本發(fā)明屬于飼料機械和生物質(zhì)能源利用領(lǐng)域，具體涉及一種松散物料致密成型過程力學行為測試裝置及其測試方法。

背景技術(shù)：

致密成型工藝是指利用模具將松散物料壓制成為具有規(guī)則形狀和一定密度的產(chǎn)品的技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于飼料和生物質(zhì)固體燃料工業(yè)，環(huán)模制粒機是該技術(shù)的主要應(yīng)用形式。目前，該技術(shù)主要存在成型能耗高，模具磨損嚴重等問題，嚴重制約了相關(guān)行業(yè)，特別是生物質(zhì)固體燃料行業(yè)的發(fā)展，為我國可再生能源的發(fā)展帶來了一定的阻力。為了解決這一問題，國內(nèi)外相關(guān)學者開展了大量的研究，大多集中在原料特性、工藝參數(shù)以及設(shè)備結(jié)構(gòu)等對成型過程及制品品質(zhì)的影響上，但并未從根本上解決這一問題。其主要原因在于尚沒有一套試驗裝置，能對成型過程中被壓縮物料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以及物料與模具內(nèi)壁之間的正壓力和摩擦力進行測試。

查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻，未發(fā)現(xiàn)松散物料致密成型過程力學行為測試裝置相關(guān)專利和文獻，尚沒有類似的裝置可以對松散物料成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及物料與模具內(nèi)壁之間的正壓力和摩擦力進行測試。相關(guān)學者的研究主要是結(jié)合單孔試驗裝置進行，其原理圖如圖1所示。該類型的裝置只能對施加在壓桿上的力進行測量，無法獲得物料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以及物料與模具內(nèi)壁之間正壓力和摩擦力。專利zl201310629828.9提及了一種多功能松散物料成型試驗裝置，該裝置可以模擬松散物料致密成型過程。但該裝置依然無法測出壓制過程中物料與模具內(nèi)壁之間的摩擦力。另外，該專利提出了利用連接螺柱結(jié)合力傳感器測試徑向力的方法。但實際上整個壓制過程中模具的徑向應(yīng)變很小，無法精確地傳遞到該方法所設(shè)計的力傳感器上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種松散物料致密成型過程力學行為測試裝置及其測試方法，主要用于模擬松散物料致密成型過程，并對壓制過程中物料與模具內(nèi)壁之間的摩擦力和正壓力，以及松散物料在致密成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進行測試，從而為改善松散物料致密成型工藝中的高能耗、高磨損問題提供數(shù)據(jù)支撐。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種松散物料致密成型過程力學行為測試裝置，包括

起固定支撐作用的基座單元；

用于壓制松散物料的模具單元；

對模具單元起定位作用的套筒單元；

所述基座單元包括下底板、上底板、模具支撐環(huán)和n個支撐柱，n≥4，下底板和上底板平行間隔設(shè)置，兩者之間通過n個環(huán)形分布的支撐柱連接固定，上底板中心設(shè)有一個二階臺階孔，位于上方的第一階臺階孔直徑大于位于下方的第二階臺階孔直徑，模具支撐環(huán)內(nèi)壁自上向下設(shè)有一個環(huán)形凹槽，形成臺階面，模具支撐環(huán)的外壁與上底板的第一階臺階孔之間采用過渡配合。

所述套筒單元包括下定位環(huán)、套筒和上定位環(huán)；模具支撐環(huán)位于下定位環(huán)中心，兩者之間存在間隙，下定位環(huán)與上底板的頂面固連，套筒筒身上均勻分布m行n列通孔，6≤m≤12，3≤n≤8，下定位環(huán)的頂面與套筒一端固連，上定位環(huán)設(shè)置在套筒的另一端，兩者過渡配合，模具單元設(shè)置在套筒內(nèi)，其一端穿過套筒設(shè)置在基座單元的下底板上。

所述模具單元包括位移傳感器、第一測力傳感器、模具、壓制軸、應(yīng)變片、底塞、第二測力傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置；模具為厚壁圓筒，用于充當被壓縮松散物料的容器，模具設(shè)置在套筒內(nèi)，一端與上定位環(huán)之間采用間隙配合，另一端設(shè)置在模具支撐環(huán)內(nèi)，通過模具支撐環(huán)的臺階面定位；壓制軸設(shè)置在模具內(nèi)，其直徑小于模具的內(nèi)徑，且壓制軸的長度大于模具的長度；第二測力傳感器位于模具支撐環(huán)正下方的下底板上，底塞穿過模具支撐環(huán)，其底面設(shè)置在第二測力傳感器上，頂面外壁與模具采用間隙配合；第一測力傳感器固定在壓制軸的頂面，若干組應(yīng)變片沿模具外壁的軸向間隔設(shè)置，每組的應(yīng)變片的測試方向為周向，用于測試壓制過程中模具外壁的徑向應(yīng)變；位移傳感器設(shè)置在模具的斜上方，用于采集壓制軸的軸向位移；位移傳感器、第一測力傳感器、應(yīng)變片和第二測力傳感器分別與數(shù)據(jù)采集裝置連接，進行數(shù)據(jù)采集。

一種基于所述松散物料致密成型過程力學行為測試裝置的測試方法，方法步驟如下：

步驟1、將萬能試驗機或液壓缸的運動部件設(shè)置在所述松散物料致密成型過程力學行為測試裝置的第一測力傳感器的頂部，使第一測力傳感器和壓制軸能在萬能試驗機或液壓缸的作用下以穩(wěn)定的速度軸向移動；

步驟2、啟動萬能試驗機或液壓缸，使壓制軸以穩(wěn)定的速度向上運動，直到壓制軸的底部離開模具，并保證有足夠的空間向模具中添加待壓制的松散物料，停止壓制軸；

步驟3、將一定量的待壓制的松散物料放入模具內(nèi)，啟動萬能試驗機或液壓缸，使壓制軸以穩(wěn)定的速度向下運動，對松散物料進行壓制；

步驟4、位移傳感器、第一測力傳感器、應(yīng)變片和第二測力傳感器在數(shù)據(jù)采集裝置的控制下采集數(shù)據(jù)，記錄整個壓制過程中的位移、力及應(yīng)變；

步驟5、結(jié)合位移傳感器對壓制軸的位移進行監(jiān)測，直到模具內(nèi)松散物料的密度達到1±0.1g/cm³，停止壓制軸，保持停止狀態(tài)30s～120s，得到致密物料；

步驟6、重復步驟2～步驟5，直到所有松散物料壓制完畢；

步驟7、使壓制軸上行，向上抬起模具以消除致密物料對底塞的作用力，從而將底塞和第二測力傳感器取出，使壓制軸停止；

步驟8、使壓制軸下行，直到將致密物料從模具中擠出；

步驟9、利用位移傳感器、第一測力傳感器和應(yīng)變片記錄擠出過程中的位移、力和應(yīng)變，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究松散物料致密成型過程中的力學行為。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：(1)可以直接測出壓制過程中物料與模具內(nèi)壁之間的摩擦力，以及物料在壓制過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

(2)可以通過力學計算獲得壓制過程中物料對模具內(nèi)壁的正壓力以及物料與模具之間的滑動摩擦系數(shù)。

(3)采集到的試驗數(shù)據(jù)可以為松散物料致密成型工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而推動我國生物質(zhì)能源行業(yè)和飼料加工行業(yè)的發(fā)展。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有單孔試驗裝置原理圖。

圖2是本發(fā)明局部剖視的松散物料致密成型過程力學行為測試裝置等軸測圖。

圖3是本發(fā)明松散物料致密成型過程力學行為測試裝置半剖視圖，其中a為主視圖半剖視圖；b為左視圖半剖視圖。

圖4是本發(fā)明松散物料致密成型過程力學行為測試裝置的測試方法示意圖，其中a為首次松散物料加入完畢狀態(tài)示意圖；b為首次致密物料壓制完畢狀態(tài)示意圖；c為第二次松散物料加入完畢狀態(tài)示意圖；d為第二次致密物料壓制完畢狀態(tài)示意圖；e為致密物料擠出狀態(tài)示意圖。

具體實施方式

結(jié)合圖2和圖3，一種松散物料致密成型過程力學行為測試裝置，包括

起固定支撐作用的基座單元；

用于壓制松散物料的模具單元；

對模具單元起定位作用的套筒單元。

所述基座單元包括下底板1、上底板3、模具支撐環(huán)4和n個支撐柱2，n≥4；下底板1和上底板3平行間隔設(shè)置，兩者之間通過n個環(huán)形分布的支撐柱2連接固定，充當整套裝置的底座；上底板3中心設(shè)有一個二階臺階孔，用于放置模具支撐環(huán)4，位于上方的第一階臺階孔直徑大于位于下方的第二階臺階孔直徑；模具支撐環(huán)4內(nèi)壁自上向下設(shè)有一個環(huán)形凹槽，形成臺階面，用于模具底部的定位支撐；模具支撐環(huán)4的外壁與上底板3的第一階臺階孔之間采用過渡配合。

所述套筒單元包括下定位環(huán)5、套筒6和上定位環(huán)7；模具支撐環(huán)4位于下定位環(huán)5中心，兩者之間存在間隙，下定位環(huán)5與上底板3的頂面固連，套筒6筒身上均勻分布m行n列通孔以減輕重量，同時用于引出應(yīng)變片12的導線，6≤m≤12，3≤n≤8；下定位環(huán)5的頂面與套筒6一端固連，上定位環(huán)7設(shè)置在套筒6的另一端，兩者過渡配合；模具單元設(shè)置在套筒6內(nèi)，其一端穿過套筒6設(shè)置在基座單元的下底板1上。

所述模具單元包括位移傳感器8、第一測力傳感器9、模具10、壓制軸11、應(yīng)變片12、底塞13、第二測力傳感器14和數(shù)據(jù)采集裝置；模具10為厚壁圓筒，用于充當被壓縮松散物料的容器；模具10設(shè)置在套筒6內(nèi)，一端與上定位環(huán)7之間采用間隙配合，另一端設(shè)置在模具支撐環(huán)4內(nèi)，通過模具支撐環(huán)4的臺階面定位；壓制軸11設(shè)置在模具10內(nèi)，其直徑小于模具10的內(nèi)徑，且壓制軸11的長度大于模具10的長度；第二測力傳感器14(市購)位于模具支撐環(huán)4正下方的下底板1上，用于采集壓制過程中物料傳遞下來的力；底塞13穿過模具支撐環(huán)4，其底面設(shè)置在第二測力傳感器14上，頂面外壁與模具10采用間隙配合；第一測力傳感器9(市購)固定在壓制軸11的頂面，用于采集壓制過程中作用在物料頂部的力；若干組應(yīng)變片12沿模具10外壁的軸向間隔設(shè)置，每組的應(yīng)變片12的測試方向為周向，用于測試壓制過程中模具10外壁的徑向應(yīng)變；位移傳感器8設(shè)置在模具10的斜上方，用于采集壓制軸11的軸向位移；位移傳感器8、第一測力傳感器9、應(yīng)變片12和第二測力傳感器14分別與數(shù)據(jù)采集裝置(市購)連接，進行數(shù)據(jù)采集。

所述壓制軸11的直徑與模具10的內(nèi)徑差值為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的壁厚為5±1mm，內(nèi)徑為10mm～30mm。

所述每組應(yīng)變片12包含兩個對稱布置的應(yīng)變片，每組應(yīng)變片12之間的軸向距離為10±1mm。

所述壓制軸11為實心圓柱，用于壓制模具10內(nèi)的松散物料。

結(jié)合圖4，一種松散物料致密成型過程力學行為測試裝置的測試方法，方法步驟如下：

步驟1、將萬能試驗機或液壓缸(市購)的運動部件設(shè)置在所述松散物料致密成型過程力學行為測試裝置的第一測力傳感器9的頂部，使第一測力傳感器9和壓制軸11能在萬能試驗機或液壓缸的作用下以穩(wěn)定的速度軸向移動；

步驟2、啟動萬能試驗機或液壓缸，使壓制軸11以穩(wěn)定的速度向上運動，直到壓制軸11的底部離開模具10，并保證有足夠的空間向模具10中添加待壓制的松散物料，停止壓制軸11；

步驟3、將一定量的待壓制的松散物料放入模具10內(nèi)，啟動萬能試驗機或液壓缸，使壓制軸11以穩(wěn)定的速度向下運動，對松散物料進行壓制；

步驟4、位移傳感器8、第一測力傳感器9、應(yīng)變片12和第二測力傳感器14在數(shù)據(jù)采集裝置的控制下采集數(shù)據(jù)，記錄整個壓制過程中的位移、力及應(yīng)變；

步驟5、結(jié)合位移傳感器8對壓制軸11的位移進行監(jiān)測，直到模具10內(nèi)松散物料的密度達到1±0.1g/cm³，停止壓制軸11，保持停止狀態(tài)30s～120s，得到致密物料；

步驟6、重復步驟2～步驟5，直到所有松散物料壓制完畢；

步驟7、使壓制軸11上行，向上抬起模具10以消除致密物料對底塞13的作用力，從而將底塞13和第二測力傳感器14取出，使壓制軸11停止；

步驟8、使壓制軸11下行，直到將致密物料從模具10中擠出；

步驟9、利用位移傳感器8、第一測力傳感器9和應(yīng)變片12記錄擠出過程中的位移、力和應(yīng)變，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究松散物料致密成型過程中的力學行為。

實施例1

結(jié)合圖2和圖3，一種松散物料致密成型過程力學行為測試裝置，包括

起固定支撐作用的基座單元；

用于壓制松散物料模具單元；

對模具單元起定位作用的套筒單元。

所述基座單元包括下底板1、上底板3、模具支撐環(huán)4和6個支撐柱2，下底板1和上底板3平行間隔設(shè)置，兩者之間通過6個環(huán)形分布的支撐柱2連接固定，所述支撐柱2下端與下底板1通過過盈配合固連，上端通過螺紋與上底板3固連，上底板3中心設(shè)有一個二階臺階孔，位于上方的第一階臺階孔直徑大于位于下方的第二階臺階孔直徑，模具支撐環(huán)4內(nèi)壁自上向下設(shè)有一個環(huán)形凹槽，形成臺階面，模具支撐環(huán)4的外壁與上底板3的第一階臺階孔之間采用過渡配合。

所述套筒單元包括下定位環(huán)5、套筒6和上定位環(huán)7；模具支撐環(huán)4位于下定位環(huán)5中心，兩者之間存在1mm的間隙；下定位環(huán)5與上底板3的頂面通過沉頭螺釘固連；套筒6筒身上均勻分布9行6列通孔；下定位環(huán)5的頂面與套筒6一端通過沉頭螺釘固連，上定位環(huán)7設(shè)置在套筒6的另一端，兩者過渡配合；模具單元設(shè)置在套筒6內(nèi)，其一端穿過套筒6設(shè)置在基座單元的下底板1上。

所述模具單元包括位移傳感器8、第一測力傳感器9、模具10、壓制軸11、應(yīng)變片12、底塞13、第二測力傳感器14和數(shù)據(jù)采集裝置；模具10為厚壁圓筒，用于充當被壓縮松散物料的容器；模具10設(shè)置在套筒6內(nèi)，一端與上定位環(huán)7之間采用間隙配合，另一端設(shè)置在模具支撐環(huán)4內(nèi)，通過模具支撐環(huán)4的臺階面定位；壓制軸11設(shè)置在模具10內(nèi)，其直徑小于模具10的內(nèi)徑，且壓制軸11的長度大于模具10的長度；第二測力傳感器14(量程30kn)位于模具支撐環(huán)4正下方的下底板1上，底塞13穿過模具支撐環(huán)4，其底面設(shè)置在第二測力傳感器14上，頂面外壁與模具10采用間隙配合；第一測力傳感器9(量程30kn)固定在壓制軸11的頂面；五組應(yīng)變片12(市購)沿模具10外壁的軸向間隔設(shè)置，每組的應(yīng)變片12的測試方向為周向，用于測試壓制過程中模具10外壁的徑向應(yīng)變；位移傳感器8(量程1000mm)設(shè)置在模具10的斜上方，用于采集壓制軸11的軸向位移；位移傳感器8、第一測力傳感器9、應(yīng)變片12和第二測力傳感器14分別與數(shù)據(jù)采集裝置連接，進行數(shù)據(jù)采集。其中，位移信號采集裝置選用ni9215，力信號采集裝置選用nipxi-4472b，應(yīng)變信號采集裝置選用ni9237。

所述壓制軸11的直徑與模具10的內(nèi)徑差值為0.7mm，長度差值為10mm。

所述模具10的外壁的表面粗糙度ra為3.2；模具10的壁厚為5mm，內(nèi)徑為20mm。

所述每組應(yīng)變片12包含兩個對稱布置的應(yīng)變片，配合另外兩個相同規(guī)格的應(yīng)變片溫度補償片，以全橋的方式接到應(yīng)變信號采集裝置相應(yīng)端子；每組應(yīng)變片12之間的軸向距離為10mm。

所述壓制軸11為實心圓柱，用于壓制模具10內(nèi)的松散物料。

結(jié)合圖4，一種松散物料致密成型過程力學行為測試裝置的測試方法，方法步驟如下：

步驟1、將液壓缸的運動部件設(shè)置在所述松散物料致密成型過程力學行為測試裝置的第一測力傳感器9的頂部，使第一測力傳感器9和壓制軸11能在液壓缸的作用下以穩(wěn)定的速度軸向移動；

步驟2、啟動液壓缸，使壓制軸11以500mm/min的速度向上運動，直到壓制軸11的底部離開模具10，并保證有足夠的空間向模具10中添加待壓制的松散物料，停止壓制軸11；

步驟3、將3g待壓制的松散物料放入模具10內(nèi)(圖4a)，啟動液壓缸，使壓制軸11以20mm/min的速度向下運動，對松散物料進行壓制；

步驟4、位移傳感器8、第一測力傳感器9、應(yīng)變片12和第二測力傳感器14在數(shù)據(jù)采集裝置的控制下采集數(shù)據(jù)，記錄整個壓制過程中的位移、力及應(yīng)變；

步驟5、結(jié)合位移傳感器8對壓制軸11的位移進行監(jiān)測，直到壓制軸11的底面距離底塞13的上表面的距離為p*9.645±0.500mm(p為添加松散物料的次數(shù))，停止壓制軸11，保持停止狀態(tài)60s，得到致密物料(圖4b)；

步驟6、重復步驟2～步驟5一次(圖4c，圖4d)；

步驟7、使壓制軸11以20mm/min的速度上行，向上抬起模具10以消除致密物料對底塞13的作用力，從而將底塞13和第二測力傳感器14取出，使壓制軸11停止；

步驟8、使壓制軸11以20mm/min的速度下行，直到將致密物料從模具10中擠出(圖4e)；

步驟9、利用位移傳感器8、第一測力傳感器9和應(yīng)變片12記錄擠出過程中的位移、力和應(yīng)變，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究松散物料致密成型過程中的力學行為。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，可以獲得松散物料成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、物料與模具內(nèi)壁之間的摩擦力、物料與模具內(nèi)壁之間的正壓力以及物料與模具內(nèi)壁間的滑動摩擦系數(shù)。其中，壓制過程中位移傳感器8和第二測力傳感器14所記錄的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系即為松散物料成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；同一時刻下，第一測力傳感器9和第二測力傳感器14所記錄的數(shù)據(jù)之差即為成型過程中物料與模具內(nèi)壁之間的摩擦力；根據(jù)應(yīng)變片12所記錄的應(yīng)變數(shù)據(jù)，利用公式(1)可以獲得的測點位置處，物料與模具內(nèi)壁之間的正壓力。

式中：p為物料與模具內(nèi)壁之間的正壓力，e為模具材料的彈性模量，k為模具外徑與內(nèi)徑的比值，ε為應(yīng)變片12測得的應(yīng)變值，μ為模具材料的泊松比。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(2)可以獲得物料與模具內(nèi)壁間的滑動摩擦系數(shù)。

式中：f為物料與模具內(nèi)壁之間的滑動摩擦系數(shù)，ff為物料與模具內(nèi)壁之間的摩擦力，p為物料與模具內(nèi)壁之間的正壓力，d為模具內(nèi)徑，l為致密物料長度。