CN102507434A - 一种测量粉体材料动摩擦系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量粉体物料与金属表面动摩擦系数的装置和方法。该装置包括电机，扭矩传感器，第一轴承座和第二轴承座，第一筒体支架和第二筒体支架，加热套，压力传感器，加料孔，轴，卡箍，驱动螺母，固定盖板、储料腔，热电偶，筒体，可移动套筒。可移动套筒被用来压实物料，改变物料的压力，轴的表面开深沟槽用来增大粉体物料与轴的接触面的摩擦。粉体物料进入料筒，在套筒螺母的驱动下，可移动套筒压紧物料达到所设定的压力。在电机驱动下，轴转动，与轴同步转动的粉体物料与静止的筒体内表面发生相对滑动。测量扭矩、压力，计算摩擦系数。这种测量方法不需使用粘结剂固定粉体物料，减少了粘结剂带来的误差，测量方法最为准确。

Description

一种测量粉体材料动摩擦系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及粉体材料与固体表面的动摩擦系数测量的装置和方法，特别涉及与粉体材料摩擦系数相关的设备设计领域。

背景技术

摩擦系数是相互接触的两个物体之间的摩擦力与正压力的比值。粉体材料摩擦系数随着温度和压力的变化而发生改变。摩擦系数的大小直接关系到摩擦力的大小，影响着动力设备的设计或选择。在加工粉体材料的挤出设备，搅拌设备的设计中，起着至关重要的作用。

当前测定摩擦系数的仪器主要有：摆式摩擦系数测试仪，磨耗仪器，摩擦系数测试仪等。但这些仪器主要针对于块状或片状固体与固体表面的摩擦测定，或者是可以取样为平面状或片状的物体之间的摩擦。对于粉体材料与固体表面在压力和温度变化的条件下的动摩擦目前还没有相应的测试方法。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种测量粉体材料动摩擦系数的装置，以实现在不同温度，转速和压力下对粉体材料与固体表面动摩擦系数的测定。

一种测量粉体材料动摩擦系数的装置，其特征在于：应用如下装置进行动摩擦系数的测量，其装置的构成为：

电机1与扭矩传感器3通过第一连接装置2相联，扭矩传感器3与轴11通过第二连接装置4相联，电机1连接由第一轴承座5和第二轴承座14支撑的轴11；

第一筒体支架6和第二筒体支架10固定筒体18；轴11设置在筒体18内，筒体壁上开孔安装压力传感器8和热电偶17；筒体顶部开有加料孔9；筒体外部设有加热套7；与轴11加工为一体的固定盖板15位于轴的一端，轴的另一端设置有由套筒螺母13压紧的可移动套筒19；

筒体18的内表面，与轴11加工为一体的固定盖板15、由套筒螺母13压紧的可移动套筒19和轴11的表面构成储料腔16；固定盖板15和可移动套筒19与筒体18内表面之间存在0.10毫米～0.20毫米的间隙；在轴表面上开有数个纵向沟槽。

电机1与扭矩传感器3通过第一连接装置2相联，扭矩传感器3与轴11通过第二连接装置4相联，电机1驱动由第一轴承座5和第二轴承座14支撑的轴11旋转；由第一筒体支架6和第二筒体支架10固定的筒体18的内表面，与轴11加工为一体的固定盖板(轴肩)15、由套筒螺母13压紧的可移动套筒19和轴11的表面构成储料腔16；固定盖板(轴肩)15和可移动套筒19与筒体18内表面之间存在一定的间隙，一般取0.10毫米～0.20毫米；该间隙最小值的选取应该保证轴转动的时候不会与固定盖板(轴肩)15和可移动套筒19发生摩擦，从而保证轴在转动的时候机筒内壁只与粉体物料发生摩擦；筒体壁上开孔安装压力传感器8和热电偶17，用来测量物料的压力和温度；筒体顶部开有加料孔9；筒体外部设有加热套7；在固定盖板(轴肩)15内侧的轴表面上开有长度为a，宽度为b和深度为h的数个纵向沟槽，即在轴的工作段横断面加工为齿轮形状，其直齿顶宽度为δ。开槽的目的是利用粉体物料颗粒之间的内摩擦系数大于物料与金属表面的外摩擦系数的原理，增加物料与轴的接触表面，固定与沟槽表面接触的粉体物料，使得物料与轴保持同步转速，并且保持物料在轴11转动的过程中只发生与筒体18内表面的相对滑动运动。其中a，b，h的选取取决于物料的内摩擦系数与外摩擦系数之间的差值。对于一般的物料其内摩擦系数大于外摩擦系数，采用沟槽结构可保证物料在转动的过程中不会与轴的表面发生滑动；而直齿齿顶宽度δ在理论上越小越好，考虑到物料在转动的过程中发生摩擦，对齿棱作用一定的力矩，所以，直齿齿顶宽度δ与扭矩最大值和轴的材料强度有关；而深度h与粉体物料的材料性能有关，当物料的内摩擦系数与外摩擦系数差值很大的时候，深度h可以适当减小。

应用该装置的工作过程：将粉体材料从加料孔9放入储料腔16内，旋转套筒螺母13推动可移动套筒19向筒体18内轴向移动，压实物料，增加物料压力，当设置在筒体18上的压力传感器8的读数达到设定值P，停止旋转套筒螺母13。由加热套7加热筒体18，当热电偶17温度读数升高至设定值T后，启动电机1，驱动轴11旋转，调整转速在合适的范围内。通过扭矩传感器3测量因粉体材料与筒体18内表面相对滑动而产生的摩擦力矩值，该力矩值除以筒体18内半径得到粉体材料与筒体18内表面的摩擦力，该摩擦力除以压力传感器测量的压力值与筒体内表面的工作表面积的乘积得到粉体材料与筒体内表面的动摩擦系数。

改变筒体内的物料压力、温度、转速时，被检测的旋转轴的扭矩值会发生变化，由此得出物料的动摩擦系数随温度，转速和压力的变化曲线。

根据以上测量方法，以废旧橡胶胶粉为例：在双螺杆挤出回收废旧橡胶胶粉的过程中，挤出机机头最高压力一般5MPa左右，挤出机螺杆的转速在20～100转/分钟之间，废旧胶粉在130℃后会发生交联。所以，当筒体18上的压力传感器8的读数在设定值0.1MPa～5MPa之间时，停止旋转套筒螺母13。由加热套7加热筒体18，当热电偶17温度读数升高至设定值在20℃～110℃之间后，启动电机1，驱动轴11旋转。由于实验用双螺杆挤出机螺杆直径小于轴11的直径，所以设定轴11的转速范围15～60转/分钟以便与实验用双螺杆实验转速相适应。

本专利的特征在于：

粉体材料直接放入储料腔16内，并由套筒螺母13推动可移动套筒19压紧粉体材料，直至其压力达到设定值；

在轴11上的固定盖板(轴肩)15、可移动套筒19和轴11上纵向沟槽的联合挤压作用下，被压紧的粉体材料与随轴11同步转动的盖板内表面和轴表面之间的摩擦力之和远大于粉体材料与筒体18内表面的摩擦力，因此，粉体材料与轴11可保持同步转动，并与筒体18内表面产生滑动；

通过扭矩传感器3和压力传感器8的测量值计算出粉体材料与筒体内表面的动摩擦系数。

所述专利内容可用于各种粉体材料或微细颗粒与不同固体材料表面之间、在不同转速，温度和压力下的动摩擦系数。

附图说明

图1粉体材料动摩擦系数测量装置的示意图。

其中，1电机，2第一连接装置和4第二连接装置，3扭矩传感器，5第一轴承座和14第二轴承座，6第一筒体支架和10第二筒体支架，7加热套，8压力传感器，9加料孔，11轴，12卡箍，13套筒螺母，15固定盖板(轴肩)，16储料腔，17热电偶，18筒体，19可移动套筒。

图2a储料腔16内物料在常压下的长度L0示意图；

图2b储料腔16内物料被压紧后的长度L示意图；

图3a轴的表面开沟槽示意图；

图3b轴的横截面示意图；

图4废旧胶粉在一定条件下的摩擦系数随压力变化的曲线图；

图5该发明装置的一种竖直设计结构示意图；

具体实施方式

该装置的零部件组成为：

电机1与扭矩传感器3通过第一连接装置2相联，扭矩传感器3与轴11通过第二连接装置4相联，轴11由第一轴承座5和第二轴承座14支撑，筒体18由第一筒体支架6和第二筒体支架10支撑，支撑物料一端的固定盖板15以轴肩的形式与轴11加工为一体，压缩物料另一端的可移动套筒19放置在轴11上，可移动套筒19和套筒螺母13由卡箍12联接，并可在套筒螺母13的推动下在筒体18内来回移动。筒体18内表面、固定盖板(轴肩)15、可移动套筒19和轴11表面构成一个储料腔16。在储料腔16内的轴11表面上开有沟槽结构，如图1所示。

如图3所示，筒体18内直径为D。经过套筒螺母13压紧可移动套筒19后，储料腔16内被挤压粉体材料的有效轴向长度为L。由压力传感器8测得储料腔内的粉体材料对筒体18内表面的压力P。电机1驱动轴11转动。由扭矩传感器3测量扭矩值N。粉体材料与筒体内表面的动摩擦系数计算如下：

粉体材料与筒体内表面的有效接触面积为：

S＝πDL              (1)

设粉体材料与筒体内表面的动摩擦系数为f，则粉体材料与筒体内表面因相对滑动而产生的摩擦力为：

F＝fPS               (2)

由粉体材料与筒体内表面的摩擦力所产生的扭矩T：

$N=F\frac{D}{2}---\left(3\right)$

由公式(1)至(3)整理得到动摩擦系数f的计算公式：

$f=\frac{2N}{\mathrm{\π}{\mathrm{PD}}^{2}L}---\left(4\right)$

将测量的扭矩值N和压力值P代入公式(4)，即可计算出粉体材料与筒体内表面的动摩擦系数f。

上述计算方法可应用于各种类型粉体材料与固体表面的摩擦系数的测量。

应用上述装置及方法测量粉体物料的摩擦系数，以废旧胶粉在30℃，15r/min条件下的摩擦系数随压力的变化为例：如表1

表1废旧胶粉的摩擦系数与压力的关系

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									压力/MPa	1.5	2	2.5	3	3.5	4	4.5	5
摩擦系数	0.994	0.756	0.722	0.606	0.545	0.479	0.428	0.387

其摩擦系数随压力变化的关系如图4。

以上具体实施方式中及图1中所述，仅为用以说明本发明的一个实例，而并非限制本发明所描述的技术方案；例如：将筒体工作部分改为竖直放置，电机的输出轴与工作部分的旋转轴通过锥齿轮或者涡轮蜗杆传动相连接。如图5，锥齿轮连接输出轴和旋转轴。

此外，尽管参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明提出的保护范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种粉体材料与金属表面动摩擦系数测量装置，其特征在于：电机与扭矩传感器通过第一连接装置相联，扭矩传感器与轴通过第二连接装置相联，电机连接由第一轴承座和第二轴承座支撑的轴；

第一筒体支架和第二筒体支架固定筒体；轴设置在筒体内，筒体壁上开孔安装压力传感器和热电偶；筒体顶部开有加料孔；筒体外部设有加热套；与轴加工为一体的固定盖板位于轴的一端，轴的另一端设置有由套筒螺母压紧的可移动套筒；

筒体的内表面，与轴加工为一体的固定盖板、由套筒螺母压紧的可移动套筒和轴的表面构成储料腔；固定盖板和可移动套筒与筒体内表面之间存在0.10毫米～0.20毫米的间隙；在轴表面上开有数个纵向沟槽。

2.应用如权利要求1所述装置进行粉体材料与金属表面动摩擦系数测量方法，其特征在于：将粉体材料从加料孔放入储料腔内，旋转套筒螺母推动可移动套筒向筒体内轴向移动，压实物料，增加物料压力，当设置在筒体上的压力传感器的读数达到设定值P，停止旋转套筒螺母；由加热套加热筒体，当热电偶温度读数升高至设定值T后，启动电机，驱动轴旋转；通过扭矩传感器测量因粉体材料与筒体内表面相对滑动而产生的摩擦力矩值，该力矩值除以筒体内半径得到粉体材料与筒体内表面的摩擦力，该摩擦力除以压力传感器测量的压力值与筒体内表面的工作表面积的乘积得到粉体材料与筒体内表面的动摩擦系数。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：改变筒体内的物料压力、温度、转速时，被检测的旋转轴的扭矩值会发生变化，由此得出物料的动摩擦系数随温度，转速和压力的变化曲线。

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