CN115165569A - 三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，包括约束底座、至少两个约束件以及至少两个测量传感器，约束底座上形成有槽口朝上的容置槽，容置槽用以供颗粒容置，容置槽的内壁开设有多个安装孔，多个安装孔沿容置槽的内壁面的法线方向延伸，至少两个约束件对应分设于多个安装孔的其中任意至少两个，每一约束件具有用以与颗粒的表面接触的约束部，至少两个测量传感器用以检测约束部与颗粒的表面之间的接触力。本发明提供的颗粒接触力测量装置，能够实现对不同颗粒的多点约束状态模拟，三维空间内多点约束灵活可控；可以适应球形、棒状或扁圆形等任意形状颗粒；并且，接触力的测量不依赖其他颗粒进行测算，接触力测量准确。

Description

三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置
技术领域
本发明涉及颗粒材料力学技术领域，特别涉及一种三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置。
背景技术
对堆石颗粒材料的高应力力学响应多基于单轴压缩试验，其仅考虑了上下两个加载点，而颗粒处于堆积体中时，颗粒受到其他颗粒的约束可以有几个甚至几十个，且约束的角度在三维空间中也是随机的，显然，通过单轴压缩试验所测得的颗粒力学响应与颗粒处于堆积体中的实际情况差别较大，测试不准确。因此，需要提供一种能够模拟多点约束状态且三维空间内可控调整的颗粒接触力测量装置。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，旨在提供一种能够模拟多点约束状态且三维空间内可控调整的颗粒接触力测量装置。
为实现上述目的，本发明提出的一种三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，包括：
约束底座，所述约束底座上形成有槽口朝上的容置槽，所述容置槽用以供颗粒容置，所述容置槽的内壁开设有多个安装孔，多个所述安装孔沿所述容置槽的内壁面的法线方向延伸；
至少两个约束件，对应分设于多个所述安装孔的其中任意至少两个，每一所述约束件具有用以与所述颗粒的表面接触的约束部；以及，
至少两个测量传感器，设于所述约束底座，且与至少两个所述约束件一一对应，所述测量传感器用以检测所述约束部与所述颗粒的表面之间的接触力。
可选地，所述约束底座包括：
安装台，所述安装台上形成有开口朝上的安装槽；以及，
至少两个约束支架，每一所述约束支架的一端固定于所述安装槽的槽底，另一端伸出所述安装槽并固定在所述安装台的上侧面，所述至少两个约束支架的上侧面共同限定出所述容置槽，每一所述约束支架的上侧面设有至少一个所述安装孔。
可选地，所述安装台的上侧面设有多个固定位置，多个所述固定位置沿所述开口的周向间隔分布；
至少两个所述约束支架的另一端分别通过紧固件固定于多个所述固定位置的其中任意至少两个。
可选地，所述安装台的上侧面设有环绕所述开口设置的环形滑槽，所述环形滑槽上沿周向的不同位置构成多个所述固定位置。
可选地，每一所述约束支架的上侧面设有至少两个所述安装孔，至少两个所述安装孔沿所述约束支架的长度方向间隔布置。
可选地，所述安装台、所述约束支架以及所述约束件的材质均为高强度钢。
可选地，所述约束部呈球面设置。
可选地，所述测量传感器包括微型压力传感器。
可选地，还包括加载装置，所述加载装置用于自上向下对所述颗粒施加载荷。
可选地，所述加载装置包括液压施力装置，所述液压施力装置具有输出端，所述输出端设有加载板，所述液压施力装置通过所述加载板对所述颗粒施加载荷。
本发明的技术方案中，需要测量堆石颗粒的接触力时，根据该颗粒所受约束的个数和三维空间位置的情况，选取对应个数的约束件，并将选出的每一约束件放入多个安装孔中与该约束件的三维空间位置对应的安装孔上，接着将该颗粒放入容置槽中并保持颗粒表面的各约束点与对应约束件的约束部接触，再然后，自上向下对颗粒施加载荷直至颗粒破碎，施加载荷的同时通过测量传感器检测各约束部与颗粒表面之间的接触力。本方案中，对堆石颗粒的约束通过约束件的约束部实现，当面对不同多点约束状态的颗粒仅需调整约束件个数和安装孔位置即可，以实现对不同颗粒的多点约束状态模拟，三维空间内多点约束灵活可控；此外，容置槽的形状可以是任意形状，可以适应球形、棒状或扁圆形等任意形状颗粒；并且，接触力的测量直接通过测量传感器检测约束部和颗粒表面之间的接触力实现，不依赖其他颗粒进行测算，接触力测量准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置的一实施例的结构示意图；
图2为图1中约束底座的正视图；
图3为图1中约束底座的附视图；
图4为图1中约束支架的结构示意图。
附图标号说明：
Figure BDA0003735943200000031
Figure BDA0003735943200000041
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示) 下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
对堆石颗粒材料的高应力力学响应多基于单轴压缩试验，其仅考虑了上下两个加载点，而颗粒处于堆积体中时，颗粒受到其他颗粒的约束可以有几个甚至几十个，且约束的角度在三维空间中也是随机的，显然，通过单轴压缩试验所测得的颗粒力学响应与颗粒处于堆积体中的实际情况差别较大，测试不准确。因此，需要提供一种能够模拟多点约束状态且三维空间内可控调整的颗粒接触力测量装置。
鉴于此，本发明提供一种三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，请参照图1至图4，图1至图4为本发明提供的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置的实施例。
如图1至图4所示，所述三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置 100包括约束底座1、至少两个约束件2以及至少两个测量传感器3，所述约束底座1上形成有槽口朝上的容置槽11，所述容置槽11用以供颗粒200容置，所述容置槽11的内壁开设有多个安装孔12，多个所述安装孔12沿所述容置槽11的内壁面的法线方向延伸，至少两个所述约束件2对应分设于多个所述安装孔12的其中任意至少两个，每一所述约束件2具有用以与所述颗粒200 的表面接触的约束部21，至少两个所述测量传感器3，设于所述约束底座1，且与至少两个所述约束件2一一对应，所述测量传感器3用以检测所述约束部21与所述颗粒200的表面之间的接触力。
本发明的技术方案中，需要测量堆石颗粒200的接触力时，根据该颗粒 200所受约束的个数和三维空间位置的情况，选取对应个数的约束件2，并将选出的每一约束件2放入多个安装孔12中与该约束件2的三维空间位置对应的安装孔12上，接着将该颗粒200放入容置槽11中并保持颗粒200表面的各约束点与对应约束件2的约束部21接触，再然后，自上向下对颗粒200施加载荷直至颗粒200破碎，施加载荷的同时通过测量传感器3检测各约束部21与颗粒200表面之间的接触力。本方案中，对堆石颗粒的约束通过约束件 2的约束部21实现，当面对不同多点约束状态的颗粒仅需调整约束件2个数和安装孔12位置即可，以实现对不同颗粒的多点约束状态模拟，三维空间内多点约束灵活可控；此外，容置槽11的形状可以是任意形状，可以适应球形、棒状或扁圆形等任意形状颗粒；并且，接触力的测量直接通过测量传感器3 检测约束部21和颗粒200表面之间的接触力实现，不依赖其他颗粒进行测算，接触力测量准确。
需要说明的是，本发明对容置槽11的具体形状不做限制，可以是半球形、椭球形或沉孔形等，以适应球形颗粒、棒状颗粒或扁圆形颗粒。
具体地，在本发明实施例中，所述约束底座1包括安装台13以及至少两个约束支架14，所述安装台13上形成有开口131a朝上的安装槽131，每一所述约束支架14的一端固定于所述安装槽131的槽底，另一端伸出所述安装槽131并固定在所述安装台13的上侧面，所述至少两个约束支架14的上侧面共同限定出所述容置槽11，每一所述约束支架14的上侧面设有至少一个所述安装孔12。直接在约束支架14上开孔相比于在容置槽11的内壁开孔更容易，便于加工制造。具体地，每一所述约束支架14的一端通过螺杆固定于所述安装槽131的槽底。当然，在一些实施例中，可以至少两个所述约束支架 14均通过同一个螺杆固定于所述安装槽131的槽底。
将颗粒200置于安置槽内后，颗粒200表面的每一约束点均具有水平角和俯仰角，以安置槽为半球槽为例说明，约定半球槽的球心所在水平面为基准水平面，约定过半球槽的球心且与前后向垂直的竖直平面为基准竖直平面，约束点与半球槽的球心的连线所在的竖直平面与基准竖直平面的夹角为水平角，约束点与半球槽的球心的连线与基准水平面的夹角为俯仰角。
所述安装台13的上侧面设有多个固定位置，多个所述固定位置沿所述开口131a的周向间隔分布；至少两个所述约束支架14的另一端分别通过紧固件固定于多个所述固定位置的其中任意至少两个。需要说明的是，这里“所述约束支架14的另一端”与前次所述“另一端伸出所述安装槽131”为同一端。设定所述约束支架14的一个安装孔12为第一安装孔12，通过调整所述约束支架14所处的具体固定位置，会使得第一安装孔12在水平面的位置出现变化，也即，通过调整，第一安装孔12能对应颗粒200表面上不同水平角的约束点，在满足试验需求的条件下，无需设置过多的约束支架14，减少成本。
此外，所述安装台13的上侧面设有环绕所述开口131a设置的环形滑槽 132，所述环形滑槽132上沿周向的不同位置构成多个所述固定位置。通过将所述约束支架14的另一端于所述环形滑槽132上滑动，即可调整所述约束支架14所处的具体固定位置，操作简单。具体地，在本发明实施例中，所述约束支架14的另一端通过紧固件固定在所述固定位置。
进一步地，每一所述约束支架14的上侧面设有至少两个所述安装孔12，至少两个所述安装孔12沿所述约束支架14的长度方向间隔布置。在所述约束支架14设置更多的安装孔12，能够对应颗粒200表面上不同俯仰角的约束点，能够为颗粒200提供多组不同俯仰角的约束。具体地，在本发明实施例中，约束支架14为90°圆弧形支架，约束支架14上的安装孔12间隔为15°，当然，约束支架14的角度范围亦可以根据试验需求进行适度缩小和扩张，安装孔12角度间隔亦可以根据试验需求进行加密以适应更多角度。
不仅如此，所述安装台13、所述约束支架14以及所述约束件2的材质均为高强度钢，以避免部件过度变形，导致颗粒200与约束部21脱离。
所述约束部21呈球面设置，球面以对颗粒200提供点接触形式。在另一些实施例中，球面亦可替换为平面、圆弧面或尖点等，以提供其他形式的接触形式。
需要说明的是，本发明不限制各约束件2的具体长度，可以同样长，也不一样长，本发明优选各约束件2长度不一，以适应不用形状的颗粒200。
所述测量传感器3包括微型压力传感器，接触力的测量直接通过微型压力传感器获取，不依赖其他颗粒进行测算，接触力测量准确。具体地，所述微型压力传感器固定在所述约束底座1上，且与所述约束件2背离所述颗粒 200的一端连接，以检测所述约束件2所受压力，所述约束件2沿所述安装孔 12的轴向可活动地插置在所述安装孔12。
所述三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置100还包括加载装置 4，所述加载装置4用于自上向下对所述颗粒200施加载荷。具体地，所述加载装置4包括液压施力装置41，所述液压施力装置41具有输出端，所述输出端设有加载板42，所述液压施力装置41通过所述加载板42对所述颗粒200 施加载荷。通过液压施力装置41持续对颗粒200施加载荷，检测并记录颗粒 200表面所有约束点的接触力变化以及加载板42的压力及位移数据。
所述三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置100还包括采集仪5 以及计算机6，采集仪5与测量传感器3电连接，计算机6与采集仪5电连接。
所述三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置的使用过程如下：
步骤1、确定颗粒的约束状态，计算颗粒表面所有约束点的水平角和俯仰角；
步骤2、根据各约束点的水平角和俯仰角，在对应的安装孔上安装约束件；
步骤3、将颗粒放入容置槽中并保持颗粒表面的各约束点与对应约束件的约束部接触；
步骤4、自上向下对颗粒施加载荷直至颗粒破碎，施加载荷的同时通过测量传感器检测各约束部与颗粒表面之间的接触力。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，包括：
约束底座，所述约束底座上形成有槽口朝上的容置槽，所述容置槽用以供颗粒容置，所述容置槽的内壁开设有多个安装孔，多个所述安装孔沿所述容置槽的内壁面的法线方向延伸；
至少两个约束件，对应分设于多个所述安装孔的其中任意至少两个，每一所述约束件具有用以与所述颗粒的表面接触的约束部；以及，
至少两个测量传感器，设于所述约束底座，且与至少两个所述约束件一一对应，所述测量传感器用以检测所述约束部与所述颗粒的表面之间的接触力。
2.如权利要求1所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，所述约束底座包括：
安装台，所述安装台上形成有开口朝上的安装槽；以及，
至少两个约束支架，每一所述约束支架的一端固定于所述安装槽的槽底，另一端伸出所述安装槽并固定在所述安装台的上侧面，所述至少两个约束支架的上侧面共同限定出所述容置槽，每一所述约束支架的上侧面设有至少一个所述安装孔。
3.如权利要求2所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，所述安装台的上侧面设有多个固定位置，多个所述固定位置沿所述开口的周向间隔分布；
至少两个所述约束支架的另一端分别通过紧固件固定于多个所述固定位置的其中任意至少两个。
4.如权利要求3所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，所述安装台的上侧面设有环绕所述开口设置的环形滑槽，所述环形滑槽上沿周向的不同位置构成多个所述固定位置。
5.如权利要求2所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，每一所述约束支架的上侧面设有至少两个所述安装孔，至少两个所述安装孔沿所述约束支架的长度方向间隔布置。
6.如权利要求2所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，所述安装台、所述约束支架以及所述约束件的材质均为高强度钢。
7.如权利要求1所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，所述约束部呈球面设置。
8.如权利要求1所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，所述测量传感器包括微型压力传感器。
9.如权利要求1所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，还包括加载装置，所述加载装置用于自上向下对所述颗粒施加载荷。
10.如权利要求9所述的三维可控多点约束状态的颗粒接触力测量装置，其特征在于，所述加载装置包括液压施力装置，所述液压施力装置具有输出端，所述输出端设有加载板，所述液压施力装置通过所述加载板对所述颗粒施加载荷。
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