一种粘弹性材料松弛模量测试装置

1.本发明涉及材料松弛模量测试技术领域，具体为一种粘弹性材料松弛模量测试装置。


背景技术：

2.煤炭资源作为我国最为重要的基础能源之一，其生产和消耗量都位居全球首位。煤炭在我国一次能源的产出和消耗量中一直占有着70％以上的比例，是保障国家能源安全的重要因素。近年来，受国内外经济环境和疫情等因素的影响，煤炭经济出现了不同程度的下行走向。尽管如此，煤炭工业依旧是我国财经的支柱工业之一。我国的发展策略对煤炭能源的中长期目标进行了合理的规划，2020年煤炭的能源结构性占比控制在62％左右，到2030年煤炭的能源结构性占比保持在55％左右。由此可以看出，在以后的很长一段时期内，煤炭在我国能源结构中的地位和作用不会受到改变间。作为重要的经济支柱，煤炭工业的转型改进迫在眉睫。而科技的进步是煤炭工业转型升级的关键，其中煤炭机械的改进升级是尤为重要的。
3.在煤矿机械中，带式输送机负责地面和井下煤料的运输，是重要的煤炭生产运输机械,带式输送机的科技水平对企业的运营成本和煤炭的运送效率都有很大的影响。近些年来，尽管我国的采煤机和液压支架等一些煤矿机械取得了很大的提升，但对于带式输送机的改进和研究却显得迟缓，尤其是在减少能耗这一方面。如今带式输送机很多都具备高运载速、大运载量、长距离运输的特点，并且未来必定朝着更高速、更大输送量、更长距离的方向发展,所以在制造研发带式输送机时一定要考虑到怎样减少耗能这一问题。
4.带式输送机工作时受到的阻力很大程度上影响着它的运行耗能大小。它在稳定的运行状态下的阻力大致包括：附加阻力、主要阻力、特种阻力和角度倾斜阻力。其中，影响最大的运行阻力是主要阻力。主要阻力包含托辊的转动阻力、托辊和运送带接触产生的压陷阻力、运送带反复弯曲变形产生的阻力、清扫器摩擦阻力和运送带改向阻力等。
5.在众多的运行阻力中，对带式输送机能耗影响最大的两种阻力是托辊的转动阻力和托辊与输送带相接触产生的压陷阻力。查阅有关资料得知，一台长度为1千米的大功率高运速带式输送机在运行过程中，托辊的转动阻力约占运行阻力的9％左右，而托辊和运送带接触产生的压陷阻力大概占61％的比例。据此可以看出，托辊与运送带接触产生的压陷阻力在输送机多种运行阻力中占最大比重，且超过50％。所以，要进行带式输送机的节能和优化设计必须先要对托辊和输送带接触产生的压陷阻力进行深入研究。
6.带式输送机是利用输送带的往复旋转来进行煤炭输送的。上覆盖层、带芯及下覆盖层是组成输送带的主要部分。输送带的上下覆盖层一般是由天然粘弹性材料、合成粘弹性材料以及各种粘弹性材料的混合物制成的。橡胶作为典型的粘弹性材料，被广泛的用于制作输送带的上下覆盖层。上覆盖层的作用是输送和承载物料，下覆盖层将载荷传递到托辊上。带式输送机运行过程中，在载荷和输送带自重的作用下，下覆盖层和刚性托辊的接触部分就会发生变形。因为由橡胶等组成的输送带具有粘弹性，所以就会造成接触部分呈现
应力延迟的现象，从而使接触部分周围应力的分布不均匀，造成在托辊和输送带下覆盖层相接触的部分出现压陷阻力。
7.探究托辊和输送带接触产生的压陷阻力对带式输送机的节能优化设计有重要意义。然而压陷阻力的产生与输送带的粘弹性特性密切相关，所以分析压陷阻力之前必须要对橡胶材料的粘弹性力学性能进行深入研究。目前，有学者基于粘弹性材料三元件maxwell模型运用数值计算的方法对常见工作情况下的压陷阻力进行了分析研究,但是其采用的三元件maxwell模型中的参数不适应于不同的粘弹性材料。
8.因此，需要设计一个测试装置可以对不同的粘弹性材料松弛模量进行测试研究，实现不同粘弹性材料松弛模量的参数化表征。


技术实现要素：

9.本发明的目的是解决背景技术中提到的问题，提供一种粘弹性材料松弛模量测试装置。
10.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种粘弹性材料松弛模量测试装置，包括底部槽钢，所述底部槽钢上通过螺栓连接设有固定螺杆、l型支撑座；
11.所述固定螺杆顶部通过螺栓固定连接设有固定端联接头，所述固定端联接头上水平设有杠杆，所述固定端联接头与杠杆之间通过固定端销铰接；
12.所述l型支撑座上固定设有滚珠丝杠滑台组件，所述滚珠丝杠滑台组件上固定设有步进电机，所述步进电机顶部设有联轴器，所述联轴器顶部连接设有滚珠丝杠，所述滚珠丝杠滑台组件还包括滑台，所述杠杆远离所述固定螺杆的端部通过滑台轴销与所述滑台铰接；
13.所述固定螺杆与l型支撑座之间设有加载杆，所述加载杆顶部通过螺栓固定连接设有加载杆联接头，所述加载杆联接头上设有椭圆形的销孔，所述加载杆联接头与所述杠杆之间通过加载杆销铰接，所述加载杆销在所述销孔中沿水平方向左右运动，所述加载杆联接头底部依次设有弹簧座、弹簧、直线轴承，所述弹簧、直线轴承均套设在所述加载杆外部，所述加载杆底部螺纹连接设有拉压传感器，所述拉压传感器底部通过连接螺杆与球形压头相连，所述球形压头下方为被测粘弹性材料，所述被测粘弹性材料通过试样压板和螺栓固定在所述底部槽钢上；
14.所述底部槽钢上还设有支撑杆，所述支撑杆位于加载杆和l型支撑座之间，所述支撑杆上通过螺栓连接水平设有传感器固定板和支撑板，所述支撑板位于所述传感器固定板上方，所述支撑板远离所述支撑杆的端部与所述直线轴承相连接，所述直线轴承通过螺栓螺母竖直固定在所述支撑板上，所述传感器固定板远离所述支撑杆的端部固定设有电涡流位移传感器，所述电涡流位移传感器顶部通过感应板与所述加载杆相连，所述感应板通过螺栓与所述加载杆固定连接；
15.所述杠杆远离l型支撑座的端部设有重物吊挂孔；
16.所述加载杆的中心线与固定螺杆中心线的距离为所述滑台轴销与固定螺杆中心线的距离的二十分之一。
17.作为一种优选方案，所述支撑板厚度为5mm。
18.作为一种优选方案，所述滚珠丝杠滑台组件的型号为cbx1204-100，所述步进电机
型号为kl42bygh405。
19.作为一种优选方案，所述l型支撑板为厚度5mm的q235号钢片，通过弯折机折成90
°
角加工而成。本发明与现有技术相比的优点在于：结构简单，使用方便。将步进电机的高速转动转化成滑台的直线运动，再通过杠杆将滑台的运动转化成加载杆的低速竖直方向的直线运动，同时带动球形压头压入被测粘弹性材料中，再通过拉压传感器测得材料对特定应变加载的应力响应，电涡流位移传感器可以通过测试感应板的移动规律间接监测压头的移动规律是否符合实验要求。因此，可以对不同的粘弹性材料松弛模量进行测试研究，实现不同粘弹性材料松弛模量的参数化表征。
附图说明
20.图1是本发明的整体结构示意图。
21.图2是本发明的俯视图。
22.图3是本发明动力部分的结构示意图。
23.图4是本发明加载部分的结构示意图。
24.如图所示：1、底部槽钢，2、固定螺杆，3、l型支撑座，4、固定端联接头，5、杠杆，6、固定端销，7、步进电机，8、联轴器，9、滚珠丝杠，10、滑台，11、滑台轴销，12、加载杆，13、加载杆联接头，14、销孔，15、加载杆销，16、弹簧，17、直线轴承，18、拉压传感器，19、连接螺杆，20、球形压头，21、被测粘弹性材料，22、试样压板，23、支撑杆，24、传感器固定板，25、支撑板，26、电涡流位移传感器，27、感应板，28、重物吊挂孔。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“正面”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所致的方式或原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.结合附图，一种粘弹性材料松弛模量测试装置，包括底部槽钢1，所述底部槽钢1上通过螺栓连接设有固定螺杆2、l型支撑座3；
29.所述固定螺杆2顶部通过螺栓固定连接设有固定端联接头4，所述固定端联接头4上水平设有杠杆5，所述固定端联接头4与杠杆5之间通过固定端销6铰接；
30.所述l型支撑座3上固定设有滚珠丝杠滑台组件，所述滚珠丝杠滑台组件上固定设
有步进电机7，所述步进电机7顶部设有联轴器8，所述联轴器8顶部连接设有滚珠丝杠9，所述滚珠丝杠滑台组件还包括滑台10，所述杠杆5远离所述固定螺杆2的端部通过滑台轴销11与所述滑台10铰接；
31.所述固定螺杆2与l型支撑座3之间设有加载杆12，所述加载杆12顶部通过螺栓固定连接设有加载杆联接头13，所述加载杆联接头13上设有椭圆形的销孔14，所述加载杆联接头13与所述杠杆5之间通过加载杆销15铰接，所述加载杆销15在所述销孔14中沿水平方向左右运动，所述加载杆联接头13底部依次设有弹簧座、弹簧16、直线轴承17，所述弹簧16、直线轴承17均套设在所述加载杆12外部，所述加载杆12底部螺纹连接设有拉压传感器18，所述拉压传感器18底部通过连接螺杆19与球形压头20相连，所述球形压头20下方为被测粘弹性材料21，所述被测粘弹性材料21通过试样压板22和螺栓固定在所述底部槽钢1上；
32.所述底部槽钢1上还设有支撑杆23，所述支撑杆23位于加载杆12和l型支撑座3之间，所述支撑杆23上通过螺栓连接水平设有传感器固定板24和支撑板25，所述支撑板25位于所述传感器固定板24上方，所述支撑板25远离所述支撑杆23的端部与所述直线轴承17相连接，所述直线轴承17通过螺栓螺母竖直固定在所述支撑板25上，所述传感器固定板24远离所述支撑杆23的端部固定设有电涡流位移传感器26，所述电涡流位移传感器26顶部通过感应板27与所述加载杆12相连，所述感应板27通过螺栓与所述加载杆12固定连接；
33.所述杠杆5远离l型支撑座3的端部设有重物吊挂孔28；
34.所述加载杆12的中心线与固定螺杆2中心线的距离为所述滑台轴销11与固定螺杆2中心线的距离的二十分之一。
35.所述支撑板25厚度为5mm。
36.所述滚珠丝杠滑台组件的型号为cbx1204-100，所述步进电机7型号为kl42bygh405。
37.所述l型支撑板25为厚度5mm的q235号钢片，通过弯折机折成90
°
角加工而成。
38.本发明在具体实施时，如图3所示，该实验装置的动力部分是由步进电机和滚珠丝杠滑台组合而成的。它们通过一个l型支撑座固定在底板槽钢上，步进电机被固定在丝杠滑台组件上，并且电机的轴通过联轴器与丝杠相连。当电机转动时就会带动丝杠旋转，并使滑台沿着导轨上下运动，实现动力输出。滑台和杠杆不固定的一端通过一个轴销连接，当滑台上下移动时带动轴销在杠杆的槽里来回运动，从而实现杠杆的上升和下压。
39.对于粘弹性材料松弛模量测试装置的动力部分，选用kl42bygh405型步进电机，该型号的步进电机具有运动精度高，步距角误差小，工作温度范围广，输出转矩大，耐高温等优点，可以满足本实验的要求。步进电机滚珠丝杠滑台组件选用型号为cbx1204-100的步进电机直线滚珠丝杠滑台组件。该组件具有定位精度高，最大运行负载大，有效工作距离长，可用于传递高速运动等优点。l型支撑板是用厚度为5mm的q235号钢片，通过折弯机将其折成90
°
角加工而成的，这样可使其即具有良好的刚度，同时也便于加工。步进电机通过螺钉固定在丝杠滑台组件上，丝杠滑台组件又通过螺钉与l型支撑座刚性连接，最后再用四个螺栓将l型支撑座固定在底部的槽钢上，这种连接方式可以保证各零件之间的刚性连接，避免在步进电机运动时各零件之间产生相互移动，并减少动力部分的振动。cbx1204-100型步进电机直线滚珠丝杠滑台组件的具体技术参数如下表所示。
[0040][0041]
上面提到了本测试装置要运用杠杆原理，对滑台的直线运动进行减速，根据赫兹公式要求的球形压头压入粘弹性材料的运动规律和步进电机的稳定运行速度，设计一个减速比为20:1的杠杆，通过杠杆原理将滑台的速度减慢20倍，使滑台通过杠杆和加载杆作用在球形压头上的速度刚好满足赫兹公式的要求。根据杠杆的减速比和赫兹公式也可得到滑台的运动规律，进而推导出相应的步进电机运动规律。
[0042]
如图4所示，固定螺杆分别与底部槽钢和固定端联接头通过螺母连接在一起，杠杆和固定端联接头之间由一根轴销相连，实现了杠杆一端的固定：杠杆和加载杆联接头之间也用一根销子连接，但是这个销孔是楠圆形的，可以满足加载杆销在其中左右运动。固定端销和加载杆销的两端都有螺纹，通过螺纹螺母连接可以使其分别与固定端联接头和加载杆联接头固定且不发生相互移动。加载杆联接头通过螺纹螺母与加载杆刚性连接，加载杆联接头下端有一弹簧座，弹簧被弹簧座和直线轴承挤压，从而对加载杆联接头提供一个向上的力，使加载杆销与杠杆始终保持接触。直线轴承被内六角螺栓螺母竖直固定在厚度为5mm的水平支撑板上，由于加载杆在直线轴承中上下运动，所以可以保证加载杆的运动方向始终在竖直方向上。加载杆的下端与拉压传感器螺纹连接，拉压传感器又通过一个短的螺杆与球形压头相连，这样加载杆向下移动的距离就是球形压头压入粘弹性材料的深度，拉压传感器所测得压力数据即为粘弹性材料的应力响应，压入深度可以通过电涡流位移传感器测试与加载杆固定的感应板的移动距离得出。被测粘弹性材料被试样压板和螺栓固定在底部槽钢上。在杠杆最左端有一用来吊挂重物的孔，在进行粘弹性材料松弛模量测试时，在该孔处悬挂一个足够的重物，结合弹簧向上的反作用力可使固定端销、加载杆销和滑台轴销与杠杆在测试过程中始终保持接触，从而减少装置在运动过程中的振动，提高运动精度。
[0043]
如图1、图2所示，为了使球形压头压入粘弹性材料的速度即加载杆的移动速度是滑台移动速度的二十分之一，根据杠杆原理可知，粘弹性材料松弛模量测试装置必须满足加载杆的中心线与固定螺杆的中心线之间的距离是固定螺杆到滑台轴销中心距离的二十分之一。
[0044]
综上所述，粘弹性材料松弛模量测试装置的机械系统主要是由步进电机、丝杠滑台组件、l型支撑座、螺杆、杠杆、直线轴承、弹簧、拉压传感器、电涡流传感器、球形压头、加载杆、联接头、销和底板槽钢等零件组成。测试装置可以将步进电机的高速转动转化成滑台的直线运动，再通过杠杆将滑台的运动转化成加载杆的低速竖直方向的直线运动，同时与
加载杆刚性连接的球形压头便会竖直的压入粘弹性材料，通过控制步进电机的转速就能使刚性球形压头按照一定的运动规律压入粘弹性材料，实现对粘弹性材料的特定应变加载。固定在加载杆上的压力传感器可以测得粘弹性材料对特定应变加载的应力响应，电涡流位移传感器可以通过测试感应板的移动规律间接监测压头的移动规律是否符合实验要求。
[0045]
本发明的工作原理：
[0046]
1.一般使用球形压头压入粘弹性材料测试粘弹性材料蠕变柔量，这个装置利用球形压头压入粘弹性材料测试粘弹性材料松弛模量。
[0047]
2.在加载杆上设计了压力传感器的固定点，可以测得粘弹性材料对特定应变加载的应力响应
[0048]
3.通过杠杆原理设计了电涡流位移传感器的固定点，可以通过测试感应板的移动规律间接监测压头的移动规律是否符合实验要求。
[0049]
4.将电机与单片机连接，通过赫兹公式往单片机里烧录程序控制电机转速，使电机能够实现非匀速转动，电机带动滑台在滚轴丝杠上实现非匀速直线运动。
[0050]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。