CN117388088A - 微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颗粒体系分选技术领域，特别涉及微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置及方法。其包括环剪框架、内筒、底板、压盖、伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构、控制器，环剪框架和内筒之间形成试验腔室，压盖设置在试验腔室的顶部，底板设置在试验腔室的底部，底板驱动机构与底板连接并驱动底板沿试验腔室底部旋转，压盖施压机构与压盖连接并驱动压盖向试样施压，伸缩搅拌机构连接在内筒，伸缩搅拌机构可延展至试验腔室内，内筒驱动机构与内筒连接并驱动内筒旋转，控制器连接并控制伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构。本发明能实现零（微）重力颗粒粒径分离影响因素及相关理论的研究。

Description

微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置及方法

技术领域

本发明涉及颗粒体系分选技术领域，特别涉及微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置及方法。

背景技术

颗粒体系是指尺寸在1微米以上，并忽略布朗运动的影响，由大量性质近似相同、彼此相互联系的离散固体颗粒所组成的聚集体。颗粒体系是指颗粒的聚集体，这一体系中通常也会涉及气体、液体等工业过程中的其它物质相。颗粒体系在自然界和工业生产中，存在着多种多样的形式，如矿石、煤炭、谷物、沙子、大米、豆类、粉末、纳米颗粒等。颗粒材料是除水之外，人类使用最多的材料类型。超过70%的工业成品和中间产品都是颗粒材料。

颗粒物质有一些独特的性质，例如它可以像固体一样承受形变，像液体一样流动，或者像气体一样被压缩。颗粒物质在受到外界力或内部压力的影响时，会呈现出介于流体和固体之间的运动方式。如果只看单个颗粒，可以用经典力学的方法来分析它的运动情况。但是如果看整个颗粒堆，它的流动现象就变得非常复杂了，不能用固体、液体或气体的理论来解释。颗粒堆有时候又表现出固体、液体或气体的一些特点。颗粒物质的行为受到颗粒间、颗粒与流体间的相互作用力的影响，这些力在不同的时间和长度尺度上有不同的表现。

颗粒体系分选机理是指颗粒材料在受到外力作用时，由于颗粒之间的差异（如尺寸、形状、密度、电荷等），导致颗粒在空间上的分布发生变化的过程。颗粒体系分选机理研究领域是一门涉及多个学科的交叉学科，对于理解和控制颗粒材料的性能和行为具有重要意义。

颗粒物质在重力作用下的分离与其自身的性质（如尺寸、密度等）密切相关，同时也受到体系内部间隙空气、摩擦力和外界振动模式的影响，其中尺寸是颗粒粒径分离中的主要因素。除了以上几种因素外，输入颗粒物质系统的颗粒的内聚效应、振动频率、振动加速度及能量方式等也是颗粒粒径分离的重要影响因素。尽管大量的研究发现了许多颗粒物质分离的特殊现象，并且对粒径分离影响因素进行了细致的研究，提出了多种物理模型去解释颗粒粒径分离机制，但有关零（微）重力颗粒粒径分离影响因素及相关理论机理的研究仍处于空白。开展微（零）重力颗粒体系分选机理试验研究，为揭示零（微）重力条件下颗粒物质分离机制有重要意义。

人类在地球上开展微重力实验需要利用微重力实验环境的设施。在地面上能够实现微重力环境的设施主要有：德国不来梅落塔、北京落塔、抛物线飞机和失重火箭等。此外在人类对太空不断地探索下，航空航天技术迅速发展，人们可以利用空间站，火箭搭载卫星等设施将其送往太空之中并在太空实现失重实验环境。

落塔的微重力水平较高，但是持续时间短，不来梅落塔和北京落塔都在秒的量级，相对于其他平台来说价格便宜，可重复次数多。抛物线飞机的微重力水平涨落比较高，可提供的微重力持续时间一般为20~30秒。失重火箭的微重力环境可以达到分钟量级。空间站相对于其他微重力实验平台更加稳定，是最好的实验平台之一，但是由于其载荷资源有限且价格极其昂贵，使用较少。

发明内容

本发明提供一种微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置及方法，旨在解决没有零（微）重力颗粒分选的研究，克服影响颗粒分选试验的因素众多且相互交叉影响。同时，地球上的微重力实验室微重力持续时间短，空间站资源有限、价格昂贵，导致实验条件不足等问题。

本发明提供一种微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，包括环剪框架、内筒、底板、压盖、伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构、控制器，所述环剪框架和内筒之间形成容纳试样的试验腔室，所述压盖设置在试验腔室的顶部，所述底板设置在试验腔室的底部，所述底板驱动机构与底板连接并驱动底板沿试验腔室底部旋转，所述压盖施压机构与压盖连接并驱动压盖向试样施压，所述伸缩搅拌机构连接在内筒，所述伸缩搅拌机构可延展至试验腔室内，所述内筒驱动机构与内筒连接并驱动内筒旋转，所述控制器连接并控制伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构。

作为本发明的进一步改进，所述底板驱动机构包括底板驱动电机、第一齿轮、第二齿轮，所述底板驱动电机安装在环剪框架上，所述底板驱动电机的输出轴连接第一齿轮，所述第二齿轮固定在底板上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合。

作为本发明的进一步改进，所述环剪框架底部中心有向上突出的台阶轴，所述底板与台阶轴活动连接，所述底板驱动电机驱动底板绕台阶轴旋转。

作为本发明的进一步改进，所述压盖施压机构包括施压杆、压力监测组件、施压驱动电机，所述施压驱动电机安装在环剪框架上，所述施压杆一端与压盖固定连接，所述施压杆另一端通过压力监测组件与施压驱动电机连接，所述施压驱动电机通过施压杆作用到压盖上以压紧试样。

作为本发明的进一步改进，所述压力监测组件包括带有刻度的第三齿轮、第一蜗杆、施压弹簧，所述第一蜗杆连接在施压驱动电机的输出轴上，所述第三齿轮与第一蜗杆啮合，所述第三齿轮的中心与施压杆配合连接，所述施压弹簧的两端分别抵接第三齿轮和压盖。

作为本发明的进一步改进，微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置包括内置有离合器的伸缩驱动电机，所述伸缩驱动电机安装在环剪框架上，所述伸缩搅拌机构包括搅拌棒、驱动轴、伸缩控制组件，所述内筒内部连接有多个伸缩控制组件，每个所述伸缩控制组件均连接有搅拌棒，所述驱动轴连接多个伸缩控制组件，所述伸缩驱动电机的输出端连接驱动轴，所述伸缩驱动电机通过驱动轴同步驱动多个伸缩控制组件，以同步控制多个搅拌棒的伸缩。

作为本发明的进一步改进，所述伸缩控制组件包括伸缩驱动轮、伸缩从动轮、伸缩杆，所述伸缩驱动轮的中心固定在驱动轴上，所述伸缩从动轮安装在内筒上，所述伸缩杆的一端与伸缩从动轮螺纹连接，所述伸缩杆的另一端固定搅拌棒，所述伸缩驱动轮与伸缩从动轮配合对接。

作为本发明的进一步改进，所述试验腔室在高度方向上设有多层搅拌区域，每层所述搅拌区域内至少对应有一组伸缩控制组件和搅拌棒。

作为本发明的进一步改进，微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置还包括振动器，所述振动器连接在环剪框架上。

作为本发明的进一步改进，微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置还包括弹性的悬挂机构，所述悬挂机构连接在环剪框架上。

本发明还提供一种微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验方法，包括以下步骤：

S1.通过货运飞船搭载微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，并运送到微重力或零重力的环境中；

S2.在微重力或零重力条件下，控制一个影响因素作为变量，其他影响因素作为定量，进行一轮对颗粒体系分选影响的试验；所述影响因素包括剪切速率、围压、振动频率、振动加速度；

S3.重新把颗粒试样搅拌混合均匀，选定新的影响因素作为变量，并重复执行步骤S2以进行下一轮试验。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2的试验类型包括：

S21.研究剪切速率对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整底板驱动机构带动底板转动的速率，并记录不同转动速率下底板对试验腔室内试样的剪切影响；

S22.研究围压对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整压盖施压机构带动压盖下压试样的压力，并记录不同压力下压盖对试验腔室内试样的围压影响；

S23.研究振动频率、振动加速度对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整振动器的振动频率或振动加速度，并记录不同振动频率或振动加速度下对试验腔室内试样的影响。

本发明的有益效果是：

本发明适用于货运飞船搭载试验的颗粒分选的环剪试验仪器及方法，该仪器能够实现零（微）重力颗粒粒径分离影响因素及相关理论机理的研究。通过货运飞船搭载，可以消除地球上颗粒材料受到重力和法向应力的影响，从而更好地观察和分析颗粒材料在不同影响因素下受剪颗粒动力规律。通过这些参数可揭示重力、剪切速率、围压、振动频率、振动加速度等对颗粒分选的驱动作用，明晰颗粒分选效应的动力学机制。对颗粒物质分选影响因素的深入认识将会对全球工业与经济的发展有极大助益，为防治泥石流、雪崩、浮冰、滑坡、沙漠化、地震等自然灾害有巨大的推动作用。

附图说明

图1是本发明中试验设备的平面布置示意图；

图2是本发明环剪试验装置的结构图；

图3是本发明中搅拌棒伸出的结构示意图；

图4是本发明中搅拌棒缩回的结构示意图；

图5是本发明中所有搅拌棒伸出的结构示意图；

图6是本发明中振动器的结构示意图；

图7是本发明中搅拌棒横截面的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

现有研究成果普遍认为，气压、粒径、颗粒密度等是影响颗粒分选效应的重要因素，而重力作用是颗粒分选的重要驱动力。为揭示微（零）重力颗粒系统分选的物理机制，在货运飞船搭载试验颗粒分选试验仪器，开展微（零）重力颗粒分选试验，可揭示重力、剪切速率、围压对颗粒分选的驱动作用，明晰颗粒分选效应的动力学机制，解答古老颗粒分选之谜。为此本发明提供一种用于微重力或零重力下颗粒体系分选的试验设备。

本试验设备主要由环剪试验装置、控制体系、设备框架1等部分组成，环剪试验装置、控制体系安装在设备框架1内。设备总质量约9kg，功耗低于300W，最大占用空间为260mm×130mm×260mm。如图1所示，环剪试验装置组由6套独立的环剪试验装置组成，在不同的环剪试验装置中填充不同的颗粒配比进行试验。控制体系包括电源、风扇和控制线路板安装区和其他相关组件。图1中，标号11为环剪试验装置的放置区域，环剪装置共6套，每层2套，共3层；标号12为电源/风扇和控制线路板安装区；标号13为摄像头安装区。

环剪试验装置一共有6套，在高度方向分3层布置，每层2套。在不同的环剪试验装置中填充不同的颗粒配比进行试验。因为在微重力条件下工作，环剪试验装置设计为全封闭结构。每套环剪试验装置包含试样8时质量约1kg。

具体如图2所示，微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，包括环剪框架、内筒3、底板4、压盖5、伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构、控制器，环剪框架和内筒3之间形成容纳试样8的试验腔室，压盖5设置在试验腔室的顶部，底板4设置在试验腔室的底部，底板驱动机构与底板4连接并驱动底板4沿试验腔室底部旋转，压盖施压机构与压盖5连接并驱动压盖5向试样8施压，伸缩搅拌机构连接在内筒3，伸缩搅拌机构可延展至试验腔室内，内筒驱动机构与内筒3连接并驱动内筒3旋转，控制器连接并控制伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构。

环剪框架包括透明外筒21、顶盖22、底盖23，外筒21和内筒3之间形成容纳试样8的试验腔室，底盖23固定连接在外筒21底部，顶盖22固定连接在外筒21顶部，压盖5安装在顶盖22和试样8腔室顶部之间，底板4安装在底盖23和试样8腔室底部之间，透明的外筒21用于观察实验腔室内试样8的情况。试验腔室的容纳空间为：Ф94×Ф42×50mm(外径×内径×高)。

透明外筒21、底盖23和顶盖22构成整个装置的受力和支撑环剪框架，其他结构都以其为安装基准。透明外筒21材质为有机玻璃(如果考虑耐磨性，可改为石英玻璃)，其他大部分结构由硬铝合金制造，少量的铜合金和钢用于制造螺杆，齿轮和蜗轮蜗杆等。

底板驱动机构包括底板驱动电机41、第一齿轮42、第二齿轮43，底板驱动电机41安装在环剪框架上，底板驱动电机41的输出轴连接第一齿轮42，第二齿轮43固定在底板4上，第一齿轮42与第二齿轮43啮合。底板驱动电机41优选为微型电机，第一齿轮42、第二齿轮43优选为锥齿轮。

环剪框架底部中心有向上突出的台阶轴24，底板4与台阶轴24活动连接，底板驱动电机41驱动底板4绕台阶轴24旋转。

具体的，环剪框架的底盖23中心有向上突出的台阶轴24，在台阶轴24的下部，通过2个微型滚动轴承26支撑可旋转的底板4，驱动底板4旋转的微型电机半埋式安装在底盖23上，微型电机输出轴上的锥齿轮与底板4上的锥齿轮相啮合，驱动底板4旋转，以实现颗粒分选。底板4的转速范围为2.5~15转/分钟，通过驱动电机的空载电流和负载电流的差值，以及工作电压和转速等，可以间接计算出底板4与试样8的摩擦力。

压盖施压机构包括施压杆52、压力监测组件、施压驱动电机51，施压驱动电机51安装在环剪框架上，施压杆52一端与压盖5固定连接，施压杆52另一端通过压力监测组件与施压驱动电机51连接，施压驱动电机51通过施压杆52作用到压盖5上以压紧试样8。

压力监测组件包括带有刻度的第三齿轮53、第一蜗杆54、施压弹簧55，第一蜗杆54连接在施压驱动电机51的输出轴上，第三齿轮53与第一蜗杆54啮合，第三齿轮53的中心与施压杆52配合连接，施压弹簧55的两端分别抵接第三齿轮53和压盖5。第三齿轮53优选为直齿轮。

施压驱动电机51安装在顶盖22上，通过蜗杆驱动直齿轮旋转，通过直齿轮和施压杆52之间的螺纹连接，直齿轮旋转的同时会沿着施压杆52向下移动，并压缩施压弹簧55给压盖5施压，并将此压力传递给试样8。顶盖22中心有向下突出的中心管25，中心管25为压盖5移动提供导向。直齿轮上的刻度可以观察旋转的角度，通过直齿轮旋转的圈数和角度，可以得到施压弹簧55的压缩量，然后可算出压紧力。选择不同刚度的弹簧，可以得到不同的压紧力范围。施压弹簧55的最大压缩行程为4mm。

内筒3、伸缩搅拌机构、内筒驱动机构构成了本环剪试验装置的搅拌体系，配置搅拌体系的目的是在颗粒分选完成后，再重新把颗粒搅拌混合均匀，然后可以进行重复试验或不同试验条件下的分选试验，以获取尽可能多的试验数据。

如图3和图4所示，微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置包括内置有离合器的伸缩驱动电机6，伸缩驱动电机6安装在环剪框架上，伸缩搅拌机构包括搅拌棒62、驱动轴61、伸缩控制组件，内筒3内部连接有多个伸缩控制组件，每个伸缩控制组件均连接有搅拌棒62，驱动轴61连接多个伸缩控制组件，伸缩驱动电机6的输出端连接驱动轴61，伸缩驱动电机6通过驱动轴61同步驱动多个伸缩控制组件，以同步控制多个搅拌棒62的伸缩。

伸缩控制组件包括伸缩驱动轮63、伸缩从动轮64、伸缩杆65，伸缩驱动轮63的中心固定在驱动轴61上，伸缩从动轮64安装在内筒3上，伸缩杆65的一端与伸缩从动轮64螺纹连接，伸缩杆65的另一端固定搅拌棒62，伸缩驱动轮63与伸缩从动轮64配合对接。

环剪试验装置配备可伸缩的搅拌体系，其工作原理是：由安装在顶盖22上的伸缩驱动电机6，通过蜗轮蜗杆和驱动轴61带动伸缩驱动轮63、伸缩从动轮64，最终带动位于搅拌棒62中的伸缩杆65旋转，通过螺纹旋转使搅拌棒62实现伸缩功能。所有搅拌棒62是同步伸缩的，伸缩驱动轮63、伸缩从动轮64均为舵轮式结构，如图7所示，搅拌棒62横截面为倒圆角的平行四边形。搅拌棒62安装在可旋转的内筒3上，内筒3旋转带动搅拌棒62实现搅拌功能。

内筒驱动机构包括内筒驱动电机31，内筒驱动电机31安装在顶盖22内侧，电机输出轴上的锥齿轮与内筒3顶部锥齿轮相啮合，实现对内筒3的旋转驱动。当搅拌棒62伸出时，驱动内筒3旋转，就可以实现搅拌功能。在压盖5的上部，有安装内筒3旋转驱动电机的让位槽。内筒3通过内筒定位环32和搅伸缩驱动轮63轮轴上的2个微型滚动轴承26，实现定位和支撑。

在内筒3旋转实现搅拌功能前，需要用离合器使伸缩驱动电机6摆开一个角度，断开电机轴上的蜗杆与驱动轴61上的蜗轮间的啮合。当内筒3停止旋转后，用离合器使伸缩驱动电机6将角度摆回，使电机轴上的蜗杆与搅拌棒62驱动轮轴上的蜗轮再啮合，就可以实现搅拌棒62伸缩功能。

如图2所示，试验腔室在高度方向上设有多层搅拌区域，每层搅拌区域内至少对应有一组伸缩控制组件和搅拌棒62。结合图5所示，搅拌区域在高度方向上分4层，每层设有2条搅拌棒62。第1层紧贴可旋转的底板4，第4层靠近压盖5。为了能够安装，伸缩驱动轮63也分为4层，安装时由下向上逐层套装并固定到一起。底盖23中心台阶轴24的上部，有2个微型滚动轴承26，实现对伸缩驱动轮63的定位和支撑。图5中的标号621~624分别有第一层至第四层的搅拌棒。

微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置还包括振动器，振动器连接在环剪框架上。如图6所示，振动器由振动电机72和振动轮71组成，振动轮71为一侧设有凸起的半凸轮结构，振动电机72驱动振动轮71高速转动，使振动轮71反复敲击环剪框架来产生振动，振动电机72安装在顶盖22或底盖23上，当振动频率为30Hz时，可为环剪试验装置提供1m/s²的加速度，振动电机72可为环剪试验装置提供振动加速度范围为0.1~1m/s²。

微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置还包括弹性的悬挂机构，悬挂机构连接在环剪框架上。悬挂机构主要由弹簧组成，目的是固定的同时还能减振。环剪试验装置通过弹簧安装到设备框架1上，使环剪试验装置在做振动操作时不影响其他装置的工作。

本发明的控制器构成控制体系，控制体系主要由电源、CPU板、电机控制板等组成。具体配置和功能如下：

配置1套CPU板专用电源模块。电源模块将100V电压转换为5V、+15V和-15V电压输出。5V 提供给CPU及其外围芯片使用；+15V和-15V电源可用于模量信号处理电路。

配置2套相同的电机专用电源模块(其中1套为备份电源)。电源模块将100V电压转换为1V、1.5V、3V、4.5V、 6V和12V电压输出。12V电源供给继电器线圈使用，其余电压提供给试验装置的执行电机使用。通过继电器给电机提供不同方向的不同电压，可以控制电机的转速和转向。

配置2套相同的CPU板。CPU板暂定以8051单片机为核心组成。CPU板接收地面人员的指令，然后控制电机等执行机构，操控试验进行以及旋转摄像头(可能需要)等。2套CPU板互为备份，并封装在防宇宙射线的屏蔽罩中，目的是尽可能提高体系可靠性。

电机控制板的主要元件为微型继电器，由CPU板控制，为电机提供电源，并控制电流方向，实现电机的转速和转向控制。

本发明还提供一种微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验方法，包括以下步骤：

S1.通过货运飞船搭载微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，并运送到微重力或零重力的环境中。本发明的环剪试验装置通过货运飞船特定搭载，进入太空的环境中，实现微重力或零重力下颗粒分选机理的研究。

S2.在微重力或零重力条件下，控制一个影响因素作为变量，其他影响因素作为定量，进行一轮对颗粒体系分选影响的试验；所述影响因素包括剪切速率、围压、振动频率、振动加速度。根据颗粒体系分选机理研究需要，开展微重力或无重力条件下不同因素对颗粒体系分选影响的试验，不同影响因素包括剪切速率、围压、振动频率、振动加速度等。本环剪试验装置通过控制底板驱动机构、压盖施压机构、振动器的运行动作来实现对不同影响因素的调节，从而满足对不同影响因素下的颗粒体系分选试验。

具体的，步骤S2的试验类型包括：

S21.研究剪切速率对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整底板驱动机构带动底板转动的速率，并记录不同转动速率下底板对试验腔室内试样的剪切影响；

S22.研究围压对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整压盖施压机构带动压盖下压试样的压力，并记录不同压力下压盖对试验腔室内试样的围压影响；

S23.研究振动频率、振动加速度对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整振动器的振动频率或振动加速度，并记录不同振动频率或振动加速度下对试验腔室内试样的影响。

S3.重新把颗粒试样搅拌混合均匀，选定新的影响因素作为变量，并重复执行步骤S2以进行下一轮试验。每轮试验结束后，需要通过伸缩搅拌机构、内筒驱动机构带动展开后的搅拌棒62将试验腔室内的试样搅拌均匀，待搅拌棒62缩回后再进行下一个影响因素的试验操作，保证每次试验时试样的初始状态是相同的，减少干扰因素。

本试验设备的环境可行性条件为：

1）试验环境：舱外；

2）加热保温保证：整套试验设备放置于保温箱中，箱内设置加热装置，箱外满铺保温模；

3）热胀冷缩：材料热胀冷缩性能相互匹配；

4）润滑剂：固态润滑剂二硫化钼；

5）控制电路和控制线路：工业级，耐低温；

6）金属材料：7075铝合金；

7）透明隔板：石英玻璃；

8）其他与货运飞船接口：试验设备与货运飞船的供电接口细节，开关指令细节，模拟遥测信号细节，1553B总线和以太网接口细节以及上电保护装置细节等，由飞船设计方确定。

本发明的优势在于：

1）基于目前在零重力或微重力条件下的颗粒分选研究较少，而且，地球上的微重力实验室并不能够满足这一领域的研究需求。相对于其他微重力实验平台，空间站被认为是最理想的实验平台之一。本发明利用货运飞船进行颗粒分选实验，并研发了适用于该飞船搭载的颗粒分选实验仪器。

2）尽管大量的研究发现了许多颗粒物质分离的特殊现象，并且对粒径分离影响因素进行了细致的研究，提出了多种物理模型去解释颗粒粒径分离机制，现有研究成果普遍认为，气压、粒径、颗粒密度等是影响颗粒分选效应的重要因素，而重力作用是颗粒分选的重要驱动力。本发明利用了货运飞船搭载进行实验，消除了地球上颗粒材料受到的重力和法向应力的影响，可揭示重力、剪切速率、围压、振动频率、振动加速度等对颗粒分选的驱动作用，明晰颗粒分选效应的动力学机制，解答古老颗粒分选之谜。

3）本发明的筒内自动多层搅拌系统，这一系统可在颗粒分选完成后将颗粒重新搅拌混合均匀，这使本装置能够进行重复试验或在不同试验条件下进行分选试验，以获取尽可能多的试验数据。

4）本发明通过底板4的旋转构成了环向剪切系统，用于研究颗粒材料在不同剪切速率下的分选实验。通过这些实验，探究了颗粒材料在剪切过程中的力学特性，旨在更深入地理解其不同受剪动力状态的内在机理，为解决颗粒分选相关问题提供了重要的理论基础。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，包括环剪框架、内筒、底板、压盖、伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构、控制器，所述环剪框架和内筒之间形成容纳试样的试验腔室，所述压盖设置在试验腔室的顶部，所述底板设置在试验腔室的底部，所述底板驱动机构与底板连接并驱动底板沿试验腔室底部旋转，所述压盖施压机构与压盖连接并驱动压盖向试样施压，所述伸缩搅拌机构连接在内筒，所述伸缩搅拌机构可延展至试验腔室内，所述内筒驱动机构与内筒连接并驱动内筒旋转，所述控制器连接并控制伸缩搅拌机构、内筒驱动机构、底板驱动机构、压盖施压机构。

2.根据权利要求1所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，所述底板驱动机构包括底板驱动电机、第一齿轮、第二齿轮，所述底板驱动电机安装在环剪框架上，所述底板驱动电机的输出轴连接第一齿轮，所述第二齿轮固定在底板上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合。

3.根据权利要求2所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，所述环剪框架底部中心有向上突出的台阶轴，所述底板与台阶轴活动连接，所述底板驱动电机驱动底板绕台阶轴旋转。

4.根据权利要求1所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，所述压盖施压机构包括施压杆、压力监测组件、施压驱动电机，所述施压驱动电机安装在环剪框架上，所述施压杆一端与压盖固定连接，所述施压杆另一端通过压力监测组件与施压驱动电机连接，所述施压驱动电机通过施压杆作用到压盖上以压紧试样。

5.根据权利要求4所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，所述压力监测组件包括带有刻度的第三齿轮、第一蜗杆、施压弹簧，所述第一蜗杆连接在施压驱动电机的输出轴上，所述第三齿轮与第一蜗杆啮合，所述第三齿轮的中心与施压杆配合连接，所述施压弹簧的两端分别抵接第三齿轮和压盖。

6.根据权利要求1所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，包括内置有离合器的伸缩驱动电机，所述伸缩驱动电机安装在环剪框架上，所述伸缩搅拌机构包括搅拌棒、驱动轴、伸缩控制组件，所述内筒内部连接有多个伸缩控制组件，每个所述伸缩控制组件均连接有搅拌棒，所述驱动轴连接多个伸缩控制组件，所述伸缩驱动电机的输出端连接驱动轴，所述伸缩驱动电机通过驱动轴同步驱动多个伸缩控制组件，以同步控制多个搅拌棒的伸缩。

7.根据权利要求6所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，所述伸缩控制组件包括伸缩驱动轮、伸缩从动轮、伸缩杆，所述伸缩驱动轮的中心固定在驱动轴上，所述伸缩从动轮安装在内筒上，所述伸缩杆的一端与伸缩从动轮螺纹连接，所述伸缩杆的另一端固定搅拌棒，所述伸缩驱动轮与伸缩从动轮配合对接。

8.根据权利要求6所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，所述试验腔室在高度方向上设有多层搅拌区域，每层所述搅拌区域内至少对应有一组伸缩控制组件和搅拌棒。

9.根据权利要求1所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，还包括振动器，所述振动器连接在环剪框架上。

10.根据权利要求1所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，其特征在于，还包括弹性的悬挂机构，所述悬挂机构连接在环剪框架上。

11.微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过货运飞船搭载权利要求1至10任一项所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验装置，并运送到微重力或零重力的环境中；

S2.在微重力或零重力条件下，控制一个影响因素作为变量，其他影响因素作为定量，进行一轮对颗粒体系分选影响的试验；所述影响因素包括剪切速率、围压、振动频率、振动加速度；

S3.重新把颗粒试样搅拌混合均匀，选定新的影响因素作为变量，并重复执行步骤S2以进行下一轮试验。

12.根据权利要求11所述微重力或零重力下颗粒体系分选的环剪试验方法，其特征在于，所述步骤S2的试验类型包括：

S21.研究剪切速率对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整底板驱动机构带动底板转动的速率，并记录不同转动速率下底板对试验腔室内试样的剪切影响；

S22.研究围压对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整压盖施压机构带动压盖下压试样的压力，并记录不同压力下压盖对试验腔室内试样的围压影响；

S23.研究振动频率、振动加速度对颗粒体系分选影响的试验：在其他条件不变的情况下，调整振动器的振动频率或振动加速度，并记录不同振动频率或振动加速度下对试验腔室内试样的影响。