松散物料致密成型过程力学行为测试装置及其测试方法

摘要

本发明公开了一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置及其测试方法，包括基座单元、套筒单元和模具单元三个部分，其中，基座单元包括下底板、支撑柱、上底板和模具支撑环；套筒单元包括下定位环、套筒和上定位环；模具单元包括位移传感器、第一测力传感器、压制轴、模具、应变片、底塞和第二测力传感器。该装置应配合万能试验机或液压缸使用，可以模拟不同松散物料在不同速度下的压制过程，并直接测出压制过程中物料与模具内壁之间的摩擦力和正压力，以及松散物料在致密成型过程中的应力应变关系，从而为改善松散物料致密成型工艺中的高能耗、高磨损问题提供数据支撑。

说明书

技术领域

本发明属于饲料机械和生物质能源利用领域，具体涉及一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置及其测试方法。

背景技术

致密成型工艺是指利用模具将松散物料压制成为具有规则形状和一定密度的产品的技术，已被广泛应用于饲料和生物质固体燃料工业，环模制粒机是该技术的主要应用形式。目前，该技术主要存在成型能耗高，模具磨损严重等问题，严重制约了相关行业，特别是生物质固体燃料行业的发展，为我国可再生能源的发展带来了一定的阻力。为了解决这一问题，国内外相关学者开展了大量的研究，大多集中在原料特性、工艺参数以及设备结构等对成型过程及制品品质的影响上，但并未从根本上解决这一问题。其主要原因在于尚没有一套试验装置，能对成型过程中被压缩物料的应力应变关系，以及物料与模具内壁之间的正压力和摩擦力进行测试。

查阅国内外相关文献，未发现松散物料致密成型过程力学行为测试装置相关专利和文献，尚没有类似的装置可以对松散物料成型过程中的应力应变关系及物料与模具内壁之间的正压力和摩擦力进行测试。相关学者的研究主要是结合单孔试验装置进行，其原理图如图1所示。该类型的装置只能对施加在压杆上的力进行测量，无法获得物料的应力应变关系，以及物料与模具内壁之间正压力和摩擦力。专利ZL201310629828.9提及了一种多功能松散物料成型试验装置，该装置可以模拟松散物料致密成型过程。但该装置依然无法测出压制过程中物料与模具内壁之间的摩擦力。另外，该专利提出了利用连接螺柱结合力传感器测试径向力的方法。但实际上整个压制过程中模具的径向应变很小，无法精确地传递到该方法所设计的力传感器上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置及其测试方法，主要用于模拟松散物料致密成型过程，并对压制过程中物料与模具内壁之间的摩擦力和正压力，以及松散物料在致密成型过程中的应力应变关系进行测试，从而为改善松散物料致密成型工艺中的高能耗、高磨损问题提供数据支撑。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置，包括

起固定支撑作用的基座单元；

用于压制松散物料的模具单元；

对模具单元起定位作用的套筒单元；

所述基座单元包括下底板、上底板、模具支撑环和N个支撑柱，N≥4，下底板和上底板平行间隔设置，两者之间通过N个环形分布的支撑柱连接固定，上底板中心设有一个二阶台阶孔，位于上方的第一阶台阶孔直径大于位于下方的第二阶台阶孔直径，模具支撑环内壁自上向下设有一个环形凹槽，形成台阶面，模具支撑环的外壁与上底板的第一阶台阶孔之间采用过渡配合。

所述套筒单元包括下定位环、套筒和上定位环；模具支撑环位于下定位环中心，两者之间存在间隙，下定位环与上底板的顶面固连，套筒筒身上均匀分布m行n列通孔，6≤m≤12，3≤n≤8，下定位环的顶面与套筒一端固连，上定位环设置在套筒的另一端，两者过渡配合，模具单元设置在套筒内，其一端穿过套筒设置在基座单元的下底板上。

所述模具单元包括位移传感器、第一测力传感器、模具、压制轴、应变片、底塞、第二测力传感器和数据采集装置；模具为厚壁圆筒，用于充当被压缩松散物料的容器，模具设置在套筒内，一端与上定位环之间采用间隙配合，另一端设置在模具支撑环内，通过模具支撑环的台阶面定位；压制轴设置在模具内，其直径小于模具的内径，且压制轴的长度大于模具的长度；第二测力传感器位于模具支撑环正下方的下底板上，底塞穿过模具支撑环，其底面设置在第二测力传感器上，顶面外壁与模具采用间隙配合；第一测力传感器固定在压制轴的顶面，若干组应变片沿模具外壁的轴向间隔设置，每组的应变片的测试方向为周向，用于测试压制过程中模具外壁的径向应变；位移传感器设置在模具的斜上方，用于采集压制轴的轴向位移；位移传感器、第一测力传感器、应变片和第二测力传感器分别与数据采集装置连接，进行数据采集。

一种基于所述松散物料致密成型过程力学行为测试装置的测试方法，方法步骤如下：

步骤1、将万能试验机或液压缸的运动部件设置在所述松散物料致密成型过程力学行为测试装置的第一测力传感器的顶部，使第一测力传感器和压制轴能在万能试验机或液压缸的作用下以稳定的速度轴向移动；

步骤2、启动万能试验机或液压缸，使压制轴以稳定的速度向上运动，直到压制轴的底部离开模具，并保证有足够的空间向模具中添加待压制的松散物料，停止压制轴；

步骤3、将一定量的待压制的松散物料放入模具内，启动万能试验机或液压缸，使压制轴以稳定的速度向下运动，对松散物料进行压制；

步骤4、位移传感器、第一测力传感器、应变片和第二测力传感器在数据采集装置的控制下采集数据，记录整个压制过程中的位移、力及应变；

步骤5、结合位移传感器对压制轴的位移进行监测，直到模具内松散物料的密度达到1±0.1g/cm³，停止压制轴，保持停止状态30s～120s，得到致密物料；

步骤6、重复步骤2～步骤5，直到所有松散物料压制完毕；

步骤7、使压制轴上行，向上抬起模具以消除致密物料对底塞的作用力，从而将底塞和第二测力传感器取出，使压制轴停止；

步骤8、使压制轴下行，直到将致密物料从模具中挤出；

步骤9、利用位移传感器、第一测力传感器和应变片记录挤出过程中的位移、力和应变，通过对试验数据的分析，研究松散物料致密成型过程中的力学行为。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)可以直接测出压制过程中物料与模具内壁之间的摩擦力，以及物料在压制过程中的应力应变关系。

(2)可以通过力学计算获得压制过程中物料对模具内壁的正压力以及物料与模具之间的滑动摩擦系数。

(3)采集到的试验数据可以为松散物料致密成型工艺的优化提供数据基础，从而推动我国生物质能源行业和饲料加工行业的发展。

附图说明

图1是现有单孔试验装置原理图。

图2是本发明局部剖视的松散物料致密成型过程力学行为测试装置等轴测图。

图3是本发明松散物料致密成型过程力学行为测试装置半剖视图，其中A为主视图半剖视图；B为左视图半剖视图。

图4是本发明松散物料致密成型过程力学行为测试装置的测试方法示意图，其中A为首次松散物料加入完毕状态示意图；B为首次致密物料压制完毕状态示意图；C为第二次松散物料加入完毕状态示意图；D为第二次致密物料压制完毕状态示意图；E为致密物料挤出状态示意图。

具体实施方式

结合图2和图3，一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置，包括

起固定支撑作用的基座单元；

用于压制松散物料的模具单元；

对模具单元起定位作用的套筒单元。

所述基座单元包括下底板1、上底板3、模具支撑环4和N个支撑柱2，N≥4；下底板1和上底板3平行间隔设置，两者之间通过N个环形分布的支撑柱2连接固定，充当整套装置的底座；上底板3中心设有一个二阶台阶孔，用于放置模具支撑环4，位于上方的第一阶台阶孔直径大于位于下方的第二阶台阶孔直径；模具支撑环4内壁自上向下设有一个环形凹槽，形成台阶面，用于模具底部的定位支撑；模具支撑环4的外壁与上底板3的第一阶台阶孔之间采用过渡配合。

所述套筒单元包括下定位环5、套筒6和上定位环7；模具支撑环4位于下定位环5中心，两者之间存在间隙，下定位环5与上底板3的顶面固连，套筒6筒身上均匀分布m行n列通孔以减轻重量，同时用于引出应变片12的导线，6≤m≤12，3≤n≤8；下定位环5的顶面与套筒6一端固连，上定位环7设置在套筒6的另一端，两者过渡配合；模具单元设置在套筒6内，其一端穿过套筒6设置在基座单元的下底板1上。

所述模具单元包括位移传感器8、第一测力传感器9、模具10、压制轴11、应变片12、底塞13、第二测力传感器14和数据采集装置；模具10为厚壁圆筒，用于充当被压缩松散物料的容器；模具10设置在套筒6内，一端与上定位环7之间采用间隙配合，另一端设置在模具支撑环4内，通过模具支撑环4的台阶面定位；压制轴11设置在模具10内，其直径小于模具10的内径，且压制轴11的长度大于模具10的长度；第二测力传感器14(市购)位于模具支撑环4正下方的下底板1上，用于采集压制过程中物料传递下来的力；底塞13穿过模具支撑环4，其底面设置在第二测力传感器14上，顶面外壁与模具10采用间隙配合；第一测力传感器9(市购)固定在压制轴11的顶面，用于采集压制过程中作用在物料顶部的力；若干组应变片12沿模具10外壁的轴向间隔设置，每组的应变片12的测试方向为周向，用于测试压制过程中模具10外壁的径向应变；位移传感器8设置在模具10的斜上方，用于采集压制轴11的轴向位移；位移传感器8、第一测力传感器9、应变片12和第二测力传感器14分别与数据采集装置(市购)连接，进行数据采集。

所述压制轴11的直径与模具10的内径差值为0.5～1mm。

所述模具10的外壁的表面粗糙度Ra值小于或等于3.2；模具10的壁厚为5±1mm，内径为10mm～30mm。

所述每组应变片12包含两个对称布置的应变片，每组应变片12之间的轴向距离为10±1mm。

所述压制轴11为实心圆柱，用于压制模具10内的松散物料。

结合图4，一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置的测试方法，方法步骤如下：

步骤1、将万能试验机或液压缸(市购)的运动部件设置在所述松散物料致密成型过程力学行为测试装置的第一测力传感器9的顶部，使第一测力传感器9和压制轴11能在万能试验机或液压缸的作用下以稳定的速度轴向移动；

步骤2、启动万能试验机或液压缸，使压制轴11以稳定的速度向上运动，直到压制轴11的底部离开模具10，并保证有足够的空间向模具10中添加待压制的松散物料，停止压制轴11；

步骤3、将一定量的待压制的松散物料放入模具10内，启动万能试验机或液压缸，使压制轴11以稳定的速度向下运动，对松散物料进行压制；

步骤4、位移传感器8、第一测力传感器9、应变片12和第二测力传感器14在数据采集装置的控制下采集数据，记录整个压制过程中的位移、力及应变；

步骤5、结合位移传感器8对压制轴11的位移进行监测，直到模具10内松散物料的密度达到1±0.1g/cm³，停止压制轴11，保持停止状态30s～120s，得到致密物料；

步骤6、重复步骤2～步骤5，直到所有松散物料压制完毕；

步骤7、使压制轴11上行，向上抬起模具10以消除致密物料对底塞13的作用力，从而将底塞13和第二测力传感器14取出，使压制轴11停止；

步骤8、使压制轴11下行，直到将致密物料从模具10中挤出；

步骤9、利用位移传感器8、第一测力传感器9和应变片12记录挤出过程中的位移、力和应变，通过对试验数据的分析，研究松散物料致密成型过程中的力学行为。

实施例1

结合图2和图3，一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置，包括

起固定支撑作用的基座单元；

用于压制松散物料模具单元；

对模具单元起定位作用的套筒单元。

所述基座单元包括下底板1、上底板3、模具支撑环4和6个支撑柱2，下底板1和上底板3平行间隔设置，两者之间通过6个环形分布的支撑柱2连接固定，所述支撑柱2下端与下底板1通过过盈配合固连，上端通过螺纹与上底板3固连，上底板3中心设有一个二阶台阶孔，位于上方的第一阶台阶孔直径大于位于下方的第二阶台阶孔直径，模具支撑环4内壁自上向下设有一个环形凹槽，形成台阶面，模具支撑环4的外壁与上底板3的第一阶台阶孔之间采用过渡配合。

所述套筒单元包括下定位环5、套筒6和上定位环7；模具支撑环4位于下定位环5中心，两者之间存在1mm的间隙；下定位环5与上底板3的顶面通过沉头螺钉固连；套筒6筒身上均匀分布9行6列通孔；下定位环5的顶面与套筒6一端通过沉头螺钉固连，上定位环7设置在套筒6的另一端，两者过渡配合；模具单元设置在套筒6内，其一端穿过套筒6设置在基座单元的下底板1上。

所述模具单元包括位移传感器8、第一测力传感器9、模具10、压制轴11、应变片12、底塞13、第二测力传感器14和数据采集装置；模具10为厚壁圆筒，用于充当被压缩松散物料的容器；模具10设置在套筒6内，一端与上定位环7之间采用间隙配合，另一端设置在模具支撑环4内，通过模具支撑环4的台阶面定位；压制轴11设置在模具10内，其直径小于模具10的内径，且压制轴11的长度大于模具10的长度；第二测力传感器14(量程30kN)位于模具支撑环4正下方的下底板1上，底塞13穿过模具支撑环4，其底面设置在第二测力传感器14上，顶面外壁与模具10采用间隙配合；第一测力传感器9(量程30kN)固定在压制轴11的顶面；五组应变片12(市购)沿模具10外壁的轴向间隔设置，每组的应变片12的测试方向为周向，用于测试压制过程中模具10外壁的径向应变；位移传感器8(量程1000mm)设置在模具10的斜上方，用于采集压制轴11的轴向位移；位移传感器8、第一测力传感器9、应变片12和第二测力传感器14分别与数据采集装置连接，进行数据采集。其中，位移信号采集装置选用NI 9215，力信号采集装置选用NI PXI-4472B，应变信号采集装置选用NI 9237。

所述压制轴11的直径与模具10的内径差值为0.7mm，长度差值为10mm。

所述模具10的外壁的表面粗糙度Ra为3.2；模具10的壁厚为5mm，内径为20mm。

所述每组应变片12包含两个对称布置的应变片，配合另外两个相同规格的应变片温度补偿片，以全桥的方式接到应变信号采集装置相应端子；每组应变片12之间的轴向距离为10mm。

所述压制轴11为实心圆柱，用于压制模具10内的松散物料。

结合图4，一种松散物料致密成型过程力学行为测试装置的测试方法，方法步骤如下：

步骤1、将液压缸的运动部件设置在所述松散物料致密成型过程力学行为测试装置的第一测力传感器9的顶部，使第一测力传感器9和压制轴11能在液压缸的作用下以稳定的速度轴向移动；

步骤2、启动液压缸，使压制轴11以500mm/min的速度向上运动，直到压制轴11的底部离开模具10，并保证有足够的空间向模具10中添加待压制的松散物料，停止压制轴11；

步骤3、将3g待压制的松散物料放入模具10内(图4A)，启动液压缸，使压制轴11以20mm/min的速度向下运动，对松散物料进行压制；

步骤4、位移传感器8、第一测力传感器9、应变片12和第二测力传感器14在数据采集装置的控制下采集数据，记录整个压制过程中的位移、力及应变；

步骤5、结合位移传感器8对压制轴11的位移进行监测，直到压制轴11的底面距离底塞13的上表面的距离为P*9.645±0.500mm(P为添加松散物料的次数)，停止压制轴11，保持停止状态60s，得到致密物料(图4B)；

步骤6、重复步骤2～步骤5一次(图4C，图4D)；

步骤7、使压制轴11以20mm/min的速度上行，向上抬起模具10以消除致密物料对底塞13的作用力，从而将底塞13和第二测力传感器14取出，使压制轴11停止；

步骤8、使压制轴11以20mm/min的速度下行，直到将致密物料从模具10中挤出(图4E)；

步骤9、利用位移传感器8、第一测力传感器9和应变片12记录挤出过程中的位移、力和应变，通过对试验数据的分析，研究松散物料致密成型过程中的力学行为。

通过对试验数据的分析，可以获得松散物料成型过程中的应力应变关系、物料与模具内壁之间的摩擦力、物料与模具内壁之间的正压力以及物料与模具内壁间的滑动摩擦系数。其中，压制过程中位移传感器8和第二测力传感器14所记录的数据之间的关系即为松散物料成型过程中的应力应变关系；同一时刻下，第一测力传感器9和第二测力传感器14所记录的数据之差即为成型过程中物料与模具内壁之间的摩擦力；根据应变片12所记录的应变数据，利用公式(1)可以获得的测点位置处，物料与模具内壁之间的正压力。

式中：P为物料与模具内壁之间的正压力，E为模具材料的弹性模量，K为模具外径与内径的比值，ε为应变片12测得的应变值，μ为模具材料的泊松比。

在此基础上，根据公式(2)可以获得物料与模具内壁间的滑动摩擦系数。

式中：f为物料与模具内壁之间的滑动摩擦系数，F_f为物料与模具内壁之间的摩擦力，P为物料与模具内壁之间的正压力，D为模具内径，l为致密物料长度。