1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29646
(51) G01N 19/02 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0369.1
(22) 26.03.2014
(45) 16.03.2015, бюл. №3
(72) Нуралин Бекет Нургалиевич; Кухта Владимир
Степанович; Джаналиев Ерназар Максутович;
Джапаров Раниль Рафхатович; Першин Владимир
Фёдорович; Першина Снежана Владимировна;
Осипов Алексей Александрович
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Западно-
Казахстанский аграрно-технический университет
им. Жангир хана" Министерства образования и
науки Республики Казахстан
(56) RU №95843, 2010
(54) ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ
СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СТАТИЧЕСКОГО И КИНЕМАТИЧЕСКОГО
КОЭФФИЦИЕНТОВ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ
СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
(57) Информационно-измерительная система (ИИС)
для определения статического и кинематического
коэффициентов внешнего трения сыпучего
материала предназначена для измерения силы
трения сдвига и движения и определения
коэффициента внешнего трения сыпучего материала
по поверхности материала и может быть
использована в сельскохозяйственной, химической,
микробиологической, фармацевтической
промышленностях, при производстве строительных
материалов, а также при производстве и
использовании наноматериалов.
Технической задачей является повышение
наглядности и информативности определения
статического и кинематического коэффициентов
внешнего трения сыпучего материала по
поверхности материала и точности измерения.
ИИС для определения статического и
кинематического коэффициентов внешнего трения
сыпучего материала по поверхности, содержащая
контейнер, представляющий собой полый цилиндр,
установленный основанием на пластину и
заполненный сыпучим материалом, на открытую
поверхность которого установлен диск с
дополнительным грузом, пружину, привод, типа
лебедки, устройство для измерения усилия сдвига,
компьютер для регистрации данных и определения
коэффициентов внешнего трения сыпучего
материала по поверхности, отличающийся тем, что
пластина установлена на тележку, которая нитью
связана с приводом, а устройство для измерения
усилия сдвига представляет собой гирю,
установленную на электронные весы, соединенные с
компьютером, причем гиря нить соединена с одним
концом пружины, а второй конец пружины
соединен с контейнером. Кроме этого в контейнере
размещены датчики температуры и влажности,
соединенные с компьютером, что повышает
информативность системы. (19)KZ(13)A4(11)29646

2. 29646
2
Информационно-измерительная система (ИИС)
предназначена для измерения силы трения сдвига и
движения и определения коэффициента внешнего
трения сыпучего материала по поверхности
материала и может быть использована в
сельскохозяйственной, химической,
микробиологической, фармацевтической
промышленностях, при производстве строительных
материалов, а также при производстве и
использовании наноматериалов.
Аналогом изобретения является устройство,
которое используется в способе определения
коэффициента внешнего трения почвы (Патент РФ
на изобретение №2139521 от 30.09.1997 г.),
включающий узел для создания и регистрации силы
N, прижимающей почвенный образец к поверхности
трения, узел для создания и измерения силы Рсд,
сдвигающей почвенный образец по поверхности
трения, с последующим определением величины
отношения сдвигающей силы Рсд к силе N.
Недостатком данного способа является то, что
при применении его к сыпучим материалам при
движении испытательного образца будут
изменяться геометрические размеры
испытательного образца из-за действия силы N, что
приведёт к большой погрешности измерения.
Прототипом является информационно-
измерительная система для определения
коэффициента внешнего трения сыпучего материала
(Патент РФ на полезную модель №95843 от
10.07.2010), представляющий собой полый цилиндр,
установленный основанием на пластину и
заполненный сыпучим материалом, на открытую
поверхность которого установлен диск с
дополнительным грузом, пружину, привод, типа
лебедки, устройство для измерения усилия сдвига,
компьютер для регистрации данных и определения
коэффициентов внешнего трения сыпучего
материала по поверхности. Недостатком данной
ИИС является то, что устройство для измерения
усилия сдвига перемещается вместе с контейнером,
что затрудняет визуальное наблюдение за
процессом и усложняет конструкцию. Кроме этого
не контролируется температура и влажность
сыпучего материала и нет возможности определять
коэффициенты внешнего трения при разных
насыпных плотностях сыпучего материала.
Задача изобретения: повышение наглядности и
информативности определения статического и
кинематического коэффициентов внешнего трения
сыпучего материала по поверхности материала.
На фиг.1 показана ИИС для измерения силы
трения сдвига и силы трения движения сыпучего
вещества. На фиг.2 показаны характерные
изменения сдвигающей силы и силы трения
движения при разных жесткостях пружины. ИИС
работает следующим образом. На фиг.3 показан
элемент I-I увеличено.
Сыпучий материал, для которого необходимо
определить коэффициенты внешнего трения,
засыпают в секции 1-2 и выравнивают по краю
верхней секции. Далее на материал через
прижимную плиту 4 передают усилие для его
уплотнения, равное последующей нагрузке, и
10 - 15 раз поворачивают прижимную плиту вокруг
вертикальной оси на угол 30...45°, добиваясь
однородного уплотнения материала в секциях.
После этого верхнюю секцию 1 снимают (сдвигают)
вместе с материалом до верхнего уровня секции 2,
которая установлена на пластине 3, выполненной из
материала, относительно которого определяются
коэффициенты внешнего трения.
На сыпучий материал укладывают опорную
плиту 5, на которую устанавливают гирю с
определенным весом. В результате действия
вертикальной нагрузки Р в зернистом материале
возникают определенные нормальные напряжения.
После подготовки материала тележку 6
устанавливают таким образом, чтобы нить 9 была
натянута. Включают лебедку 8 которая за нить 7
перемещает тележку 6, пружина 10 начинает
растягиваться. Усилие с пружины передается через
блок 11 на гирю 12 и показания на весах 13
уменьшаются. Эта информация передается на
компьютер 14. Значения сдвигающей силы
рассчитывается, как разность между весом гири 12 и
текущим показанием весов 13. На фиг.2 показаны
характерные изменения сдвигающей силы G во
времени при разных жесткостях пружины 10. Как
видно из графиков сдвигающая сила сначала
увеличивается, практически линейно, а после
достижения некоторого максимального значения,
существенно уменьшается и впоследствии остается
практически постоянной. Увеличение сдвигающей
силы происходит за счет того, что нить 7
наматываясь на барабан лебедки 8, пытается
сдвинуть тележку 6 влево, но этому препятствует
сила трения, возникающая между сыпучим
материалом, находящимся в секции 2 и пластиной 3,
поскольку секция связана с гирей 12. Тележка 6,
перемещаясь влево, растягивает пружину 10 и далее
это усилие, численно равное сдвигающей силе,
передается на гирю 12. При этом текущие показания
весов уменьшаются. Следует особо отметить, что
секция 2 неподвижна относительно пластины 3. В
результате действия горизонтальной нагрузки G в
зернистом материале, в зоне его соприкосновения с
пластиной 3 возникают касательные напряжения.
Величину усилия G увеличивают до тех пор, пока
секция 2 не сдвинется относительно пластины 3. В
данном случае максимальное значение сдвигающей
силы GC. Далее начинается движение с постоянной
скоростью секции 2 относительно пластины 3. В
данном случае величина сдвигающей силы
постоянна и равна GК. Статический коэффициент
внешнего трения рассчитывается по следующей
формуле:
,/ PGf CC  (1)
а кинаматический
./ PGf КК 
Для повышения точности определения
коэффициентов внешнего трения процесс измерения
осуществляется в два этапа по программе,
выполняемой компьютером. На первом этапе
определяется сила сдвига GCО и сила движения GKO

3. 29646
3
пустого контейнера. На втором этапе определяется
сила сдвига GCM и сила движения GKM контейнера с
образцом сыпучего материала. Сила сдвига
определяются как разность данных второго и
первого этапов:
GS=GCM - GCO,
GK=GKМ - GKО,
Р=РМ+РД,
где Р - сила нормального давления, РМ - вес
сыпучего материала, РД - вес диска с
дополнительным грузом.
При выполнении ИИС по п.2 формулы
изобретения и определении коэффициентов
внешнего трения при разных температурах
материала в секции 2 установлен датчик
температуры 15, соединенный с компьютером 14. В
данном случае, материал предварительно
нагревается до определенной температуры, а затем
проводится определение коэффициентов внешнего
трения. Естественно, что в процессе подготовки
установки к работе, температура материала
уменьшается, но поскольку температура материала
постоянно фиксируется датчиком, а сам процесс
определения коэффициентов трения не превышает
1-2 минуты, в зависимости от скорости вращения
лебедки и жесткости пружины, всегда известно при
какой температуре материала определены
коэффициенты внешнего трения.
При выполнении ИИС по п.3 формулы
изобретения и определении коэффициентов
внешнего трения при разной влажности материала, в
секцию 2 установлен датчик влажности 16,
соединенный с компьютером 14. В данном случае
предварительно готовится материал с определенной
влажностью, а затем проводится определение
коэффициентов трения.
При выполнении ИИС по п.4 формулы
изобретения и исследовании влияния скорости
движения материала относительно пластины на
значение кинематического коэффициента трения,
привод снабжен тахометром 17, соединенным с
компьютером 14.
При выполнении ИИС по п.5 формулы
изобретения в тележка 6 включается вибростол 18,
что позволяет организовать виброобработку
материала перед проведением опытов и обеспечить
разный насыпной вес материала. Определение
численного значения насыпного веса материала
осуществляется следующим образом. При
выполнении ИИС по п.6 формулы изобретения, на
контейнере установлен датчик перемещений диска
5, относительно верхнего края контейнера 2. Датчик
определяет расстояние h и передает информацию на
компьютер 14. После определения коэффициентов
трения материал, находящийся в контейнере 2
взвешивают и определяют РМ. Насыпной вес
материала ρМ рассчитывают по следующей
формуле:
ρМ = РМ/πR2
(Н - h),
где R- внутренний радиус контейнера 2, высота
контейнера Н.
При выполнении ИИС по п.7 формулы
изобретения, пластина 3 соединена с вибратором 19
и установлена в направляющие 20 с П-образным
поперечным сечением, жестко соединенные с
тележкой и расположенные перпендикулярно к
направлению ее движения. При определении
сдвигающей силы вибратор 19 включен и пластина
3 совершает колебания относительно контейнера 2.
Проведенные эксперименты показали, что для
конкретного материала можно подобрать частоту и
амплитуду колебаний выдаваемых вибратором 19,
при которых контейнер 2, за счет силы инерции не
совершает колебаний, а колебания относительно
контейнера совершает только пластина 3.
Определение коэффициентов внешнего трения при
вибрациях интересно, поскольку на практике часто
встречается подобная ситуация, например, при
вибротанспорте сыпучих материалов.
Наглядность в определении углов трения
достигается за счет того, что устройство для
измерения силы сдвига не перемещается в
пространстве и можно визуально фиксировать силу
сдвига при переходе контейнера 2 от покоя к
движению, а также при движении контейнера
относительно пластины 3 с постоянной скоростью.
Информативность ИИС повысилась за счет
определения коэффициентов внешнего трения при
разной температуре, влажности и насыпном весе
сыпучего материала, а также за счет измерения
коэффициентов при вибрации контейнера
относительно пластины.
Таким образом, поставленные задачи выполнены
полностью.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Информационно-измерительная система для
определения статического и кинематического
коэффициентов внешнего трения сыпучего
материала по поверхности, содержащая контейнер,
представляющий собой полый цилиндр,
установленный основанием на пластину и
заполненный сыпучим материалом, на открытую
поверхность которого установлен диск с
дополнительным грузом, пружину, привод, типа
лебедки, устройство для измерения усилия сдвига,
компьютер для регистрации данных и определения
коэффициентов внешнего трения сыпучего
материала по поверхности, отличающаяся тем, что
пластина установлена на тележку, которая нитью
связана с приводом, а устройство для измерения
усилия сдвига представляет собой гирю,
установленную на электронные весы соединенные с
компьютером, причем гиря нитью соединена с
одним концом пружины, а второй конец пружины
нитью соединен с контейнером.
2. Информационно-измерительная система по
п.1, отличающаяся тем, что в контейнере
размещен датчик температуры, соединенный с
компьютером.
3. Информационно-измерительная система по
п.п.1, 2, отличающаяся тем, что в контейнере
размещен датчик влажности сыпучего материала,
соединенный с компьютером.

4. 29646
4
4. Информационно-измерительная система по
п.1, отличающаяся тем, что привод снабжен
тахометром, соединенным с компьютером.
5. Информационно-измерительная система по
п.п.1 2, 3 и 4, отличающаяся тем, что тележка
установлена на вибростоле, который имеет блок
изменения частоты и амплитуды вибрации,
соединенный с компьютером.
6. Информационно-измерительная система по
п.п.1, 2, 3, 4 и 5, отличающаяся тем, что на
контейнере установлен датчик перемещений диска,
соединенный с компьютером.
7. Информационно-измерительная система по
п.п.1, 2, 3, 4, 5 и 6, отличающаяся тем, что
пластина соединена с вибратором и установлена в
направляющие с П-образным поперечным сечением,
жестко соединенные с тележкой и расположенные
перпендикулярно к направлению ее движения.

5. 29646
5
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор К. Нгметжанова