CN108225592A - 一种机械摩擦火花温度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业粉尘爆炸防护技术领域，具体涉及一种机械摩擦火花温度测试装置及测试方法。本发明的技术方案如下：一种机械摩擦火花温度测试装置，包括机械摩擦火花发生装置和实时喷雾粒度分析仪，所述机械摩擦火花发生装置包括旋转试件和固定试件，所述旋转试件与固定试件相互摩擦产生机械摩擦火花，实时喷雾粒度分析仪用于对所述机械摩擦火花进行测试与记录。本发明提供的机械摩擦火花温度测试装置及测试方法，能够实现机械摩擦火花温度的测试，有效完善了现有机械摩擦火花温度评价指标体系，有效弥补了现有机械摩擦火花温度测试标准的空白。

Description

一种机械摩擦火花温度测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于工业粉尘爆炸防护技术领域，具体涉及一种机械摩擦火花温度测 试装置及测试方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步和工业机械化程度的不断提高，成套机械设备和部 件以及手动工具在危险场所的使用不断增多，机械防爆安全隐患日益凸显。机械 摩擦火花作为潜在点火源，频繁出现在机械设备使用过程中，如果不能正确评价 其安全性能，极易成为有效点燃源，威胁机械防爆安全。

机械摩擦火花被定义为：一种由两个或多个固体发生摩擦时，从固体上分离 出来的微粒在摩擦能量作用下发生燃烧的现象。因此，机械摩擦火花实际上是固 体小颗粒，由于摩擦后具有一定的初温和初速度，在空气中迅速氧化升温，炽热 到可见光的温度，从而形成了机械摩擦火花。从能量转化的角度来看，其实质就 是摩擦过程中的机械能转变成了机械摩擦火花的热能和动能。由于到了可见光的 温度，可知机械摩擦火花的温度很高。但是，机械摩擦火花是一种动态点火源， 无法接触测量火花温度。而使用红外热像仪测试机械摩擦火花温度时，机械火花 特性各异，热辐射率无法确定，导致红外热像仪非接触测量机械摩擦火花温度时， 温度测量不准确。

发明内容

本发明提供一种机械摩擦火花温度测试装置及测试方法，能够实现机械摩擦 火花温度的测试，有效完善了现有机械摩擦火花温度评价指标体系，有效弥补了 现有机械摩擦火花温度测试标准的空白。

本发明的技术方案如下：

一种机械摩擦火花温度测试装置，包括机械摩擦火花发生装置和实时喷雾粒 度分析仪，所述机械摩擦火花发生装置包括旋转试件和固定试件，所述旋转试件 与固定试件相互摩擦产生机械摩擦火花，实时喷雾粒度分析仪用于对所述机械摩 擦火花进行测试与记录。

所述的机械摩擦火花温度测试装置，其中所述旋转试件为圆形铁盘，通过变 频调速器与变频调速电机控制其转速。

所述的机械摩擦火花温度测试装置，其中所述固定试件为钛棒，所述固定试 件的一端带有外螺纹，所述固定试件的另一端设有刻度标尺，与刻度标尺相对的 位置处依次等距离内嵌热电偶a、热电偶b和热电偶c，用来测量温度；所述固 定试件上设有安全限位。

所述的机械摩擦火花温度测试装置，其中所述固定试件通过压力调节装置控 制其移动，所述压力调节装置包括高压空气瓶和活塞式气缸，所述高压空气瓶为 所述活塞式气缸提供动力；所述活塞式气缸的活塞杆下端设有内螺纹，与所述固 定试件螺接；所述高压空气瓶设有两个阀门和两个压力表，其中阀门一用来控制 所述高压空气瓶，压力表一用来测量所述高压空气瓶的压力，阀门二用来控制所 述活塞式气缸的压力，压力表二用来测量所述活塞式气缸的压力；所述活塞式气 缸采用绝缘材料制造。

一种机械摩擦火花温度测试方法，利用上述的机械摩擦火花温度测试装置， 包括如下步骤：

步骤一：将所述的机械摩擦火花温度测试装置放在一水平工作台上；

步骤二：测量所述旋转试件的半径r；

步骤三：打开阀门一，然后打开阀门二，使得所述活塞式气缸内充入气体， 达到目标压力P₁；

步骤四：开动变频调速电机，使得所述旋转试件开始转动，并记录其转速n；

步骤五：由旋转试件转速n可以求出旋转试件角速度ω，根据V＝ω·r得出 机械摩擦火花初始速度V₀；

步骤六：依次测量热电偶a、热电偶b和热电偶c的温度，通过公式：计算固定试件与旋转试件接触处温度T₄，其中：q为热损失，λ为导热系数，δ 为传热距离，Δt为温度差，则机械摩擦火花初始温度T₀＝T₄；

步骤七：设固定试件与水平方向夹角为α，摩擦火花初始初始速度V₀与水平 方向夹角θ＝90°-α，对机械摩擦火花初始速度V₀分解，则水平方向速度 V_p,h＝V₀·cosθ，垂直方向速度V_p,v＝V₀·sinθ；

通过水平和垂直方向公式计算机械摩擦火花的速度与时间的关系，即V-t 关系，公式如下：

水平：

式中：ρ_p为摩擦火花密度，t为时间，μ_g为环境气体粘性系数，V_g,h为气体 速度；

垂直：

式中：C_D为流体阻力系数，ρ_g为环境气体密度，d_p为摩擦火花直径，g为 重力加速度；

对V_p,h和V_p,v进行矢量相加，即：得出机械摩擦火花的速度随 时间的变化关系；

步骤八:应用积分公式，求位移：

水平方向：

垂直方向：

对水平方向和垂直方向的位移矢量相加，即：得出机械摩擦火 花的位移随时间的变化关系；

步骤九：由公式：

其中：

Q_p＝H·N_p·S·K (6)

式中：m_p为摩擦火花粒子质量，c_p为摩擦火花比热容，T_p为摩擦火花温 度，λ为气体导热系数，N_p为摩擦火花数目，S为摩擦火花粒子表面积，T_p为 摩擦火花粒子温度，T_g为环境温度，ε_eff为有效辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，S_T为传热面积，H为反应热，A为阿伦尼乌斯前因子，n₀为环境氧浓度，υ为反应 级数，E为活化能，R为普适气体常数，pr为普朗克常数，V_p(t)为摩擦火花颗 粒瞬时速度，V_g为空气速度；得出机械摩擦火花的温度随时间的变化关系。

本发明的有益效果为：本发明能够实现机械摩擦火花温度的测试，有效完善 了现有机械摩擦火花温度评价指标体系，有效弥补了现有机械摩擦火花温度测试 标准的空白。

附图说明

图1机械摩擦火花温度测试装置的结构示意图。

图中：1—高压气体瓶，2—阀门一，3—阀门二，4—压力表一，5—压力表 二，6—活塞式气缸，7—固定试件，8—热电偶a，9—热电偶b，10—热电偶c， 11—刻度标尺，12—安全限位，13—旋转试件，14—变频调速器，15—变频调速 电机。

具体实施方式

如图1所示，一种机械摩擦火花温度测试装置，包括机械摩擦火花发生装置 和实时喷雾粒度分析仪，所述机械摩擦火花发生装置包括旋转试件13和固定试 件7，所述旋转试件13与固定试件7相互摩擦产生机械摩擦火花；实时喷雾粒 度分析仪型号为DP-02，测量范围为1-1500μm，实时喷雾粒度分析仪用于对所 述机械摩擦火花进行测试与记录；所述旋转试件13为圆形铁盘，通过变频调速 器14与变频调速电机15控制其转速，变频调速器14型号为DR1D5G-3，频率可 调节范围为0-50Hz，对应转速范围为0-1440r/min，变频调速电机15型号为 YVF80M2-4，功率为1.5kW；所述固定试件7为钛棒，所述固定试件7的一端带 有外螺纹，所述固定试件7的另一端设有刻度标尺11，与刻度标尺11相对的位 置处依次等距离内嵌热电偶a8、热电偶b9和热电偶c10，用来测量温度；所述 固定试件7通过压力调节装置控制其移动，所述压力调节装置包括高压空气瓶1 和活塞式气缸6，所述高压空气瓶1为所述活塞式气缸6提供动力；所述活塞式 气缸6的活塞杆下端设有内螺纹，与所述固定试件7螺接；所述高压空气瓶1 设有两个阀门和两个压力表，其中阀门一2用来控制所述高压空气瓶1，压力表 一4用来测量所述高压空气瓶1的压力，阀门二3用来控制所述活塞式气缸6 的压力，压力表二5用来测量所述活塞式气缸6的压力；所述固定试件7上设有 安全限位12，以防止活塞式气缸6和热电偶受损，固定试件7磨损达到安全限 位12时，则应更换固定试件7；所述活塞式气缸6采用绝缘材料制造。

一种机械摩擦火花温度测试方法，利用上述的机械摩擦火花温度测试装置， 包括如下步骤：

步骤一：将所述的机械摩擦火花温度测试装置放在一水平工作台上；

步骤二：测量所述旋转试件13的半径r；

步骤三：打开阀门一2，然后打开阀门二3，使得所述活塞式气缸6内充入 气体，达到目标压力0.2MPa；

步骤四：开动变频调速电机15，使得所述旋转试件13开始转动，并记录其 转速n；

步骤五：由旋转试件13转速n可以求出旋转试件13角速度ω，根据V＝ω·r 得出机械摩擦火花初始速度V₀；

步骤六：依次测量热电偶a8、热电偶b9和热电偶c10的温度，通过公式： 计算固定试件与旋转试件接触处温度T₄，其中：q为热损失，λ为导热 系数，δ为传热距离，Δt为温度差，则机械摩擦火花初始温度T₀＝T₄；

步骤七：设固定试件7与水平方向夹角为α，摩擦火花初始初始速度V₀与水 平方向夹角θ＝90°-α，对机械摩擦火花初始速度V₀分解，则水平方向速度V_p,h＝V₀·cosθ，垂直方向速度V_p,v＝V₀·sinθ；

通过水平和垂直方向公式计算机械摩擦火花的速度与时间的关系，即V-t 关系，公式如下：

水平：

式中：ρ_p为摩擦火花密度，t为时间，μ_g为环境气体粘性系数，V_g,h为气体 速度；

垂直：

式中：C_D为流体阻力系数(对于大于5μm直径的粉末，其C_D＝1，本测试 对象均为大于5μm粒径的粒子，所以C_D＝1)，ρ_g为环境气体密度，d_p为摩擦火 花直径，g为重力加速度；

对V_p,h和V_p,v进行矢量相加，即：得出机械摩擦火花的速度随 时间的变化关系；

步骤八:应用积分公式，求位移：

水平方向：

垂直方向：

对水平方向和垂直方向的位移矢量相加，即：得出机械摩擦火 花的位移随时间的变化关系；

步骤九：由公式：

其中：

Q_p＝H·N_p·S·K (6)

式中：m_p为摩擦火花粒子质量，c_p为摩擦火花比热容，T_p为摩擦火花温 度，λ为气体导热系数，N_p为摩擦火花数目，S为摩擦火花粒子表面积，T_p为 摩擦火花粒子温度，T_g为环境温度，ε_eff为有效辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，S_T为传热面积，H为反应热，A为阿伦尼乌斯前因子，n₀为环境氧浓度，υ为反应 级数，E为活化能，R为普适气体常数，pr为普朗克常数，V_p(t)为摩擦火花颗 粒瞬时速度，V_g为空气速度；得出机械摩擦火花的温度随时间的变化关系。

由上述步骤可以求出机械摩擦火花任一时刻的速度、位移及温度分布。

Claims (5)

1.一种机械摩擦火花温度测试装置，其特征在于，包括机械摩擦火花发生装置和实时喷雾粒度分析仪，所述机械摩擦火花发生装置包括旋转试件和固定试件，所述旋转试件与固定试件相互摩擦产生机械摩擦火花，实时喷雾粒度分析仪用于对所述机械摩擦火花进行测试与记录。

2.根据权利要求1所述的机械摩擦火花温度测试装置，其特征在于，所述旋转试件为圆形铁盘，通过变频调速器与变频调速电机控制其转速。

3.根据权利要求1所述的机械摩擦火花温度测试装置，其特征在于，所述固定试件为钛棒，所述固定试件的一端带有外螺纹，所述固定试件的另一端设有刻度标尺，与刻度标尺相对的位置处依次等距离内嵌热电偶a、热电偶b和热电偶c，用来测量温度；所述固定试件上设有安全限位。

4.根据权利要求3所述的机械摩擦火花温度测试装置，其特征在于，所述固定试件通过压力调节装置控制其移动，所述压力调节装置包括高压空气瓶和活塞式气缸，所述高压空气瓶为所述活塞式气缸提供动力；所述活塞式气缸的活塞杆下端设有内螺纹，与所述固定试件螺接；所述高压空气瓶设有两个阀门和两个压力表，其中阀门一用来控制所述高压空气瓶，压力表一用来测量所述高压空气瓶的压力，阀门二用来控制所述活塞式气缸的压力，压力表二用来测量所述活塞式气缸的压力；所述活塞式气缸采用绝缘材料制造。

5.一种机械摩擦火花温度测试方法，其特征在于，利用如权利要求1-4之一所述的机械摩擦火花温度测试装置，包括如下步骤：

步骤一：将所述的机械摩擦火花温度测试装置放在一水平工作台上；

步骤二：测量所述旋转试件的半径r；

步骤三：打开阀门一，然后打开阀门二，使得所述活塞式气缸内充入气体，达到目标压力P₁；

步骤四：开动变频调速电机，使得所述旋转试件开始转动，并记录其转速n；

步骤五：由旋转试件转速n可以求出旋转试件角速度ω，根据V＝ω·r得出机械摩擦火花初始速度V₀；

步骤六：依次测量热电偶a、热电偶b和热电偶c的温度，通过公式：计算固定试件与旋转试件接触处温度T₄，其中：q为热损失，λ为导热系数，δ为传热距离，Δt为温度差，则机械摩擦火花初始温度T₀＝T₄；

步骤七：设固定试件与水平方向夹角为α，摩擦火花初始初始速度V₀与水平方向夹角θ＝90°-α，对机械摩擦火花初始速度V₀分解，则水平方向速度V_p,h＝V₀·cosθ，垂直方向速度V_p,v＝V₀·sinθ；

通过水平和垂直方向公式计算机械摩擦火花的速度与时间的关系，即V-t关系，公式如下：

水平：

式中：ρ_p为摩擦火花密度，t为时间，μ_g为环境气体粘性系数，V_g,h为气体速度；

垂直：

式中：C_D为流体阻力系数，ρ_g为环境气体密度，d_p为摩擦火花直径，g为重力加速度；

对V_p,h和V_p,v进行矢量相加，即：得出机械摩擦火花的速度随时间的变化关系；

步骤八:应用积分公式，求位移：

水平方向：

垂直方向：

对水平方向和垂直方向的位移矢量相加，即：得出机械摩擦火花的位移随时间的变化关系；

步骤九：由公式：

其中：

Q_p＝H·N_p·S·K (6)

式中：m_p为摩擦火花粒子质量，c_p为摩擦火花比热容，T_p为摩擦火花温度，λ为气体导热系数，N_p为摩擦火花数目，S为摩擦火花粒子表面积，T_p为摩擦火花粒子温度，T_g为环境温度，ε_eff为有效辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，S_T为传热面积，H为反应热，A为阿伦尼乌斯前因子，n₀为环境氧浓度，υ为反应级数，E为活化能，R为普适气体常数，pr为普朗克常数，V_p(t)为摩擦火花颗粒瞬时速度，V_g为空气速度；得出机械摩擦火花的温度随时间的变化关系。