CN112229767B - 一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法，该装置包括传力丝杆，弹簧，力传感器，压杆，上腔体，主腔体，下腔体和供气系统。其中上腔体和下腔体通过螺杆紧固连接，中间夹装主腔体，形成上下贯通的密封气腔。主腔体采用透明的亚克力材质整体加工而成，内部装填颗粒物质，顶端装有可上下移动的活塞式压头，底部通过焊接在下腔体上的进气口过滤板支撑；腔体顶部安装有压杆，下腔体底部通过法兰螺栓与振动台连接；上腔体的出气口接管和下腔体的进气口接管分别与供气系统相连接，并且在接管上安装流量计和压力计。本发明能够充分模拟包层内颗粒的热应力环境，在给颗粒物质加上压力载荷同时，观察颗粒受到振动时的运动状态。

Description

一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法

技术领域

本发明属于颗粒物质振动动力学测量技术领域，具体涉及一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法。

背景技术

颗粒物质是由大量离散的固体颗粒组成的体系，颗粒物质具有流体的流动性，又具备固体的强抗压性，因而被广泛地应用于工业领域。在聚变堆的固态包层设计中，氚增殖剂和中子倍增剂被设计制造为球形颗粒。

颗粒物质在竖直振动激励下会出现混合物的分离现象，如“巴西果”效应，即混合颗粒受到垂直振动后，大颗粒上浮到表层，而小颗粒下沉到底层的现象。但是由于颗粒体系的复杂性，难以对受到振动后的颗粒运动状态进行预测，而且目前对于颗粒受到振动后产生的“巴西果”效应和“反巴西果”效应，仍然没有一个普遍接受的理论对其进行解释。因此，本发明旨在设计一种实验装置，模拟包层内颗粒受到热应力环境，在给颗粒加上一定的压力负载后，测量颗粒受到垂直振动后的运动状态（如颗粒的速度和运动轨迹，混合颗粒的分布情况），揭示颗粒系统受到振动后的运动规律，为聚变堆固态包层的设计研究提供数据支持。

目前对于颗粒物质振动分层现象的研究，董军军在《颗粒材料振动实验仪研制》一文中，设计了一种颗粒材料振动实验仪，其不足之处是：主实验腔体并未采用透明材质，无法对实验中的颗粒运动状态进行观察，且颗粒并没有抽真空后通入气体，忽略了气体对分层现象的影响。李芳芳在《竖直振动颗粒床对流机制的颗粒尺度实验研究》一文中设计了一种实验系统，可以高速拍摄振动颗粒床的振动，经软件处理后可获得颗粒的运动轨迹，其不足之处是没有压力加载系统，无法模拟预应力载荷环境开展颗粒物质振动状态实验研究。

总结上述研究中几种测量颗粒振动的实验装置，其设计方案的不足之处，主要有以下几点：（1）没有考虑气体对颗粒振动后的运动状态的影响。（2）没有压力加载装置，无法真实模拟预应力载荷环境。（3）主腔室没有采用透明材质，无法对颗粒振动后的运动状态进行实时的观察测量。

发明内容

为了克服现有装置无法测量颗粒的运动流场、无颗粒加压设备和供气系统的缺点，本发明提出一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法，用于测量颗粒在受到垂直振动后的运动状态。该装置的主腔体采用透明材质制作，利于对颗粒的运动轨迹进行观察测量。本装置采用了加载组件对主腔体的颗粒进行加压以模拟包层内的热应力环境。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种测量颗粒物质振动的实验装置，该装置包括传力丝杆， 弹簧，力传感器，压杆，上腔体，主腔体，下腔体和供气系统组成，其中上腔体和下腔体通过螺杆紧固连接，中间夹装主腔体，形成上下贯通的密封气腔；所述的主腔体采用透明的亚克力材质整体加工而成，可以对内部装填的颗粒物质运动状态进行实时的观察测量，顶端装有可上下移动的活塞式压头，底部通过焊接在下腔体上的进气口过滤板支撑；所述的上腔体顶部安装有压杆，下腔体底部通过法兰螺栓与振动台连接；上腔体的出气口接管和下腔体的进气口接管分别与供气系统相连接，并且在接管上安装流量计和压力计。

进一步地，所述的传力丝杆和传力丝杆法兰通过自锁螺纹配合，由力臂带动传力丝杆旋转并沿轴向向下进动，传力丝杆法兰由4根支撑杆固定在上腔体法兰上。

进一步地，所述的传力丝杆向下进动产生的压力由弹簧，传力腔，力传感器和压杆向下逐级传递给活塞式压头，最终作用于主腔体内的颗粒物质；所述的传力杆配有加长杆，以适配不同球床高度。所述的弹簧置于传力腔内，力传感器固定于压杆顶端，压杆底端置于活塞式压头顶部的圆柱形空腔内。

进一步地，所述的主腔体的上下端面分别与上腔体和下腔体通过橡胶圈密封，上腔体顶端与压杆之间使用两道O型密封圈进行侧密封。

进一步地，实验气体由供气系统经进气口接管进入下腔体，再经进气口过滤板进入主腔体，然后经活塞式压头进入上腔体，最后经过出气口接管流回供气系统，形成闭式循环。

一种测量颗粒物质振动的方法，利用所述的测量颗粒物质振动的实验装置，具体步骤如下：

步骤1：实验前，将下腔体与振动台连接紧固，再将主腔体置于下腔体之上，加入颗粒物质，然后连接上腔体、下腔体和主腔体，将进气口接管和出气口接管和供气系统连接，做好装置密封处理，准备实验；

步骤2：实验开始时，对实验装置进行抽真空处理，并打开供气系统，向主腔体内通入气体，并打开流量计和压力计，以测量进入主腔体的气体压力和流量；

步骤3：转动力臂并带动传力丝杆向下运动，压杆下端空载时，通过力传感器测量空载摩擦力；压杆下端的活塞式压头触及颗粒物质时，压力逐级传递给颗粒物质，由力传感器测量压力载荷，并考虑空载摩擦力进行修正；

步骤4：打开振动台，将频率振幅调到实验所需的工况，并且在实验时，可以通过透明的主腔体观察混合颗粒的运动状态；

步骤5：待振动时间满足要求时，观察腔室内混合颗粒的最终分布情况，是否产生分层现象，并且记录此次实验的振动频率振幅，振动时间，颗粒大小、密度、配比等实验参数；

步骤6：改变实验参数，重复步骤5，多次实验后，得到颗粒振动分层现象的相图；

步骤7：完成所有实验后，依次关闭振动台，供气系统，并对颗粒进行卸载工作，将颗粒从主腔体中取出，结束实验。

本发明与现有相比的优点是：

（1）本发明采用传力丝杆和弹簧的组合，对振动时的颗粒物质进行加压，有效地模拟了颗粒物质预应力载荷条件。且弹簧能够起缓冲作用，避免振动过程中外载荷骤然降低。

（2）本发明的主腔体采用亚克力材质整体加工而成，主腔体内球床振动状态可视，视野范围包含整个球床区域，方便对振动时颗粒的运动状态进行观察测量。

（3）采用供气系统，能够探究气体对颗粒振动后运动状态的影响，阐明颗粒振动过程中间隙气体效应的作用机理。

附图说明

图 1 为本发明一种测量颗粒物质振动的实验装置的三维剖视图；

图 2 为本发明气体循环实验图；

图 3 为本发明压力加载实验图；

图 4 为本发明的实验步骤图；

图中：1为传力丝杆；2为支撑杆；3为弹簧；4为传力腔；5为力传感器；6为压杆；7为出气口接管；8为螺杆；9为活塞式压头；10为过滤板；11为下腔体；12为进气口接管；13为流量计；14为压力计；15为供气系统；16为主腔体；17为传力丝杆法兰；18为橡胶圈；19为上腔体；20为压杆加长杆。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种测量颗粒物质振动的实验装置，包括传力丝杆1，弹簧3，力传感器5，压杆6，上腔体19，主腔体16，下腔体11和供气系统15，上腔体19有出气口接管7，用以与供气系统15的出气口相连接，上腔体19动密封腔通过双道 O 型圈完成与压杆6的侧密封。上腔体底法兰和下腔体上法兰与透明主腔体16均依靠O型圈进行密封，并用螺杆8将主腔体16固定在两个法兰之间。主腔体16为试验段的本体，结构形式为方管形式。采用亚克力透明材质整体加工而成，方便振动实验时对颗粒的运动状态进行观察测量，主腔体顶端装有可上下移动的活塞式压头9，底部通过焊接在下腔体11上的进气口过滤板10支撑；上腔体19的出气口接管7和下腔体11的进气口接管12分别与供气系统15相连接，并且在接管上安装流量计13和压力计14。下腔体11底法兰通过螺栓与振动台完成紧固连接。

图2显示了气体的流通方向，气体从下腔体11进气口接管12进入下腔体11，再向上经由进气口过滤板10进入主腔体16中，使颗粒在振动时受到的气体压强满足设计要求，而后气体经由活塞式压头9进入上腔体19中，最后通过上腔体19的出气口接管7排出，从而形成完整的气体循环。在通入气体的同时，打开流量计13和压力计14，测量进入主腔体16的气体压力和流量。为保证振动实验的顺利进行，该装置与供气系统15之间采用带网体波纹管进行连接。通过该供气系统15，可以给颗粒球床通入气体，且气体的流速和压力可以通过该供气系统15测量和控制，通过该供气系统15，可以探究颗粒间气体对振动后颗粒分层现象的影响。图2箭头为气体流通的方向，图2的截面是图1的中间剖面图。

图3示了压力加载的实验过程：加载时，顺时针转动传力丝杆1，丝杆向下运动压缩传力腔4内的弹簧3，弹簧3压缩形变并连同传力腔4一同产生向下的力。力传感器5、压杆6和活塞式压头9三者之间通过螺栓紧固并连接成一个主体，传力腔4向下的力作用在此主体上，继而该主体将此向下的力作用在颗粒球上，力的大小根据力传感器5测出。通过压载组件系统，可以将弹簧变形的压力传递给主腔体16的颗粒上，从而满足实验时所需的压力加载的要求。图3 箭头为压力传递的方向。

在进行颗粒振动实验时，球床的颗粒填充高度变化区间较大，为了使压力加载实验能覆盖所有的球床高度，本发明设计了压杆加长杆20来适配不同球床高度。当球床颗粒高度一定时，选取合适长度的压杆加长杆20，通过螺栓将其上下端分别与压杆6和活塞式压头9相连接，并组成一根完成传力加载杆。当实验条件发生变化，球床的高度发生改变时，更换上对应长度的压杆加长杆20即可，使得传力加载杆满足压力加载的要求。

该装置除加载部件外，其余主体均采用铝合金加工，用于为设备减重。同时力臂在完成对传力丝杆1的加载作业后即可拆除。传力丝杆法兰17和主腔体的支撑杆2也可在压力加载完成后，振动试验开始之前拆除，保证可视化无干扰。

图4显示了本发明具体实验方法和步骤，通过本发明的实验装置，可以开展气体吹扫球床颗粒振动实验，压力载荷下球床颗粒振动实验，具体步骤如下：

步骤1：实验前，将下腔体11与振动台连接紧固，再将主腔体16置于下腔体11之上，加入颗粒物质，然后连接上腔体19、下腔体11和主腔体16，将出气口接管7和进气口接管12和供气系统15连接，做好装置密封处理，准备实验；

步骤2：实验开始时，对实验装置进行抽真空处理，并打开供气系统15，向主腔体内通入气体。并打开流量计13和压力计14，以测量进入主腔体16的气体压力和流量；

步骤3：转动力臂并带动传力丝杆1向下运动，压杆6下端空载时，通过力传感器5测量空载摩擦力；压杆下端的活塞式压头9触及颗粒物质时，压力逐级传递给颗粒物质，由力传感器5测量压力载荷，并考虑空载摩擦力进行修正；

步骤4：打开振动台，将频率振幅调到实验所需的工况，并且在实验时，可以通过透明的主腔体16观察混合颗粒的运动状态；

步骤5：待振动时间满足要求时，观察腔室内混合颗粒的最终分布情况，是否产生分层现象，并且纪录此次实验的振动频率振幅，振动时间，颗粒大小、密度、配比等实验参数；

步骤6：改变实验参数，重复步骤5，多次实验后，得到颗粒振动的分层区域相图；

步骤7：完成所有实验后，依次关闭振动台，供气系统，并对颗粒进行卸载工作，将颗粒从主腔体16中取出，结束实验。

本发明未详细陈述的部分，属于本领域的公知技术。

尽管以上内容对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求和本发明确定的精神和范围内，这些变化是显而易见的，均在本发明保护之列。

Claims (1)

1.一种测量颗粒物质振动的方法，其特征在于：所述方法采用的实验装置包括传力丝杆（1），弹簧（3），力传感器（5），压杆（6），上腔体（19），主腔体（16），下腔体（11）和供气系统（15），其中上腔体（19）和下腔体（11）通过螺杆（8）紧固连接，中间夹装主腔体（16），形成上下贯通的密封气腔；所述的主腔体（16）采用透明的亚克力材质整体加工而成，内部装填颗粒物质，顶端装有可上下移动的活塞式压头（9），底部通过焊接在下腔体（11）上的进气口过滤板（10）支撑；所述的上腔体（19）顶部安装有压杆（6），下腔体（11）底部通过法兰螺栓与振动台连接；上腔体（19）的出气口接管（7）和下腔体（11）的进气口接管（12）分别与供气系统（15）相连接，并且在接管上安装流量计（13）和压力计（14）；

其中，所述的传力丝杆（1）和传力丝杆法兰（17）通过自锁螺纹配合，由力臂带动传力丝杆（1）旋转并沿轴向下进动，传力丝杆法兰（17）由4根支撑杆（2）固定在上腔体（19）法兰上；

所述的传力丝杆（1）向下产生的压力由弹簧（3），传力腔（4），力传感器（5）和压杆（6）向下逐级传递给活塞式压头（9），最终作用于主腔体（16）内的颗粒物质；所述的弹簧（3）置于传力腔（4）内，力传感器（5）固定于压杆（6）顶端，压杆（6）底端置于活塞式压头（9）顶部的圆柱形空腔内；

所述的主腔体（16）的上下端面分别与上腔体（19）和下腔体（11）通过橡胶圈（18）密封，上腔体（19）顶端与压杆（6）之间使用两道O型密封圈进行侧密封；

实验气体由供气系统（15）经进气口接管（12）进入下腔体（11），再经进气口过滤板（10）进入主腔体（16），然后经活塞式压头（9）进入上腔体（19），最后经过出气口接管（7）流回供气系统（15），形成闭式循环；

所述实验装置还包括压杆加长杆（20），来适配不同球床高度；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：实验前，将下腔体（11）与振动台连接紧固，再将主腔体（16）置于下腔体（11）之上，加入颗粒物质，然后连接上腔体（19）、下腔体（11）和主腔体（16），将进气口接管（12）和出气口接管（7）和供气系统（15）连接，做好装置密封处理，准备实验；

步骤2：实验开始时，对实验装置进行抽真空处理，并打开供气系统（15），向主腔体（16）内通入气体，并打开流量计（13）和压力计（14），以测量进入主腔体（16）的气体压力和流量；

步骤3：转动力臂并带动传力丝杆（1）向下运动，压杆（6）下端空载时，通过力传感器（5）测量空载摩擦力；压杆（6）下端的活塞式压头（9）触及颗粒物质时，压力逐级传递给颗粒物质，由力传感器（5）测量压力载荷，并考虑空载摩擦力进行修正；

步骤4：打开振动台，将频率振幅调到实验所需的工况，并且在实验时，通过透明的主腔体（16）观察混合颗粒的运动状态；

步骤5：待振动时间满足要求时，观察腔室内混合颗粒的最终分布情况，是否产生分层现象，并且记录此次实验的振动频率振幅，振动时间，颗粒大小、密度和配比的实验参数；

步骤6：改变实验参数，重复步骤5，多次实验后，得到颗粒振动分层现象的相图；

步骤7：完成所有实验后，依次关闭振动台，供气系统，并对颗粒进行卸载工作，将颗粒从主腔体（16）中取出，结束实验。