粉体摩擦特性测试

一、实验目的

1.了解粉体摩擦角的测量原理，认识粉体的摩擦特性规律及其影响因素。

2.学会使用直剪仪测定粉体的抗剪强度，通过线性回归的方法，得到内摩擦角或壁摩擦角。

二、实验原理

1.粉体的摩擦特性

粉体的力学行为和流动特征是粉体储存、给料、输送、混合等单元操作及其装置设计的基础，粉体流动即颗粒群从运动状态变为静止状态所形成的角，是表征粉体流动状况的重要参数。这种由颗粒之间的摩擦力和内聚力而形成的角称为摩擦角。根据颗粒运动状态的不同，可以分为内摩擦角、安息角、壁摩擦角及运动摩擦角。

内摩擦角是粉体与粉体之间的摩擦角。粉体层受力小时，粉体层外观不会发生什么变化。这是由于摩擦力具有相对性，相对于作用力的大小产生了克服它的应力，这两种力是保持平衡的。可是当作用力的大小达到某一极限时，粉体层才出现突然崩坏，这种崩坏前后的状态称为极限应力状态。它由一对压应力和切应力组成，也就是说若在粉体层任意加一垂直于该面的压应力σ并逐渐增加该层的切应力τ，当切应力τ达到某一值时，粉体将沿该面滑移。摩擦角φ即表示该极限应力状态下切应力和正应力的关系。

粉体的抗剪强度是指在外力的作用下，粉体的一部分对另一部分产生相对滑动时所具有的抵抗剪切破坏的极限强度;对于库仑粉体，粉体的抗剪强度可用库仑公式来表达:

τ=σtgφ+C(81)

式中，τ为抗剪强度，k Pa;σ为作用于剪切面上的压应力，k Pa;φ为内摩擦角，(°);C为内聚力，k Pa。

壁摩擦角是粉体与壁面之间的摩擦角，具有重要的实用特性。壁摩擦角的测量方法和内摩擦角的测量方法完全一样。

可见通过设定不同的压应力σ，测定相应的抗剪强度τ，通过线性回归即可得到所需的摩擦角。因此通过剪切实验测量粉体的内摩擦角、壁摩擦角以及内聚力，可以获得粉体的流动物性参数，从而为科学研究和工程应用提供有关粉体物性的基础数据。

2.电动直剪仪的基本原理和结构

直剪仪剪切实验是用来测粉体抗剪强度的一种常用方法。实验的原理是根据库仑定律，粉体的抗剪强度与剪切面上的法向压应力呈线性关系。

在实验室内通常分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时的最大剪应力，然后根据库仑定律确定粉体的抗剪强度指标:内摩擦角φ和内聚力C。目前，采用直剪仪来测量粉体的摩擦角已成为一种通用方法。

电动直剪仪由剪切盒、垂直加压框架、测力计、推动机构、百分表等主要部分组成，如图8- 1所示。

图8- 1 直剪仪结构简图

1—推动座;2—手轮甲;3—插销;4—剪切盒;5—传压螺钉;6—螺丝插销;7—量力环轴承;8—量力环部件;9—锁紧螺母;10—底板;11—支架;12—吊盘;13—手轮乙;14—立柱;15—杠杆;16—平衡锥;17—接杆;18—滑动框;19—变速箱

三、实验内容

学会使用直剪仪测量粉体的抗剪强度，并通过数据处理和分析得到粉体的内摩擦角，了解影响粉体摩擦角的主要因素。

四、操作步骤

1.仪器使用时，先校准杠杆水平。

2.放入粉体:对准上下盒，插入固定销。在下盒内放透水板，再放入一定量的需要测量的粉体。将试样抚平后将顶盖轻轻地平压在试样上。

3.调整量力环，使百分表对零。

4.施加垂直压力，各级垂直压力通过砝码轻轻施加。

5.待试样达到稳定状态后，拔去固定销，以均匀速率转动手轮进行剪切。当百分表指针不再前进或有显著后退时，表示试样已剪损，记下所需数据。

6.剪切结束后，尽快移去垂直压力、框架、加压盖板等。取出试样，准备下一次剪切。各压力等级下剪切实验重复三次，尽量保证每次实验条件一样，取其平均值，如有大的偏离数据应再补充实验。

五、实验数据处理

1.计算

按式(8-2)计算试样剪损时的抗剪强度:

τ=CR(8-2)

式中，C为测力环系数，k Pa/0.01mm;R为测力计读数，mm;τ为试样的抗剪强度，k Pa。

2.制图

以抗剪强度τ为纵坐标，垂直压力σ为横坐标，绘制二者的关系曲线;通过线性回归，得出直线的正弦值tanφ，φ即为内摩擦角，截距即为内聚力C。

六、原始数据记录

将实验数据填入表8--1中。

表8- 1 粉体摩擦特性测试数据记录表

续表

七、思考题

1.影响粉体摩擦角的因素主要有哪些?

2.为什么要对粉体的摩擦角进行测量?