Устройство для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям
Полезная модель относится к устройствам испытательной техники и предназначена для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к различным твердым поверхностям. Устройство содержит неподвижную станину, сосуд для замораживания воды с отверстием в верхней крышке для погружения в сосуд тестируемого образца, устройство для замораживания воды в сосуде, подвижный рычаг с возможностью вертикального перемещения относительно неподвижной станины, датчик измерения силы с креплением для тестируемого образца и компьютер для обработки результатов измерений. Тестируемый образец, представляющий собой цилиндр из исследуемого материала, одной стороной прикреплен к датчику силы, закрепленному на подвижном рычаге, а другой стороной частично погружен в сосуд с замораживаемой водой через отверстие в крышке сосуда. Диаметр отверстия лишь незначительно превышает диаметр цилиндра, а площадь боковой поверхности погруженной части цилиндра существенно больше площади его торцевой части. Измерение адгезионной прочности основано на определении усилия, требуемого для выдергивания образца изо льда, при приложении усилия вдоль оси цилиндра. Новым техническим результатом, обеспечиваемым данным устройством, является определение адгезионной прочности при преимущественно сдвиговом характере разрушения контакта тестируемого образца со льдом с минимизацией вероятности когезионного разрушения в объеме льда. 1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Полезная модель относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств. Конкретно, предлагаемое устройство предназначено для измерения адгезионной прочности контакта льда с поверхностью испытуемого образца при сдвиговом разрушении этого контакта.
Измерение адгезионной прочности контакта льда с твердыми поверхностями, количественно характеризующей энергию, которую нужно затратить для разделения единицы площади такого контакта, весьма важно во многих отраслях промышленности, в частности, в авиации и электроэнергетике для оценки эффективности мер, принимаемых для борьбы с обледенением поверхностей самолетов, аэронавигационного оборудования и проводов и конструкций воздушных линий электропередач.
Из существующего уровня техники известно устройство для оценки адгезионной прочности (патент Китая CN 202033278, 05.06.2011), содержащее скобы, фиксирующие тестируемый образец, охлаждающее устройство, дозирующее устройство для подачи воды на поверхность образца, скользящий нож для отламывания льда и устройство для измерения максимальной силы, приложенной к ножу. В данном устройстве тестируемый образец, зафиксированный в скобах, охлаждается до заданной температуры, устройство дозирования воды по каплям подает воду на поверхность образца, где вода быстро замерзает, образуя ледяной столбик, после чего скользящий нож с измерителем силы перемещается вдоль тестируемой поверхности, сдвигая горизонтально выступающие ледяные наросты до момента отслаивания (или разрушения) льда, так что измеренная максимальная сила характеризует прочность адгезии льда к поверхности образца.
Известно также другое устройство (Гольдштейн Р.В., Епифанов В.П. К измерению адгезии льда к другим материалам // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2011. 
2. С.28-41), в котором ледяная прослойка толщиной 2,5 мм замораживается между двумя дисками из исследуемого материала, соединенными с захватами стандартной разрывной машины для испытания прочности материалов на разрыв. После замораживания прослойки и выдерживания требуемое время при заданной температуре, производится испытание на разрыв, и по измеренному максимальному усилию при разрыве и известной площади сечения прослойки оценивается адгезионная прочность контакта тестируемого образца со льдом в условиях нормального отрыва.
Однако недостатком известных технических решений является возможность разрушения не только по плоскости контакта льда с тестируемой поверхностью, но и с образованием трещин внутри самого льда, в результате чего становится неопределенной реальная площадь, по которой произошло разрушение контакта, а измеренное значение усилия сдвига ледяного нароста или разрыва ледяной прослойки может определяться не только прочностью адгезии льда к поверхности, но и силами сцепления внутри ледяной прослойки, наличием в ней трещин и других дефектов. В результате оценка адгезионной прочности оказывается ошибочной как из-за неточности определения площади разрушаемого адгезионного контакта между льдом и тестируемой поверхностью, так и из-за вклада когезионного разрушения в объеме льда в измеряемое значение максимальной приложенной силы.
Техническим результатом заявленной полезной модели является:
- минимизации вероятности когезионного разрушения в объеме льда при измерении адгезионной прочности контакта тестируемого образца со льдом;
- определение адгезионной прочности при преимущественно сдвиговом характере разрушения контакта тестируемого образца со льдом. Именно такой характер разрушения наиболее вероятен при отрыве льда от поверхностей элементов авиационной техники и электроэнергетического оборудования.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве тестируемый образец представляет собой цилиндр из исследуемого материала, частично погруженный в сосуд с замораживаемой водой через отверстие в крышке сосуда, при этом диаметр отверстия лишь незначительно превышает диаметр цилиндра, площадь боковой поверхности погруженной части цилиндра существенно больше площади его торцевой части, а измерение адгезионной прочности основано на определении усилия, требуемого для выдергивания образца изо льда, при приложении усилия вдоль оси цилиндра. Для полного исключения нормальной составляющей отрыва образца от льда сосуд с замораживаемой водой может иметь отверстие в нижней части, которое перед заполнением сосуда водой закрывается пробкой из материала, имеющего низкую адгезию ко льду (например, тефлона или силиконовой резины), при этом в пробке имеется углубление, в которую вставляется нижний торец тестируемого образца. Это позволяет избежать намораживания льда на торцевую часть цилиндра из исследуемого материала. После замораживания воды в сосуде пробка может быть вынута перед измерением, и усилие, требуемое для выдергивания образца изо льда, будет полностью определяться только сдвиговым разрушением контакта между образцом тестируемого материала и льдом.
Устройство поясняется фиг.1, на которой изображен пример внешнего вида (слева) и принципиальная схема (справа) устройства для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям.
Устройство содержащит неподвижную станину 4, сосуд для замораживания воды 2 с отверстием в верхней крышке для погружения в сосуд тестируемого образца 1, устройство 3 для замораживания воды в сосуде, подвижный рычаг 6 с возможностью вертикального перемещения относительно неподвижной станины 4 путем вращения рукоятки 7, датчик 5 измерения силы с креплением для тестируемого образца 1 и компьютер (на фиг.1 не показан) для обработки результатов измерений. Тестируемый образец 1, представляющий собой цилиндр из исследуемого материала, одной стороной прикреплен к датчику силы 5, закрепленному на подвижном рычаге 6, а другой стороной частично погружен в сосуд 2 с замораживаемой водой 9 через отверстие в крышке сосуда, причем диаметр отверстия лишь незначительно превышает диаметр цилиндра, а площадь боковой поверхности погруженной части цилиндра существенно больше площади его торцевой части, сосуд с водой вместе с устройством для замораживания воды в нем жестко закреплены на неподвижной станине 4. Сосуд 2 с замораживаемой водой может иметь отверстие в нижней части, которое перед заполнением сосуда водой закрывается пробкой 8 из материала, имеющего низкую адгезию ко льду, при этом в пробке имеется углубление, в которую вставляется нижний торец тестируемого образца 1.
Примером реализации устройства для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям является устройство, в котором в качестве неподвижной станины и подвижного рычага используются соответственно станина и держатель тубуса инструментального микроскопа БМИ-1, в качестве устройства для замораживания воды в сосуде используются водоохлаждаемые элементы Пельтье, а датчиком силы служит датчик L6J компании ZEMIC, являющийся одноопорной консолью из алюминиевого сплава с четырьмя тензодатчиками. Диапазон напряжений питания датчика составляет 5÷12 В, номинальная чувствительность датчика при этом составляет 1.5±0.2 мВ/В, номинальная нагрузка 3.5 кг (допустимое превышение номинальной нагрузки - 150%). В описанном ниже примере работы устройства использовали напряжение питания датчика 10 В, сигнал определяли с точностью 0,01 мВ мультиметром Agilent 34420А. Градуировка производилась с помощью стандартного набора весов и показала линейность зависимости величины сигнала от нагрузки вплоть до 8 кг. Тестируемый образец представлял собой алюминиевый цилиндр диаметром 4 мм и длиной 80-100 мм. В 10 мм от одного края было высверлено отверстие под штифт для закрепления образца на датчике силы, крепление к датчику силы производилось с помощью шарнирного устройства.
Устройство работает следующим образом. Нижний конец образца 1 погружается в сосуд 2 на глубину 15 мм. Уровень воды в сосуде контролируется через прозрачное окно в крышке и может быть изменен в процессе эксперимента. Замораживатель 3 представляет собой два элемента Пельтье мощностью 65 Вт каждый, прикрепленные к плоским стенкам сосуда 2, а «горячая» сторона холодильников охлаждается проточной водой с помощью медных радиаторов. Размер поверхности холодильников Пельтье 40*40 мм, величина питающего тока - до 6 А на каждый холодильник, что позволяет заморозить воду в сосуде и понизить температуру льда вплоть до -20°С. Температура образца контролируется с помощью хромель-алюмелевой термопары, спай которой находится в замораживаемой воде в непосредственной близости от образца. Сигнал с термопары снимается с помощью милливольтметра, погрешность определения температуры составляет ±1°С. После достижения нужной температуры льда, вращением винта 4 прикладывается нагрузка на образец до тех пор, пока не прозвучит характерный щелчок и на зависимости нагрузки от времени (фиг.2) не появится резкий скачок вниз. Величина адгезионной прочности определяется как разница между максимальной нагрузкой и «остаточной», т.е. нагрузкой, которая остается после отрыва образца, отнесенная к площади погруженной в лед части образца. Характерные точки помечены на фиг.2 кружками.
1. Устройство для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям, содержащее неподвижную станину, сосуд для замораживания воды с отверстием в верхней крышке для погружения в сосуд тестируемого образца, устройство для замораживания воды в сосуде, подвижный рычаг с возможностью вертикального перемещения относительно неподвижной станины, датчик измерения силы с креплением для тестируемого образца и компьютер для обработки результатов измерений, характеризующееся тем, что тестируемый образец, представляющий собой цилиндр из исследуемого материала, одной стороной прикреплен к датчику силы, закрепленному на подвижном рычаге, а другой стороной частично погружен в сосуд с замораживаемой водой через отверстие в крышке сосуда, причем диаметр отверстия лишь незначительно превышает диаметр цилиндра, а площадь боковой поверхности погруженной части цилиндра существенно больше площади его торцевой части, сосуд с водой вместе с устройством для замораживания воды в нем жестко закреплены на неподвижной станине, при этом измерение адгезионной прочности основано на определении усилия, требуемого для выдергивания образца изо льда, при приложении усилия вдоль оси цилиндра.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сосуд с замораживаемой водой имеет отверстие в нижней части, которое перед заполнением сосуда водой закрывается пробкой из материала, имеющего низкую адгезию ко льду, при этом в пробке имеется углубление, в которую вставляется нижний торец тестируемого образца.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве неподвижной станины и подвижного рычага используются станина и держатель тубуса инструментального микроскопа БМИ-1, в качестве устройства для замораживания воды в сосуде используются водоохлаждаемые элементы Пельтье, а в качестве датчика силы используется датчик L6J компании ZEMIC.
