RU216048U1

RU216048U1 - Device for measuring the adhesion force of ice

Info

Publication number: RU216048U1
Application number: RU2022129348U
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Жбанов; Алексей Борисович Миллер; Юрий Федорович Потапов; Олег Дмитриевич Токарев; Александр Егорович Яшин
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2023-01-16

Abstract

Полезная модель относится к области исследования адгезионной прочности льда к различным материалам и может быть использована в авиационной промышленности при исследованиях процессов обледенения летательных аппаратов, а также гидрофобных и льдофобных покрытий в противообледенительных системах.The utility model relates to the field of research on the adhesive strength of ice to various materials and can be used in the aviation industry in the study of aircraft icing processes, as well as hydrophobic and ice-phobic coatings in anti-icing systems.

Предлагаемое устройство позволяет измерять силу адгезии льда к покрытию, нанесенному на цилиндр, который находится в тех же условиях, что были в процессе обледенения (температура, влажность воздуха), а сам процесс обледенения максимально приближен к естественному процессу обледенения элементов конструкции летательных аппаратов. Конструкция устройства позволяет изменять площадь намораживания льда, не допуская сколов и разрушения в процессе сдвига. Дополнительным преимуществом этого устройства является возможность измерения водности охлажденного водовоздушного газодинамического потока.

The proposed device allows you to measure the adhesion force of ice to the coating applied to the cylinder, which is in the same conditions that were in the process of icing (temperature, air humidity), and the icing process itself is as close as possible to the natural process of icing structural elements of aircraft. The design of the device allows you to change the area of ice freezing, preventing chips and destruction during the shear process. An additional advantage of this device is the ability to measure the water content of a cooled water-air gas-dynamic flow.

Description

Известно «Устройство для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям», Бойнович Л.Б., Емельяненко A.M., Жевненко С.Н., патент на полезную модель RU 125342 U1, 18.09.2012. опубликовано: 27.02.2013 Бюл. №6. В этом устройстве лед намораживается на цилиндре, помещенном в сосуд с водой, закрытый снизу пробкой из материала, имеющего низкую адгезию ко льду. При этом в пробке имеется углубление, в которое вставляется нижний торец тестируемого образца. Сила адгезии измеряется путем выдергивания цилиндра, вмороженного в лед. Замораживание воды в сосуде происходит с помощью охлаждаемых водой элементов Пельтье. При таком способе замораживания образца с покрытием вода находится в стационарных условиях и в замкнутом объеме. При замораживании лед расширяется и испытывает стеснение со стороны стенок сосуда, что влияет на адгезию.Known "Device for measuring the shear strength of adhesion of ice to solid surfaces", Boinovich L.B., Emelianenko A.M., Zhevnenko S.N., utility model patent RU 125342 U1, 18.09.2012. published: 27.02.2013 Bull. No. 6. In this device, ice is frozen on a cylinder placed in a vessel filled with water, closed at the bottom with a cork made of a material with low adhesion to ice. In this case, the cork has a recess into which the lower end of the test sample is inserted. The adhesion force is measured by pulling out a cylinder frozen in ice. The freezing of water in the vessel occurs with the help of water-cooled Peltier elements. With this method of freezing the coated sample, the water is in stationary conditions and in a closed volume. When frozen, the ice expands and is constrained by the walls of the vessel, which affects adhesion.

Известен «Способ измерения адгезии льда на сдвиг к другим материалам», Попов С.Н., Шадринов Н.В., Архипов А.А., Соколова М.Д., патент RU 2 522 818 С1, 11.12.2012, опубликовано: 20.07.2014 Бюл. №20. В нем замораживание воды на поверхности исследуемого материала проводится внутри фторопластовой втулки, которая используется в качестве каркаса и позволяет контролировать и равномерно распределять нагрузку при давлении на всю площадь контакта лед-материал. Измерение нагрузки, необходимой для сдвига льда от исследуемой поверхности материала, проводится в климатической камере с помощью универсальной разрывной машины в режиме сжатия. В этом способе также замораживание происходит в стационарных условиях в замкнутом объеме ограниченном фторопластовой втулкой. По мнению авторов это позволяет избежать стеснения льда со стороны стенок втулки. Однако, как показывает практика, фторопласт не является абсолютным льдофобным материалом. Поэтому существует сила адгезии на границе лед - фторопласт - исследуемый материал по всей длине окружности определяемой внутренним диаметром фторопластовой втулки. Кроме того, сила, сдвигающая втулку со льдом, приложена диаметрально, а не по всей длине окружности. Это может дать дополнительную ошибку в измерениях.Known "Method for measuring the adhesion of ice to shear to other materials", Popov S.N., Shadrinov N.V., Arkhipov A.A., Sokolova M.D., patent RU 2 522 818 C1, 11.12.2012, published: 20.07.2014 Bull. No. 20. In it, freezing of water on the surface of the material under study is carried out inside a fluoroplastic sleeve, which is used as a frame and allows you to control and evenly distribute the load at pressure over the entire ice-material contact area. Measurement of the load required to shear ice from the investigated surface of the material is carried out in a climatic chamber using a universal tensile testing machine in compression mode. In this method, freezing also occurs under stationary conditions in a closed volume limited by a fluoroplastic sleeve. According to the authors, this makes it possible to avoid the constraint of ice from the side of the bushing walls. However, as practice shows, PTFE is not an absolute ice-phobic material. Therefore, there is an adhesion force at the border of ice - fluoroplastic - the material under study along the entire circumference determined by the inner diameter of the fluoroplastic sleeve. In addition, the force that shifts the sleeve with ice is applied diametrically, and not along the entire circumference. This may give an additional measurement error.

Известно измерение адгезии льда к покрытиям на цилиндрической поверхности, например в статье Р.В. Гольдштейн, В.П. Епифанов. «К измерению адгезии льда к другим материалам». Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2011 г. т.2 стр. 28-41. В этой работе лед получают также в стационарных условиях, наливая воду на цилиндрический образец с последующим замораживанием. Вода при замерзании находится в стационарных условиях и в замкнутом объеме. При замораживании лед расширяется и испытывает стеснение со стороны стенок сосуда, что влияет на адгезию. Хотя при измерении силы адгезии в этом варианте лед нагружается по всей длине окружности.It is known to measure the adhesion of ice to coatings on a cylindrical surface, for example, in the article by R.V. Goldstein, V.P. Epifanov. "Toward the Measurement of the Adhesion of Ice to Other Materials". Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics. 2011 v.2 pp. 28-41. In this work, ice is also obtained under stationary conditions by pouring water onto a cylindrical sample, followed by freezing. When freezing, water is in stationary conditions and in a closed volume. When frozen, the ice expands and is constrained by the walls of the vessel, which affects adhesion. Although, when measuring the adhesion force in this variant, the ice is loaded along the entire circumference.

Известно, взятое за прототип, устройство исследования намораживания льда в газодинамическом водовоздушном потоке на вращающийся цилиндр, «Measurement of Liquid Water Content for Supercooled Large Drop conditions in the NRC's Altitude Icing Wind Tunnel», D.M. Orchard, C. Clark and G. Chevrette, SAE Technical Paper 2019-01-2007, 2019. Устройство содержит электродвигатель, вращающий цилиндрический вал, расположенный в газодинамическом водовоздушном потоке, цилиндр, закрепленный на валу.It is known, taken as a prototype, a device for studying ice freezing in a gas-dynamic water-air flow on a rotating cylinder, "Measurement of Liquid Water Content for Supercooled Large Drop conditions in the NRC's Altitude Icing Wind Tunnel", D.M. Orchard, C. Clark and G. Chevrette, SAE Technical Paper 2019-01-2007, 2019. The device contains an electric motor that rotates a cylindrical shaft located in a gas-dynamic water-air flow, a cylinder mounted on the shaft.

Однако, это устройство не предназначено для измерения сдвиговой прочности льда к твердым поверхностям.However, this device is not designed to measure the shear strength of ice to solid surfaces.

В тоже время с точки зрения разработки противообледенительных систем в летательных аппаратах представляет интерес исследование адгезии к покрытиям, находящимся в водовоздушном газодинамическом потоке при низких температурах и измерение силы адгезии непосредственно после намораживания льда при той же температуре и влажности воздуха.At the same time, from the point of view of the development of anti-icing systems in aircraft, it is of interest to study adhesion to coatings in a water-air gas-dynamic flow at low temperatures and measure the adhesion force immediately after ice freezing at the same temperature and air humidity.

Задачей и техническим результатом создания полезной модели является разработка устройства, для измерения адгезии льда к гидрофобным и льдофобным покрытиям, на которых лед намораживается в условиях, максимально соответствующих условиям обледенения в процессе полета.The objective and technical result of creating a utility model is to develop a device for measuring the adhesion of ice to hydrophobic and ice-phobic coatings, on which ice is frozen under conditions that best correspond to the conditions of icing during flight.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что устройство для измерения силы адгезии льда содержит электродвигатель, вращающий цилиндрический вал, расположенный в газодинамическом водовоздушном потоке, цилиндр, закрепленный на валу, вал снабжен упором и стопором, на валу закреплены датчик силы, защитный элемент и цилиндр с исследуемым покрытием, которые стянуты к упору вала крепежной гайкой, сдвигающий элемент, силовая гайка, накрученная на вал и прилегающая к сдвигающему элементу через шайбу, защитный колпачок, навинченный на сдвигающий элемент и упирающийся в торец вала.The solution of the problem and the technical result are achieved in that the device for measuring the adhesion force of ice contains an electric motor that rotates a cylindrical shaft located in a gas-dynamic water-air flow, a cylinder mounted on the shaft, the shaft is equipped with a stop and a stopper, a force sensor, a protective element and a cylinder are fixed on the shaft with the coating under study, which are pulled together to the stop of the shaft by a fastening nut, a shifting element, a power nut screwed onto the shaft and adjacent to the shifting element through a washer, a protective cap screwed onto the shifting element and abutting against the end of the shaft.

На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения силы адгезии льда.In FIG. 1 shows a diagram of a device for measuring the adhesion force of ice.

Устройство расположено в аэродинамической трубе с центробежным вентилятором и распылительной системой воды, помещенной в холодильную камеру. Устройство (фиг. 1) содержит электродвигатель 15, вращающий вал 5, расположенный в газодинамическом водовоздушном потоке, цилиндр 9, с нанесенным на него исследуемым покрытием 10. Цилиндр 9 закреплен на вращающемся валу 5, имеющем упор 13 и стопор 14. К упору прилегает датчик силы 12. Датчик состоит из четырех тензометрических элементов, включенных по мостовой схеме. Это известная стандартная конструкция, поэтому она не показана. Датчик силы имеет разъем для подключения кабеля от измерительной системы. Датчик силы закрыт от обледенения защитным элементом 11. Кроме того, защитный элемент 11 задает границу обледенения испытуемого покрытия. Эта граница задается такой, чтобы предотвратить разрушение льда, прежде чем он начнет сдвигаться. На вращающийся вал 5 надет цилиндр 9 с исследуемым покрытием, на которое в процессе испытаний намерзает лед 10. Цилиндр 9 прижат к защитному элементу 11 крепежной гайкой 8 (через шайбу). На вращающийся вал 5 также надет сдвигающий элемент 2. Между сдвигающим элементом 2 и крепежной гайкой 8 должен быть зазор, обеспечивающий ход сдвигу льда. Этот зазор достигнут с помощью защитного колпачка 3. У него две функции: во-первых, он защищает от обледенения силовую гайку 4 и вращающийся вал 5, а во-вторых, дно колпачка упирается в вал, обеспечивая необходимый зазор для сдвига льда.The device is located in a wind tunnel with a centrifugal fan and a water spray system placed in a cooling chamber. The device (Fig. 1) contains an electric motor 15 that rotates a shaft 5 located in a gas-dynamic water-air flow, a cylinder 9 with an investigated coating 10 applied to it. The cylinder 9 is fixed on a rotating shaft 5 having a stop 13 and a stopper 14. A sensor is adjacent to the stop force 12. The sensor consists of four tensometric elements included in the bridge circuit. This is a known standard construction and is therefore not shown. The force sensor has a connector for connecting a cable from the measuring system. The force sensor is closed from icing by the protective element 11. In addition, the protective element 11 sets the boundary of icing of the tested coating. This boundary is set to prevent the ice from breaking before it begins to move. On the rotating shaft 5 is put on the cylinder 9 with the coating under study, on which ice 10 freezes during the test. The cylinder 9 is pressed against the protective element 11 by the fixing nut 8 (through the washer). A shifting element 2 is also put on the rotating shaft 5. There must be a gap between the shifting element 2 and the fastening nut 8, which ensures the movement of the ice shift. This gap is achieved using a protective cap 3. It has two functions: firstly, it protects the power nut 4 and the rotating shaft 5 from icing, and secondly, the bottom of the cap rests against the shaft, providing the necessary clearance for shifting ice.

Для измерения силы адгезии на цилиндр 9 тем или иным способом наносят покрытие, степень гидрофобности которого предстоит определить с помощью силы сдвига F_a. Эту силу измеряют с помощью датчика силы 12.To measure the adhesion force on the cylinder 9 one way or another, a coating is applied, the degree of hydrophobicity of which is to be determined using the shear force F _a . This force is measured using a force sensor 12.

Работа устройства для измерения силы адгезии заключается в следующем. После достижения в холодильной камере заданной температуры включают центробежный вентилятор аэродинамической трубы, задающий поток 1. Распылительная система воды создает в водовоздушном потоке заданную водность. В потоке 1 находится устройство. Включают электродвигатель 15, вращающий цилиндр 9 с нанесенным исследуемым покрытием. При скорости вращения порядка 40 об/мин происходит равномерное по всей поверхности обледенение цилиндра. Спустя заданное время центробежный вентилятор выключают. Выключают двигатель 15. К датчику 12 через разъем подсоединяют кабель измерительной системы.The operation of the device for measuring the adhesion force is as follows. After reaching the set temperature in the refrigerator chamber, the centrifugal fan of the wind tunnel is switched on, which sets the flow 1. The water spray system creates the given water content in the water-air flow. There is a device in stream 1. The electric motor 15 is turned on, which rotates the cylinder 9 with the coating under investigation. At a rotation speed of about 40 rpm, the cylinder is iced uniformly over the entire surface. After a predetermined time, the centrifugal fan is turned off. The engine 15 is turned off. The cable of the measuring system is connected to the sensor 12 through the connector.

Фиксируют нулевой уровень силы. Он задается поворотом гайки 8 еще при сборке механизма. Отворачивают защитный колпачок 3. Чтобы предотвратить поворот сдвигающего элемента 2, вместе с колпачком 3, он удерживается ключом за «лыске» 7. После того как колпачок снят, вал 5 фиксируют стопором 14. Поворотом силовой гайки 4 через шайбу 6 происходит смещение сдвигающего элемента 2 вдоль оси вращения вала. При этом усилие сдвига передается льду 10. Благодаря силе сцепления льда 10 с цилиндром 9 это усилие передается цилиндру, и через защитный элемент 11 воздействует на датчик 12, прилегающий к упору 13. Сигнал датчика силы 12 записывают в измерительной системе. В момент срыва льда фиксируют силу адгезии F_a.Fix the zero level of force. It is set by turning the nut 8 while assembling the mechanism. The protective cap 3 is unscrewed. To prevent the rotation of the shearing element 2, together with the cap 3, it is held by the key behind the “flat” 7. After the cap is removed, the shaft 5 is fixed with a stopper 14. Turning the power nut 4 through the washer 6 shifts the shearing element 2 along the axis of rotation of the shaft. In this case, the shear force is transferred to ice 10. Due to the force of adhesion of ice 10 to cylinder 9, this force is transmitted to the cylinder, and through the protective element 11 acts on the sensor 12 adjacent to the stop 13. The signal of the force sensor 12 is recorded in the measuring system. At the moment of ice breaking, the adhesion force F _a is fixed.

Разработанное устройство позволяет измерять силу адгезии непосредственно в рабочей части аэродинамической трубы, не снимая образец с покрытием, т.е. при той же самой температуре воздуха и влажности. При наличии других образцов с покрытиями их замена занимает несколько минут.The developed device makes it possible to measure the adhesion force directly in the working part of the wind tunnel without removing the coated sample, i.e. at the same air temperature and humidity. If there are other samples with coatings, their replacement takes a few minutes.

Claims

A device for measuring the adhesion force of ice, comprising an electric motor rotating a cylindrical shaft located in a gas-dynamic water-air flow, a cylinder fixed on the shaft, characterized in that the shaft is equipped with a stop and a stopper, a force sensor, a protective element and a cylinder with the coating under study are fixed on the shaft, which are tightened to the stop of the shaft with a fastening nut, a shearing element, a power nut screwed onto the shaft and adjacent through a washer to the shearing element, a protective cap screwed onto the shearing element and abutting against the end of the shaft.