CS245135B1

CS245135B1 - Friction properties measuring device

Info

Publication number: CS245135B1
Application number: CS851173A
Authority: CS
Inventors: Jiri Smid; Ulrich Schuenemann; Detlef Hoehne; Curt Krumbiegel; Jan Novosad
Original assignee: Jiri Smid; Ulrich Schuenemann; Detlef Hoehne; Curt Krumbiegel; Jan Novosad
Priority date: 1985-02-12
Filing date: 1985-02-12
Publication date: 1986-08-14
Also published as: CS117385A1

Description

Vynález se týká zařízení k měření frikčních vlastností v sypkých hmotách, zeminách a podobných materiálech, v dalším nazývaných sypkými hmotami, nebo v ploše dotyku mezi sypkými hmotami a kompaktní tuhou látkou, popřípadě mezi vzorky kompaktních tuhých látek, a to současným zjištěním smykových a normálných napětí v rovině smyku.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device for measuring frictional properties in bulk materials, soils and the like, hereinafter referred to as bulk materials, or in the contact area between bulk materials and compact solids, or between samples of compact solids by simultaneously detecting shear and normal stresses. in the shear plane.

Získané výsledky měření slouží například pro dimenzování zásobníků, určování pevnosti kleneb, charakterizaci procesu drcení sypkých hmot nebo· pro určení součinitelů tření mezi kompaktními tuhými látkami.The measurement results obtained are used, for example, to design containers, to determine the vault strength, to characterize the grinding process of bulk materials, or to determine the coefficients of friction between compact solids.

Zařízení k měření frikčních vlastností jsou známa. Nejčastěji používaná zařízení patří do skupiny rotačních smykových přístrojů pro sypké hmoty, viz Schwedes: Freiberger Forschungshefte A 634, 1980, str. 35 až 51. U těchto aparátů se měřený objekt, například vzorek, nachází mezi dvěma s výhodou horizontálně uloženými kruhovými nebo· prstencovými koaxiálními deskami. Normálně napětí se vkládá na desky vnější silou, smykové napětí se vyvozuje kroutícím momentem mezi deskami vůči středové ose. Souosé vedení je zajištěno středovým ložiskem.Devices for measuring frictional properties are known. The most commonly used devices belong to the group of rotary shear devices for loose materials, see Schwedes: Freiberger Forschungshefte A 634, 1980, pp. 35 to 51. In these devices, the measured object, for example a sample, lies between two preferably horizontally placed circular or annular coaxial plates. Normally the stress is applied to the plates by external force, the shear stress is generated by the torque between the plates relative to the centerline. The coaxial guide is secured by the central bearing.

Rozlišují se dvě varianty přístrojů, a to — pro měření k vyvolání smyku potřebného kroutícího momentu při jinak konstantní vnější normálně síle a při proměnném objemu vzorku a — pro měření normálného napětí a kroutícího momentu při smyku za konstantního objemu vzorku.Two instrument variants are distinguished, namely: - for measuring shear to produce the required torque at an otherwise constant external normal force and at varying sample volume, and - for measuring normal stress and shear torque at a constant sample volume.

Typickými zástupci obou těchto skupin jsou např. přístroje podle CARRA a WALKERA, viz Powder Technology 1, 1968, 6, str. 369 až 373, či NOVOSADA, viz European Symposimu Particle Technology, Amsterdam 1980, Preprínts Vol. B, str. 1 035 až 1 046.Typical representatives of both groups are, for example, CARRA and WALKER devices, see Powder Technology 1, 1968, 6, pp. 369-373, or NOVOSADA, see European Symposium Particle Technology, Amsterdam 1980, Preprínts Vol. B, pages 1 035 to 1 046.

U první varianty přístroje se stanovuje normálně napětí v měřeném objektu jen s přihlédnutím k vnější normálně síle. Kroutící moment se obvykle určí tak, že se jedna deska otáčí konstantní úhlovou rychlostí a měří se na definovaném pákovém rameni druhé desky působící k aretaci potřebná síla.In the first variant of the instrument, the voltage in the measured object is normally determined only taking into account the external normal force. Typically, the torque is determined by rotating one plate at a constant angular velocity and measuring the necessary force on the defined lever arm of the other plate to lock.

Tato metoda má následující nevýhody:This method has the following disadvantages:

— vertikální relativní pohyby desek vedou v důsledku třecích a setrvačných sil ke zkreslení normálného napětí oproti shora popsané metodě určení, — k vyloučení těchto zkreslení je třeba přístrojové a časově velmi náročných výzkumů a korekčních výpočtů, — známé použití vzduchových ložisek je velmi náročné, u některých přístrojů nepřichází vůbec v úvahu a odstraňovány jsou jím pouze zkreslení pocházející z třecích sil ve středovém ložisku, — u běžných ložisek musí být v obvodovém směru ve středovém ložisku vznikající tření korigována náročnými cejchovními postupy, — přístroje, které jsou koncipovány pro měření s konstantní vnější normálnou silou, neumožňují obvykle provádět měření při konstantním objemu vzorku.- vertical relative movements of the plates lead to distortion of normal stress due to frictional and inertial forces compared to the method of determination described above, - instrumental and time-consuming research and correction calculations are required to eliminate these distortions, instruments are not at all possible and only eliminate distortions due to frictional forces in the central bearing, - for conventional bearings, friction in the central bearing in the circumferential direction must be corrected by demanding calibration procedures, - instruments designed for measurements with constant external normal force, they do not usually make measurements at a constant sample volume.

Přístroje pro měření při konstantním objemu vzorku obsahují měřicí zařízení pro stanovení normálných napětí, kterým působí měřený objekt na vrchní a/nebo spodní desku. Známa jsou všechna řešení podle Novosada a Ogniwegka, viz VDI-Fortschriftsberichte Reihe 3, č. 50.The constant volume measuring instruments comprise a measuring device for determining the normal stresses exerted by the object to be measured on the top and / or bottom plate. All solutions according to Novosad and Ogniwegk are known, see VDI-Fortschriftsberichte Reihe 3, No. 50.

Tyto varianty mají následující nedostatky:These variants have the following drawbacks:

— i nejmenší nepřesnosti při instalaci do desky zapuštěných měřičů tlaku způsobují výrazné chyby měření. Uložení a prověření měřičů tlaku vyžaduje mimořádné úsilí, —elastickou těsnicí vrstvu mezi povrchem desky a měrnou deskou měřiče tlaků nutno částečně přičíst k ploše měrné desky. Určení příslušného podílu vyžaduje náročná cejchovní měření, — u zrnitých sypkých hmot může docházet k zatlačení jednotlivých zrn do elastické těsnicí vrstvy a tím ke zkreslení měřených hodnot. Tím je shora omezen rozsah rozměrů zrn vzorku sypké hmoty při takovém měření, číselné určení této meze je velmi náročné.- Even the smallest inaccuracies when installed in a flush-mounted pressure gauge plate cause significant measurement errors. Placing and testing pressure gauges requires extra effort — the elastic sealing layer between the surface of the plate and the gauge plate of the pressure gauge has to be partially added to the surface of the gauge plate. Determining the appropriate proportion requires demanding calibration measurements. - For granular bulk materials, individual grains may be squeezed into the elastic sealing layer, thereby distorting the measured values. This limits the grain size range of the bulk material sample from such a measurement from above, the numerical determination of this limit being very difficult.

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení k měření frikčních vlastností dle vynálezu spočívající v tom, že na kruhové nebo prstencové měrné desce, která je uložena na vzorku materiálu, je uspořádáno 3 až 12 siloměrných čidel pro současné a nezávislé měření v místě upevnění působících normálných a tečných smykových sil, přičemž siloměrná čidla jsou na straně protilehlé k místu upevnění spojena s druhou krycí deskou. Spodní strana prstencové měrné desky je tvořena vyměnitelnými vzorky materiálu, jejichž povrch je hladký, drsný nebo profilovaný.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the device for measuring the frictional properties according to the invention, characterized in that 3 to 12 load cells are arranged on a circular or annular measuring plate which is supported on the material sample for simultaneous and independent measurement at the mounting point of normal and tangential shear forces. wherein the load cell sensors are connected to the second cover plate on the side opposite the mounting location. The underside of the annular gauge plate consists of replaceable material samples whose surface is smooth, rough or profiled.

S výhodou je možno spodní stranu měrné desky opatřovat vyměnitelnými vzorky materiálů s hladkým, drsným nebo profilovaným povrchem.Advantageously, the underside of the measuring plate may be provided with replaceable samples of materials having a smooth, rough or profiled surface.

Cílem vynálezu je vytvoření přesného, časově a materiálově málo náročného zařízení pro měření smykových a normálných napětí v sypkých hmotách nebo mezi sypkými hmotami a vzorky kompaktních tuhých látek, popřípadě mezi dvěma vzorky tuhých látek, které nevyžaduje žádné další nutné kompenzace chyb měření, vyskytujících se běžně v dosud užívaných přístrojích. Dále je cílem tohoto vynálezu vyvinout takové zařízení, které odstraňuje vliv setrvačných a třecích sil na měření a vliv omezené plochy měření, které jsou příčinou vysoké časové a přístrojové náročnosti shora zmíněných kompenzačních postupů a chyb měření.It is an object of the present invention to provide an accurate, time-consuming, and material-intensive device for measuring shear and normal stresses in bulk solids or between bulk solids and compact solid samples or between two solid samples, which does not require any further compensation for measurement errors commonly encountered. in previously used devices. It is a further object of the present invention to provide such a device which eliminates the influence of inertial and frictional forces on the measurement and the influence of the limited measurement area, which results in high time and instrumentation of the above mentioned compensation procedures and measurement errors.

Cílem vynálezu je rovněž zařízení, které umožňuje současné přímé měření smykových a normálných napětí během celého smykového testu.It is also an object of the invention to provide simultaneous direct measurement of shear and normal stresses throughout the shear test.

K měřeni normálných a smykových napětí se měřicí zařízení nasadí na měřený objekt, tj. na vzorek sypké hmoty nebo na vzorek tuhé látky a měřicí zařízení nebo měřený objekt, s výhodou druhý z nich, se souose pootáčí oproti v obvodovém směru aretovanému protikusu. Měřený objekt přitom na spodní stranu měrné desky působí normálnými a smykovými napětími vyvolávajícími elektrické výstupní signály ze siloměrných čidel, přičemž sumace jednotlivých měřených hodnot vede k reprezentativním hodnotám normálného a smykového napětí.To measure normal and shear stresses, the measuring device is mounted on the object to be measured, i.e. the bulk or solid sample, and the measuring device or the object to be measured, preferably the other, rotates coaxially with respect to the counter-latch. The measured object acts on the underside of the measuring plate with normal and shear voltages causing electric output signals from the load cells, where the summation of the individual measured values leads to representative values of normal and shear voltages.

Elektrické výstupní signály se registrují během celé zkoušky, takže jsou možné výpovědi jaik o napětích, napjatostních stavech vzorku sypké hmoty, na začátku pohybu, tak i za ustálených pohybových stavů.Electrical output signals are registered throughout the test, so that testimony is possible on the voltages, stress states of the bulk sample, at the beginning of the motion, and at steady state motion.

Měření lze provádět při konstantním, na měřicí zařízení působícím normálném napětí nebo při instalaci vertikální aretace za konstantního objemu vzorku.Measurements can be made at a constant, normal-stress measuring device, or when installing a vertical arrest at a constant sample volume.

Vytvořením vrchlíkovitých profilů nebo silným zdrsněním spodní desky měřicího zazařízení lze realizovat smykové děje v sypké hmotě, při osazení spodní desky rovinnými deskami z tuhých látek se měří třecí děje oproti sypké hmotě nebo tuhé látce.By creating canopy profiles or by strong roughening of the bottom plate of the measuring device, shear processes in the bulk material can be realized, when the bottom plate is fitted with planar solid material plates the friction processes are measured against the bulk material or solid substance.

Vynález má následující výhody:The invention has the following advantages:

přesné měření mezi vzorkem a zařízením působících napětí, včetně podílů způsobených třecími a setrvačnými silami, odpadají idealizující předpoklady nebo náročné korekce při stanovování napětí, měřicí zařízení lze použít jak pro měření při konstantním normálném zatížení, tak i za konstantního objemu vzorku, zařízení lze poměrně snadno dodatečně instalovat i do již existujících typů rotačních smykových přístrojů, využití celé desky jako společného měrného elementu pro více čidel zabraňuje možným chybám známých variant přístrojů a vylučuje s tím spojené úsilí pro zkoušení a cejchování, rozšiřuje se měřicí rozsah směrem k vyšším velikostem částic.accurate measurement between the sample and the stress applied device, including fractions due to frictional and inertial forces, no idealizing assumptions or difficult corrections in the determination of stress are eliminated, the measuring device can be used for both constant normal load and constant sample volume measurements retrofitted to existing types of rotary shear devices, using the entire board as a common measuring element for multiple sensors avoids possible errors of known instrument variants and eliminates the associated testing and calibration efforts, extending the measuring range towards higher particle sizes.

Navrhované řešení je znázorněno na připojených výkresech, v nichž představuje:The proposed solution is illustrated in the accompanying drawings, in which:

obr. 1 schéma zařízení k měření mezí toku sypké hmoty, obr. 2 schéma zařízení k měření vnějšího (stěnového) tření sypké hmoty na vzorku materiálu stěny, obr. 3 schéma zařízení k měření frikčních vlastností mezi dvěma vzorky testovaných kompaktních materiálů.Fig. 1 is a diagram of a device for measuring the flow limits of bulk material; Fig. 2 is a diagram of a device for measuring the external (wall) friction of the bulk material on a sample of wall material;

Měřicí zařízení podle obr. 1, sestávající z kruhové nebo prstencové měrné desky 1, tří siloměrných čidel 2 a krycí desky 3, seThe measuring device according to FIG. 1, consisting of a circular or annular measuring plate 1, three load cells 2 and a cover plate 3, is

3 5 nasadí na vzorek 5 materiálu, např. na zeminu nebo na vrstvu sypké hmoty. Zařízení se na sypkou hmotu přitlačuje vertikální normálnou silou, např. působením závaží, při čemž jsou na spodní straně prstencové měrné desky 1 vytvořená radiální žebra 4 zatlačována do vzorku. Tato žebra způsobují v sypké hmotě při přes krycí desku 3 vyvolaném otáčení zařízení kolem jeho vertikální osy jistý smyk. Normálně a smykové síly přenášené mezi sypkou hmotou a prstencovou měrnou deskou 1 způsobují v jednotlivých siloměrných čidlech 2 definované deformace, které se přes tensometry přemění na elektrické signály. Tyto se přičtou vždy k jednomu výstupnímu signálu pro normálně a smykové namáhání, které po cejchování a po vztažení na plochu prstencové měrné desky 1 dávají přímo· hledaná, mechanická napětí.3 5 is placed on a sample 5 of a material, for example on soil or a layer of bulk material. The device is pressed against the bulk material by a vertical normal force, for example by applying a weight, whereby the radial ribs 4 formed on the underside of the annular measuring plate 1 are pressed into the sample. These ribs cause a certain shear in the bulk material during the rotation of the device about its vertical axis through the cover plate 3. Normally, the shear forces transmitted between the bulk material and the annular measuring plate 1 cause defined deformations in the individual load cells 2, which are converted into electrical signals via strain gauges. These are added to one output signal for normal and shear stresses, which, after calibrating and referring to the surface of the annular measuring plate 1, give directly the desired mechanical stresses.

Tato měření slouží k zjištění mezí toku sypké hmoty.These measurements are used to determine the flow limits of bulk material.

Měřicí zařízení podle obr. 2, sestávající z prstencové měrné desky 1, tří siloměrných čidel ?. a krycí desky 3, se nasadí na vzorek 5 materiálu, např. na cement, ikterý se nachází v mezikruhovém žlabu 6. Vertikální normální silou se zařízení přitlačí ke vzorku. Spodní strana prstencové měrné desky 1 je pokryta hrubým smirkovým papírem 8. Měřicí zařízení je ložiskem 7 vedeno souose s mezikruhovým žlabem 6. Otáčením mezikruhového žlabu 6 konstantní úhlovou rychlostí oproti přes krycí desku 3 v obvodovém směru aretovanému měřicímu zařízení dochází ve vzorku 5 materiálu ke smyku, který se projevuje měřenými veličinami, popsanými v textu k obr. 1. Polkryje-li se spodní strana prstencové měrné desky 1 vzorkem k otestování určeného materiálu, např. hrubým smirkovým papírem 8, ocelí, plastem nebo betonem, je možno stanovit stěnové třecí vlastnosti mezi tímto materiálem a vzorkem 5 materiálu.The measuring device according to FIG. 2, consisting of an annular measuring plate 1, of three load cells. and the cover plates 3 are placed on a material sample 5, eg cement, which is located in the annular trough 6. By the vertical normal force, the device is pressed against the sample. The underside of the annular metering plate 1 is covered with rough emery paper 8. The measuring device is guided by the bearing 7 coaxially with the annular trough 6. By rotating the annular trough 6 at a constant angular velocity relative to the cover plate 3 If the underside of the annular metering plate 1 is covered with a sample to test a specified material, for example with abrasive paper 8, steel, plastic or concrete, it is possible to determine the wall friction properties. between this material and the material sample 5.

Měřicí zařízení podle obr. 3, sestávající z prstencové měrné desky 1, tří siloměrných čidel 2, krycí desky 3 a podkladové vrstvy materiálu 9, např. oceli, plastu apod. na spodní straně prstencové měrné desky 1, se nasadí na vzorek 10 materiálu. Po zatížení měřicího zařízení vertikální normálnou sílou a po pootočení vzorku 10 materiálu oproti přes krycí desku 3 v obvodovém směru aretovanému zařízení byly zjištěny v textu k obr. 1 uvedené měřené hodnoty pro smykovou a normálnou sílu, kterých je třeba pro stanovení součinitele tření mezi materiály použitými pro podkladovou vrstvu materiálu 9 a vzorek 10 materiálu.The measuring device according to FIG. 3, consisting of an annular metering plate 1, three load cells 2, a cover plate 3 and a backing layer of material 9, e.g. steel, plastic or the like on the underside of the annular metering plate 1, is mounted on the material sample 10. After loading the measuring device with the vertical normal force and turning the material sample 10 relative to the cover plate 3 in the circumferential direction of the arrested device, the measured values for shear and normal forces required to determine the coefficient of friction between the materials used for a backing material layer 9 and a material sample 10.

245133245133

PREDMETSUBJECT

1. Zařízení k měření frikčních vlastností v sypkých hmotách, mezi sypkými hmotami a kompaktní tuhou látkou, jakož i mezi kompaktními tuhými látkami, které jsou vyvolány normálnou silou a rotačním relativním pohybem mezi měřeným objektem a měřicím zařízením, vyznačující se tím, že na kruhové nebo prstencové měrné desce (lj, která je uložena na vzorku (5) materiálu, je uspořádáno 3 až 12 siloměrných čidel1. Apparatus for measuring frictional properties in bulk materials, between bulk materials and a compact solid, as well as between compact solids, which are caused by normal force and rotational relative movement between the measured object and the measuring device, characterized in that an annular measuring plate (11), which is supported on the material sample (5), is provided with 3 to 12 load cells

Claims

(2) for simultaneous and independent measurement at the mounting location of the normal and tangential shear forces, the load cells (2) being connected to the second cover plate (3) on the side opposite to the mounting location.

Device according to claim 1, characterized in that the underside of the annular measuring plate (1) is formed by replaceable material samples (9j), the surface of which is smooth, rough or profiled.