密集颗粒体-机械表面摩擦测试仪研究

　　颗粒物质是一种常见的物质类型，如沙堆、积雪、粮食等，甚至川流的人群、行驶的汽车也都可以作为颗粒体系来研究。这类物质虽然单个颗粒是固体，但大量颗粒体系却表现出不同于固体、液体和气体中任何一种的奇特性质[1]。浙江大学物理系颗粒物质实验室和中国科学院物理研究所进行合作，通过实验探索和计算机模拟，研究了颗粒物质的许多物理特性。如文献[2]研究了二维颗粒流通过瓶颈口时，流量与传送带的速度以及瓶颈开口的大小的关系;文献[3]研究了通道宽度对颗粒物质稀疏流到密集流转变的影响[3];此外，通过实验，研究了二维斜面颗粒流在粗糙边界附近的流量密度分布规律[4]及受通道宽度的影响[5]。

　　文献[6]认为，当前对于颗粒物质的认识，只相当于20世纪30年代对于固态物理认识的水平。在国内，颗粒物质的研究目前仅限于物理学和黏土力学领域，摩擦学领域才刚刚起步　　[7]。文献[8]指出：颗粒摩擦学研究可应用于粉末冶金、陶瓷等的成型工艺以及颗粒物质(如粮食、煤粉等)堆积和输送，水土流失、海岸和堤坝建设等，从摩擦学角度来看，该研究尚属空白。

　　文献[9]设计了一个环状剪切装置，在内外圈之间填充满干燥的金属球状颗粒，做差动旋转。低速时，颗粒为准静态流，当速度增大到某一阈值时，转为弹性碰撞流，摩擦系数突然降低。实验结果显示，正应力和剪切应力与剪切速度相关，并且受内外圈间隙及金属颗粒的体积分数影响。

　　文献[10]基于非连续介质力学的离散单元法，建立了颗粒流润滑的楔形滑块研究模型，重点就颗粒介质的摩擦因数对摩擦学系统特性的影响进行仿真研究。文献[11]针对摩擦过程中的表面形貌相互作用问题，模拟了刚性光滑平面与理想粗糙表面的相互作用，结果显示，表面粗糙度变小，表面结构也发生较大变化。当前，摩擦测试仪都是针对固体材料，在点触、线接触或面接触条件下，对相关摩擦学参数进行测量。颗粒摩擦学领域目前还没有形成系统、完善的理论，也没有标准化的实验设备。基于此背景，本文针对摩擦学中最常用的斜面滑块模型，如图1所示，构建了密集颗粒体-机械表面摩擦测试仪。摩擦测试仪可以设置不同表面试件，以不同的迎角、速度，在不同颗粒体中运动，监测试板所受切向阻力和法向支撑力在运动过程中的变化规律。

　　1实验装置

　　通过步进电机驱动丝杠导轨带动平移台做直线运动，使平板与密集颗粒体发生相对运动;用扭矩传感器和拉压力传感器分别测出平板在运动方向受到的剪切阻力及法向的承载力;最后将传感器测得的电信号，经滤波、放大实时显示，并采集、保存下来。密集颗粒体摩擦测试仪技术方案如图2所示。