[发明专利]一种微小颗粒试样破碎过程研究实验装置及其实验方法

说明书

本发明公开了一种微小颗粒试样破碎过程研究实验装置及其实验方法，加载装置选用直线滑台结构作为加载部件，装配在直线滑台转动丝杆底部的编码器在加载过程中产生连续脉冲信号，触发激光位移传感器和压力传感器实时、同步记录试样受压破碎过程中的位移和实验力，装置配套有高速显微摄像机，记录试样从受压到破碎的实时过程。装置可用来进行非金属、形状不规则的各类微小颗粒试样(0.1‑2mm)的单轴压缩破碎实验，测试试样的破碎强度、破碎功等力学参数以及研究试样破碎过程。此外，利用该实验装置还可进行试样破碎过程中砧板、压头材料的损伤行为等研究。

技术领域

本发明涉及材料的力学测试技术，具体涉及一种可进行微小颗粒试样破碎强度测试和破碎过程研究的实验装置及其实验方法。

背景技术

颗粒破碎通常是指非金属试样在承受载荷作用下产生结构性破坏或解理，分裂成多个更小的试样的过程。颗粒破碎问题广泛存在于各类工程应用中，如矿石粉碎、轮轨界面使用撒砂增黏、工程建设中作为地基材料或填料的石英砂在大荷重条件下的试样破碎等。

颗粒破碎强度是评价不同试样可承受法向载荷的能力，与颗粒的粒径直接相关，且受颗粒的材料、矿物学特性、形状、孔隙率和内部缺陷等因素的影响。由于以上各类不确定因素的影响，颗粒的破碎强度在测试中并不是一个恒定量，而是表现为强离散性，需要通过大量的实验进行统计研究。基于此，需要开发设计一种操作简单、方便的单轴压缩型测试装置以便于开展大量的重复实验。

目前岩土力学实验研究中常用的液压式单轴压缩实验装置多是针对宏观、大尺度的岩体试样进行破碎力学测试的装置，其加载速度对于微小颗粒试样(2mm)过快，会导致试样破碎过程太短，测得的力-位移曲线数据点过少难以判断试样破碎临界点，且其测试中往往忽略试样受压过程中在砧板/压头伤的嵌入行为(该行为对大尺寸实验可忽略不计，但对微小颗粒试样的影响较为显著)导致所测得的结果不准。此外，由于所测试样尺寸较小，在受压时，通常压头与砧板之间的空隙不足1mm，传统观测手段难以监测，因此试样从受压到破碎过程中的实时监测一直是研究中的难点。

发明内容

本发明第一目的是提供一种测试微小颗粒试样破碎强度的实验装置，该装置专门针对微小颗粒试样(粒径小于2mm)的破碎行为进行测试，使用高精度驱动电机和激光位移传感器进行实验过程中的加载和测量，提高测量精度和响应速度；装置配套有实时显微观测系统，可记录试样从受压到破碎过程中的形态变化、裂纹的萌生与扩展、破碎瞬间的弹射行为及弹射速度、破碎后微粒的粒径分布等能为研究试样的破碎力学参数、破碎行为及各类影响因素研究提供多样的数据支撑，此外，利用该实验装置还可以进行试样破碎过程中砧板、压头材料的损伤行为研究、颗粒试样嵌入行为的研究等。

为实现第一发明目的，所采用的技术方案是：

一种微小颗粒试样破碎过程研究实验装置，用作非金属微小颗粒试样的单轴压缩破碎实验，以测定其破碎强度和过程，其特征在于，由设置在机架2上的驱动电机1通过联轴器3与转动丝杠4联动以驱动滑台6沿导柱5上下移动构成直线施压机构；压头10通过设置在驱动滑台6上的夹头9固定，与砧板 12配合构成对待测试样的法向加载；砧板下设置有压力传感器13；置于转动丝杠4底端设置有编码器15，驱动滑台6上设置有监测驱动滑台与导柱竖向位移的激光位移传感器8；编码器15、激光位移传感器8和压力传感器14的监测信号构成了实验装置的信号采集系统汇入PLC数据采集模块；由置于砧板附近的便携式显微镜16和高速显微摄像机17构成了实验中颗粒试样破碎过程的监测记录系统。