CN110687012A

CN110687012A - 一种材料流动性测试设备

Info

Publication number: CN110687012A
Application number: CN201911045156.0A
Authority: CN
Inventors: 刘晋; 陈伟; 何瑞; 王志; 齐东川; 陈思同; 刘卓慧; 程涛
Original assignee: Chongqing University of Science and Technology
Current assignee: Chongqing University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-01-14

Abstract

本发明公开了一种材料流动性测试设备，所述材料流动性测试设备包括：活塞、载荷传感器、移动负载盘、模具、底盘，所述模具设置在所述底盘上，所述模具包括多个分模，多个所述分模能够合围形成所述模具的内腔，所述移动负载盘设置在所述内腔内并沿靠近或远离所述底盘方形移动，所述活塞的活塞杆连接所述移动负载盘，所述载荷传感器设置在所述活塞杆上以检测所述移动负载盘的载荷。运用本发明提供的材料流动性测试设备，能够克服现有Jenike直剪试验测试方法复杂的问题，以及现有的单轴压缩试验测试结果不准确的问题。

Description

一种材料流动性测试设备

技术领域

本发明涉及力学试验技术领域，尤其是涉及一种材料流动性测试设备。

背景技术

矿用流动料固有水分的增加导致其粘接性能提高，流动性能变差，将会造成搬运和运输材料方面的困难，因为部分颗粒材料会粘附在容器壁上，或者由于水分含量的原因流动速度较慢。因此，监测散装物料的流动性，以尽量减少运输和装卸链上的潜在堵塞现象，是行业标准。

块状材料的流动性受流动函数控制，流动函数是无侧限屈服强度σ_c与主应力σ₁之间的关系，在各种测量流动函数的试验方法中，Jenike直剪试验(JDST)被广泛接受和应用。然而，JDST有几个缺点：为了得到可靠的和可重复的结果，经验丰富的操作员将执行预固结、预剪切和剪切程序，从中获得流动函数，对操作员的素质要求较高；此外，JDST非常耗时，通常需要几天时间才能完成；JDST也不能在现场进行，必须在实验室环境中进行才能获得准确的结果。此外，还可能会产生测量误差，因为JDST必须对多个样本执行。

测试流动性的一种备选方法是进行单轴压缩试验，但是，单轴压缩试验的结果不如JDST准确。单轴压缩试验，问题的核心是模具内壁的摩擦力，常被称为导致主固结应力σ₁不均匀的Janssen效应，该效应相对于样品深度呈指数衰减。提供一种简单可靠的材料流动性测试设备，这是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料流动性测试设备，以克服现有材料流动性测试方法复杂，测试结果不准确的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种材料流动性测试设备，包括：活塞、载荷传感器、移动负载盘、模具、底盘，所述模具设置在所述底盘上，所述模具包括多个分模，多个所述分模能够合围形成所述模具的内腔，所述移动负载盘设置在所述内腔内并沿靠近或远离所述底盘方形移动，所述活塞的活塞杆连接所述移动负载盘，所述载荷传感器设置在所述活塞杆上以检测所述移动负载盘的载荷。

可选的，所述模具包括：第一分模、第二分模和第三分模，所述第一分模设置在所述底盘上，所述第二分模和所述第三分模分别铰接连接在所述第一分模两侧，所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模合围形成所述内腔。

可选的，所述模具包括：第一分模、第二分模和第三分模，所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模一侧面均设置有驱动单元，所述驱动单元驱动所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模合围形成所述内腔。

可选的，所述内腔为圆柱形内腔。

可选的，所述底盘远离所述移动负载盘一侧还设置有用于提供支撑的支架。

本发明提供材料流动性测试设备，所述材料流动性测试设备包括：活塞、载荷传感器、移动负载盘、模具、底盘，所述模具设置在所述底盘上，所述模具包括多个分模，多个所述分模能够合围形成所述模具的内腔，所述移动负载盘设置在所述内腔内并沿靠近或远离所述底盘方形移动，所述活塞的活塞杆连接所述移动负载盘，所述载荷传感器设置在所述活塞杆上以检测所述移动负载盘的载荷。运用本发明提供的材料流动性测试设备，能够克服现有Jenike直剪试验测试方法复杂的问题，以及现有的单轴压缩试验测试结果不准确的问题。

附图说明

图1是使用JDST获得到的流动函数示意图；

图2是单轴压缩试验示意图；

图3是JDST与单轴压缩试验得到的流量函数对比图；

图4是利用Hvorslev和Roscoe面分析单轴压缩试验和JDST下样品的壁面摩擦对应力状态的影响的示意图；

图5是利用Hvorslev和Roscoe曲面分析单轴压缩试验和JDST下样品应力状态的临界孔隙率的示意图；

图6本发明一实施例提供的第一种材料流动性测试设备主视示意图；

图7本发明一实施例提供的第一种材料流动性测试设备俯视示意图；

图8本发明一实施例提供的第二种材料流动性测试设备俯视示意图；

其中：10-模具，11分模，12-铰链，30-底盘，40-载荷传感器，50-活塞，60-支架，70-样品。

具体实施方式

近地表铁矿的快速消耗导致深层矿藏的需求日益增加，这些深层矿藏位于地下水位附近甚至地下水以下。矿用流动料固有水分的增加导致其粘接性能提高，流动性能变差。这种材料的流动性差，会造成搬运和运输材料方面的困难，因为部分颗粒材料会粘附在容器壁上，或者由于水分含量的原因流动速度较慢。因此，监测散装物料的流动性，以尽量减少运输和装卸链上的潜在堵塞现象，是行业标准。

块状材料的流动性受流动函数控制，图1是使用JDST获得到的流动函数示意图，参见图1，流动函数是无侧限屈服强度σ_c与固结应力σ₁之间的关系，在各种测量流动函数的试验方法中，Jenike直剪试验(JDST)被广泛接受和应用。但是JDST耗时长、测试程序复杂、测试效率低。

测试流动性的一种备选方法是进行单轴压缩试验，图2是本发明一实施例提供的单轴压缩试验示意图，如图2所示，在预定的固结压力σ₁下，将制样材料注入圆柱形模具并压实形成样品，接着去除与固结应力σ₁相对应的载荷，模具打开，留下一个不受横向约束的自由固结圆柱形样品，再进行压缩试验。图3是JDST与单轴压缩试验得到的流量函数对比图，参见图3所示，单轴压缩试验操作简单，但是试验的结果不如JDST准确。

单轴压缩试验问题的核心是模具内壁的摩擦力，常被称为导致固结应力σ1不均匀的Janssen效应，该效应相对于样品深度呈指数衰减。在单轴压缩试验中，已有克服壁面摩擦效应的尝试。一种尝试采用数学方法对单轴流函数进行修正，但修正系数往往随材料类型的不同而变化，无法得到普遍应用。另一种尝试使用了三轴样品制备方法，该方法是在样品周围包裹一层膜，并在膜和模具壁之间添加润滑油，以尽量减小壁摩擦效应。此外，进一步尝试采用无限层样品制备方法消除壁面摩擦效应。后两种尝试导致流动函数接近JDST的结果。然而，这两种方法的测试程序都很复杂，而且对于商业或工业用途效率较低。

图4是利用Hvorslev和Roscoe面分析单轴压缩试验和JDST下样品的壁面摩擦对应力状态的影响的示意图，如图4所示，通过Hvorslev和Roscoe面可以研究受壁面摩擦效应影响的单轴压缩试验结果。Hvorslev表面是由孔隙率、正应力和剪应力组成的三维空间中试件的抗剪强度决定的。在JDST中，由于材料被压成相对较薄的层，样品在很大程度上不受壁面摩擦效应的影响，这导致样品处于H_S(0)的应力状态，S₍₀₎位于Roscoe表面的临界状态线上，正应力为σ₍₀₎，孔隙率为e₍₀₎。而在传统的单轴压缩试验中，由于壁面摩擦效应，作用于样品上的有效法向应力降为σ₍₁₎，这与JDST样品的应力状态相比，有效地提高了孔隙率e₍₀₎，降低了屈服曲线。

虽然通过上述实验可以使壁面摩擦效应最小化，但如果没有达到临界孔隙率，样品仍可能无法达到临界状态。对于JDST，顶剪环相对于剪切单元的固定基底的有限行程，通常需要承载所含样品剪切固结的初始阶段所施加的正常荷载的单元盖的一系列施加扭转。目的是保证样品在临界状态H_S(0)达到临界孔隙率e₍₀₎。图5是利用Hvorslev和Roscoe曲面分析单轴压缩试验和JDST下样品应力状态的临界孔隙率的示意图，如图5所示，对于Hvorslevv-Roscoe表面，在没有这种“扭转”作用诱导粒子重新组装的情况下，往往获得较高的空隙率e₍₁₎，导致H_S(1)的剪切强度较低，这发生在传统的单轴压缩试验中。在体密度压缩试验中也经常观察到这种现象。当样品在“扭转”轴向载荷作用下压实时，与非扭转轴向载荷相比，前者的容重更高。因此，除了最大限度地减小壁面摩擦效应外，在单轴压缩试验中，确保达到样品内部的临界孔隙率也很重要，否则单轴样品的抗剪强度就相对较低。

基于以上分析，发明者认为试件的临界孔隙率对试件抗剪强度的决定更为关键，这在传统的单轴压缩试验中没有得到解决。因此，发明人开发了一种均匀密度样品制备方法及材料流动性测试设备，以达到样品的临界状态，进而提高单轴压缩试验的准确性。

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图6本发明一实施例提供的第一种材料流动性测试设备主视示意图，图7本发明一实施例提供的第一种材料流动性测试设备俯视示意图，如图6和图7所示，所述材料流动性测试设备包括：活塞50、载荷传感器40、移动负载盘20、模具10、底盘30，所述模具10设置在所述底盘30上，所述模具10包括多个分模11，多个所述分模11能够合围形成所述模具10的内腔，所述移动负载盘20设置在所述内腔内并沿靠近或远离所述底盘30方形移动，所述活塞50的活塞杆连接所述移动负载盘20，所述载荷传感器40设置在所述活塞杆上以检测所述移动负载盘20的载荷。所述内腔为圆柱形内腔。所述底盘30远离所述移动负载盘20一侧还设置有用于提供支撑的支架60。

所述模具10可采用多种结构类型实现。参见图6和图7，所述模具10包括：第一分模、第二分模和第三分模，所述第一分模设置在所述底盘上，所述第二分模和所述第三分模分别通过铰链12连接在所述第一分模两侧，所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模合围形成所述内腔。图8是本发明一实施例提供的第二种材料流动性测试设备俯视示意图，参见图8，另一种结构形式的所述模具包括：第一分模、第二分模和第三分模，所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模一侧面均设置有驱动单元，所述驱动单元驱动所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模合围形成所述内腔。所述驱动单元包括活塞、气缸、电动伸缩杆等。

所述模具10由所述分模11合围形成，在闭合位置，3个所述分模11形成一个圆柱形的内腔，当制样材料填充在所述内腔内，所述移动负载盘20压实制样材料形成样品70。在打开位置，所述分模11远离所述样品70，以不干扰压实的样品70。

相对于目前的单轴流动试验设备(如Jenike直剪试验设备、Freeman技术单轴试验设备和爱丁堡大学的单轴试验设备)，本发明提供的材料流动性测试设备消除了所述模具10在制备后对样品70的影响。相比之下，Freeman技术单轴仪和爱丁堡大学的单轴仪要求样品在一个单独的模具中制备，然后转移到测试系统中，这可能会影响样品的一致性，导致结果不准确。运用本发明提供的材料流动性测试设备，结合均匀密度样品制备方法，能够达到样品的临界状态，结合材料流动性测试方法进行测试，能够提高单轴压缩试验的准确性。

综上，在本发明一实施例提供的材料流动性测试设备中，所述材料流动性测试设备包括：活塞、载荷传感器、移动负载盘、模具、底盘，所述模具设置在所述底盘上，所述模具包括多个分模，多个所述分模能够合围形成所述模具的内腔，所述移动负载盘设置在所述内腔内并沿靠近或远离所述底盘方形移动，所述活塞的活塞杆连接所述移动负载盘，所述载荷传感器设置在所述活塞杆上以检测所述移动负载盘的载荷。本发明提供的材料流动性测试设备，克服了现有Jenike直剪试验测试方法复杂的问题，以及现有的单轴压缩试验测试结果不准确的问题。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种材料流动性测试设备，其特征在于，包括：活塞、载荷传感器、移动负载盘、模具、底盘，所述模具设置在所述底盘上，所述模具包括多个分模，多个所述分模能够合围形成所述模具的内腔，所述移动负载盘设置在所述内腔内并沿靠近或远离所述底盘方形移动，所述活塞的活塞杆连接所述移动负载盘，所述载荷传感器设置在所述活塞杆上以检测所述移动负载盘的载荷。

2.根据权利要求1所述的材料流动性测试设备，其特征在于，所述模具包括：第一分模、第二分模和第三分模，所述第一分模设置在所述底盘上，所述第二分模和所述第三分模分别铰接连接在所述第一分模两侧，所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模合围形成所述内腔。

3.根据权利要求1所述的材料流动性测试设备，其特征在于，所述模具包括：第一分模、第二分模和第三分模，所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模一侧面均设置有驱动单元，所述驱动单元驱动所述第一分模、所述第二分模和所述第三分模合围形成所述内腔。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的材料流动性测试设备，其特征在于，所述内腔为圆柱形内腔。

5.根据权利要求1所述的材料流动性测试设备，其特征在于，所述底盘远离所述移动负载盘一侧还设置有用于提供支撑的支架。