一種測量滾動摩擦係數的裝置的製作方法
2023-07-13 05:34:01
本實用新型涉及測量裝置領域，特別是一種測量滾動摩擦係數的裝置。
背景技術：
顆粒介質是人類生產生活中常見的一種物質組態，其離散的特性導致它表現出一些不同於一般固體，液體，氣體的獨特性質，但是人們對顆粒物料的認識遠遠沒有到達成熟的地步，如今離散單元法已被證明是一個可靠和有效的工具來表徵顆粒狀散裝物料的性質。顆粒的微觀力學特性影響顆粒流宏觀的性質。因此，通過精準的實驗來標定輸入EDEM中的接觸參數就顯得尤為重要，對於後續土方機械等的研究中精準的表達物料間及其設備的宏觀參數有著不可或缺的影響。
滾動摩擦係數是EDEM仿真中重要的接觸參數，它直接影響仿真的精度和結果，滾動摩擦的選取對物料料堆得檢測和評估具有很大的意義。
對於滾動摩擦係數的測定，目前還沒有確切的測量裝置及測量方法，大多數都是通過虛擬測量來標定滾動摩擦係數。通過虛擬測量，控制變量法反推出來的滾動摩擦係數，由於各個參數的不斷變化，存在較大的誤差。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種測量滾動摩擦係數的裝置，通過該裝置可測量出較為精準的滾動摩擦係數。
為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下：一種測量滾動摩擦係數的裝置，包括豎面高臺、弧形斜臺、石板，所述的豎面高臺為方形體，四個側面均為豎直面，豎面高臺的頂端設置有弧形斜臺；所述的弧形斜臺的底端與豎面高臺的一個側面連接，這個側面的底部設置有水平的石板；所述的石板上鋪有溼紙巾。
優選地，所述的弧形斜臺的側面設有圓弧導軌，所述的圓弧導軌與弧形斜臺的弧度相同，圓弧導軌內安裝有夾持裝置，夾持裝置能夠沿著圓弧導軌移動；所述的夾持裝置能夠延伸至弧形斜臺上夾緊實驗小球。
優選地，所述的夾持裝置包括上夾板、下夾板、扭簧、銷軸；所述的下夾板前端安裝於圓弧導軌內，能夠沿著圓弧導軌移動；所述的上夾板的後端與下夾板的後端通過銷軸連接，上夾板能夠基於銷軸轉動；所述的銷軸上設有扭簧，扭簧給予上夾板和下夾板夾持力，使得上夾板和下夾板之間具有夾持力；所述的上夾板的前部設有夾持槽，所述的夾持槽設計為球形凹槽，凹槽的半徑與實驗小球的半徑相同或略大於實驗小球的半徑。
優選地，所述的實驗小球由所需測量的物料製成的。
優選地，所述的豎面高臺的高度能夠根據測量需要調整。
本實用新型的具體測試方法如下：將所需測定的物料製成質量為m的實驗小球；壓緊夾持裝置的上夾板和下夾板的尾部，使得扭簧壓縮，上夾板和下夾板的前部基於銷軸相互轉動張開；將下夾板的前端深入圓弧導軌內，並沿著圓弧導軌移動至所需高度；將實驗小球對應上夾板的夾持槽放置在弧形斜臺上；鬆開上夾板和下夾板的尾部，扭簧恢復伸張，上夾板和下夾板之間具備夾持力，上夾板的夾持槽將實驗小球壓緊在弧形斜臺上。
通過角度測量儀測量實驗小球位於弧形斜臺上的初始位置的θ角，通過遊標卡尺測量初始位置到弧形斜臺最低端的高度H；再次壓緊夾持裝置的上夾板和下夾板的尾部，使上夾板和下夾板張開，實驗小球沿弧形斜臺自由滾落至弧形斜臺的低端，並在弧形斜臺底端做水平拋出運動，最終落在鋪於石板上的溼紙巾上，並在溼紙巾上留下圓形印記；通過遊標卡尺測量實驗小球水平拋出的高度h以及水平拋出距離S(溼巾上印記中心位置到水平拋出點的水平距離)。
計算方法如下：
實驗小球在弧形斜臺滾動過程中，
摩擦力都為f＝μmgcos(θ-α)；
滾動的相對滾動距離為
所以，此過程中滾動摩擦所做的功為ΔQ1＝f·L，即
所以，整個過程中滾動摩擦所做的功為角度a在[0，θ]內的積分，(為了使實驗小球儘可能的實現純滾動，減少滑動摩擦帶來的影響，提高測量精度，θ的數值在10-15度範圍內)
即
水平拋出的動能為重力所做的功為Q＝mgH；
根據能量守恆有Q1+Q2＝Q，
即
其中R(1-cosθ)＝H；
通過上述公式即可求得滾動摩擦係數。
以上公式中：f代表摩擦力；L代表滾動的相對滾動距離；μ代表滾動摩擦係數；m代表實驗小球的質量；g代表重力係數；α代表實驗小球位於弧形斜臺上的角度；θ代表一個常數；R代表實驗小球的半徑；π代表圓周率；v代表實驗小球做水平拋出運動的初始速度；h代表實驗小球做水平拋出運動的初始高度；t代表實驗小球做水平拋出運動的時間；H代表實驗小球初始滾落位置到弧形斜臺最低端的高度；S代表溼巾上印記中心位置到水平拋出點的水平距離。
本實用新型的有益效果：在弧形斜臺上設置夾持裝置，便於測量實驗小球初始滾落位置的角度及高度，使測量數據更為精確；弧形斜臺設置在豎面高臺上，使弧形斜臺的底端和石板之間形成高度差，便於計算實驗小球水平拋出的動能。
附圖說明
圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為夾持裝置結構示意圖。
圖3為本實用新型測量數據示意圖。
圖中：1-豎面高臺；2-弧形斜臺；3-石板；4-溼紙巾；5-圓弧導軌；6-夾持裝置；7-實驗小球；8-上夾板；9-下夾板；10-扭簧；10-銷軸；12-夾持槽。
具體實施方式
下面結合具體實施例和附圖詳細說明本實用新型。
實施例1
如圖1、2、3所示，一種測量滾動摩擦係數的裝置，包括豎面高臺1、弧形斜臺2、石板3，所述的豎面高臺1為方形體，四個側面均為豎直面，豎面高臺1的頂端設置有弧形斜臺2；所述的弧形斜臺2的底端與豎面高臺1的一個側面連接，這個側面的底部設置有水平的石板3；所述的石板3上鋪有溼紙巾4。
優選地，所述的弧形斜臺2的側面設有圓弧導軌5，所述的圓弧導軌5與弧形斜臺2的弧度相同，圓弧導軌5內安裝有夾持裝置6，夾持裝置6能夠沿著圓弧導軌5移動；所述的夾持裝置6能夠延伸至弧形斜臺2上夾緊實驗小球7。
優選地，所述的夾持裝置6包括上夾板8、下夾板9、扭簧10、銷軸11；所述的下夾板9前端安裝於圓弧導軌5內，能夠沿著圓弧導軌5移動；所述的上夾板8的後端與下夾板9的後端通過銷軸11連接，上夾板8能夠基於銷軸11轉動；所述的銷軸11上設有扭簧10，扭簧10給予上夾板8和下夾板9夾持力，使得上夾板8和下夾板9之間具有夾持力；所述的上夾板8的前部設有夾持槽12，所述的夾持槽12設計為球形凹槽，凹槽的半徑與實驗小球7 的半徑相同或略大於實驗小球7的半徑。
優選地，所述的實驗小球7由所需測量的物料製成的。
優選地，所述的豎面高臺1的高度能夠根據測量需要調整。
本實用新型的具體測試方法如下：將所需測定的物料製成質量為m的實驗小球7；壓緊夾持裝置6的上夾板8和下夾板9的尾部，使得扭簧10壓縮，上夾板8和下夾板9的前部基於銷軸11相互轉動張開；將下夾板9的前端深入圓弧導軌5內，並沿著圓弧導軌5移動至所需高度；將實驗小球7對應上夾板8的夾持槽12放置在弧形斜臺2上；鬆開上夾板8和下夾板9的尾部，扭簧10恢復伸張，上夾板8和下夾板9之間具備夾持力，上夾板8的夾持槽12將實驗小球7壓緊在弧形斜臺2上。
通過角度測量儀測量實驗小球7位於弧形斜臺2上的初始位置的θ角，通過遊標卡尺測量初始位置到弧形斜臺最低端的高度H；再次壓緊夾持裝置6的上夾板8和下夾板9的尾部，使上夾板8和下夾板9張開，實驗小球7沿弧形斜臺2自由滾落至弧形斜臺2的低端，並在弧形斜臺2底端做水平拋出運動，最終落在鋪於石板3上的溼紙巾4上，並在溼紙巾4上留下圓形印記；通過遊標卡尺測量實驗小球7水平拋出的高度h以及水平拋出距離S(溼巾上印記中心位置到水平拋出點的水平距離)。
計算方法如下：
實驗小球7在弧形斜臺2滾動過程中，
摩擦力都為f＝μmgcos(θ-α)；
滾動的相對滾動距離為
所以，此過程中滾動摩擦所做的功為ΔQ1＝f·L，即
所以，整個過程中滾動摩擦所做的功為角度a在[0，θ]內的積分，(為了使實驗小球儘可能的實現純滾動，減少滑動摩擦帶來的影響，提高測量精度，θ的數值在10-15度範圍內)
即
水平拋出的動能為重力所做的功為Q＝mgH；
根據能量守恆有Q1+Q2＝Q，
即
其中R(1-cosθ)＝H；
通過上述公式即可求得滾動摩擦係數。
以上公式中：f代表摩擦力；L代表滾動的相對滾動距離；μ代表滾動摩擦係數；m代表實驗小球的質量；g代表重力係數；α代表實驗小球位於弧形斜臺上的角度；θ代表一個常數；R代表實驗小球的半徑；π代表圓周率；v代表實驗小球做水平拋出運動的初始速度；h代表實驗小球做水平拋出運動的初始高度；t代表實驗小球做水平拋出運動的時間；H代表實驗小球初始滾落位置到弧形斜臺最低端的高度；S代表溼巾上印記中心位置到水平拋出點的水平距離。