（流体机械及工程专业论文）粉体物料动摩擦系数的测试装置设计及其实验分析.pdf

粉体物料动摩擦系数的测试装置设计及其实脚i i i i i l l l l l l l m l l l l l l l l l l l 9 l l l l l l 。l l l l l t 9 l l t l l l 2 l l l l l l 中图分类号 t b 4 4 学科分类号 4 7 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 4 1 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名 杨彩霞学号 2 0 0 9 0 0 0 7 4 1 获学位专业名称流体机械及工程 获学位专业代码 0 8 0 7 0 4 课题来源国家8 6 3 纵向课题研究方向 测试装置设计和实验 论文题目粉体物料动摩擦系数的测试装置设计及其实验分析 关键词 粉体物料摩擦系数温度压力转速 论文答辩日期 2 0 1 2 5 2 6论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师任冬云副研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人1吴大鸣研究员北京化工大学精密技术 评阅人2薛平研究员北京化工大学聚合物加工 中国石化总公司北京 椭员会拂赵月云研究员 聚合物加工 化工研究院 答辩委员1吴大鸣研究员 北京化工大学精密挤出 答辩委员2薛平研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员3何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员4何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员5金志明 副研究员 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员6王克俭副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员7李庆春研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员8刘颖副研究员北京化工大学聚合物复合材料 答辩委员9刘广建高工北京化工大学聚合物加工 答辩委员1 0闫宝瑞高工北京化工大学 机电控制 答辩委员1 1赵中里讲师 北京化工大学聚合物加工 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 粉体物料动摩擦系数的测试装置设计及其实验分析 摘要 在高分子材料混合加工，农业机械，医药农药，食品，微电子，陶瓷 等领域都涉及到粉体和颗粒物料与工作表面的运动。在这些相关设备的制 造加工，实用选型中，粉体物料与工作部件表面的摩擦系数是关键数据。 并且，物料的压力，温度，滑动速度和滑动时间都会对粉体材料与工作表 面的摩擦系数产生一定的影响。因此，精确地测量粉体物料的动摩擦系数， 并根据粉体物料摩擦系数的变化特点分析其改变的原因，对粉体设备的设 计和粉体加工过程具有重要的指导意义和实用价值。 根据摩擦系数的定义和粉体物料的散粒特性，本文提出了一种测量粉 体物料动摩擦系数的方法。即：设定物料的温度和转速，测试粉料的压力 和转动的扭矩，转换为物料的正压力和摩擦力，计算摩擦系数。 根据以上设计理念，设计开发了新型粉体物料动摩擦系数实验测试装 置。在本文自主开发的实验台上进行了不同粉体物料动摩擦系数的测试实 验，通过重复性实验验证了本文提出的设计思想的正确性。通过测试不同 压力，温度和转速下粉料摩擦系数，绘制摩擦系数随着压力，温度和转速 的变化关系曲线。研究摩擦系数变化的规律，分析引起摩擦系数变化的因 素，从而实现对粉体物料摩擦性能的掌握。 关键词：粉体物料，动摩擦系数，压力，温度，转速 北京化工大学硕士学位论文 摘要 t e s t i n gd e v i c ed e s i g 门na n de x p e r i m e n t a l s t u d yo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t o fp o ，e rm 【a t e l u a l s a b s t r a c t i np o l y m e rm i x e dp r o c e s s i n g ，a g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y , p h a r m a c e u t i c a l c h e m i c a l s ，f o o d ，m i c r o e l e c t r o n i c s ，c e r a m i c s ，a n de t c ；t h ep o w d e ra n dp a r t i c l e m a t e r i a l sm o v e m e n t so nt h ew o r k i n gs u r f a c ew e r er e l a t e d i nt h e s er e l a t e d e q u i p m e n t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n dp r a c t i c a ls e l e c t i o n ，p o w d e r m a t e r i a l s o nw o r k i n gp a r t so ft h es u r f a c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sv e r yi m p o r t a n t a n d ，t h ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，s p e e da n ds l i d i n gt i m eo fp o w d e r m a t e r i a l s w i l lh a v ec e r t a i ne f f e c to nf r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ep o w e r t h e r e f o r e ， a c c u r a t e l ym e a s u r i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp o w d e ra n ds t u d y i n gt h e c h a n g i n gl a wo f t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta r ev e r yi m p o r t a n ta n dv a l u e a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no f f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm a t e r i a l s ，w ep u t sf o r w a r dam e a s u r e m e n tm e t h o do fb u l km a t e r i a l s f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n ti nt h i sp a p e r n a m e l y ，w es h o u l df i r s t l ys e tt h e t e m p e r a t u r eo f t h em a t e r i a la n d r o t a t i n gs p e e d ，t e s tp o w d e rp r e s s u r ea n d r o t a t i n gt o r q u e ，t h e nc o n v e r tt h ep o s i t i v ep r e s s u r ea n df r i c t i o no fm a t e r i a l ，l a s t c a l c u l a t et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t i i i 北京化工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ea b o v ed e s i g nc o n c e p t ，w ed e s i g nn e we x p e r i m e n t e q u i p m e n tb e i n gu s e dt ot e s tf r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp o w d e rm a t e r i a l s w e r e p e a te x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tp o w d e rm a t e r i a l su s i n gm e n t i o n e d e q u i p m e n t ，a n dw ec a np r o v et h ed e s i g nt h o u g h ti sr e a s o n a b l et h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h r o u g ht h et e s t i n gp o w d e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta t d i f f e r e n tp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n ds p e e d ，w eh a v eo b t a i n e df i t t i n gc u r v e so f f r i c t i o nc o e f f i c i e n tv sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n ds p e e d i nt h ee n d ，w ec a n m a s t e rt h ef r i c t i o np r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lt h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tc h a n g i n gr u l e sa n d a n a l y z i n gt h er e a s o nf o r t h ev a r i a t i o no ff r i c t i o n c o e 伍c i e n t k e yw o r d s ：p o w d e r m a t e r i a l s ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，p r e s s u r e ， t e m p e r a t u r e ，s p e e d i v 目录 目录 第一章绪论一1 1 1 本课题的研究目的及意义一1 1 2 国内外相关领域的研究现状”3 1 2 1 粉体物料动摩擦系数测试装置及实验方法”3 1 2 2 影响粉体材料摩擦系数的主要原因”6 1 3 本课题的研究内容”7 1 3 1 粉体材料摩擦系数测试装置的设计和性能的评估”7 1 3 2 被测粉体试样的选取”8 1 3 3 粉体物料动摩擦系数的分析方法和结论一8 第二章粉体物料动摩擦系数测试装置的设计9 2 1 粉体物料动摩擦系数测试装置的测试及设计原理”9 2 1 1 实验装置的基本结构一9 2 1 2 实验装置的工作原理和方法l o 2 2 测试装置主体结构及相关部件的设计和选取1 1 2 2 1 关键部件的结构设计和强度校核1 1 2 2 2 其他相关零部件的选用1 7 2 3 数据采集系统1 8 2 3 1 扭矩传感器19 2 3 2 压力传感器l9 2 3 3l a b v i e w 简介和编程1 9 2 3 4 数据采集卡2 1 2 4 设备结构总图2 2 第三章测试装置的优化改进2 3 第四章粉体物料动摩擦系数的测量，2 7 v 北京化工火学硕士学位论文 4 1 粉体材料的选择2 7 4 2 粉体物料动摩擦系数的测量2 7 4 2 1 实验设备的选用2 7 4 2 2 实验设备的测试原理和步骤2 8 4 2 3 不同物料的动摩擦系数的实验测试结果2 9 第五章实验结果的分析研究4 1 5 1 轮胎胎面的废旧胶粉的摩擦系数变化机理4 1 5 1 1 压力对胶粉摩擦系数的影响4 2 5 1 2 转速对胶粉摩擦系数的影响4 7 5 1 3 温度对胶粉摩擦系数的影响5 0 5 2 聚乙烯树脂的摩擦系数变化机理5 3 5 2 1 压力对聚乙烯树脂摩擦系数的影响5 4 5 2 2 转速对聚乙烯树脂摩擦系数的影响5 7 5 2 3 温度对聚乙烯树脂摩擦系数的影响5 7 5 3 超高分子量聚乙烯的摩擦系数变化机理5 8 5 3 1 压力对超高分子量聚乙烯摩擦系数的影响5 9 5 3 2 转速对超高分子量聚乙烯摩擦系数的影响6 1 5 3 3 温度对超高分子量聚乙烯摩擦系数的影响6 2 5 4 滑石粉的摩擦系数变化机理6 3 5 4 1 压力对滑石粉摩擦系数的影响6 3 5 4 2 转速对滑石粉摩擦系数的影响6 6 5 4 3 温度对滑石粉摩擦系数的影响6 7 第六章结论及展望6 9 参考文献7 l 致谢7 5 研究成果及发表的学术论文7 7 目录 作者与导师简介7 9 北京化工大学硕士学位论文 v i i ! 目录 co n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h et e x t u a ls t u d y sa i ma n dp u r p o r t l 1 2t h er e s e a r c ha c t u a l i t yo f t h i sd o m a i n 3 1 2 1t h et e s t i n gd e v i c eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp o w e rm a t e r i a l s a n de x p e r i m e n t a l m e m o d s ”3 1 2 2t h em a i nc a u s e si n f l u e n c e df r i c t i o nc o e f f i c i e n to f p o w e r m a t e r i a l s ”6 1 3t h ec o n t 耐o f t h i si s s u e 7 1 3 1t h et e s t i n gd e v i c ed e s i g no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp o w e rm a t e r i a l sa n dp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n 7 1 3 2t h es e l e c t i o no f t h et e s t e dp o w e r 8 1 3 3t h ea n a l y s i sm e t h o da n dc o n c l u s i o no f f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f p o w e r m a t e r i a l s “8 c h a p t e r2t h et e s t i n gd e v i c ed e s i g no f f r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp o w e rm a t e r i a l s 2 1t h et e s ta n dd e s i g no ft h et e s t i n gd e v i c ed e s i g no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp o w e r m a t e r i a l s 9 2 1 1t h eb a s e ds t r u c t u r eo f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s “9 2 1 2t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 1 0 2 2t h em a i ns t r u c t u r ed e s i g na n do t h e rp a r t s s e l e c t i o no f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 1 1 2 2 1t h es t r u c t u r ed e s i g na n ds t r e n g t hc a l i b r a t i o no f t h em a i np a r t s 。11 2 2 2t h es e l e c t i o no f o t h e rp a r t s 1 7 2 3d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m 18 2 3 1t o r q u es e n s o r 1 9 2 3 2p r e s s u r et r a n s d u c e r 。1 9 2 3 3t h ei n t r o d u c t i o no fl a b v i e wa n dp r o g r a m m e 。19 2 3 4d a t ac o l l e c t i o nc a r d s 2 1 2 4t h es t r u c t u r ed r a w i n go fe q u i p m e n t 2 2 i x 北京化工大学硕士学位论文 c h a p t e r3t h ei m p r o v e m e n to f t e s t i n gd e v i c e 2 3 c h a p t e r4t h em e a s u r e m e n to ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp o w e rm a t e r i a l s 2 7 4 1t h es e l e c t i o no f t h et e s t e dp o w e r 2 7 4 2t h em e a s u r e m e n to ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to f p o w e r m a t e r i a l s 2 7 4 2 1t h es e l e c t i o na n du s eo fe q u i p m e n t 2 7 4 2 2t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fe x p e r i m e n t 2 8 4 2 3t h ee x p e r i m e n tr e s u l to f f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f d i f f e r e n t p o w e rm a t e r i a l s 2 9 c h a p t e r5t h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n tr e s u l t 4 1 5 11 1 1 ec h a n g eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ew a s t er u b b e r p o w e r 4 1 5 1 1p r e s s u r eo nt h ei n f l u e n c eo f f r i c t i o nc o e m c i e n to f t h ew a s t er u b b e rp o w e r 4 2 5 1 2s p e e do nt h ei n f l u e n c eo f f r i c t i o nc o e m c i e n to f t h ew a s t er u b b e r p o w e r 4 7 5 1 3t e m p e r a t u r eo nt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h ew a s t er u b b e rp o w e r 5 0 5 21 1 1 ec h a n g eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to fh d p e 5 3 5 2 1p r e s s u r eo nt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o nc o e 伍c i e n to f h d p e 5 4 5 2 2s p e e do nt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o nt o e 伍c i e n to f h d p e 5 7 5 2 3t e m p e r a t u r eo nt h ei n f l u e n c eo f f r i c t i o nc o e m c i e n to f h d p e 5 7 5 3t h ec h a n g eo f f r i c t i o nc o e m c i e n to f u h m w p e 5 8 5 3 1p r e s s u r eo nt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o nc o e m c i e n to f u h 脚e 5 9 5 3 2s p e e do nt h ei n f l u e n c eo f f r i c t i o nc o e 伍c i e n to f u h m w p e 6 1 5 3 3t e m p e r a t u r e - o nt h ei n f l u e n c eo f f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f u h m w p e 6 2 5 4t h ec h a n g eo f f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f c u r v e 6 3 5 4 1p r e s s u r eo nt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o nc o e 衔c i e n to fc u r v e ”6 3 5 4 2s p e e do nt h ei n f l u e n c eo f f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f c u r v e 6 6 5 4 3t e m p e r a t u r eo nt h ei n f l u e n c eo f f r i c t i o nc o e m c i e n to f c u r v e 6 7 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dr e m a r k s 。6 9 r e f e r e n c e s 7 1 x 目录 t h a n k s 7 5 r e s e a r c hr e s u l t sa n da c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e d 7 7 t h ea u t h o ra n ds u p e r v i s o r 7 9 x i 北京化工大学硕士学位论文 x i i 笙旦望婴一 符号说明 物料与筒体内壁的接触面积，m m 2 物料与轴表面的接触面积，? l , l m 2 筒体内径，m m 物料长度，m m 摩擦系数 摩擦力， 压力，m p a 扭矩，n m 计算压力，m p a ： 筒体内径，m m ； 钢管，钢板的许用应力，m p a ； 焊接系数，驴= 1 钢板负偏差，m m 腐蚀余量，m m 计算厚度，m m 设计厚度，m m 名义厚度，m m 盖板厚度，m m 盖板外径，l 川； 结构特征系数，k = 0 2 套筒外径，m m 套筒内径，1 9 1 1 1 , 1 筒体半径，m m 动力机系数，k 。= 1 0 工况系数，k = 1 5 温度系数，k = 1 0 电机功率，k w 许用扭转剪应力，m p a s & 。 l f p 只b 痧q q 万 力瓯。：吐畋 r 砭只。 北京化工大学硕士学位论文 d 厶 r 轴的直径，m m 力臂，m m 温度， 转速，r m i n x i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究目的及意义 所谓粉体物料，就是颗粒比较小的固体粒子的集合体，与各项同性的气体或液体 不同，粉体中没有任何两个颗粒是完全一样的。粉体物料不同于块状物体，它具有几 个比较显著的特征：活性好，溶解度大，熔点下降，磁性强，光吸收性和热导性好， 比表面积大，能量高等特点。随着工业的飞速发展，粉体材料的应用范围越来越广， 如国防，材料合成，能源化工，航天，微电子，核技术，生物，农业机械，工业催化， 冶金，造纸，塑料加工，橡胶回收，制药等工业部门都涉及到粉体材料的使用，加工 制造。粉体物料普遍被选取利用促进了与之相关的设备的制造和加工技术的进步，不 论是制备粉体的设备还是应用粉体的设备，都会涉及到粉体物料与工作部件的摩擦， 而摩擦系数是设备的设计、制造及选型中必须考虑的重要参数。目前，在粉体物料被 应用的工业和高新技术领域，一般必须考虑粉体物料与工作部件的摩擦系数，并且物 料摩擦系数的大小及随着外界环境的变化的改变直接影响材料的使用寿命和使用性 能1 刊。 首先，在高分子材料加工和橡胶回收中，需要使用螺杆挤出机将固体物料熔融塑 化，通过机头口模挤出加工成型为相应的模型。或者，利用螺杆的挤出剪切作用对废 旧胶粉进行脱硫回收橡胶。在高分子材料加工和橡胶回收过程中，挤出机和注射机是 必不可少的设备。挤出机的螺杆是这些设备的关键部件，起着输送物料，搅拌，均匀 混合物料等重要作用。通过机筒的热传导加热物料使其熔融，最后进入机头挤出成型。 在螺杆的输送和混合中，主要依靠物料与螺杆之间的摩擦力，完成输送过程，所以， 在螺杆选型和设计的过程中，输送物料与螺杆和机筒之间的摩擦系数是非常重要的数 据；而大部分物料的摩擦系数与温度，压力及螺杆转速有密切关系，摩擦系数的大小 及随外界环境的变化直接影响着挤出加工和橡胶回收的质量。同时，摩擦系数的大小 也是挤出机设备功率确定的重要参考数据。对于一般的塑料与螺杆表面的摩擦系数可 以在相关的技术手册上查找，而关于废旧胶粉等新型材料与金属表面的摩擦系数的文 献则相对较少，使得挤出设备的设计和选型等研究工作因缺乏相关的标准数据而影响 研究的准确性。尤其在橡胶的回收过程中，螺杆与废旧胶粉的的摩擦系数直接影响挤 出过程物料的质量和设备的工作效率口吲。而目前很少关于测量粉体物料摩擦系数的装 置，研究物料的摩擦系数与温度，压力和转速的关系更是一个新的课题。所以，完全 有必要开发设计一台能够测量粉体物料的摩擦系数的装置，进而研究物料性质的变化 与摩擦系数的关系。 其次，细微粒体在医药和农药领域的使用更加普遍。医药工业中细粒度的药品及 北京化工大学硕士学位论文 制剂越来越多，对药品的颗粒细度要求也越来越高，因为颗粒越小，药物的吸收性和 生物可利用度就越高。因此，使用粉体制药由于具有成本低，产量高，效果好，污染 少而成为当前药物发展的必然趋势。目前，国内纵多制药厂已经开始采用这种粉体制 药的方式来取代传统的制药工艺，制药效果良好，部分药品甚至填补了国内制药的空 白，出1 2 1 北美。此外，由于颗粒越小，溶解度越大，越容易被吸收，所以超细粉体制 药更加广泛应用于农药的制作生产。例如，粉末吸入剂，速溶药物，颗粒状农药等。 粉体制药技术在农业领域的应用使得它具有极大的实用意义和推广价值。但是，粉体 制药技术的发展需要新的制药设备来支撑，在相关的制药设备的设计和选型中，粉体 原料与工作部件的摩擦系数是必不可少的参考数据。此外，在药品和制剂的加工过程 中，摩擦的作用及温度的变化会导致粉体材料的粒径，活化能，催化性能等发生变化。 综上所述，对粉体药物制备技术的研究和粉体药物的摩擦性能的研究将会成为制药行 业的新的研究就方向阳10 | 。 在食品工业和农业机械中，颗粒物质的使用和实验研究已经呈现出了高速增长的 趋势。随着社会的发展，人们更加注重饮食健康，绿色实物等保健食品开始蓬勃发展。 例如，高钙食品，纤维食品。而果蔬类，豆制品甚至肉类粉体状态含有丰富的维生素 和微量元素，并且具有高溶解性，易吸收等特点，非常适合制成人们需要食品。既满 足了人们对营养成分的需求，又充分利用了食品中的矿物质，维生素等资源。在农业 机械领域，农业机械装备的现代化是农业快速，高效，低耗发展的重要保证，加快农 业装备的机械化成为当前农业的发展的重点。农业设备，如：收割机，脱粒机，耕作 机械等，都存在着颗粒状物料的运动过程，均涉及到农业物料与其工作部件的摩擦作 用，而农业物料的摩擦性能和摩擦系数是农业机械设备设计中的主要参数。特别是播 种机械的结构形状，直接关系到颗粒物种能否按照既定的轨道运动。一台合适的农业 机械在保证种子合理播种的同时还应该保证种子不因与工作部件表面较大的摩擦作 用而受到损伤。所以，必须根据种子颗粒摩擦系数的大小来研究散粒物料的运动方法 和运动过程。而分析物料的运动过程离不开摩擦系数，所以研究农业物料与工作部件 的摩擦系数及物料的摩擦性能对相应机械装置的设计，制造加工具有重要价值，使农 业机械按照既定工艺完成所设定任务具有指导意义呻叫引。 粉粒体在纳米级材料行业的研究及应用越来越多，比如，医学，生物工程，高技 术陶瓷原料等领域。虽然纳米材料的应用研究还处在基础阶段，但由于金属纳米材料 和陶瓷颗粒具有较好的催化功能和红外吸收功能，因而纳米具有重要的使用价值和研 究意义。随着装备技术和工艺技能的不断发展，以及市场需求的日益增加，对纳米粉 体材料的研究将会更加深入姻1 0 j 。 最后，相同物质的粉体状态与固体块状的性能有很大差别。研究粉体物料的摩擦 系数性质完全不同于大块固体的摩擦性能研究。此外，随着新的物料种类的增加，了 解这些新物料的动摩擦系数及变化就更加困难了。而在测量摩擦系数的装置中，比较 2 笫一章绪论 常见的是测量固体与固体之间摩擦系数的装置。粉体物料与同体表面摩擦系数的测量 装置则更加鲜见。所以，结合生产流程中物料的温度，压力及与工作部件的表面的转 速均会发生变化，有必要通过自行实验设计一种新的测量装置，专门用来测量粉体材 料与金属表面的摩擦系数，根据测量结果分析探讨摩擦系数随温度，转速和压力等外 界条件的变化情况。 所以，本课题的目的之一是设计一种新型的，结构简单，成本较低，测量数据精 确的粉体物料动摩擦系数测量装置提供一种准确的测量方法。为粉体物料所涉及到 的聚合物加工，农业机械，能源化工，食品加工，医疗制药等领域的设备设计提供参 数，具有重要的指导意义和实用价值。其次，根据摩擦系数随温度，压力和转速等外 界条件的变化曲线，分析粉体物料在不同条件下颗粒的粒度，密度，性质，松散度， 租糙度，粒子大小等物理特性以及分子结构类型的变化情况，研究分析上述因素如何 对粉体物料的摩擦系数和摩擦性能产生变化。通过研究摩擦系数随外界条件的变化规 律，分析材料使用性能的变化与外界环境的关系，对新材料的合成方法及使用条件提 供理论依据和实验数据。 1 2 国内外相关领域的研究现状 121 粉体物料动摩擦系数测试装置及实验方法 目前国内外对粉体与摩擦表面的摩擦系数的测试装置及方法主要是根据摩擦系 数的定义，通过测试正压力与摩擦力的太小来计算摩擦系数。目前，普遍使用的测试 设备和方法有一下几种。 ( 1 ) 旋转过程中相互作用的转矩相等法，如图l ： 氐奠 je ： i 父。 i 1 图l _ 1 粉体物料的动摩擦系数测定仪器 f i gi 一1t h ei n s t r u m e n t sm e a s u r e db u l km a t e r i a l sf r i c t i o n a lt o e f f i c i e n t 北京化工大学硕士学位论文 上图所示实验设备的主要工作部件是竖直放置的圆形筒体1 ，底部安装一圆盘2 ， 电机带动圆盘转动。在实验的测试的过程中，使用扭矩传感器3 来测量物料转动时的 扭矩3 。 其工作原理是：在圆筒内加入一定量的物料，启动电机，通过圆盘带动物料转动。 转动过程中离心力的作用使得圆盘中心的物料向筒体壁方向运动，在一定速度下，经 过一段转动时间之后，物料达到稳定状态，在筒体内壁上保持一定的堆积角度。此时， 继续转动圆盘，测试物料转动的扭矩，根据力的作用与反作用原理，物料与圆盘的作 用扭矩即是物料与筒体之间的扭矩。然后，根据物料的堆积半径和转动的角速度来计 算物料与底部圆盘和简体内壁的动摩擦系数。此方法可以测得粉体物料与固体表面的 动摩擦系数，研究摩擦系数与转速的变化关系n 。 ( 2 ) 通过测定物料下滑时钢板的倾斜角来计算摩擦系数： 具体方法是：首先在水平放置的钢板上放上待测试的物料，缓慢地转动钢板，当 物料开始下滑或者有下滑的趋势的时候，停止转动，记录此时钢板的倾斜角度0 。根 据力的平衡原理，物料的重力在斜面方向上向下的分力与物料所受的摩擦力相等， 即： m g xs i n o = 2 m g x c o s o 则物料的摩擦系数1 2 = t a n 臼。 为了增加实验测试的准确性和精确度，可以对同一种物料多次测量求平均值来作 为最终的摩擦系数值。此外，本装置还可以测试物料下滑不同比例时的摩擦系数。通 过测试物料开始滑动时的摩擦系数，一定比例时的摩擦系数，全部滑动时的摩擦系数， 然后将其进行比较，分析其变化的原因n 2 叫引。 此方法不仅可以测试各种粉体材料的摩擦系数，同时还可以对钢板进行加热，或 者改变样板的材质，测量不同温度下颗粒的摩擦系数，同一物料与不同材质之间的摩 擦系数，探讨温度和工作部件的材料对摩擦系数的影响，从而实现对粉料摩擦性能的 掌握。 ( 3 ) 使用下降管实验设备测定粉体和颗粒混合物的摩擦系数，其装置结构如图卜2 n 钉： 4 第一帝绪论 图1 2 滑动摩擦系数测试仪设备简幽 f i gl2t h e d i a g r a m o f s l i d i n g f r i c t i o nc o e f t i c i c m t e s t i n s m u n e n te q u i p m e n t 测定方法如下：固定圆管的一端，被测试的物料轻轻放入圆管中，抬起圆管使其 竖直向上运动，当物料开始下滑时，记录圆管所在的位置角度以，则物料的摩擦系数 翻f ，= 8 ，n 本测定装置可以测定塑料，橡胶，木粉等颗粒状物料基体在不同温度下的摩擦系 数，由于滑道1 为可拆换零件，则此装置可以得到与挤出机加料斗，机筒，螺杆相同 材质板材的摩擦系数。本装置的优点之一是可以测定不同比例的混合物的滑动摩擦系 数，比较物料的质量分数对整体摩擦系数的影响。此外，本装置的测试方法使用圆管 更加接近于农业机械的播种机，这样的测试方式和结果更加符合农业机械设计中所需 求的种子与播种料斗的摩擦系数的测试。所以，本仪器和相对应的测试方法可以更好 地指导农业机械的发展1 。 ( 4 ) 颗粒状物质的摩擦系数测试仪”“，如图卜3 ： 圈卜3 颗粒体摩擦系数测试仪 f i gi 一3t h ei n s t r a m e n t t e s t e d f r i c t i o nc o e f f l c i c n t o f p a r t i c l e 北京化工大学硕士学位论文 其工作原理是：把被测物料放入圆形筒体9 内，通过设置相应的机构使得可转动 滑板与物料接触，启动电机，带动样板转动，使得物料和样板发生摩擦。使用压力传 感器和扭矩传感器测试样板转动的正压力和摩擦力，计算相应物料的摩擦系数n5 1 。本 装置不仅可以通过更换不同材料的样板来测试同一物料与不同材料样板的摩擦系数， 还可以改变样板的运动速度，来测量不同滑动状态下物料的摩擦系数。 相对于上述的测量装置，此装置测量粉体物料的摩擦系数更加标准化，结构合理， 测量精度高，测量速度快，操作方便。 综上所述，虽然关于测量粉体物料的摩擦系数的装置已经存在，研究温度和转速 与摩擦系数的变化关系的实验装置已经具有初步模型。但是，一般的实验装置是简单 地提出粉体物料的摩擦系数的测试方法及对其进行测量，具体分析粉体物料的摩擦系 数的变化原因的研究还尚未多见n 6 。2 1 | 。具体的可以借助装置研究摩擦系数随温度，压 力和转速变化关系的曲线的综合实验台目前还没有设计。所以，本研究主要是针对现 有的设备的缺陷，设计一台可以测量粉体材料摩擦系数的实验装置，并且能够研究材 料摩擦系数与物料的温度，压力和转速的关系实验台非常必要。进一步分析粉体物料 在不同条件下分子运动和结构变化的特点，为摩擦系数的预测提供理论依据，同时可 以为对摩擦系数有特殊要求的新材料