Ontwikkeling van een experimentele opstelling voor het meten van de Coëfficiënt van Restitutie onder vacuüm

Summary

De restitutiecoëfficiënt is een parameter die het verlies van kinetische energie tijdens beschrijft botsing. Hier wordt een vrije val setup onder vacuüm ontwikkeld kunnen de restitutiecoëfficiënt parameter bepalen deeltjes micrometer range met hoge impact snelheden.

Abstract

Discrete Element Method wordt gebruikt voor het simuleren van deeltjesvormige systemen beschrijven en analyseren, te voorspellen en vervolgens optimaliseren van hun gedrag enkele stappen van een werkwijze of zelfs een gehele proces. Voor de simulatie met voorkomende deeltje-deeltje en deeltje-wand contacten, wordt de waarde van de restitutiecoëfficiënt vereist. Kan experimenteel worden bepaald. De restitutiecoëfficiënt hangt af van verschillende parameters, zoals de botssnelheid. Speciaal voor fijne deeltjes de botssnelheid afhankelijk van de luchtdruk en onder atmosferische druk ingrijpende snelheden kan worden bereikt. Hiervoor is een nieuwe experimentele opstelling voor vrije val testen onder vacuüm ontwikkeld. De coëfficiënt van restitutie wordt bepaald met de impact en de rebound snelheid die worden gedetecteerd door een high-speed camera. Om niet belemmeren het uitzicht, wordt de vacuümkamer gemaakt van glas. Ook een nieuw vrijgeefmechanisme een deeltje onder vacuüm dalingvoorwaarden geconstrueerd. Door dat alle eigenschappen van het deeltje vooraf gekarakteriseerd.

Introduction

Poeders en granulaten zijn overal om ons heen. Een leven zonder hen is het onmogelijk in de moderne samenleving. Ze verschijnen in eten en drinken als granen of zelfs bloem, suiker, koffie en cacao. Ze zijn nodig voor de dagelijkse gebruikte objecten zoals de toner voor laser printer. Ook de plastic-industrie is niet denkbaar zonder hen, omdat plastic wordt vervoerd in korrelvorm voordat het wordt gesmolten en krijgt een nieuwe vorm. Na Ennis et al. ¹ ten minste 40% van de waarde van de index van de consumptieprijzen van de Verenigde Staten van Amerika toegevoegd door de chemische industrie (landbouw, voeding, geneesmiddelen, mineralen, munitie) is verbonden met deeltje technologie. Nedderman ² zelfs dat ongeveer 50% (gewicht) van de producten en ten minste 75% van de grondstoffen van vaste stoffen in de chemische industrie. Hij verklaarde ook dat er ontstaan ​​veel problemen met betrekking tot de opslag en het transport van korrelige materialen. Eén daarvan is dat tijdens het transport en handling vele botsingen plaatsvinden. Te analyseren, te beschrijven en het gedrag van een fijn systeem te voorspellen, kan Discrete Element Method (DEM) simulaties worden uitgevoerd. Voor deze simulaties kennis van de botsing gedrag van het deeltjessysteem noodzakelijk. De parameter die dit gedrag beschrijft in DEM simulaties is de coëfficiënt van restitutie (COR), die moet worden vastgesteld in experimenten heeft.

De COR is een getal dat het verlies van kinetische energie kenmerkend tijdens de botsing als door Seifried et al. ^3. Ze legde uit dat dit wordt veroorzaakt door plastische vervormingen, golfvoortplanting en visco-elastische verschijnselen. Thornton en Ning ⁴ vermeldde ook dat wat energie kan worden afgevoerd door het werk als gevolg van adhesie-interface. De COR afhankelijk botssnelheid, materiaalgedrag, deeltjesgrootte, vorm, ruwheid, vochtgehalte, hechtingseigenschappen en temperatuur zoals in Antonyuk et al. ^5. Voor een completely elastische effect alle geabsorbeerde energie wordt teruggegeven na de botsing zodat de relatieve snelheid tussen de contactpersonen gelijk voor en na de impact. Dit leidt tot een COR e = 1. In een perfect plastic effect de initiële kinetische energie wordt geabsorbeerd en de contactpersonen elkaar plakken die leidt tot een COR e = 0. Verder Güttler et al. ⁶ uitgelegd dat er twee soorten botsingen. Enerzijds is er de botsing tussen twee gebieden die ook bekend staat als het deeltje-deeltje contacten. Anderzijds is er de botsing tussen een bol en een plaat die ook deeltjes wandcontact genoemd. Met de gegevens voor de COR en ander materiaal eigenschappen zoals wrijvingscoëfficiënt, dichtheid, kan Poisson's ratio en afschuifmodulus DEM simulaties worden uitgevoerd om de post-botsingen snelheden en oriëntaties van de deeltjes, zoals uitgelegd door Bharadwaj et al. ⁷ te bepalen. zoals shown in Antonyuk et al. ^5, kan de COR worden berekend met de verhouding tussen de rebound snelheid te botssnelheid.

Derhalve een experimentele opstelling voor vrije val tests om het deeltje-wandcontact deeltjes met een diameter van 0,1 mm tot 4 mm onderzoeken werd geconstrueerd. Het voordeel van vrije val experimenten vergeleken met versnelde experimenten in Fu et al. ⁸ en Sommerfeld Huber ⁹ is een rotatie kan worden geëlimineerd. Derhalve kan de transfer van rotationele en translationele kinetische energie die de COR beïnvloedt worden vermeden. Asferische deeltjes moeten volgens Foerster et al. ¹⁰ of Lorenz et al worden gemerkt. ¹¹ rotatie rekening. Aangezien de COR is afhankelijk van de botssnelheid, botsingssnelheden in de experimenten met die in de echte transport en handling processen passen. In vrije val experimenten onder atmosferische druk, wordt de botssnelheid beperktde sleepkracht heeft een toenemende invloed van een afnemende deeltjesgrootte. Om dit bezwaar te ondervangen, de experimentele opstelling werken onder vacuüm. Een tweede uitdaging is slechts een deeltje teruggetrokken omdat dan is het mogelijk om alle eigenschappen die de COR vooraf beïnvloeden, bijvoorbeeld ruwheid en adhesie karakteriseren. Met deze kennis kan de COR worden bepaald volgens de eigenschappen van het deeltje. Hiervoor werd een nieuwe vrijgeefmechanisme ontwikkeld. Een ander probleem is de adhesieve krachten van poeders met een diameter lager dan 400 pm. Daarom is een droge omgevingstemperatuur omgeving noodzakelijk om hechting te overwinnen.

De experimentele opstelling bestaat uit verschillende delen. Een buitenkant van de bestaande experimentele opstelling is weergegeven in figuur 1. Ten eerste is er de vacuümkamer die is gemaakt van glas. Het bestaat uit een onderste deel (cilinder), een kap, een afdichtring en een huls om de verbindingdelen. Het onderste gedeelte heeft twee openingen voor een verbinding met de vacuümpomp en de vacuümmeter. De bovenklep heeft vier openingen. Twee daarvan zijn noodzakelijk voor de stokjes van de vrijgeefmechanisme hieronder beschreven en ook twee die kunnen worden gebruikt voor verdere verbetering van het experiment. Al deze openingen kunnen worden afgesloten met zegel ringen en schroefdoppen bij het werken onder vacuüm omstandigheden.

Bovendien werd een nieuw vrijgeefmechanisme ontwikkeld sinds het gebruik van een vacuüm mondstuk op vele andere experimenten gedocumenteerd in de literatuur (bijvoorbeeld Foerster et al. ^10, Lorenz et al. ^11, Fu et al. ¹² en Wong et al. ¹³⁾ is niet mogelijk in een vacuümomgeving. Het mechanisme wordt gerealiseerd door een cilindrische kamer met een conische boring die gebonden is aan een plaat. Deze is verbonden met een stok die past in een van de afdichtringen van de bovenklep van de vacuümkamer en garandeert de aanpassing van een variable aanvankelijke hoogte voor de vrije val experimenten. Een schaal is getekend op de stick voor het meten van de hoogte. Het sluiten van het deeltje kamer wordt uitgevoerd door een kegelvormige punt van een pipet die weer is aangesloten op een stok. De nieuwe vrijgeefmechanisme is te zien in figuur 2 en werkt zoals hier beschreven in de begintoestand de pipetpunt wordt geduwd, zodat de omtrek van de tip raakt de rand van de kamer het boorgat. De kamer wordt afgesloten met de pipetpunt zodanig dat er geen ruimte voor een deeltje om de kamer te verlaten door de opening. Om het deeltje loslaat, wordt de stick omhoog getrokken langzaam tegen het topje aangesloten. De diameter van de punt kleiner ontstaat een spleet tussen de omtrek en de rand van het boorgat waardoor de deeltjes de kamer kan verlaten. Hoewel men zou verwachten dat een rotatie van het deeltje met de release mechanisme nieuw ontwikkelde als het deeltje kon 'roll' out of the chamber, wordt een ander gedrag in de experimenten. Figuur 3 toont de invloed van een asferisch deeltjes van 50 beelden voor 50 frames na de impact in stappen van 25 frames. Van de vorm van het deeltje geen rotatie is toegankelijk voor het effect (1-3), terwijl daarna het uiteraard spins (4-5). Daarom is de beweerde niet-draaiende release plaats met deze release mechanisme.

Een ander onderdeel van de experimentele opstelling is de basisplaat. In feite zijn er drie verschillende soorten grondplaten uit verschillende materialen. Een van roestvrij staal, een aluminium tweede en een derde van polyvinylchloride (PVC). Deze grondplaten vertegenwoordigen vaak gebruikte materialen in de procestechniek bijvoorbeeld in reactoren en buizen.

Om de impact en de rebound snelheden te bepalen, is een high-speed camera met 10,000 fps en een resolutie van 528 x 396 pixels gebruikt. Deze configuratie wordt gekozen als er altijdeen foto in de buurt van de impact en ook de resolutie is nog steeds bevredigend. De camera is aangesloten op een scherm dat de video's van het moment laat zien wanneer ze worden opgenomen. Dit is noodzakelijk, omdat de hoge snelheid camera slechts een beperkte hoeveelheid beelden kan opslaan en overschrijft het begin van de video wanneer dit bedrag wordt overschreden. Verder wordt een sterke lichtbron voor de verlichting van het gezichtsveld van de high-speed camera nodig. Voor verlichtingsuniformiteit een vel technische tekening papier gelijmd aan de achterzijde van de vacuümkamer die het licht verspreidt.

Tenslotte wordt een tweetraps schottenpomp gebruikt om een ​​vacuüm van 0,1 mbar en een vacuümmeter meet de vacuüm constante milieuomstandigheden zekergesteld.

Voor de hier gepresenteerde werk glazen kralen met verschillende deeltjesdiameters (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680 en 4.000 mm) worden gebruikt. De kralen zijn gemaakt van soda limeglas en bolvormig met een vrij glad oppervlak.

Protocol

1. Experimenten met Deeltjes Korreliger of gelijk aan 700 urn

1. Bereiding van de experimentele opstelling
   1. Verwijder de huls en til de bovenklep van de vacuümkamer. Plaats de basisplaat bestaande uit de gewenste wandmateriaal in de vacuümkamer. Draai het onderste gedeelte van de vacuümkamer zijwaarts schuift in de plaat met de hand.
   2. Plaats precies één van de deeltjes te onderzoeken met een pincet in het midden van de grondplaat. Daarna stel de hoogte van de camera met een statief zodanig dat de grondplaat in het laagste kwart van het gezichtsveld en focus op het deeltje.
   3. Verwijder het deeltje met een pincet.
2. Experimentele procedure
   1. De hoogte van het deeltje kamer zodanig dat de gewenste botssnelheid van het deeltje wordt bereikt. Gebruik de schaal op de stick aan de vasthoudplaat als een indicator van de hoogte. Sluit het deeltje kamer metde punt van de pipet door te duwen naar beneden, zodat de omtrek van de pipet raakt de rand van de kamer van boorgat. Open de huls en til de bovenklep van de vacuümkamer.
   2. Zet één bol in het deeltje kamer met een pincet. De bol kan vast of vloeistofgevulde (zoals in Louge et al. ^14), afhankelijk van het soort deeltjes worden geanalyseerd. In dit werk alleen vaste deeltjes onderzocht. Plaats het deksel op het onderste deel van de vacuümkamer (cilinder) en sluit het deksel en het onderste deel van de vacuümkamer met de huls.
   3. Evacueren de kamer met de vacuümpomp tot een niveau van 0,1 mbar (of een andere gewenste waarde) wordt bereikt. Meet de druk met een vacuümmeter. Sluit de klep aan de zijkant van de vacuümkamer en uitschakelen van de vacuümpomp. Draag een veiligheidsbril bij het werken onder vacuüm omstandigheden.
   4. Breng een frame rate van 10.000 fps en de camera-instellingen aan te passen (ponerenion / zoom) met een resolutie van 528 x 396 pixels te verkrijgen. Start de opname van de high-speed camera en open de opening van het deeltje kamer naar het deeltje te bevrijden. Tegelijkertijd trekken en draai de stok bevestigd aan de punt van de pipet om stick-slip problemen te voorkomen als gevolg van hoge wrijving tussen de stick en afdichtring.
   5. Stop de opname van de camera direct na de botsing, omdat slechts een beperkt aantal van de foto's kunnen worden opgeslagen en de eersten die worden overschreven als deze limiet wordt overschreden. Snijd de film rond het moment van de botsing op het scherm en op te slaan op de geheugenkaart.
   6. Herhaal het experiment tien keer om statistisch significante resultaten te verkrijgen. De resultaten zijn statistisch significant als na tien herhalingen, de gemiddelde waarde niet meer verandert (dit kan verschillen voor andere materialen afhankelijk van de homogeniteit van het monster of andere deeltjesvormen zijn).
3. evaluatie Procedure
   1. Kalibreer de software met de known maat van een deeltje of een ander object met een frame van de video in stap 1.2.4 een conversie tussen pixels en de afstanden te verkrijgen. Met de horizontale diameter als het niet vaag gevolg van beweging van het deeltje.
      1. Tel het aantal pixels van de horizontale diameter en vervolgens delen van de bekende afstand door het aantal pixels de omrekening afstandsbarometer per pixel springen. Een beeld van het kalibratieproces wordt getoond in figuur 4.
   2. Stel een referentiepunt van beweging op de top van de bol tien frames voor en één frame voor de impact op de botssnelheid berekenen. Figuur 5 toont de twee referentiepunten van beweging. Met de omrekeningsfactor van stap 1.3.1, gebruikt u het aantal pixels tussen de twee punten op de afgelegde afstand te verkrijgen. Verdeel de afstand door de verstreken tijd (product van het aantal frames en de tijd stap) om de botssnelheid te verkrijgen.
   3. Stel een referentiepunt vanbeweging op de top van de bol na één frame en tien frames na de invloed op het rebound snelheid te berekenen. Bepaal de rebound snelheid analoog naar stap 1.3.2.
   4. Bereken de COR als verhouding van de rebound snelheid te botssnelheid.
   5. Herhaal de stappen 1.3.1-1.3.4 voor de evaluatie van alle geregistreerde valtest video's.

2. Experimenten met Poeders Finer of gelijk aan 400 pm

1. Bereiding van de experimentele opstelling
   1. Verwijder de huls en til de bovenklep van de vacuümkamer. Plaats de basisplaat bestaande uit de gewenste wandmateriaal in de vacuümkamer. Draai het onderste gedeelte van de vacuümkamer zijwaarts schuift in de plaat met de hand.
   2. Plaats een adequate referentie voorwerp zoals een deeltje met een bekende grootte in het midden van de basisplaat met een pincet. Daarna stel de hoogte van de camera met een statief zodanig dat de basisplaat in de laagste kwartaalhet gezichtsveld en de focus van de referentie-object.
   3. Neem een ​​korte video van het referentieobject wanneer deze ligt op de basisplaat met dezelfde instellingen als in de volgende experimenten.
   4. Verwijder de referentie-object met behulp van een pincet.
2. Experimentele procedure
   1. De hoogte van het deeltje kamer zodanig dat de gewenste botssnelheid van het deeltje wordt bereikt. Gebruik de schaal op de stick aan de vasthoudplaat als een indicator van de hoogte. Sluit het deeltje kamer met de punt van de pipet door te duwen naar beneden, zodat de omtrek van de pipet raakt de rand van de kamer van boorgat. Open de huls en til de bovenklep van de vacuümkamer.
   2. Zet 50-100 sferen in het deeltje kamer. Naar de sferen in het deeltje kamer te leiden, stort ze eerst op een gevouwen vel papier. Met het gevouwen papier een groef om de deeltjes glijden in de kamer. Plaats het deksel op thij onderste deel van de vacuümkamer (cilinder) en sluit het deksel en het onderste deel van de vacuümkamer met de huls.
   3. Evacueren de kamer met de vacuümpomp tot een niveau van 0,1 mbar (of een andere gewenste waarde) wordt bereikt. Meet de druk met een vacuümmeter. Sluit de klep aan de zijkant van de vacuümkamer en uitschakelen van de vacuümpomp. Draag een veiligheidsbril bij het werken onder vacuüm omstandigheden.
   4. Start de opname van de high-speed camera met 10,000 fps en een resolutie van 528 x 396 pixels en open het gat van het deeltje kamer om de deeltjes te bevrijden. Gelijktijdig trek en draai de stok bevestigd aan de punt van de pipet om stick-slip te voorkomen door de hoge wrijving tussen plakken en afdichtingsring. Trek langzaam om te voorkomen dat de deeltjes vallen tegelijkertijd.
   5. Stop de opname van de camera 5-6 seconden na de impact van de eerste deeltjes omdat slechts een beperkt aantal opnames kunnen worden opgeslagen en de sparst degenen worden overschreven wanneer deze limiet wordt overschreden. Snijd de film naar het scherm zodanig dat tenminste 10 duidelijk gericht effecten van deeltjes zichtbaar en opslaan op de geheugenkaart.
3. evaluatie Procedure
   1. Kalibreer de software met de bekende grootte van het referentie-object van de video van stap 2.1.3 een conversie tussen pixels en de afstanden te verkrijgen. Tel het aantal pixels van de grootte van het referentie-object en vervolgens delen van de bekende afstand door het aantal pixels de omrekening afstandsbarometer per pixel springen.
   2. Stel een referentiepunt van beweging op de top van de eerste duidelijk gericht bol in de video tien frames voor en één frame voor de impact op de botssnelheid berekenen. Bereken de botssnelheid analoog om samen stap 1.3.2 met de omrekeningsfactor van stap 2.3.1.
   3. Stel een referentiepunt van beweging op de top van de eerste duidelijk gericht bol één frame na en tien frames naar achterenre van de impact op de rebound snelheid te berekenen. Bereken de rebound snelheid analoog naar stap 2.3.2.
   4. Bereken de COR als verhouding van de rebound snelheid te botssnelheid.
   5. Herhaal de stappen 2.3.2-2.3.3 voor de evaluatie van de effecten van nog eens negen duidelijk gericht sferen.

Results

Voor de analyse glasdeeltjes met een diameter van 100 urn tot 4,0 mm waren gedaald van een aanvankelijke hoogte van 200 mm op een roestvrij stalen basisplaat met een dikte van 20 mm.

Figuur 6 toont de gemiddelde waarden en de maximum en minimum waarden van de COR afhankelijk van de deeltjesgrootte voor atmosferische druk en vacuüm. De gemiddelde waarde van de COR blijkt ongeveer e zijn = 0,9 voor deel...

Discussion

Om de functionaliteit van de experimentele opstelling in het algemeen te valideren, werden tests uitgevoerd met vergelijkbare materiaalcombinaties als in andere gevestigde opstellingen (Antonyuk et al.⁵ en Wong et al.¹³). Aangezien zeer vergelijkbare resultaten werden verkregen, lijkt de algemene procedure te werken. Niettemin moet voorzichtigheid worden betracht met betrekking tot de procedure en de analyse en verdere verbeteringen zijn noodzakelijk.

De...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
High-speed camera Olympus i-SPEED 3	Olympus		High-speed camera om het deeltjeseffect vast te leggen
Screen Olympus i-SPEED CDU	Olympus		Scherm om met de high-speed camera te werken
Light source Olympus ILP-2	Olympus		Lichtbron die nodig is voor het maken van video's met hoge framesnelheden
Vacuum pump Alcatel Pascale 2005 D	Alcatel		Vacuumpomp om het vacuüm tijdens de experimenten te genereren
Vacuum gauge Alcatel CFA 212	Alcatel		Vacuummeter om het vacuümniveau te meten
i-SPEED Software Suite (Control version)	Olympus		Software om de video's te evalueren
Glass beads	Sigmund Lindner GmbH		SiLibeads Type P (0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680, 4.000 mm) SiLibeads Type S (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4 mm) http://www.sigmund-lindner.com (zie de website van de leverancier voor meer informatie over de eigenschappen van het glas)
Safety goggles