实验⼋粉体⼒学特性测定
⼀、实验⽬的
了解DSJ-3型电动四联等应变直剪仪与BT-1000型粉体综合特性测试仪的结构与⼯作原理，通过实验掌握粉体摩擦⾓与休⽌⾓的测定⽅法，并了解上述粉体特性在粉体输送与储存等单元操作中的意义。
⼆、实验装置
DSJ-3型电动四联等应变直剪仪的结构如图1，可同时采⽤四个试样，分别在不同的垂直压⼒下施加⽔平剪切⼒进⾏剪切，求得粉体样破坏时的剪应⼒，然后根据库仑定律确定粉体的摩擦⾓。 图1 DJS-3型电动四联等应变直剪仪
1⼿轮 2推动座 3 固定盒 4 滑动盒 5 量⼒环 6 测微表 7 加压装置
8 量⼒环⽀架 9 杠杠 10 吊盘部件 11 传动装置 12 换档⼿柄
DSJ-3型电动四联等应变直剪仪可分为推动、剪切、杠杆加荷、测⼒四部分。推动部分1 9
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的推动轴的⽔平推进速率分为2.4、0.8、0.1、0.02mm/min 四档；剪切盒分上盒和下盒，上盒剪切过程中固定不动，下盒可沿底部导轨移动，盒内物料⾯积为30cm 2，⾼2cm ，；杠杆⽐例为1：12；仪器附有砝码多块，其中1.275公⽄4块，2.55公⽄12块。可使物料表⾯加上垂直应⼒数值为50、100、200、400KPa 等四级。测⼒环置于剪切盒与后档之间，测量⽔平剪切⼒。 BT-1000型粉体综合特性测试仪是⼀种主要⽤于评价粉体流动特性的仪器，其测试项⽬包括休⽌⾓、动态休⽌⾓、平板⾓、分散度、松装密度及振实密度等参数，其结构如图2，本实验主要⽤于测试休⽌⾓及动态休⽌⾓。
图2 BT-1000型粉体综合特性测试仪正⾯图
1 定时器开关
2 照明灯开关
3 出料⼝
4 透明套筒管
5 松、实密度
6 休⽌⾓试样
7 接料盘
8 减振器
9 电源开关 10 分散度料仓 11 ⾓度尺
12 照明灯 13 分散度筒 14 振动电机开关 15 振动筛开关 16 定时器
三、实验原理
休⽌⾓(⽤符号?r 表⽰)是指物料的⾃由表⾯与⽔平⾯所形成的最⼤⾓度。它是⽤来表⽰粉体流动性能的⼀个参数。测定休⽌⾓的⽅法有多种，如堆积法、箱倾法、转筒法、注⼊法1
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mica martinez
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等，本实验采⽤注⼊法测定粉体的休⽌⾓。
内摩擦⾓是指将散粒状物料堆沿内部⼀断⾯切断产⽣滑动时，作⽤于此⾯的剪切⼒与垂直⼒之⽐的反正切。⽽壁摩擦⾓是指将散粒状料堆与某⼀固定平⾯(或仓壁)产⽣滑动时，作⽤于此壁⾯的剪切⼒与垂直⼒之⽐的反正切。本实验中采⽤直剪试验法测定粉体的内摩擦⾓与壁摩擦⾓，其实验原理图见图
3。
测定内摩擦⾓和壁摩擦⾓最基本的⽅法是测定粉体层内部(或粉体与壁⾯)的应⼒－应变关系。此种试验是测定粉体层受到剪切应⼒(以符号τ表⽰)时，使其静置状态受到破坏(表⽰为滑动及流动)时的滑动⾯上的应变量(以符号δ表⽰)，和剪切应⼒τ的关系，以剪切应⼒τ为为纵坐标，以应变量δ为横坐标，作出如图4的曲线。此曲线的最⾼点对应的剪应⼒为粉体试样被剪断时的最⼤剪应⼒。
粉体被剪断时的最⼤剪应⼒与粉体层上受到的垂直应⼒σ有关，垂直应⼒σ越⼤，粉体
最⼤剪应⼒τ也就越⼤。改变粉体层上的垂直应⼒
就可以得到相应的最⼤剪切应⼒。根据粉体上垂
直应⼒和相应最⼤剪切应⼒的关系，可以作出σ
－τ的关系曲线，此曲线称为破坏包络线(yield
locus 线，略写为YL 线)，如图5所⽰。图中①与
②两YL 线为直线。②在纵坐标上有截距C i ，对①与②这两种粉体，我们称为库仑粉体。它是指粉体本⾝的切断应⼒与压缩应⼒成线性关系的粉体。其剪切应⼒τ可由下式表⽰：
i i i i C C tg +?=+?=τµφστ (1) 式中：
图3 直剪试验法⽰意图图4 剪切应⼒与应变的关系图5 粉体破坏包络线
i ：内摩擦⾓； µi ：内摩擦系数；
Ci ：附着⼒，它是σ＝0时的⽔平⽅向上的剪切应⼒。
式(1)中当粉体粒⼦间不存在附着⼒时，即为⾮粘附性粉体时，C ＝0，即是粉体①的YL 线。图中③的YL 线为曲线，此类粉体称为⾮库仑粉体，⾮库仑粉体有引起料⽃堵塞的特性。此类粉体的剪应⼒τ可以⽤下式表⽰(法雷－范伦丁公式)：
T
T T n
c σσσσστ+=+=??? ??1 (2) 式中：
T σ：在破坏条件下(即剪断后)，t=0时的垂直应⼒值；
n ：剪切指数，其范围为1~2，当n=1时即是库仑粉体，n 值越⼤，粉体的流动性越差。试样的垂直压⼒⼤⼩应根据粉体在料⽃内实际受⼒的情况决定，垂直荷重可全部⼀次施加。试样在垂直荷重下压缩的时间长短，(压缩稳定程度)对剪应⼒有影响，盒内粉体的充填状态(孔隙率)对摩擦特性也有影响。在精确测量时，试样在垂直荷重下压缩到每⼩时变化⼩于0.005cm 时认为已经稳定。
由此可见，只要作出粉体的破坏包络线YL ，就可以从直线YL 的⽔平倾⾓直接求出内摩擦⾓的⼤⼩。
粉体层与固定壁⾯之间的摩擦⾓称为壁摩擦⾓(⽤符号?w 表⽰)。对于各种⽆粘附性的物料，其内摩擦⾓?i ⼤于壁摩擦⾓?w 。w 对于物料的存储与密相⽓⼒输送是⼀个很重要的物理量。其测定⽅法，可⽤⼀块与剪切盒材料相同的板来代替下盒，⽤与
测定内摩擦⾓相同的⽅法，就可测得粉体与固体壁⾯的剪切情况。同样，也可以作出垂直应⼒σ与最⼤剪切应⼒之间的关系曲线，求出?w 值。这种情况下的粉体与固体壁⾯之间的YL 线称之为WYL 线(Wall yield locus)。对于库仓粉体，有如下的关系： W W W W W C C tg +?=+?=σµστ? (3)
式中：
W ?：壁摩擦⾓； W µ：壁摩擦系数；
W C ：与壁⾯的附着⼒。
四、实验步骤和操作
1、休⽌⾓φr 与动态休⽌⾓φd 的测定
壁挂燃气锅炉
笔式点火线圈本实验采⽤注⼊排出法测定粉体的休⽌⾓，其实验步骤如下：
(1)放置休⽌⾓器具
将减震器放到仪器中央的定位孔中、再放上接料盘和休⽌⾓试样台。如果发现试样台不⽔平，需调整减震器上的三个螺丝⾼度，使其处于⽔平位置，如图6。
(2)加料
关上仪器前门，准备好试验，将定时器调到3分钟左右，开振动筛盖，打开仪器的电源开关和振动筛开关，⽤⼩勺在加料⼝徐徐加料，物料通过筛⽹、出料⼝洒落到试样台上，形成锥体，如图7。
图6 放置休⽌⾓器具图7 加料 (3)休⽌⾓测定
当试样落满试样台并呈对称的圆锥体、并有多余的粉料由试样台边缘均匀落⼊接料盘内后停⽌加料，关闭振动筛电源，将测⾓器置于试样托盘左侧并靠近料堆，使其底边与圆锥形料堆的斜⾯平⾏，测定休⽌⾓。测量休⽌⾓时应从三个不同的位置测量，然后求其平均值作为该试样的休⽌⾓，即()3/321r r r r φφφφ++=，如图8。
图8 休⽌⾓测定过程⽰意图(从三个不同⾓度测量)
(4)动态休⽌⾓(也称崩溃⾓)的测定
测完休⽌⾓后，⽤两⼿指轻轻提起试样台中轴上的崩溃⾓振⼦，⾼度为距离顶部⼤约10mm 左右，然后张开⼿指使振⼦⾃由落下，试样台上堆积的物料受到振动，圆锥体的边缘处物料崩溃塌落⼊接料盘，如此振动三次，然后再⽤测⾓器测定三个不同位置的斜⾯⾓度，取平均值即为动态休⽌⾓。
2、内摩擦⾓的测定
(1)本实验应在四种垂直应⼒下进⾏实验(有条件时还应在不同的孔隙率下进⾏)。垂直应⼒的⼤⼩应视
实际需要⽽定。本实验采⽤0.5、1.0、1.5、2.0公⽄/cm 2四种垂直应⼒，试样中可对试样施加不同的垂直应⼒、四个样同时做试验。
(2)称取在110℃温度下烘⼲的试样1000克，备⽤(如果不与其它试样对⽐时可不烘⼲)。
(3)⽤分析天平称取每⼀试样所需的粉体物料量，准确⾄0.1克，试样量可按下式计算：
m =V·S(1-ε) =
()επ-142HS D (4)
式中：
m ：每⼀试样所需要的粉料质量(克)；
D ：剪切盒内径(cm)；突起路标
V ：试样体积(cm 3)；
H ：剪切盒有效⾼度(2.0cm)；
S ：试样的密度(g/cm 3)；
ε：规定的孔隙率(0.48~0.50)。
(4)对准滑动盒和固定盒，插⼊固定销，将称量好的试样加⼊盒内，并使其在盒内充填均匀。按顺序依次加上油⽯、钢珠及加压框架。将垂直荷重加在活塞上，并安装垂直测微表和量⼒环内⽔平测微表。
(5)调整杠杆⽔平，使杠杆在整个剪切过程中都处于⽔平，调整量⼒环中测微表读数为零。
(5)剪切速率的可按试验要求选择，仪器具有2.4、0.8、0.10、0.02 mm/min 四档剪切速率。
(6)拔去固定插销，启动电机，剪切开始。当量⼒环中的百分数开始变化时，⽴即开始计时直⾄将试样剪断为⽌(当量⼒环中测微表指针不再前进时，认为已剪断)。此时剪切位移量的计算为：S= m·t( mm)，其中m 为剪切速度、t 为剪切时间。
ca173齿轮均匀转动，使⽔平荷重从⼩到⼤逐渐加在试样上，试样受剪均匀则变形均匀。否则转转停停，会使转动时⼒集中加到试样上，停转时测微表指针后退，使测量产⽣较⼤误差。在剪切过程中应每隔15秒钟测记齿轮转数和量⼒环中测微表相应读数，记录于表1中，同时应注意⽤⼿轮及时调整杠杆使其始终处于⽔平状态。
(7)剪切结束时，记下垂直测微表的读数。
(8)实验结束时，顺序卸除测微表、荷重、加压框架、钢珠、活塞、固定盒等，并擦洗⼲净。
剪切试验记录表表1
试样种类量⼒环校正系数
齿轮转速转/分剪切时间分
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3、粉体壁摩擦⾓的测定
测定⽅法和步骤同内摩擦⾓的试样⼀样，只是⽤固体壁⾯代替固定盒内的物料。
五、实验数据处理
1、根据剪切试验的数据记录，计算试样的剪切应⼒τ，并填⼊表1中：
τ＝CR (5) 式中：τ：剪切应⼒(kg/cm3)；
C：量⼒环校正系数(kg/cm3/0.01mm)；
高建钢R：剪切时量⼒环中测微表的读数。
2、以剪切应⼒为纵坐标，以相应的因变量(剪切变形)为横坐标，绘出剪应⼒与应变量的关系曲线，在曲线的最⾼处，出在该垂直应⼒下，试样剪断时的极限剪切应⼒τ。
3、以垂直应⼒为横坐标，以相应的极限剪应⼒τ为纵坐标，绘出试样的YL线，求出试样的内摩擦⾓?i和粘附⼒C i。
4、求取粉体试样的壁摩擦⾓?w，⽅法同上。
5、粉体试样休⽌⾓?i的测定。
六、思考题
1、试分析内摩擦⾓与壁摩擦⾓的区别。
2、影响内摩擦⾓与壁摩擦⾓的粉体物性参数有哪些？
3、试分析上述粉体物性在实际单元操作(如储存)中的应⽤。
(执笔⼈：⽅莹、陈传⽂)
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