绳(4)相连接，所述钢丝绳(4)的另一端与固定设置在筒体顶板(2)上的凸柱(3)相连接，拉压力传感器(5)固定在传感器支架(6)上。

2.根据权利要求1所述的测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，其特征是所述有机玻璃外圈是通过套装在螺杆(13)上的四个偏心套筒(7)获得径向定位；偏心套筒(7)上标定刻度值，以所述刻度值指示刻度位置相对作为偏心套筒回转中心的螺杆(13)轴线的距离。

3.根据权利要求1所述的测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，其特征是所述主轴(15)通过推力轴承(17)、角接触球轴承(10)和关节轴承(9)分别与筒体顶板(2)、筒体底板(8)和机体联结。

4.根据权利要求1所述的测试颗粒介质与界面摩擦特性的双筒剪切装置，其特征是在所述机体上安装摄影仪(18)。

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