CN103712908B - 一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置及方法，通过测试块体材料以一定速度在泥浆中旋转产生的扭矩，计算泥浆与块体材料之间的粘附系数，其结构简单、操作简便、省时快捷，能够准确地测量出泥浆与块体材料之间的粘附系数，为准确描述块体材料表面微结构与泥浆之间的粘附提供了有效途径，也为改善输送管道的使用效率以及减小机具的磨损提供了可靠的依据，在流体机械、疏浚机具防堵、减磨以及节能等方面的检测与选材，有良好的应用前景。

Description

一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体检测技术领域，具体涉及一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置及方法。

背景技术

粘滞系数常常表征在流体内部相邻两流层间内摩擦力的大小，一般采用落球法、毛细管法和圆筒法测量。然而，在泵送混凝土砂浆过程中管壁与砂浆之间、在石油钻探过程中钻具与井壁钻井液之间都存在着固体与流体的粘附作用。粘附系数实际上即为固体材料与流体之间相互运动时的摩擦系数，它是影响附着力的关键因素。而泥浆与块体材料之间附着力的控制对施工和生产效率都有着重要影响，虽然现在已经开始从固体材料的表面微结构、流体动力学等方面研究泥浆与块体材料之间的粘附系数，但还缺乏一种精确有效的测量装置。目前，存在以下几种方法测量泥浆与块体材料的粘附系数，具体介绍如下，

方法一，试验装置，如图1所示，试验时，向左侧容器中均匀地装满泥浆，轻轻敲击容器壁，使泥浆在自重作用下密实，与块体材料全面接触，通过滑轮装置向滑轮另一端的吊桶中缓慢装入砂子，直至块体材料开始从泥浆中向上拔出，称量吊桶和砂的质量G、块体材料的质量G₀，

根据公式F₀=(G-G₀)*9.8，可计算得出泥浆与块体材料之间的附着力F₀，其中，F0-泥浆与块体材料之间的附着力(N)；G-拔出块体材料时吊桶与砂子的质量之和(kg)；G0-块体材料的质量(kg)。

但是，这个试验装置测定出的泥浆与块体材料之间的附着力误差较大，不够精确，通过不断加砂，很难准确把握块体材料开始从泥浆中向上拔出这个时间点，然后再进行称重计算，而且实验过程也显得比较繁琐；另外，当附着力较大的时候，加砂到一定程度后，左边的块体材料会跟容器一起被吊起来，这样就不能够测出泥浆与块体材料之间的附着力，所以这个试验装置及方法还是存在缺陷的；

方法二：基于前人对泥浆粘附性的研究，采用电子万能试验机在泥浆容器中进行块体材料与泥浆的粘附力的测量。该试验机有配套的软件，可以根据试验的要求设计程序，并实时记录数据。根据粘附力度量特点设计试验方案，该方案分为两步进行：第一步是力加载试验，第二步是拉脱力试验。具体步骤为：将块体材料与泥浆接触面朝外，另一面用胶粘到电子万能试验机的侧头上，恒速恒力加载使块体材料与泥浆紧密贴合，保载一定时间后恒速将块体材料与泥浆分离，将块体材料与泥浆彻底分离的最大力，就是块体材料与泥浆之间的粘附力。其试验原理如图2及图3所示，加载过程，如图2所示，块体材料夹具以速度v1向下运动，当块体材料与泥浆接触达程序所设定的目标力和保载时间后，系统会自动卸载，然后执行拉脱试验程序；拉脱过程，如图3所示，块体材料夹具以速度v2向反方向运动，将块体材料与泥浆分开，当块体材料与泥浆彻底分离后，即停止试验，电脑会自动记录数据并保存，以供分析使用。

但是，这个电子万能试验机测定出的泥浆与块体材料之间的粘附系数误差较大，不够精确，毕竟泥浆与块体材料的彻底分离很难严格的进行表征，所以该实验产生的误差较大；

方法三：用同轴回转圆筒粘度计来测量泥浆的粘度，它由两个同心圆筒组成，两个圆筒之间有微小的间隙用于放置试料，一个筒旋转，一个筒静止不动，转筒可以是外筒也可以是内筒，圆筒粘度计原用于粘性液体及悬浮液体粘度的测定，如果将同轴回转圆筒粘度计用于泥浆粘度的测量，由于泥浆中存在着一定的大粒径的骨料，易造成同轴回转粘度计两个圆筒之间的间隙内骨料的嵌挤。根据同轴回转圆筒粘度计的工作原理，首先要求粘度计中液体流动式稳定的层流而无紊流，流速恒定，其次筒壁壁面与液体之间没有滑移运动，还有离心力及端部效应都可以忽略。因此，将同轴回转圆筒粘度计用于泥浆粘度和与块体材料的粘附系数的测量受到很大限制。

通过上述分析，寻找一种能够简便而且较准确的表征出泥浆与块体材料之间的粘附系数的装置及方法，然后根据测得其他分析数据，用于提高疏浚设备的工作效率等方面，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题主要是针对现有粘附系数测量实验过程繁琐、误差较大、不够精确、不方便研究施工工程和工程质量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置，其特征在于：包括扭矩传感器、悬臂梁、容器、圆盘和电动机，所述扭矩传感器位于容器的正上方，并套接在悬臂梁上，所述悬臂梁的底部连接有块体材料，且块体材料位于容器内，所述容器内装有泥浆，且泥浆覆盖住块体材料，所述容器固定在圆盘中心，所述圆盘的下方设有电动机，所述电动机带动圆盘以及圆盘上的容器转动，所述悬臂梁的扭矩传感器用于测量块体材料的扭矩。

前述的一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置，其特征在于：所述悬臂梁为L形状，且长侧边垂直放置，所述扭矩传感器套接在悬臂梁的长侧边上，

前述的一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置，其特征在于：所述泥浆覆盖住块体材料，所述块体材料浸没在泥浆总深度的一半位置处，若如果泥浆为稀溶液，容器的底部设置有搅拌叶片。。

基于上述的用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（1），将容器内注入泥浆；

步骤（2），将块体材料安装在悬臂梁的底部，扭矩传感器套接在悬臂梁上，并位于容器的正上方；

步骤（3），控制悬臂梁，将块体材料浸没在容器的泥浆中；

步骤（4），控制位于容器下方的电动机转动，带动容器匀速转动；

步骤（5），记录悬臂梁上扭矩传感器上块体材料的扭矩；

步骤（6），通过扭矩，计算泥浆与块体材料之间的粘附系数。

前述的用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量方法，其特征在于：所述步骤（6）计算泥浆与块体材料之间的粘附系数的方法，包括以下步骤，

（1），制作两块标准试样的块体材料，包括第一块体材料为高度半径r、高h的圆柱体，第二块体材料为半径r的薄圆盘；

（2），将第一、二块体材料分别按照步骤（1）至步骤（5），并分别记录第一块体材料的扭矩F1、第二块体材料的扭矩F2；

（3），根据公式（1），计算得到泥浆与块体材料之间的粘附系数K，

K=(F1-F2)/(2πrh)公式（1）。

本发明的有益效果是：本发明的用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置及方法，通过测试块体材料在泥浆中旋转获得的扭矩，计算泥浆与块体材料之间的粘附系数，结构简单、操作简便，省时快捷，能够准确地测量出泥浆与块体材料的粘附系数，为准确描述块体材料表面微结构与泥浆之间的粘附提供了有效途径，也为改善疏浚设备的使用效率以及减小机具的磨损提供了可靠的依据，在流体机械、疏浚机具防堵、减磨以及节能等方面的检测与研究领域有较大应用，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是传统方法一的粘附系数测量装置的结构示意图。

图2是传统方法二的粘附系数测量装置的加载过程示意图。

图3是传统方法二的粘附系数测量装置的拉脱过程示意图

图4是本发明的用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置的结构示意图。

附图标记含义如下：

1：扭矩传感器；2：悬臂梁门；3：容器；4：泥浆；5：块体材料；6：圆盘；7：电动机。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置，包括扭矩传感器1、悬臂梁2、容器3、圆盘6和电动机7，扭矩传感器1位于容器3的正上方，并套接在悬臂梁2上，悬臂梁2的底部连接有块体材料5，且块体材料5位于容器3内，容器3内装有泥浆4，且泥浆4覆盖住块体材料5，容器3固定在圆盘6中心，圆盘6的下方设有电动机7，电动机7带动圆盘6以及圆盘6上的容器3转动，悬臂梁2的扭矩传感器1用于测量块体材料5的扭矩，通过扭矩计算泥浆与块体材料之间的粘附系数，本发明的悬臂梁2为L形状，且长侧边垂直放置，扭矩传感器1套接在悬臂梁2的长侧边上，此种设计的悬臂梁2方便固定，安装方便。

所述泥浆4覆盖住块体材料5，所述块体材料5浸没在泥浆4总深度的一半位置处，如果泥浆4为稀溶液，为防止沉积现象，容器3的底部设置有搅拌叶片。

基于上述的用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置的测量方法，包括以下步骤，

步骤（1），将容器3内注入泥浆；

步骤（2），将块体材料5安装在悬臂梁2的底部，扭矩传感器1套接在悬臂梁2上，并位于容器3的正上方；

步骤（3），控制悬臂梁2，将块体材料5浸没在容器3的泥浆中；

步骤（4），控制位于容器3下方的电动机7转动，带动容器3以恒定转速转动，转速为1～50转/分钟之间，该转速可根据模拟的实际工况来调节；

步骤（5），记录悬臂梁2上扭矩传感器1上块体材料5的扭矩；

步骤（6），通过步骤（5）得到的块体材料5的扭矩，计算泥浆与块体材料之间的粘附系数，计算方法包括以下步骤，

（1），制作两块标准试样的块体材料5，包括第一块体材料为高度半径r、高h的圆柱体，第二块体材料为半径r的薄圆盘，高h≈0，越薄，粘附系数精确度越高；

（2），将第一、二块体材料分别按照步骤（1）至步骤（5），并分别记录第一块体材料的扭矩F1、第二块体材料的扭矩F2；

（3），根据公式（1），计算得到泥浆与块体材料之间的粘附系数K，

K=(F1-F2)/(2πrh)公式（1）。

综述所述，本发明的用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置及方法，通过测试块体材料在泥浆中匀速旋转获得的扭矩，计算泥浆与块体材料之间的粘附系数，结构简单、操作简便，省时快捷，能够准确地测量出泥浆与块体材料的粘附系数，为准确描述块体材料表面微结构与泥浆之间的粘附提供了有效途径，也为改善疏浚设备的使用效率以及减小机具的磨损提供了可靠的依据，在流体机械、疏浚机具防堵、减磨以及节能等方面的检测与研究领域有较大应用，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种用于泥浆与块体材料之间粘附系数的测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，将容器(3)内注入泥浆；

步骤(2)，将块体材料(5)切割成标准试样后，安装在悬臂梁(2)的底部，扭矩传感器(1)套接在悬臂梁(2)上，并位于容器(3)的正上方；

步骤(3)，控制悬臂梁(2)，将块体材料(5)浸没在容器(3)的泥浆中，总深度的一半位置处；

步骤(4)，控制位于容器(3)下方的电动机(7)转动，带动容器(3)以恒定转速转动；

步骤(5)，转速平稳后，记录悬臂梁(2)上扭矩传感器(1)上块体材料(5)的扭矩；

步骤(6)，通过步骤(5)得到的块体材料(5)的扭矩，计算泥浆与块体材料之间的粘附系数；

所述步骤(6)计算泥浆与块体材料之间粘附系数的方法，包括以下步骤，

(1)，制作两块标准试样的块体材料(5)，包括第一块体材料为高度半径r、高h的圆柱体，第二块体材料为半径r的薄圆盘；

(2)，将第一、二块体材料分别按照步骤(1)至步骤(5)，并分别记录第一块体材料的扭矩F1、第二块体材料的扭矩F2；

(3)，根据公式(1)，计算得到泥浆与块体材料之间的粘附系数K，

K＝(F1-F2)/(2πrh)公式(1)。