一种含大颗粒矸石的充填料浆流变力学测试装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于含有大颗粒矸石的膏体充填料浆流变特性曲线测试的实验装置及测量方法，本装置包括立式实验装置支架、搅拌动力系统伺服扭矩一体化电动机、动力系统控制器PLC、高精度动态扭矩传感器、搅拌转子及叶片、动力系统联轴器、矸石似膏体充填料浆圆筒形容器及传感器数据传输连接器构成。扭矩传感器通过联轴器与电动机、搅拌叶片和转子相连，控制器PLC与电动机和计算机相连，扭矩传感器与计算机相连。本发明专利技术能够更精确的测量含有大颗粒矸石充填料浆的流变特性，具有转速

【技术实现步骤摘要】
一种含大颗粒矸石的充填料浆流变力学测试装置和方法


[0001]本专利技术涉及充填采矿设备
，特别涉及一种由大颗粒矸石或尾砂、水泥、粉煤灰组成的充填料浆流变力学特性曲线测试装置和方法。

技术介绍

[0002]在充填采矿料浆研究中，料浆的流变特性即“剪切变形速率
‑
切应力”曲线是料浆管道输送及充填体形成的重要基本参数，准确测量料浆的流变参数对充填采矿的研究及工程实际都有很重要的指导意义。目前流变的测量方法主要有挤出式流变仪与旋转粘度计。
[0003]如目前流变力学特性测试常采用的挤出式流变仪，是一种主要用于测定高聚物熔体流动速率或流变性能的实验装置和方法。其结构和测定原理为:竖直安装的料筒上有3个纵向的孔，一个插温度计，另一个装试样，后者在底部装有一定直径的挤出运动活塞，在规定静负荷作用下，试样熔体从纵向孔中挤出，测定经一定时间的挤出量，从而计算剪切速率和粘度。这种方法适用于可塑性较强的流体，不适用于充填料浆的流变性测试。
[0004]旋转粘度计是通过两个旋转的同心圆筒相对位移来产生简单切向运动，能够迅速测定材料流变特性中的粘度。其优点是切边速率稳定，试验系统仅要求少量的试样，特别适合于精密化学合成试验或生物流体。在多相体系中，分散相粒子的宽度如果与两圆筒之间距离接近，则偏差较大；且两圆筒之间的距离通常为0.2
‑
2mm之间，充填采矿中使用的充填料浆含有的矸石大颗粒通常为10
‑
20mm，因此无法使用旋转粘度计测量其流特性。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种高效、自动化、精准的测量含有大颗粒矸石充填料浆流变力学特性的实验装置和测试方法。该测量装置与方法不仅可以应用于矸石料浆的流变测试，还可应用于尾砂料浆的流变性测试。
[0006]本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种用于含有大颗粒矸石的膏体充填料浆流变特性曲线测试的实验装置及测量方法，本装置包括立式实验装置支架、搅拌动力系统伺服扭矩一体化电动机、动力系统控制器PLC、高精度动态扭矩传感器、搅拌转子及叶片、动力系统联轴器、矸石似膏体充填料浆圆筒形容器、传感器数据传输连接器及实验装置外壳构成。电动机、扭矩传感器、搅拌转子及叶片分别位于实验支架最上层、中层和底层。扭矩传感器通过联轴器与电动机、搅拌叶片和转子相连，控制器PLC与电动机和计算机相连，扭矩传感器与计算机相连。
[0007]上述测试基于含有大颗粒矸石充填料浆流变特性的实验装置，其测试原理：采用的精密力矩仪可检测速度与力矩，通过检测不同速度下搅拌叶片的搅拌中心力矩值大小，可推算出料浆的流变特点。流变仪的核心是搅拌叶片和搅拌筒。
[0008]上述测试基于含有大颗粒矸石充填料浆流变特性的实验装置，动力系统由PLC控制的伺服扭矩一体化电动机提供，PLC控制电动机带动搅拌叶片按照给定的函数变转速运动，通过高精度扭矩传感器连续读取转速与扭矩值并采用信号线将数据传至计算机做后处
理。
[0009]本专利技术的有益效果在于：本专利技术能够更精确的测量含有大颗粒矸石充填料浆的流变特性，具有转速
‑
扭矩变化连续测量与数据自动记录、自动化程度高、能够直接得到剪切变形速率
‑
切应力曲线及操作简单和精度高的优点。
附图说明
[0010]图1为本专利技术新型流变仪结构示意图
[0011]图2为本专利技术搅拌叶片结构示意图
[0012]图3为本专利技术新型流变仪测试原理示意
[0013]图4为本专利技术一种充填料浆的测试实例得到的扭矩曲线
[0014]图5为本专利技术一种充填料浆的测试实例得到的转速曲线
[0015]图6为本专利技术一种充填料浆的测试实例计算得到的流变力学特性图
具体实施方式
[0016]下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。
[0017]如图1，一种用于含有大颗粒矸石的膏体充填料浆流变特性曲线测试的实验装置，包括立式实验装置支架6、搅拌动力系统伺服扭矩一体化电动机1、动力系统控制器PLC2、高精度动态扭矩传感器4、搅拌转子及叶片7、动力系统联轴器5、矸石似膏体充填料浆圆筒形容器8、传感器数据传输连接器3及升降实验台10构成。
[0018]所述运动系统，先由计算机调控转速变化函数到控制PLC2，再由PLC2输出100kHz高频脉冲控制伺服扭矩电动机输出相应的转速。通过联轴器5与高精度扭矩传感器4和搅拌叶片7相连到同一个旋转轴上。
[0019]所述实验支架6分为3层，分别是上层、中层和底层。上层用于固定控制器PLC2与伺服扭矩一体化电动机1，中层用于固定扭矩传感器4，下层用于固定升降实验台9与安装圆筒料浆容器8。
[0020]所述控制器PLC2同时链接伺服扭矩一体化电动机1与计算机，通过计算机调控转速变化函数并控制伺服电动机。
[0021]所述扭矩传感器4通过数据接口3与计算机相连，测试时通过数据接口3将数据传输至计算机。
[0022]如图2，为搅拌叶片，由四片两两相互垂直的矩形叶片与链接转杆11组成，在测试中，叶片旋转在圆筒形的料浆容器中，形成圆形的速度梯度分布，并将叶片上的扭矩值传递至连接转杆11由扭矩传感器4测量。
[0023]如图3，为搅拌叶片7与圆形搅拌筒8在测试时的原理图。叶片边缘的半径为R1，转速为ω。测试中，筒内任意一点料浆的转速为Ω，在叶片边缘处，料浆的转速Ω
R1
约等于叶片的转速。而筒内任一点dr处的料浆转速Ω为ω+dω。在流变仪测试过程中，搅拌筒边缘贴近筒内壁的料浆转速为0。叶片边缘的线速度为搅拌筒边缘的线速度为其中搅拌筒边缘为无滑移边界，因此速度为零。则剪切变形速率可以表示为：
[0024][0025]令R1＝kR2，则边界条件可以表示为：
[0026][0027]可得到叶片与搅拌筒壁之间的速度分布：
[0028][0029]将速度分布，式3带入剪切变形速率式1，可得切变速率为：
[0030][0031]其中：n为流动指数，对于充填料浆流体，流动指数n为1，则式4可化简为：
[0032][0033]在测试实验过程中，将配置好的适量充填料浆固定在升降实验台9上，通过调节旋钮10调节升降实验台的高度至合适的位置，将搅拌叶片上边缘浸没在料浆液面以下2cm一般认为高度调节合适。测试中，搅拌转子的转速和扭矩值会被连续的测量并通过数据接口3传输至计算机中分析。
[0034]以矸石充填料浆为例，其流变特性测试和计算方法如下：
[0035]如图4
‑
图5，为料浆在测试过程中得到的扭矩与转速变化值，通过LOWESS降噪算法，过滤和降噪测试过程中的偏离值，减小偶然误差。传感测得的扭矩值为M，转速值为n；叶片的高度为h，半径为R1，则切应力计算公式为：
[0036][0037]剪切速率根据式5计算为：
[0038][0039]如图6，为计算得到矸石充填料浆的流变特性曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含大颗粒矸石的充填料浆流变力学测试装置及方法，其特征在于：包括立式实验装置支架、搅拌动力系统伺服扭矩一体化电动机、动力系统控制器PLC、高精度动态扭矩传感器、搅拌转子及叶片、动力系统联轴器、矸石似膏体充填料浆圆筒形容器、传感器数据传输连接器及实验装置外壳构成。扭矩传感器通过联轴器与电动机、搅拌叶片和转子相连，控制器PLC与电动机和计算机相连，扭矩传感器与计算机相连。2.根据权利要求1所述的含大颗粒矸石的充填料浆流变力学测试装置，其特征在于，所述立式实验支架分为三层，第一层用于装配伺服扭矩一体化电动机，第二层用于装备高精度扭矩传感器，第三层用于装配料浆容器、搅拌转子、叶片及升降实验台。3.根据权利要求1所述的含大颗粒矸石的充填料浆流变力学测试装置，其特征在于，所述电动机需支持扭矩伺服控制，通过控制单元PLC输出高频脉冲，控制扭矩伺服电动机按照指定函数的变化的转速带动搅拌叶片的旋转。同时，电动机的扭矩输出与转速同步变化并满足搅拌料浆所需的功率。4.根据权利要求1所述的含大颗粒矸石的充填料浆流变力学测试装置，其特征在于，所述高精度扭矩传感器为动态扭矩传感器。能够在测试实验叶片搅拌旋转的同时连续测量旋转轴的扭矩，并将扭矩值通过IO接口实时传输到计算机。5.根据权利要求1所述的含大颗粒矸石的充填料浆流变...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛东杰，张辽，刘殷彤，潘阮航，贾震，段晓博，程建超，王路军，任伟光，周宏伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：