具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图2-图4，本实施例的一种松散物料压制成型力学性能测试装置，包括机架、驱动单元、压制单元、送料单元、模具单元、凸轮。

所述驱动单元采用电机32，所述压制单元包括弹簧4、压制轴5、上底板6、上套筒7；所述机架包括上底板6、上机架18、下机架15、下底板25。

所述电机32与凸轮16之间采用同步带进行传动，凸轮16由凸轮轴17连接在上机架18上，上底板6和下底板25通过多个支撑柱35连接固定，保证上套筒7与下套筒 10之间的同轴度在一定范围。

所述上套筒固定在上底板6上，所述压制轴5设置在上套筒7内；所述压制轴5与上套筒7之间设有复位弹簧4，用于凸轮16上行过程中压制轴5的上行复位。电机32 通过第一小带轮27和大带轮33将动力传给凸轮16，凸轮16转动，带动压制轴5获得预期的上下往复运动，模拟出实际压制松散物料过程中物料的受压情况；压制轴5采用凸轮驱动，压制速度与真实设备一致，可通过更换凸轮16来改变压制速度和压制速度的变化率。压制轴5顶端设有第一测力传感器1，弹簧4上端设有第二测力传感器2，用于测量压制过程中压制轴5对物料的压力；压制轴5上设有第一位移传感器3，测量压制轴5在压制过程中的位移。

所述料斗22通过支架21固定在上底板6上。

所述送料单元包括装料环8、环形挡板支撑筒12、轮盘轴20、轮盘23、料筒支撑柱24、环形挡板34。

多个装料环8固定连接在轮盘23上，多个装料环8沿周向等间隔固定在轮盘23上。轮盘23固定连接在轮盘轴20上，轮盘轴20通过轴承一端连接在上底板6，另一端连接在下底板25上，环形挡板34根据装料环8的运动路线进行设计，并安装在装料环8下面，通过环形挡板支撑筒12和料筒支撑柱24固定连接在下底板25上；环形挡板支撑筒12使得未处于压制单元和模具单元之间的装料环8底部处于支撑状态，处于压制单元和模具单元之间的装料环8底部处于开放状态。

齿轮轴拨叉29一端固定连接在压制轴5上，另一端固定连接在齿轮轴30上，齿轮轴30安装在齿轮轴导轨31内，在齿轮轴拨叉29的带动下，沿着齿轮轴导轨31上下移动，齿轮轴导轨31通过螺栓固定连接在上底板6上；一对锥齿轮19(包括主动锥齿轮和从动锥齿轮)分别固定在轮盘轴20和齿轮轴30上，齿轮轴30安装在齿轮轴导轨31 内，在齿轮轴拨叉29的带动下，沿着齿轮轴导轨31上下移动，齿轮轴导轨31通过螺栓固定连接在上底板6上；第二小带轮36固定连接在齿轮轴30另一端，动力传递过程：电机32通过大带轮33带动第二小带轮36，第二小带轮36带动齿轮轴30和主动的锥齿轮19，从动的锥齿轮19带动轮盘轴20、轮盘23以及装料环8，通过固定在压制轴5 上的齿轮轴拨叉29，实现在压制轴5上升到最高处的间隙时快速换料。当压制轴5上升到最高处时，主动锥齿轮19在齿轮轴30上的从动锥齿轮19啮合，带动轮盘轴20转动，进而带动多个装料环8转动，实现了实验物料的循环上料，使实验能连续进行。

所述上套筒7和装料环8的内径相同，且大于压制轴5的直径，差值为0.5～1mm。上套筒7和下套筒10的同轴度

所述模具单元包括模具9、下套筒10、温控筒11、模具支撑环14；所述下套筒10、温控筒11和环形挡板支撑筒12是同轴安装，从内到外依次为下套筒10、温控筒11和环形挡板支撑筒12，并通过螺栓连接固定在下底板25上，下底板25通过螺栓连接固定在下机架15上；模具9、第三测力传感器13和模具支撑环14都放置在下套筒10内，从上到下依次为模具9、第三测力传感器13、模具支撑环14，模具支撑环14和下底板 25直接接触，第三测力传感器13位于模具支撑环14和模具9之间，用于测量模具9 所受的压力，第二位移传感器26是激光位移传感器，安装在模具的正下方，激光射入模孔，用于测量模孔内物料的位移。

所述模具9上设置有N3个通孔(N3≥1)作为模孔，直径为1mm～30mm，均匀分布在模具对称轴附近。模具9和模具支撑环14的高度和等于下套筒10的高度，可通过不同高度组合的模具9和模具支撑环14来改变模具9上模孔的长径比。

位移信号采集装置选用NI 9215，力信号采集装置选用NI PXI-4472B，第二位移传感器采用激光位移传感器。

若实际设备为环模制粒机，且压辊半径r＝80mm，环模半径R＝350mm，压辊与环模中心距h₀＝92mm，环模转速n＝300r/min，则可以根据公式(1)计算被压制松散物料随时间的变化关系：

式中，h为松散物料的位移，t为运行时间。

以t为横坐标，h为纵坐标作图，可获得物料位移-时间关系图如图6所示。

送料单元松散物料配送切换时间为压制轴在最高处的停留时间：

锥齿轮传动比i＝1，第一小带轮半径r₁＝40mm，第二小带轮半径为r₂＝40mm，装料环个数N＝8，压制轴在最高处的停留时间T计算公式：

所述凸轮根据物料位移-时间关系图(图6)和压制轴在最高处的停留时间T进行设计，在平稳运行时，凸轮的转速为300r/min。

结合图5，上述松散物料压制成型力学性能测试装置的测试方法，方法步骤如下：

步骤1、将预处理过的松散物料装入料筒22，料筒22内的物料自动装满料筒22下方的装料环8；

步骤2、启动电机32，电机32带动大带轮33转动，大带轮33带动两个小带轮转动；

步骤3、第二小带轮36带动齿轮轴30转动，通过锥齿轮19带动轮盘轴20；第一小带轮27带动凸轮轴17转动，进而带动凸轮16转动；

步骤4、凸轮16转动，弹簧4带动压制轴5向上运动，带动齿轮轴拨叉29以及齿轮轴29一起向上运动，当压制轴5上升到最高处，锥齿轮19在齿轮轴30的带动下啮合，齿轮轴29带动轮盘轴20转动；

步骤5、凸轮16转动，通过前期设计凸轮16使压制轴5在最高处停留一段时间，这段时间内，在轮盘23的带动下，位于上套筒7正下方的装料环8转走，另装有松散物料的装料环8转动到上套筒7正下方；

步骤6、凸轮16转动，带动压制轴5开始向下运动，压制轴5向下运动期间，因压制轴5不在最高处，锥齿轮19脱离啮合状态，轮盘20停止转动；

步骤7、凸轮16转动，通过前期设计凸轮16使压制轴5进行预期的向下运动，将装料环8内的松散物料压入模具9的模孔中，完成一次压制；

步骤8、第一测力传感器1、第二测力传感器2、第一位移传感器3、第三测力传感器13和第二位移传感器26在数据采集装置的控制下采集数据，记录整个压制过程中的力和位移；

步骤9、重复步骤3～步骤8，直到所有松散物料压制完毕；

如图5所示，其中(1)为首次装有预压后的松散物料的压制后开始移入压制区(上下套筒中间)示意图；(2)为首次装料环完全移到压制区示意图；(3)为首次松散物料压制过程状态示意图；(4)为首次致密物料压制完毕状态示意图；(5)为首次压制完毕后压制轴上升到最高处示意图；(6)为首次压制完毕后装料环移出示意图；(n)为经过 n次压制后致密物料挤出状态示意图。

步骤10、关闭电机，在电机停止后，手动转动带轮，使压制轴5上升到最高处，将装料环8移出，从而将模具20、第三测力传感器13和模具支撑环14取出；

步骤11、第一测力传感器1、第二测力传感器2、第一位移传感器3、第三测力传感器13和第二位移传感器26记录压制过程中的力和位移，通过对试验数据的分析，研究松散物料致密成型过程中的力学行为。

通过对试验数据的分析，可以获得松散物料成型过程中的应力应变关系、物料与模具内壁之间的摩擦力、物料与模具内壁之间的正压力以及物料与模具内壁间的滑动摩擦系数。其中，压制过程中位移传感器8和第二测力传感器11所记录的数据之间的关系即为松散物料成型过程中的应力应变关系；同一时刻下，第一测力传感器9和第二测力传感器11所记录的数据之差即为成型过程中物料与模具内壁之间的摩擦力。