CN111103113B - 多功能复杂多相维碰撞实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能复杂多相维碰撞实验仪，包括相邻两边有附坐标纸的侧围壁的可调高腿支撑碰撞体承接平台与之相配的碰撞装置和高速相机，碰撞装置包括发出碰撞体的碰撞主动机构和与之配合的提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；平台并列主立架通过高度可调和角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构和副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；分别相对两相邻侧围壁的两高速相机拍摄碰撞主动机构发出的碰撞体与碰撞被动机构提供的被碰撞体的碰撞过程。具有能对直径远大于颗粒直径物体与颗粒系统碰撞进行测量，也能对颗粒与颗粒系统碰撞进行测量，更能对物体与复杂多相系统测量的优点。

Description

多功能复杂多相维碰撞实验仪

技术领域

本发明涉及一种碰撞实验装置，特别是涉及一种多功能复杂多相维碰撞实验仪。

背景技术

散体在我们的生活中普遍存在， 如自然界中的砂砾、 谷粒以及工业上的固体化工原料、 粉末等都属于散体模型。散体的性质与现在研究得较为广泛的固体和流体有很大不同。目前尚无成熟的基础理论来解释其动力学机理，动力学模拟过程也区别于一般铰接的多体系统动力学。 散体力学是固体力学的一个分支，主要研究散体受力时的极限平衡和运动规律。研究一般的散体力学过程还须用数值模拟的方法。散体数值模拟方法中运用的最为广泛的就是离散单元法 (distinct element method，DEM)。接触模型是DEM的核心。碰撞是物质相互作用的一种形式, 其特点是作用强度很大, 而作用时间很短。碰撞动力学是研究物质在碰撞这种特殊作用下, 其相互作用的规律。接触作为一个概念, 同碰撞相比,常常被混淆。在此, 我们将接触描述为在有限的时间内发生的一种连续的过程。离散单元法主要有三种接触模型：硬球模型，软球模型和基于接触力学的模型。

发明内容

当需要快速模拟时采用恢复系数和碰撞刚体的硬球模型更为合理。碰撞恢复系数是弹塑性体碰撞的一个重要的指标，在许多学科中都有广泛的应用.碰撞恢复系数有几种不同的定义方式: a按速度定义始于牛顿对质点碰撞的研究,碰撞后法向相对分离速度vnr和碰撞前相对接近速度vn0 的比值e = vnr/vn0；b按冲量定义19 世纪初由Poisson 提出来,恢复阶段法向冲量Ir 与压缩阶段的法向冲量I0 之比e = Ir/I0；c能量定义： Stronge于1990 年给出的定义. 在能量定义中，恢复系数的平方e2 为恢复阶段弹性变形所释放的能量Er 与压缩阶段储存的能量E0 之比e =(Er/E0)1/2。目前在散体系统采用硬球模型模拟的过程中多应用牛顿常数型的恢复系数。另外，在地质研究中如泥石流，要考虑石块与泥地的碰撞；在机械系统中，要考虑零件与含润滑剂的系统发生碰撞，测量恢复系数特别是牛顿恢复系数是常用手段。为测量多种碰撞中碰撞前后的速度变化，进一步求出牛顿恢复系数和能量变化（能量恢复系数），很多测量碰撞恢复系数的装置被发明出来。专利号为CN206787790U和CN107144500A的专利是最新专利，这两个专利，只能测量颗粒和颗粒，颗粒和平板的碰撞，不能对物体（直径远大于颗粒直径）与颗粒系统的碰撞进行测量，也不能对颗粒与颗粒系统的碰撞进行测量，更不能对物体与复杂多相系统（液、颗粒和平面固体系统的混合）的碰撞进行测量。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种多功能复杂多相维碰撞实验仪。

为实现上述目的，本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪包括实验台及与之相配的碰撞装置和用于拍摄碰撞的高速相机，实验台是相邻两边有附坐标纸的侧围壁的可调高腿支撑碰撞体承接平台，碰撞装置包括发出碰撞体的碰撞主动机构和与之配合的提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；平台并列主立架通过高度可调和角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构和副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构，或平台并列副立架通过支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构，或者平台上设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；分别相对两相邻侧围壁的两高速相机拍摄碰撞主动机构发出的碰撞体与碰撞被动机构提供的被碰撞体的碰撞过程。其可研究多种碰撞，采集碰撞数据，研究碰撞特点。具有能对直径远大于颗粒直径物体与颗粒系统碰撞进行测量，也能对颗粒与颗粒系统碰撞进行测量，更能对物体与复杂多相系统（液、颗粒和平面固体系统的混合）碰撞进行测量的优点。

作为优化，与平台并列的主立架通过一个支撑高度角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构，该主立架通过另一个支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；或者与平台并列的主立架通过一个支撑高度角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构，与主立架并列的副立架通过另一个支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构。

作为优化，所述碰撞主动机构高于碰撞被动机构或高于碰撞被动机构提供的被碰撞体，或者所述碰撞主动机构低于碰撞被动机构或低于碰撞被动机构提供的被碰撞体，或者所述碰撞主动机构与碰撞被动机构平行或与碰撞被动机构提供的被碰撞体平行。所述碰撞主动机构低于碰撞被动机构或低于碰撞被动机构提供的被碰撞体，和所述碰撞主动机构与碰撞被动机构平行或与碰撞被动机构提供的被碰撞体平行时，碰撞主动机构是向碰撞被动机构或碰撞被动机构的被碰撞体发射主碰撞体的发射型碰撞主动机构。

作为优化，与平台并列的主立架是底座向上固装立柱，通过竖向滑配孔竖向套配立柱高于平台上段的升降下旋紧座设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓或螺柄，和通过竖向滑配孔竖向套配立柱的升降上旋紧座设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓或螺柄。

升降下旋紧座通过横向滑配孔横向套配伸向平台的上横杆，并通过横杆锁紧螺栓或螺柄锁紧上横杆，升降上旋紧座通过横向滑配孔横向套配伸向平台的下横杆，并通过横杆锁紧螺栓或螺柄锁紧下横杆。

通过横向通孔套配下横杆向平台伸出前段的碰撞被动支座并通过下横杆锁紧螺栓或螺柄紧固在下横杆上，通过横向通孔套配上横杆向平台伸出前段的碰撞主动支座并通过上横杆锁紧螺栓或螺柄紧固在上横杆上。

碰撞被动支座通过纵向通孔套配下纵杆，并通过下纵杆锁紧螺栓或螺柄与下纵杆基部紧固，下纵杆从碰撞被动支座纵向通孔伸出的基端设置用于显示下纵杆旋转角度的圆形刻度盘；碰撞主动支座通过纵向通孔套配上纵杆，并通过上纵杆锁紧螺栓或螺柄与上纵杆基部紧固，上纵杆从碰撞主动支座纵向通孔伸出的基端设置用于显示上纵杆旋转角度的圆形刻度盘。

通过纵向通孔套配下纵杆的角度可调斜置碰撞板通过下纵杆锁紧螺栓或螺柄紧固在下纵杆上；通过纵向通孔套配上纵杆的落体支座并通过上纵杆锁紧螺栓或螺柄紧固在上纵杆上，落体支座通过横向通孔套配向平台伸出的落体托杆并通过托杆锁紧螺栓或螺柄紧固在落体托杆上，向平台伸出的落体托杆端固装与斜置碰撞板上下垂直相对的落体机构。其碰撞试验：竖直下落的物体（直径可以在0.5mm-20mm之间）与斜置碰撞板斜面上设置的斜面碰撞材料，斜面角度可调，斜面可替换为厚度不同的材料（如不锈钢板，铝板，橡胶板，树脂板等农业机械中常见材料，厚度可以为5mm、10mm、15mm、20mm等）。测量竖直下落的物体以不同角度与不同材料不同厚度的碰撞恢复系数。斜面只能是固体。

作为优化，所述落体机构为中心制有上大下小的喇叭口的落球圆环座，斜置碰撞板上设置固体斜面碰撞材料。手持落球到落球圆环座喇叭口内，松手后，落球就会自由落体坠落在下方的斜置碰撞板上的被碰撞体上，下落碰撞过程由在同一平面内光路交叉垂直的两个高速相机进行同时拍摄。其碰撞试验：竖直下落的物体（直径可以在0.5mm-20mm之间）与斜置碰撞板斜面碰撞，斜面角度可调，斜面可替换为厚度不同的材料（如不锈钢板，铝板，橡胶板，树脂板等农业机械中常见材料，厚度可以为5mm、10mm、15mm、20mm等）。测量竖直下落的物体以不同角度与不同材料不同厚度的碰撞恢复系数。斜面只能是固体。两个光路在同一水平面里交叉垂直的高速相机分别设置在与立柱及平台并列的专用相机支架上。

作为优化，与平台并列的所述立架是底座向上固装立柱，通过竖向滑配孔竖向套配立柱的升降旋紧座设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓，升降旋紧座通过横向滑配孔套配伸向平台的横杆基部，该升降旋紧座设置用于锁紧横杆的横杆锁紧螺栓，横杆后伸部套配后锁紧螺栓或螺柄锁固的后支撑座，横杆前伸部分别套配中锁紧螺栓或螺柄锁固的中支撑座和前锁紧螺栓或螺柄锁固的前支撑座。

后支撑座通过纵向滑配孔套配后纵杆基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与后纵杆紧固，中支撑座通过纵向滑配孔套配中纵杆基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与中纵杆紧固，前支撑座通过纵向滑配孔套配前纵杆基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与前纵杆紧固，后中前纵杆分别从后中前支撑座纵向通孔伸出的基端分别设置用于显示各纵杆旋转角度的圆形刻度盘。

通过纵向滑配孔套配后纵杆的后立座设置用于锁紧后纵杆纵伸部的后纵杆锁紧螺栓或螺柄，通过纵向滑配孔套配中纵杆的中立座设置用于锁紧中纵杆纵伸部的中纵杆锁紧螺栓或螺柄，通过纵向滑配孔套配前纵杆的前立座设置用于锁紧前纵杆纵伸部的前纵杆锁紧螺栓或螺柄。

后立座过竖斜滑配孔套配后斜杆基部，并通过后斜杆锁紧螺栓或螺柄与后斜杆紧固；中立座过竖斜滑配孔套配中斜杆基部，并通过中斜杆锁紧螺栓或螺柄与中斜杆紧固；向前倾斜的后斜杆上端设置碰撞体撞击机构，向前倾斜的中斜杆上端与前立座上面设置碰撞体的斜坡滑道，平台在碰撞体滑落区设置盛放被碰撞体的碰撞槽，与平台和立柱并列的两个专用相机支架上分别设置光路在平面内相互垂直的高速相机对碰撞区碰撞体与被碰撞体的碰撞进行拍摄；用以不同角度下落的物体与水平碰撞槽内碰撞体发生碰撞，测量物体以不同角度、速度与复杂多相体碰撞的碰撞恢复系数。所述碰撞槽固定设置在平台上，固定设置是碰撞槽设置有永磁体，所述平台在碰撞区下面设置用于吸固碰撞槽的电磁线圈，还可以是机械固定，如不干胶粘固。适用铁性碰撞体及被碰撞体时，关掉电磁线圈，采用不干胶粘固。斜坡滑道为具有凹弧形滑道底槽的U形斜坡滑道。

作为优化，所述碰撞槽是平板外周向上设置侧围壁；碰撞槽是多种围边高度的并列多个，可根据需要调换，内可放置一定深度的液体、颗粒、液体与颗粒混合物作为碰撞面。也可以是上面中部下凹的底板外周向上设置侧围壁，或者是上面中部上凸的底板外周向上设置侧围壁，或者是上面整体中凹的底座外周向上设置侧围壁，或者是上面整体中凸的底座外周向上设置侧围壁，或者是上面向任意侧倾斜的底板外周向上设置侧围壁，或者是上面中心向外周制有放射状沟槽，或放射状凸棱，或间隔分布的放射状沟槽凸棱底板外周向上设置侧围壁。整体中凹和整体中凸可以是半球体凹坑或也可以锥体凹坑，更可以是中部平底的半球缺体凹坑或也可以锥台体凹坑。

作为优化，所述碰撞槽为多边形，或者圆形，或者椭圆形；所述碰撞槽侧围壁为竖直壁，或者为向外周倾斜的外倾斜壁。外倾斜壁为外直倾斜壁，或者为径向凸弧型倾斜壁，或者为径向凹弧型倾斜壁，或者为径向凹凸波浪弧型倾斜壁，或者外直倾斜壁任意部分设置凹或凸或凹凸型倾斜区。所述多边形碰撞槽为等边多边形或不等边多边形，等边多边形包括等边三角形、正方形、等边六边形、等边八边形、等边十边形、等边十二边形等。不等边多边形包括不等边三角形、不正方形、不等边六边形、不等边八边形、不等边十边形、不等边十二边形等。

作为优化，后斜杆上端设置的斜固座上固装碰撞体撞击机构，碰撞体撞击机构包括气泵和气缸及碰撞头，输出气压强从0-0.8兆帕可调的气泵通过输气管联通气缸，气缸推动的连杆端固装撞击碰撞体的碰撞头；中斜杆上端和前立座上面分别设置支撑连接斜坡滑道上端的斜支框和支撑连接斜坡滑道下部的斜支板，斜支框位于斜坡滑道上方的斜顶臂通过竖向通孔滑配依靠自身重力向下压滞碰撞体的竖滑杆；实验时，向上提起竖滑杆，将碰撞体放置在斜坡滑道上端部，松开竖滑杆使其对碰撞体进行暂时压滞固定，操控气缸使其连杆通过碰撞头击发碰撞体，碰撞体沿斜坡滑道下落撞击碰撞槽内被碰撞体的碰撞面，并由两摄像机同时交叉拍摄碰撞过程。碰撞槽是多种围边高度的并列多个，可根据需要调换。碰撞槽高5-10cm，可根据需要调换，内可放置一定深度的液体、颗粒、液体和颗粒混合（液体颗粒比例可调）作为碰撞面。旁置高速相机，高速相机的镜头与碰撞面齐平。

作为优化，所述碰撞体为碰撞球，竖滑杆下端设置面积大于竖滑杆的压滞头；斜支框是中斜杆上端固装的竖矩形斜支框内周底部支撑连接斜坡滑道上端，竖矩形斜支框的斜顶臂通过竖向斜通孔竖向滑配依靠自身重力向下压滞碰撞体的竖滑杆。连杆前端螺接碰撞头，碰撞头为其部制有圆形凸台的圆柱体，碰撞头圆形凸台基部制有的内丝盲孔与连杆前端丝杆头以可灵活折装的方式配装，并且碰撞头为可替换配装的粗细不同的并列多个。气缸行程小于圆柱体部长度。

其可研究多种碰撞，采集碰撞数据，研究碰撞特点。实现平面碰撞测量和颗粒和平板的碰撞测量的基础上，提供物体（直径远大于颗粒直径）与颗粒系统的碰撞测量，颗粒与颗粒系统的碰撞测量，物体与复杂多相系统（液、颗粒和平面固体系统的混合）的碰撞测量。实现多种碰撞测量，能更充分的研究颗粒物质性质。

本发明主要能完成三种碰撞实验。一、可实现物体（包含颗粒）与复杂多相系统的碰撞实验，入射的物体（包含颗粒）由连接气泵的气枪推动，速度和角度可调，下方的被碰槽里的碰撞物体可按实验要求放置不同的液体、固体或者颗粒体，甚至不同比例的多相体，深度（或厚度）可调。二、可实现不同角度的二维平面碰撞实验的测量，高速相机置于碰撞物体正上方时，对碰撞的测量更准确。三、可实现竖直下落的物体与不同角度和不同材质的斜面的碰撞，以研究颗粒以不同角度碰撞不同材质的平板的碰撞恢复系数。

实验过程例举如下: 1、调节升降架构到合适高度，调节刻度盘到需要角度（决定了物体出射的初角度）；2、在碰撞主动机构的下方安置好碰撞槽，碰撞槽内放置好被碰系统；3、打开气泵的气压调节开关阀，调节气泵的调节阀到要求压强（决定了物体出射的初速度），使气缸推动连杆运动，连杆通过碰撞头推动物体发射，同时打开高速相机拍摄碰撞过程；4、处理分析运动图像，得到碰撞前后物体的速度大小方向和转速，得到被碰撞物的反应（如液体水花，液体颗粒的水花、颗粒体系的状态等）。

应用举例：1、在我国山区，特别是西南，滚石灾害比较严重。滚石碰撞恢复系数是研究滚石运动特性重要方法。 可用玻璃块代替岩石，利用碰撞槽模拟复杂的碰撞面，利用高速摄像系 统对碰撞全过程进行摄像，获得了滚石碰撞前后的速度，进而得到碰撞恢复系数，探讨了不同速度（实际落石由降落高度决定），不同角度和不同地貌（硬地、积水、泥沙地等）对碰撞恢复系数的影响规律，为研究滚石的碰撞恢复系数提供实验数据，有助于预测滚石的运动轨迹，为正确认识滚石运动机制提供了理论基础。2、在农业上，在粮食的收割、脱粒、传送带输运、清洗中不可避免遇到不同粮食颗粒与不同的碰撞物（如颗粒堆、不锈钢、橡胶、水与颗粒混合物等）的碰撞，通过实验碰撞恢复系数，研究碰撞特性，有助于做到颗粒归仓。3、在航空航天中，回收卫星和返回舱一般在海洋沙漠或草原。此实验仪可模拟此碰撞过程。

斜置碰撞板和斜置被碰撞体托盘与碰撞槽的两种试验可以互为映照，分别设置斜置碰撞板和斜置被碰撞体托盘与碰撞槽的两种装置先完成相同的试验：物体以不同角度碰撞厚度不同的材料，结果如果一样，说明试验二的装置比较合理（图一装置在理论上比较合理，图二倾斜下落物体会产生额外的转动动能）；结果如果有偏差，分析可能引起偏差的原因，调节装置减小误差，把仪器调节到误差最小状态后，再进行物体以不同角度、速度与复杂多相体碰撞的试验。

采用上述技术方案后，本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪具有能对直径远大于颗粒直径物体与颗粒系统碰撞进行测量，也能对颗粒与颗粒系统碰撞进行测量，更能对物体与复杂多相系统（液、颗粒和平面固体系统的混合）碰撞进行测量的优点。

附图说明

图1和2分别是本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪第一、二种实施方式的立体结构示意图。图3是本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪第二种实施方式没有附设高速摄像机时的侧视结构示意图；图4是本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪第二种实施方式立柱及其附属部分的立体结构示意图；图5是本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪第二种实施方式横杆及其附属部分的侧视结构示意图。

具体实施方式

实施例一，如图1所示，本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪包括实验台及与之相配的碰撞装置和用于拍摄碰撞的高速相机2，实验台是相邻两边有附坐标纸12的侧围壁11的可调高腿支撑碰撞体承接平台1，碰撞装置包括发出碰撞体的碰撞主动机构和与之配合的提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；平台1并列主立架通过高度可调和角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构和副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构。也可以是平台并列副立架通过支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；分别相对两相邻侧围壁11的两高速相机2拍摄碰撞主动机构发出的碰撞体与碰撞被动机构提供的被碰撞体的碰撞过程。与平台1并列的主立架通过一个支撑高度角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构，该主立架通过另一个支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；也可以是与平台1并列的主立架通过一个支撑高度角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构，与主立架并列的副立架通过另一个支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构。

所述碰撞主动机构高于碰撞被动机构。也可以高于碰撞被动机构提供的被碰撞体，更可以所述碰撞主动机构低于碰撞被动机构或低于碰撞被动机构提供的被碰撞体，还可以是所述碰撞主动机构与碰撞被动机构平行或与碰撞被动机构提供的被碰撞体平行。所述碰撞主动机构低于碰撞被动机构或低于碰撞被动机构提供的被碰撞体，和所述碰撞主动机构与碰撞被动机构平行或与碰撞被动机构提供的被碰撞体平行时，碰撞主动机构是向碰撞被动机构或碰撞被动机构的被碰撞体发射主碰撞体的发射型碰撞主动机构。

与平台1并列的主立架是底座30向上固装立柱3，通过竖向滑配孔竖向套配立柱3高于平台1上段的升降下旋紧座31设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓或螺柄，通过竖向滑配孔竖向套配立柱3的升降下旋紧座31上方升降上旋紧座41设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓或螺柄。升降下旋紧座31通过横向滑配孔横向套配伸向平台1的下横杆32，并通过横杆锁紧螺栓或螺柄锁紧下横杆32，升降上旋紧座41通过横向滑配孔横向套配伸向平台1的上横杆42，并通过横杆锁紧螺栓或螺柄锁紧上横杆42。通过横向通孔套配下横杆向平台伸出前段的碰撞被动支座33并通过下横杆锁紧螺栓或螺柄紧固在下横杆32上，通过横向通孔套配上横杆向平台伸出前段的碰撞主动支座43并通过上横杆锁紧螺栓或螺柄紧固在上横杆42上。碰撞被动支座33通过纵向通孔套配下纵杆34，并通过下纵杆锁紧螺栓或螺柄与下纵杆34基部紧固，下纵杆34从碰撞被动支座33纵向通孔伸出的基端设置用于显示下纵杆旋转角度的圆形刻度盘4；碰撞主动支座43通过纵向通孔套配上纵杆44，并通过上纵杆锁紧螺栓或螺柄与上纵杆44基部紧固，上纵杆44从碰撞主动支座43纵向通孔伸出的基端设置用于显示上纵杆旋转角度的圆形刻度盘4。

通过纵向通孔套配下纵杆34的角度可调斜置碰撞板35（或斜置被碰撞体托盘）并通过下纵杆锁紧螺栓或螺柄紧固在下纵杆34上；通过纵向通孔套配上纵杆44的落体支座45并通过上纵杆锁紧螺栓或螺柄紧固在上纵杆44上，落体支座45通过横向通孔套配向平台伸出的落体托杆46并通过托杆锁紧螺栓或螺柄紧固在落体托杆46上，向平台伸出的落体托杆46端固装与斜置碰撞板35上下垂直相对的落体机构47。图1中碰撞试验：竖直下落的物体（直径可以在0.5mm-20mm之间）与斜置碰撞板斜面或斜置被碰撞体托盘上设置的斜面碰撞，斜面角度可调，斜面可替换为厚度不同的材料（如不锈钢板，铝板，橡胶板，树脂楹等农业机械中常见材料，厚度可以为5mm、10mm、15mm、20mm等）。测量竖直下落的物体以不同角度与不同材料不同厚度的碰撞恢复系数。斜面只能是固体。

所述落体机构47为中心制有上大下小的喇叭口的落球圆环座，斜置碰撞板35上设置固体斜面碰撞材料。手持落球到落球圆环座喇叭口内，松手后，落球就会自由落体坠落在下方的斜置碰撞板35上，下落碰撞过程由两个光路垂直的高速相机2进行拍摄。其碰撞试验：竖直下落的物体（直径可以在0.5mm-20mm之间）与斜置碰撞板斜面碰撞，斜面角度可调，斜面可替换为厚度不同的材料（如不锈钢板，铝板，橡胶板，树脂板等农业机械中常见材料，厚度可以为5mm、10mm、15mm、20mm等）。测量竖直下落的物体以不同角度与不同材料不同厚度的碰撞恢复系数。斜面只能是固体。两个光路在同一水平面里垂直交叉的高速相机2分别设置在与立柱3及平台1并列的专用相机支架上。具有能对物体与平面固体系统的碰撞进行实验测量的优点。

实施例二，如图2－5所示，本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪与上述实施例一的区别在于：与平台1并列的所述立架是底座30向上固装立柱3，通过竖向滑配孔竖向套配立柱3的升降旋紧座31设置用于锁紧立柱3的立柱锁紧螺栓，通过横向滑配孔套配伸向平台1的横杆32基部的升降旋紧座31设置用于锁紧横杆的横杆锁紧螺栓，横杆32后伸部套配后锁紧螺栓或螺柄锁固的后支撑座9，横杆32前伸部分别套配中锁紧螺栓或螺柄锁固的中支撑座4和前锁紧螺栓或螺柄锁固的前支撑座5。

后支撑座9通过纵向滑配孔套配后纵杆91基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与后纵杆91紧固，中支撑座4通过纵向滑配孔套配中纵杆41基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与中纵杆41紧固，前支撑座5通过纵向滑配孔套配前纵杆51基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与前纵杆51紧固，后中前纵杆分别从后中前支撑座纵向通孔伸出的基端分别设置用于显示各纵杆旋转角度的圆形刻度盘90。

通过纵向滑配孔套配后纵杆91的后立座92设置用于锁紧后纵杆纵伸部的后纵杆锁紧螺栓或螺柄，通过纵向滑配孔套配中纵杆41的中立座42设置用于锁紧中纵杆纵伸部的中纵杆锁紧螺栓或螺柄，通过纵向滑配孔套配前纵杆51的前立座52设置用于锁紧前纵杆纵伸部的前纵杆锁紧螺栓或螺柄。

后立座92过竖斜滑配孔套配后斜杆93基部，并通过后斜杆锁紧螺栓或螺柄与后斜杆93紧固；中立座42过竖斜滑配孔套配中斜杆43基部，并通过中斜杆锁紧螺栓或螺柄与中斜杆43紧固；向前倾斜的后斜杆93上端设置碰撞体撞击机构，向前倾斜的中斜杆43上端与前立座52上面设置碰撞体的斜坡滑道8，平台1在碰撞体滑落区设置盛放被碰撞体的碰撞槽7，与平台1和立柱3并列的两个专用相机支架21上分别设置光路在平面内相互垂直交叉的高速相机2对碰撞区碰撞体与被碰撞体的碰撞进行拍摄；用以不同角度下落的物体与水平碰撞槽内碰撞体发生碰撞，测量物体以不同角度、速度与复杂多相体碰撞的碰撞恢复系数。平台1上设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构。图中，碰撞槽7盛放的液体70作为被碰撞体。所述碰撞槽7固定设置在平台1上，固定设置是碰撞槽设置有永磁体，所述平台在碰撞区下面设置用于吸固碰撞槽的电磁线圈，可以是机械固定，如不干胶粘固。斜坡滑道为具有凹弧形滑道底槽的U形斜坡滑道。

所述碰撞槽7是平板外周向上设置侧围壁；碰撞槽7是多种围边高度的并列多个，可根据需要调换，内可放置一定深度的液体、颗粒、液体与颗粒混合物作为碰撞面。所述碰撞槽7为多边形，或者圆形，或者椭圆形；所述碰撞槽侧围壁为竖直壁，或者为向外周倾斜的外倾斜壁。也可以是上面中部下凹的底板外周向上设置侧围壁，或者是上面中部上凸的底板外周向上设置侧围壁，或者是上面整体中凹的底座外周向上设置侧围壁，或者是上面整体中凸的底座外周向上设置侧围壁，或者是上面向任意侧倾斜的底板外周向上设置侧围壁，或者是上面中心向外周制有放射状沟槽，或放射状凸棱，或间隔分布的放射状沟槽凸棱底板外周向上设置侧围壁。整体中凹和整体中凸可以是半球体凹坑或也可以锥体凹坑，更可以是中部平底的半球缺体凹坑或也可以锥台体凹坑。所述碰撞槽7为多边形，图中具体为正方形。也可以是圆形，或者椭圆形；还可以是所述碰撞槽侧围壁为竖直壁，或者为向外周倾斜的外倾斜壁。外倾斜壁为外直倾斜壁，或者为径向凸弧型倾斜壁，或者为径向凹弧型倾斜壁，或者为径向凹凸波浪弧型倾斜壁，或者外直倾斜壁任意部分设置凹或凸或凹凸型倾斜区。所述多边形碰撞槽为等边多边形或不等边多边形，等边多边形包括等边三角形、正方形、等边六边形、等边八边形、等边十边形、等边十二边形等。不等边多边形包括不等边三角形、不正方形、不等边六边形、不等边八边形、不等边十边形、不等边十二边形等。

后斜杆93上端设置的斜固座94上固装碰撞体撞击机构，碰撞体撞击机构包括气泵6和气缸60及碰撞头61，输出气压强从0-0.8兆帕可调的气泵6通过输气管联通气缸60，气缸60推动的连杆端固装撞击碰撞体的碰撞头61；中斜杆43上端和前立座52上面分别设置支撑连接斜坡滑道8上端的斜支框80和支撑连接斜坡滑道8下部的斜支板53，斜支框80位于斜坡滑道8上方的斜顶臂通过竖向通孔滑配依靠自身重力向下压滞碰撞体的竖滑杆81；实验时，向上提起竖滑杆81，将碰撞体放置在斜坡滑道8上端部，松开竖滑杆81使其对碰撞体进行暂时压滞固定，操控气缸60使其连杆通过碰撞头61击发碰撞体，碰撞体沿斜坡滑道8下落撞击碰撞槽7内被碰撞体的碰撞面，并由两摄像机2同时交叉拍摄碰撞过程。碰撞槽7是多种围边高度的并列多个，可根据需要调换。碰撞槽7高5-10cm，可根据需要调换，内可放置一定深度的液体、颗粒、液体和颗粒混合（液体颗粒比例可调）作为碰撞面。旁置高速相机2，高速相机2的镜头与碰撞面齐平。

所述碰撞体为碰撞球99，竖滑杆81下端设置面积大于竖滑杆81的压滞头88；斜支框80是中斜杆43上端固装的竖矩形斜支框80内周底部支撑连接斜坡滑道8上端，竖矩形斜支框80的斜顶臂通过竖向斜通孔竖向滑配依靠自身重力向下压滞碰撞体的竖滑杆81。连杆前端螺接碰撞头61，碰撞头61为其部制有圆形凸台的圆柱体，碰撞头61圆形凸台基部制有的内丝盲孔与连杆前端丝杆头以可灵活折装的方式配装，并且碰撞头61为可替换配装的粗细不同的并列多个。气缸60行程小于圆柱体部长度。

实验过程例举如下:1、调节升降架构到合适高度，调节刻度盘到需要角度（决定了物体出射的初角度）；2、在碰撞主动机构的下方安置好碰撞槽，碰撞槽内放置好被碰系统；3、打开气泵的气压调节开关阀，调节气泵的调节阀到要求压强（决定了物体出射的初速度），使气缸推动连杆运动，连杆通过碰撞头推动物体发射，同时打开高速相机拍摄碰撞过程；4、处理分析运动图像，得到碰撞前后物体的速度大小方向和转速，得到被碰撞物的反应（如液体水花，液体颗粒的水花、颗粒体系的状态等）。

应用举例：1、在我国山区，特别是西南，滚石灾害比较严重。滚石碰撞恢复系数是研究滚石运动特性重要方法。 可用玻璃块代替岩石，利用碰撞槽模拟复杂的碰撞面，利用高速摄像系 统对碰撞全过程进行摄像，获得了滚石碰撞前后的速度，进而得到碰撞恢复系数，探讨了不同速度（实际落石由降落高度决定），不同角度和不同地貌（硬地、积水、泥沙地等）对碰撞恢复系数的影响规律，为研究滚石的碰撞恢复系数提供实验数据，有助于预测滚石的运动轨迹，为正确认识滚石运动机制提供了理论基础。2、在农业上，在粮食的收割、脱粒、传送带输运、清洗中不可避免遇到不同粮食颗粒与不同的碰撞物（如颗粒堆、不锈钢、橡胶、水与颗粒混合物等）的碰撞，通过实验碰撞恢复系数，研究碰撞特性，有助于做到颗粒归仓。3、在航空航天中，回收卫星和返回舱一般在海洋沙漠或草原。此实验仪可模拟此碰撞过程。

上述实施例一与二两种试验可以互为映照，图一和图二的装置先完成相同的试验：物体以不同角度碰撞厚度不同的材料，结果如果一样，说明试验二的装置比较合理（图一装置在理论上比较合理，图二倾斜下落物体会产生额外的转动动能）；结果如果有偏差，分析可能引起偏差的原因，调节装置减小误差，把仪器调节到误差最小状态后，再进行物体以不同角度、速度与复杂多相体碰撞的试验。

其可研究多种碰撞，采集碰撞数据，研究碰撞特点。实现平面碰撞测量和颗粒和平板的碰撞测量的基础上，提供物体（直径远大于颗粒直径）与颗粒系统的碰撞测量，颗粒与颗粒系统的碰撞测量，物体与复杂多相系统（液、颗粒和平面固体系统的混合）的碰撞测量。实现多种碰撞测量，能更充分的研究颗粒物质性质。

本发明主要能完成三种碰撞实验。一、可实现物体（包含颗粒）与复杂多相系统的碰撞实验，入射的物体（包含颗粒）由连接气泵的气枪推动，速度和角度可调，下方的被碰槽里的碰撞物体可按实验要求放置不同的液体、固体或者颗粒体，甚至不同比例的多相体，深度（或厚度）可调。二、可实现不同角度的二维平面碰撞实验的测量，高速相机置于碰撞物体正上方时，对碰撞的测量更准确。三、可实现竖直下落的物体与不同角度和不同材质的斜面的碰撞，以研究颗粒以不同角度碰撞不同材质的平板的碰撞恢复系数。

总之，本发明多功能复杂多相维碰撞实验仪具有能对直径远大于颗粒直径物体与颗粒系统碰撞进行测量，也能对颗粒与颗粒系统碰撞进行测量，更能对物体与复杂多相系统（液、颗粒和平面固体系统的混合）碰撞进行测量的优点。

Claims (4)

1.一种多功能复杂多相维碰撞实验仪，包括实验台及与之相配的碰撞装置和用于拍摄碰撞的高速相机，其特征在于实验台是相邻两边有附坐标纸的侧围壁的可调高腿支撑碰撞体承接平台，碰撞装置包括发出碰撞体的碰撞主动机构和与之配合的提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；平台并列主立架通过高度可调和角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构,和副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；分别相对两相邻侧围壁的两高速相机拍摄碰撞主动机构发出的碰撞体与碰撞被动机构提供的被碰撞体的碰撞过程；

与平台并列的主立架通过一个支撑高度角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构，该主立架通过另一个支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；或者与平台并列的主立架通过一个支撑高度角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构，与主立架并列的副立架通过另一个支撑高度角度可调的副横向支撑机构设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；

所述碰撞主动机构高于碰撞被动机构或高于碰撞被动机构提供的被碰撞体，或者所述碰撞主动机构低于碰撞被动机构或低于碰撞被动机构提供的被碰撞体，或者所述碰撞主动机构与碰撞被动机构平行或与碰撞被动机构提供的被碰撞体平行；

与平台并列的主立架是底座向上固装立柱，通过竖向滑配孔竖向套配立柱高于平台上段的升降下旋紧座设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓或螺柄，和通过竖向滑配孔竖向套配立柱的升降上旋紧座设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓或螺柄；

升降下旋紧座通过横向滑配孔横向套配伸向平台的下横杆，并通过横杆锁紧螺栓或螺柄锁紧下横杆，升降上旋紧座通过横向滑配孔横向套配伸向平台的上横杆，并通过横杆锁紧螺栓或螺柄锁紧上横杆；

通过横向通孔套配下横杆向平台伸出前段的碰撞被动支座并通过下横杆锁紧螺栓或螺柄紧固在下横杆上，通过横向通孔套配上横杆向平台伸出前段的碰撞主动支座并通过上横杆锁紧螺栓或螺柄紧固在上横杆上；

碰撞被动支座通过纵向通孔套配下纵杆，并通过下纵杆锁紧螺栓或螺柄与下纵杆基部紧固，下纵杆从碰撞被动支座纵向通孔伸出的基端设置用于显示下纵杆旋转角度的圆形刻度盘；碰撞主动支座通过纵向通孔套配上纵杆，并通过上纵杆锁紧螺栓或螺柄与上纵杆基部紧固，上纵杆从碰撞主动支座纵向通孔伸出的基端设置用于显示上纵杆旋转角度的圆形刻度盘；

通过纵向通孔套配下纵杆的斜置碰撞板通过下纵杆锁紧螺栓或螺柄紧固在下纵杆上；通过纵向通孔套配上纵杆的落体支座并通过上纵杆锁紧螺栓或螺柄紧固在上纵杆上，落体支座通过横向通孔套配向平台伸出的落体托杆并通过托杆锁紧螺栓或螺柄紧固在落体托杆上，向平台伸出的落体托杆端固装与斜置碰撞板上下垂直相对的落体机构；

所述落体机构为中心制有上大下小的喇叭口的落球圆环座，斜置碰撞板上设置固体斜面碰撞材料。

2.一种多功能复杂多相维碰撞实验仪，包括实验台及与之相配的碰撞装置和用于拍摄碰撞的高速相机，其特征在于实验台是相邻两边有附坐标纸的侧围壁的可调高腿支撑碰撞体承接平台，碰撞装置包括发出碰撞体的碰撞主动机构和与之配合的提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；平台并列主立架通过高度可调和角度可调的主横向支撑机构设置碰撞主动机构,平台上设置提供静止被碰撞体的碰撞被动机构；分别相对两相邻侧围壁的两高速相机拍摄碰撞主动机构发出的碰撞体与碰撞被动机构提供的被碰撞体的碰撞过程；

与平台并列的所述立架是底座向上固装立柱，通过竖向滑配孔竖向套配立柱的升降旋紧座设置用于锁紧立柱的立柱锁紧螺栓，升降旋紧座通过横向滑配孔套配伸向平台的横杆基部，该升降旋紧座设置用于锁紧横杆的横杆锁紧螺栓，横杆后伸部套配后锁紧螺栓或螺柄锁固的后支撑座，横杆前伸部分别套配中锁紧螺栓或螺柄锁固的中支撑座和前锁紧螺栓或螺柄锁固的前支撑座；

后支撑座通过纵向滑配孔套配后纵杆基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与后纵杆紧固，中支撑座通过纵向滑配孔套配中纵杆基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与中纵杆紧固，前支撑座通过纵向滑配孔套配前纵杆基部，并通过纵杆锁紧螺栓或螺柄与前纵杆紧固，后中前纵杆分别从后中前支撑座纵向通孔伸出的基端分别设置用于显示各纵杆旋转角度的圆形刻度盘；

通过纵向滑配孔套配后纵杆的后立座设置用于锁紧后纵杆纵伸部的后纵杆锁紧螺栓或螺柄，通过纵向滑配孔套配中纵杆的中立座设置用于锁紧中纵杆纵伸部的中纵杆锁紧螺栓或螺柄，通过纵向滑配孔套配前纵杆的前立座设置用于锁紧前纵杆纵伸部的前纵杆锁紧螺栓或螺柄；

后立座通过竖斜滑配孔套配后斜杆基部，并通过后斜杆锁紧螺栓或螺柄与后斜杆紧固；中立座通过竖斜滑配孔套配中斜杆基部，并通过中斜杆锁紧螺栓或螺柄与中斜杆紧固；向前倾斜的后斜杆上端设置碰撞体撞击机构，向前倾斜的中斜杆上端与前立座上面设置碰撞体的斜坡滑道，平台在碰撞体滑落区设置盛放被碰撞体的碰撞槽，与平台和立柱并列的两个专用相机支架上分别设置光路在平面内相互垂直交叉的高速相机对碰撞区碰撞体与被碰撞体的碰撞进行拍摄；用以不同角度下落的物体与水平碰撞槽内碰撞体发生碰撞，测量物体以不同角度、速度与复杂多相体碰撞的碰撞恢复系数；所述碰撞槽是平板外周向上设置侧围壁；碰撞槽是多种围边高度的并列多个，可根据需要调换，内放置一定深度的液体、颗粒、液体与颗粒混合物作为碰撞面；

后斜杆上端设置的斜固座上固装碰撞体撞击机构，碰撞体撞击机构包括气泵和气缸及碰撞头，输出气压强从0-0.8兆帕可调的气泵通过输气管联通气缸，气缸推动的连杆端固装撞击碰撞体的碰撞头；中斜杆上端和前立座上面分别设置支撑连接斜坡滑道上端的斜支框和支撑连接斜坡滑道下部的斜支板，斜支框位于斜坡滑道上方的斜顶臂通过竖向通孔滑配依靠自身重力向下压滞碰撞体的竖滑杆；实验时，向上提起竖滑杆，将碰撞体放置在斜坡滑道上端部，松开竖滑杆使其对碰撞体进行暂时压滞固定，操控气缸使其连杆通过碰撞头击发碰撞体，碰撞体沿斜坡滑道下落撞击碰撞槽内被碰撞体的碰撞面，并由两摄像机同时交叉拍摄碰撞过程；所述碰撞体为碰撞球。

3.根据权利要求2所述多功能复杂多相维碰撞实验仪，其特征在于所述碰撞槽为多边形，或者圆形，或者椭圆形；所述碰撞槽侧围壁为竖直壁，或者为向外周倾斜的外倾斜壁。

4.根据权利要求2所述多功能复杂多相维碰撞实验仪，其特征在于竖滑杆下端设置面积大于竖滑杆的压滞头；中斜杆上端固装竖矩形斜支框内周底部, 竖矩形斜支框支撑连接斜坡滑道上端，竖矩形斜支框的斜顶臂通过竖向斜通孔竖向滑配依靠自身重力向下压滞碰撞体的竖滑杆。

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