CN111721618A - 一种测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，属于矿物加工工程设备技术领域。试验平台包括底座、框架、导管、冲头、砧板、冲击力传感器、采集卡、计算机，所述导管悬挂在框架上，所述冲头带有线绳且可从导管顶部进出，所述冲击力传感器放置在底座上，冲击力传感器上方放置砧板，砧板用于放置矿石颗粒并承受来自从导管中落下的冲头对矿石颗粒的冲击，冲击力传感器与采集卡之间通讯连接，采集卡与计算机之间通讯连接。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，属于矿物加工工程设备技术领域。
背景技术
上世纪九十年代，R.Weichert、J.A.Herbst、R.P.King、F.Bourgeois 等人将落重装置与霍普金森杆结合，研制出Ultra fast load cell(UFLC)，以研究矿石颗粒受钢球下落冲击时的粉碎特性，包括冲击力、位移随时间的演化、冲击力在位移上积分所得冲击能量、以及碎裂分布随在不同冲击条件下、冲击能量下的变化规律[R.P.King,F.Bourgeois.Measurement of fracture energy during single-particle fracture[J].Minerals Engineering,1993, 6(4):353-367]。
其工作过程为：电磁铁断电，钢球下落，在矿石颗粒上方1-3mm处的激光测速仪记录撞击前的速度；钢球接触矿石颗粒后，颗粒受力并将冲击力传递至受力杆上；杆的应变被传感器所测量传递至电桥箱，再将电信号传递至数字存储示波器，后者将其转化为数字信号并计算杆件瞬时形变(接触面的位移)和冲击力(杆件的刚度一定，冲击力由应变法计算)。
在冲击过程中(即从钢球接触矿石颗粒到颗粒碎裂)，受力杆所承力等于颗粒所承冲击力；而钢球位移与受力杆端面位移之差为颗粒在冲击力方向上的形变量，推算过程见式(1)-式(3)
式(1)左侧为冲击过程中钢球的瞬时速度，由牛顿定律推算。其中，ub为钢球的位移，v0为钢球接触颗粒时的初速度，g为重力加速度，mb为钢球的质量，t为自接触开始的时间，F(t)为冲击力。
式(2)左侧为冲击过程中受力杆端面的瞬时速度，由应力波传递规律推算。其中，ur为杆端面的位移，ρr为杆的密度，Ar为杆的横截面积，Cr为应力波在杆中的传播速度。
式3左侧为颗粒受冲击产生的总形变量，其中，τ为辅助积分变量。
如此，UFLC可获得冲击力-时间关系、颗粒形变量-时间关系，进而获得冲击力-形变量关系以计算冲击能量。此处，冲击能量是指矿石在碎裂前所存贮的最大形变能，而碎裂开始(裂隙开始发育扩展)的瞬间可通过冲击力-时间曲线判断。现代磨矿动力学将粉碎能量与碎裂分布相关联，作为磨矿离散元模拟的一个重要的粉碎模型[Tavares LM.Analysis of particle fracture by repeated stressing as damage accumulation[J].Powder Technology,2009, 190(3):327-339]，自2019年被离散元软件EDEM采用。
UFCL存在以下几个短板：
(1)价格昂贵。测冲击力的方式采用了霍普金森杆，需要很高制作和安装精度，价格昂贵，售价在20万以上。
(2)搭建困难。杆长5米左右，还需要留出钢球冲击的高度与装置，设备的总高将近6米，实验室需改造才能装下。
(3)应力波传播速度需测定与校准。
(4)操作不便。因采用钢球砸颗粒，须有较高的对中度，因受力杆很长且细，总是砸偏可能会使受力杆弯曲，因此须有特制装置保证干球下落的对中度，且须经常检查。
发明内容
因此，本发明目的是提供一种测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，克服现有技术的问题。
具体的，本发明提供的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，包括底座、框架，所述试验平台还包括导管、冲头、砧板、冲击力传感器、采集卡、计算机，所述导管悬挂在框架上，所述冲头带有线绳且可从导管顶部进出，所述冲击力传感器放置在底座上，冲击力传感器上方放置砧板，砧板用于放置矿石颗粒并承受来自从导管中落下的冲头对矿石颗粒的冲击，冲击力传感器与采集卡之间通讯连接，采集卡与计算机之间通讯连接。
本发明的有益效果在于：本发明提出的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，主要优点包括：
1.测试矿石颗粒受冲击粉碎时冲击力、位移随时间的演化；基于此，将冲击力在位移中积分，测算出矿石受冲击时的形变能；
2.基于上述结果，配合对粉碎产品的粒度分析，研究矿石力学性质、锤头刚度(材质)、锤头曲率、下落高度(冲击末速)对矿石粉碎特性的影响；
3.测试的矿石颗粒为球磨机粗磨所处理的粒度范围，为0.5-20mm，冲击力分辨率1N，位移分辨率1μm，时间步1μs；
4.冲击力传感器价格较霍普金森杆价格便宜很多，在1万元以内；且使用方便，无需校准应力波传播速度；装置小型轻便，对实验室无特殊要求。
附图说明
图1是本发明测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台的结构图。
图2是图1中冲击装置部分的立体图。
附图标记如下：
1、导管；2、框架；3、冲头；4、砧板；5、冲击力传感器；6、底座；7、调节脚杯；8、限位器；9、采集卡；10、计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
如图1、图2所示，本发明的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台。其中，颗粒受冲击粉碎发生在冲击装置中，信号传递至高速采集卡9被处理，之后再传递至计算机10上显示数据。
矿石颗粒放置在砧板4之上，与冲击力传感器5紧密贴合，防止因松动而产生额外的震动；导管1在矿石颗粒的上方，外表面有刻度，内部中空，内含冲头3，引导其从指定高度重置下落直至冲击到矿石颗粒，保证了冲击的对中度；冲头3有3款，平头、曲率半径较大的圆头、曲率半径较小的圆头，后有细线，方便拖拽，可从导管1顶部放入或取出；冲头上部有一圈突出的外缘；导管1中下部可加设限位器8(如小插销)，即冲头3下落到一定位置时限位器8与冲头3的外缘接触，阻挡其继续下落，防止在无颗粒时冲头3从高处下落击坏冲击力传感器5。
导管1悬挂在型材框架2上，其下部可用透明塑料围住，防止冲击时碎裂颗粒飞溅；型材框架2、冲击力传感器5均固定在底座6，其下有调节脚杯7(4 只)以调节水平；上述部件共同构成冲击装置。
冲击力传感器5能测得颗粒传递至砧板4的瞬时力，在计算机10中绘制出冲击力-时间关系曲线。与式1、式3同理，通过式4计算出冲击过程中冲头3 的位移uc。与UFCL中受力杆不同，砧板4、冲击力传感器5的刚度很大，设计范围内的冲击力几乎不能使其发生形变。因此，位移uc等于矿石颗粒在冲击力方向上的形变量。
其中，uc为冲头3的位移(颗粒的总形变量)，v0为其接触颗粒时的初速度，g为重力加速度，mc为3冲头的质量，t为自接触开始的时间，F(t)为冲击力，τ为辅助积分变量。
结合冲击力-时间关系与颗粒形变-时间关系，可得冲击力-颗粒形变关系，令冲击力在形变上积分可得冲击粉碎能量，见式5。
其中，Eb为颗粒的冲击粉碎能量，即从冲击开始到颗粒开始碎裂所存贮的形变能，ucb为碎裂开始发生时的形变量。
部件的规格型号具体见表1。
表1试验平台部件明细
相较UFLC装置，本发明有如下效果：
(1)测试的矿石颗粒为球磨机所处理的粒度范围0.5-20mm，冲击力分辨率1N，位移分辨率1μm，时间步1μs，满足磨矿动力学的研究要求，其精度与UFLC相同；
(2)装置较UFCL便宜，可省最少20万元；
(3)装置小型轻便，摆在实验桌上即可应用，对房间无特殊要求；
(4)导轨引导冲头下落，保证了冲击的对中度，不必经常检查；
(5)因砧板与冲击力传感器刚度极高，试验范围内的冲击力引起的形变极小(＜1μm)，可忽略，在推算形变量时，不必考虑应力波传播速度，故不需测定、校准该值。
(6)相较UFLC所用的受力杆，冲击力传感器比较脆弱，超出量程1.5倍即会损坏，如冲头从高处直接冲击砧板。故在导管下部加装限位器(一个插在特定位置的小插销)，当冲头端面距离砧板0.2mm时会被挡住，防止两者刚性碰撞。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，包括底座、框架，其特征在于，所述试验平台还包括导管、冲头、砧板、冲击力传感器、采集卡、计算机，所述导管悬挂在框架上，所述冲头带有线绳且可从导管顶部进出，所述冲击力传感器放置在底座上，冲击力传感器上方放置砧板，砧板用于放置矿石颗粒并承受来自从导管中落下的冲头对矿石颗粒的冲击，冲击力传感器与采集卡之间通讯连接，采集卡与计算机之间通讯连接。
2.如权利要求1所述的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，其特征在于，所述底座下方设有调节脚杯，用于调节底座水平，保证冲头垂直砸向矿石颗粒。
3.如权利要求1所述的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，其特征在于，所述导管下部设有限位器，用于限制冲头与砧板接触，防止在无矿石颗粒时冲头直接砸向砧板导致冲击力传感器损毁。
4.如权利要求1所述的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，其特征在于，所述导管长370mm，内径φ27mm，厚度4mm，导管上设有刻度，刻度分度值1mm，刻度用于控制冲头下落高度。
5.如权利要求1所述的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，其特征在于，所述框架为铝型材3030，高430mm，长×宽为240mm×240mm。
6.如权利要求1所述的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，其特征在于，所述冲头为W6Mo5Cr4V2高速钢，横截面内径φ20mm。
7.如权利要求1所述的测试矿石颗粒受冲击粉碎特性的试验平台，其特征在于，所述冲击力传感器响应频率可达9.6kHz，所述采集卡采样率为156kHz,四通道同步。
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