УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR DEFINITION OF MATERIALS FRICTION CHARACTERISTICS

Изобретение относится к технике для определения физико-механических свойств сыпучих материалов, в частности их фрикционных характеристик.
Известна установка (см. а.с. №113946 СССР, G01N 19/02) для определения кинетического и статического коэффициентов трения материалов, содержащая диск с буртами, который крепится к вертикальному валу, вращающемуся в подшипниках качения, и одновременно может перемещаться вдоль своей оси благодаря наличию шлицевых втулок, и обеспечивается гидравлическим цилиндром с поршнем. Установка предназначена для определения кинетического и статического коэффициентов трения сыпучих материалов с жестким материалом и не позволяет определить коэффициенты внутреннего трения одного и внешнего трения разных сыпучих материалов.
Известно устройство для исследования физико-механических свойств корнеклубнеплодов (патент RU 2555333, G01N 19/02), содержащее раму с прикрепленным к ней электродвигателем с регулируемой частотой вращения, на валу которого установлен сменный диск с исследуемой поверхностью, направляющую, на которой установлена подвижная тележка, связанная с одной стороны через пружину с винтовым механизмом, а с другой стороны с помощью гибкой связи с грузом через блок. Данное устройство имеет ограниченный спектр применения, поскольку не позволяет определить кинетические и статические коэффициенты внутреннего трения одного и внешнего трения разных сыпучих материалов.
Недостатками данных устройств являются сложность конструкции и невозможность определять кинетические и статические коэффициенты внутреннего трения одного материала, а также кинетические и статические коэффициенты трения при взаимодействии разных сыпучих материалов.
Известен трибометр линейного типа для определения физико-механических свойств сыпучего груза (патент RU 2559798), который состоит из предметного стола, ограничивающей рамки, заполняемой пробой насыпного материала, груза и тягового органа для предметного стола с прибором для определения его тягового усилия, где нижние кромки ограничивающей рамки размещены с зазором над верхней поверхностью размещаемого на предметном столе слоя сыпучего груза. Данный трибометр не гарантирует точность замера измеряемых физико-механических показателей сыпучего груза и его коэффициента трения, вследствие того, что нижние кромки ограничивающей рамки размещены с зазором над верхней поверхностью размещаемого на предметном столе слоя сыпучего груза и в процессе измерений возможно истечение пробы материала через зазор.
За прототип данного изобретения принято устройство (см. ас №905747 СССР, G01N 19/02) для определения физико-механических характеристик сыпучих материалов, содержащее корпус, с приводом вращения вертикального вала, силоизмерителем тягового усилия и механизмом нагружения, включающее цилиндрические чашку и обойму, предназначенные для размещения в них образцов исследуемых материалов, расположенные соосно и установленные в корпусе, причем обойма взаимодействует с силоизмерителем, а чашка соединена с вертикальным валом привода вращения. Исследуемые пробы материала или материалов помещаются в чашку и обойму и сжимаются механизмом нагружения. Измерение силы сдвига производится силоизмерителем, связанным с обоймой и обеспечивающим ее неподвижность при вращении чашки, вследствие чего происходит сдвиг проб по плоскости контакта чашки и обоймы. На основе замеров расчетным путем может быть определен коэффициент трения. Недостатком прототипа является отсутствие гарантии обеспечения сдвига и точного замера силы сдвига, поскольку при измерении возможно неконтролируемое смещение проб относительно обоймы и/или чашки. Кроме этого взаимное центрирование обоймы и чашки посредством корпуса приводит к усложнению конструкции и связанному с этим снижению точности измерений.
Задача изобретения - обеспечение точности результатов исследований фрикционных характеристик сыпучих материалов: коэффициента внутреннего трения покоя и коэффициента внутреннего трения движения одного сыпучего материала, коэффициента взаимного трения покоя и коэффициента трения движения разных сыпучих материалов, а также коэффициента трения покоя и коэффициента трения движения разных сыпучих материалов о различные жесткие материалы, а также упрощение конструкции устройства за счет взаимного центрирования обоймы и чашки.
Технический результат - обеспечение гарантированного сдвига и точного замера силы сдвига в зазоре между чашкой и обоймой за счет исключения при измерении неконтролируемого сдвига проб относительно обоймы и/или чашки.
Задача достигается тем, что обойма, взаимодействующая с силоизмерителем, свободно центрируется по приводной чашке, а ее пространство, примыкающее к плоскости взаимодействия с чашкой, которая может иметь внутреннюю кольцевую ступень, формирующую опорную поверхность для обоймы, разделено в осевом направлении неподвижными перегородками на 2 или более зон. Пространство чашки, примыкающее к плоскости взаимодействия с обоймой, также может быть разделено в осевом направлении неподвижными перегородками на 2 или более зон. В боковых поверхностях чашки на уровне примыкания торцевой плоскости обоймы могут быть выполнены отверстия.
На фиг. 1 изображена схема устройства для определения фрикционных характеристик сыпучих материалов: вид общий с вертикальным разрезом по оси чашки, для примера, с внутренней кольцевой опорной ступенью для обоймы, и обоймы в варианте "чашка без перегородок".
На фиг. 2 а), б), в) изображены возможные примеры исполнения перегородок в обойме (вид с торца) при разделении пространства для размещения сыпучего материала на 2, 3 или 4 зоны.
На фиг. 3 а), б), в) изображены возможные примеры исполнения перегородок в чашке (вид с торца) при разделении пространства для размещения сыпучего материала на 2, 3 или 4 зоны.
На фиг. 4 изображена пара чашка-обойма для исследования взаимодействия образца жесткого материала и пробы сыпучего материала с вертикальным разрезом по оси чашки и обоймы.
Устройство для определения фрикционных характеристик сыпучих материалов содержит корпус 1, в котором установлен привод вращения с регулируемой частотой (не показан) с вертикальным валом 2, в верхней части которого установлена чашка 3 с цилиндрическими стенками. В чашке 3 свободно центрируется цилиндрическая обойма 4 с образованием контактной плоскости 5. Обойма 4 связана с силоизмерителем 6, укрепленным на корпусе 1. Обойма 4 снабжена одной или несколькими неподвижными перегородками 7, которые расположены вдоль оси и разделяют внутреннее пространство обоймы 4, примыкающее к контактной плоскости 5, на две или несколько зон. Чашка 3 также может быть выполнена с одной или несколькими неподвижными перегородками (см. фиг. 3), которые аналогично обойме 4 расположены вдоль оси чашки 3 и разделяют ее внутреннее, примыкающее к контактной плоскости 5 пространство, на две или несколько зон. Чашка 3 имеет отверстия 8 в боковой поверхности на уровне контактной плоскости 5. Чашка 3 может иметь внутреннюю кольцевую ступень 9, формирующую опорную кольцевую поверхность для обоймы 4 по контактной плоскости 5. Внутренняя кольцевая ступень 9 может быть выполнена заодно с чашкой 3 или образована соответствующей вкладкой (не показана) в чашку 3.
При исследовании фрикционных характеристик сыпучих материалов обойма 4 устанавливается на опорную кольцевую поверхность ступени 9 чашки 3. Пробы исследуемых материалов или одного материала (10 и 11) загружаются в чашку 3 и обойму 4. Проба исследуемого материала 10, размещаемая в обойме 4, прижимается к пробе материала 11, помещаемого в чашку 3, силой тяжести или посредством груза (не показано) тарированной массы в форме диска по внутреннему диаметру обоймы 4, размещаемого в обойме 4 на материале 10 поверх перегородок 7.
Для исследования фрикционных характеристик сыпучих материалов при взаимодействии с жесткими материалами, образец 12 исследуемого жесткого материала размещается неподвижно на дне чашки 3 без перегородок 7, а обойма 4 с пробой исследуемого сыпучего материала 10 устанавливается внутри чашки 3 на исследуемом образце 12 жесткого материала. Возможно и обратное расположение исследуемых материалов, когда в чашку без перегородок помещается проба сыпучего материал, а образец исследуемого жесткого материала размещается неподвижно на нижнем срезе обоймы, устанавливаемой в чашку (не показано).
При определении фрикционных характеристик только сыпучих материалов устройство работает следующим образом.
Пробы разных сыпучих материалов или одного сыпучего материала (10 и 11) загружают в чашку 3 и обойму 4. Дополнительно, для увеличения силы трения в обойму 4 на материал 10 поверх перегородок 7 может быть помещен груз тарированной массы. Обойма 4 опирается на кольцевую поверхность ступени 9 чашки 3. Включается расположенный в корпусе 1 привод вращения вала 2 и силоизмерителем 6 замеряется усилие сдвига вращающейся чашки 3 относительно неподвижной обоймы 4. Излишки сыпучих материалов 10 и 11, которые при работе устройства могут попасть в зазор между взаимодействующими торцами чашки 3 и обоймы 4, отводятся из него через отверстия 8 в боковой поверхности чашки 3. Если в чашку 3 и обойму 4 загружены разные материалы, то замеряется усилие сдвига материалов друг относительно друга, если одного - то усилие внутреннего сдвига. Перегородки 7 препятствуют смещению проб сыпучих материалов относительно обоймы 4 и чашки 3 по плоскости 5 взаимодействия обоймы 4 и чашки 3.
Для исследования фрикционных характеристик при взаимодействии сыпучего 10 и жесткого 12 материалов, образец последнего закрепляется неподвижно на дне чашки 3 без перегородок, а обойма 4 устанавливается внутри чашки 3 на исследуемом жестком материале 12 и заполняется пробой сыпучего материала 10. Перегородки 7 обоймы 4 примыкают к жесткому материалу 12 по плоскости 5 и способствуют безусловному смещению сыпучего материала 10 относительно жесткого 12 при работе устройства.
Изменяя частоту вращения чашки 3, можно определять усилие сдвига при разных скоростях сдвига.
На основе замеров усилия сдвига расчетным путем могут быть определены фрикционные характеристики сыпучих материалов в виде: коэффициента внутреннего трения покоя и коэффициента внутреннего трения движения одного сыпучего материала, коэффициента взаимного трения покоя и коэффициента трения движения разных сыпучих материалов, а также коэффициента трения покоя и коэффициента трения движения разных сыпучих материалов о различные жесткие материалы.
Предлагаемое устройство для испытания материалов имеет преимущества по сравнению с известными конструкциями, так как позволяет получить более точную информацию о фрикционных характеристиках одного или разных сыпучих материалов в статических и динамических условиях, а именно коэффициенты внешнего и внутреннего трения, поскольку обеспечивает гарантированный контролируемый сдвиг при исследованиях материалов, помещенных в чашку 3 и обойму 4.