Грунтовый динамический шариковый вискозиметр
GROUND DYNAMIC BALL VISCOMETER

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для исследования вязкости несвязных грунтов при вибрационных воздействиях, путем перемещения шарика в исследуемом образце.
Известно устройство для определения вязкости дисперсных материалов, состоящее из вертикального цилиндрического сосуда, жестко закрепленного на раме, и внутри которого расположена исследуемая среда с шариком, соединенным струной с тяговым механизмом и регистрирующей системой, сосуд имеет эластичное дно, соединенное с виброприводом (патент № RU 2267770 C1, G01N 11/10, 2004 г.). Так как сопротивление дисперсных материалов (в частности, грунтов) сдвиговым усилиям при действии вибраций в значительной степени зависит от статического обжимающего напряжения, недостатком данного устройства является отсутствие контроля статического обжимающего напряжения в исследуемой среде, что не позволяет устанавливать всесторонние корреляции измеряемой величины с контролируемыми параметрами. Кроме того, данное устройство при описании лишено указаний на ограничение измерений, вытекающих из поправок Ладенбурга касательно влияния величины радиуса и длины сосуда относительно размера шарика при определении вязкости по закону Стокса, что негативно влияет на точность измерения.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по конструктивным особенностям является устройство для определения реологических свойств дисперсных материалов, состоящее из узла нагружения, регистрирующей системы и горизонтального цилиндрического сосуда с герметизирующими резиновыми прокладками и крышками, закрепленного на виброплощадке и содержащего исследуемую среду, в которой расположен шарик, жестко насаженный на струну (авторское свидетельство SU 1481643 А1, кл. G01N 11/10, 1978 г.). Регистрирующая система состоит из барабана самописца и пера, жестко закрепленного на струне. Узел нагружения шарика состоит из блочков, подвесок и грузов. Недостатком данного устройства, как и предыдущего, является отсутствие контроля статического обжимающего напряжения в исследуемой среде. Однако в отличие от предыдущего аналога в данном устройстве при вычислении вязкости введено наличие особенностей прибора посредством «константы устройства К».
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения вязкости дисперсных материалов при действии вибраций, обеспечение возможности измерения вязкости при больших величинах виброускорения без нарушения сплошности исследуемой среды, обеспечение возможности измерения вязкости при различных величинах статического напряжения в исследуемом песчаном грунте, а также непосредственное измерение фактических параметров вибрации (частоты и виброускорения).
Технический результат достигается за счет рационального подбора конструкции устройства, обеспечивающей контроль фактических параметров вибрации (частота, виброускорение), уровня статического напряжения в исследуемой среде и корректного измерения вязкости с учетом поправок Ладенбурга к закону Стокса касательно влияния величины радиуса и длины сосуда относительно размера шарика.
Устройство заявленного технического решения представлено на Фиг. 1.
Технический результат достигается тем, что в рабочей камере 3, закрепленной посредством разъемного соединения на виброплатформе 7, в полости 1 размещена исследуемая среда (песчаный грунт), через которую пропускается шарик 2 под действием силы F, передаваемой от груза 6 посредством нити 5. Виброплатформа 7 обеспечивает возможность контроля интенсивности вибрационного воздействия посредством регулировки частоты колебаний и их виброускорения во время проведения исследования. Нить 5 пропускается через отверстие, которое размещено в центре торцевой грани рабочей камеры 3. В отличие от аналогов предлагаемая конструкция устройства предусматривает наличие подвижной жесткой крышки 4, которая передает на исследуемую дисперсную среду, размещенную в полости 1, статическое обжимающее напряжение. Размеры крышки 4 обеспечивают ее перемещение внутри рабочей камеры 3 без опирания на боковые и торцевые стенки камеры 3 с зазором до 1 мм между стенками и крышкой. Статическое обжимающее напряжение создается посредством группы пружин 8, которые с одной стороны упираются в подвижную жесткую крышку 4 и с другой стороны в крепежные элементы 10, имеющие резьбовое отверстие и соединенные со сквозными тяжами 11, которые также имеют наружную резьбу и другим концом соединяются с дном рабочей камеры 3. Контроль статического обжимающего напряжения, передающегося на исследуемую среду, размещенную в полости 1, обеспечивается посредством регулирования длины группы пружин 8 с помощью резьбового соединения между крепежными элементами 10 и тяжами 11. Данное техническое решение обеспечивает сохранение целостности исследуемой среды при высоких виброускорениях, близких к ускорению свободного падения, и контроль над статической составляющей напряжения в грунте, которая имеет чрезвычайное значение при измерении параметров виброразжижжения сыпучего вещества, ведь чем выше статическое обжимающее напряжение в образце, тем выше его сопротивление виброразжижжению.
Соединение между рабочей камерой 3 и виброплатформой 7 является разъемным (например, болтовое) для обеспечения возможности многократного снятия рабочей камеры с целью загрузки в рабочую камеру 3 исследуемой среды.
Материал, из которого выполнена рабочая камера 3 и крышка 4 должен быть прозрачным (например, органическое листовое стекло), обеспечивать визуальный контроль исследуемой среды во время проведения исследования и обладать достаточной жесткостью, чтобы не допускать существенного изменения формы.
Соединение элементов рабочей камеры 3 (дно, боковые и торцевые грани) между собой должны обеспечивать прочность конструкции во время исследования и ее герметичность, т.к. исследуемая среда может быть в водонасыщенном состоянии. Например, данное соединение может быть клеевым, в частности, для органического стекла может быть выполнено с помощью дихлорэтана.
Также предложенная конструкция имеет возможность непосредственного измерения параметров вибрации (частоты, виброускорения) с помощью акселерометра 9 с возможностью подключения к ЭВМ для обработки данных при проведении исследования, а не приблизительное установление их значений по заданным характеристикам виброплатформы. Акселерометр 9 размещается снаружи рабочей камеры 3 по центру ее боковой стенки.
Кроме того, геометрические параметры устройства исследуемой среды и пропускаемого шарика 2 четко определены, исходя из фундаментальных законов механики жидкости и твердых дисперсных сред. Для применения аппарата механики сплошной среды размер шарика должен быть многократно больше размера частиц исследуемой среды, поэтому для испытания крупных песчаных грунтов размер шарика должен составлять не менее 20 мм. Полученный минимальный размер шарика диктует минимальный размер камеры, при котором закон Стокса будет применим с учетом поправок Ладенбурга, а также будут актуально представление среды в качестве сплошной и изотропной: для снижения влияния данных поправок поперечные размеры камеры (ширина и высота) приняты в соотношении не менее 1:10 к размеру шарика (т.е. не менее 200 мм), а продольный размер камеры (длина) - не менее 1:25 (т.е. не менее 500 мм).
Измерение вязкости на предлагаемой конструкции устройства предполагает проведение последовательности действий, состоящей из подготовки к проведению исследования, непосредственно самого исследования с фиксированием прямо измеряемых величин и обработки результатов исследования с вычислением величины вязкости.
Подготовка к проведению исследования заключается в загрузке исследуемой среды и сборке устройства. В снятую рабочую камеру 3, снаружи которой закреплен акселерометр 9 и внутри которой расположены тяжи 11 и пока что свободный шарик 2 на нити 5, послойно загружается исследуемая среда в полость 1, и в процессе наполнения обеспечивается размещение шарика 2 по высоте на уровне отверстия, через которое пропущена нить 5, чтобы обеспечить строгую горизонтальность и прямолинейность движения шарика 2, и в плане на расстоянии не менее 5-ти диаметров шарика 2 от задней торцевой грани рабочей камеры 3 (т.е. не менее 100 мм) для снижения влияния близкого расположения стенки камеры, но на достаточном расстоянии для обеспечения последующего пути перемещения шарика 2.
После полной загрузки рабочей камеры 3 на нее устанавливается крышка 4 с пропуском сквозных тяжей 11, на сквозные тяжи 11 надевается группа пружин 8, которые фиксируются крепежными элементами 10 с созданием обжимающего статического напряжения сокращением длины пружин 8 посредством накручивания крепежных элементов 10 на тяжи 11. В собранном состоянии рабочая камера 3 устанавливается и закрепляется на пока что выключенной виброплатформе 7. Нить 5 перебрасывается через неподвижный блок, и к ней присоединяется груз 6, с заранее определенным весом. Измеряется длина пружин с последующим пересчетом в статическое обжимающее напряжение, измеряется расстояние от нижней поверхности груза 6 до опорной поверхности. В данном состоянии устройство готово к началу непосредственно исследования.
Непосредственно исследование заключается в следующем: включается виброплатформа 7 с фиксированными параметрами интенсивности вибрации (частота, виброускорение), начинается отсчет (измерение) времени t, фактические параметры вибрационного воздействия измеряются акселерометром 9 с возможностью подключения и обработки данных на ЭВМ, непрерывно измеряется расстояние от нижней поверхности груза 6 до опорной поверхности, т.е. косвенно измеряется путь s, по которому был перемещен шарик 2. Путь движения шарика 2 должен окончиться не ближе 5-ти диаметров шарика 2 до передней торцевой грани рабочей камеры 3 (т.е. не ближе 100 мм) для снижения влияния близкого расположения стенки камеры. При этом шарик должен быть перемещен на расстояние не менее 5-ти диаметров с целью получения устойчивого значения скорости. По результатам исследования измеряется значение времени и, за которое шарик 2 перемещается на расстояние s. На данном этапе завершается непосредственно исследование с прямым измерением величин и осуществляется переход к обработке результатов, т.е. к вычислению вязкости исследуемой среды при определенной интенсивности вибрационных воздействий и определенном статическом напряжении.
Косвенное измерение динамической вязкости с применением предлагаемой конструкции устройства проводится по формуле Стокса с учетом поправок Ладенбурга по результатам измерения значения времени t, за которое шарик 2 перемещается на расстояние s:
где F - сила, под действием которой шарик 2 приводится в движение;
r - радиус шарика 2, м;
0
R - гидравлический радиус поперечного сечения рабочей камеры 3, м;
h - длина рабочей камеры 3, м;
s - расстояние, м, на которое перемещен шарик 2 за время t;
t - время, с, за которое шарик 2 перемещен на расстояние s.
0
Гидравлический радиус R определяется как отношение площади поперечного сечения рабочей камеры к ее периметру и для квадратного поперечного сечения равен 1/4 от ширины (высоты) камеры.
Таким образом, в отличие от аналогов предложенное техническое решение в виде ограниченных размеров рабочей камеры 3 и размера шарика 2 приводит к повышению точности измерения вязкости дисперсных материалов при действии вибраций по закону Стокса с учетом поправок Ладенбурга, техническое решение в виде группы пружин 8 со сквозными тяжами 11 и крепежными элементами 10 позволяет проводить измерения вязкости при больших величинах виброускорения без нарушения сплошности исследуемой среды и обеспечивает возможность измерения вязкости при различных величинах статического напряжения в исследуемом песчаном грунте, а наличие в устройстве акселерометра 9 с возможностью подключения к ЭВМ обеспечивает непосредственное измерение фактических параметров вибрации (частоты и виброускорения).