CN104914043A - 准静态加载测量粘附力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种准静态加载测量粘附力的装置，包括悬臂梁、半圆角度器、齿轮传动器、底板、准静态力加载器、沙盒、拉压传感器数据采集器、拉压传感器和附着基；所述底板上依次设置附着基、半圆角度器、齿轮传动器和准静态力加载器；悬臂梁的一端与半圆角度器固定连接；拉压传感器的上、下端各连接一根连接线，上端连接线的另一端绕过悬臂梁与齿轮传动器相连，下端连接线的另一端与待测的粘附物相连，粘附物固定于附着基上；拉压传感器通过数据线与拉压传感器数据采集器相连；齿轮传动器的下方连接沙盒。本装置通过准静态力加载器向沙盒中添加如沙子等重物，实现准静态加载，结构简单合理，制作成本低，测量准确度高，容易得到大规模推广使用。

Description

准静态加载测量粘附力的装置

技术领域

本发明涉及一种力学实验设备，特别涉及一种可通过准静态加载测量粘附力力学性质的拉伸试验台。

背景技术

目前高等学校教育注重学生的实践能力和创新精神的培养，在力学实验教学需要操作简单，成本相对较低，设备体积较小的实验台。

本实验装置主要用于研究典型海洋污损生物粘附力的力学性质，这将有利于海洋污损生物防除技术的进步。

陈翔峰等《海洋污损生物变化及附着规律研究》公开了海洋污损生物也称海洋附着生物，是指生长在船底和海中一切设施表面的动物、植物和微生物,是影响海洋设施安全与使用寿命的重要因素之一；污损生物的附着会增加船舶阻力,导致航速降低及燃料消耗增加；阻塞给排水管道,改变材料腐蚀过程和速度,导致海洋仪器的转动机件失灵；妨碍水下保养和维修等工作的进行；附着的生物会吸收声能,放出气泡产生混响,严重影响水下声学仪器的工作。探究海洋污损生物粘附性质已成为海洋设施安全研究的重点。

孙承君《海洋贻贝粘结机理及应用探讨》公开了包括贻贝、藤壶在内的海洋污染生物可以通过各种方式固着或栖息在船舶、潜艇和各种人工水下设施上并造成危害。不同的生物的界面粘结机理有着极大的差别，包括静电作用,共价作用,配位键,范德华力,毛细管力等。研究发现，生物胶黏效率的强度在有水的环境中远远高于人工合成胶黏剂。生物防污研究只有建立在充分了解这些海洋生物粘附机理的基础上才可以真正实现。

刘超等《环境友好型防污剂及海洋防污涂料的研究进展》公开了牡蛎这种海洋污损生物在物体表面上的附着首先是分泌一种粘液，这种粘液对物体表面润湿，并在其上分散，然后通过化合键合、静电作用、机械联锁和扩散这几种机理中的一种或几种进行粘附，进而发生上面的六步过程和腐蚀。目前学术界对于粘附力性质来源并无定论与具体研究，且无专用仪器用于实验探究。

胥震等《海洋污损生物防除方法概述及发展趋势》公开了当前工程应用和研究中的主要防污损技术:物理防污法、化学防污法和生物防污法，其中物理防污又包括了机械清除、空穴化水喷射流、可剥落涂层、低表面能涂料、超声波、紫外线防污法。物理防污大多需要对破坏污损生物与附着基体之间的粘附作用所需的物理能量进行预估，目前该针对能量的测量技术略欠缺。

王艳霞等《原子力显微镜在生物力测量中的应用》公开了利用原子力显微镜(AFM)实现了生物分子间作用力的直接测量。测量范围包含测量配体-受体之间的相互作用力、细胞粘着力、核酸双链和碱基对氢键间的作用力、运动蛋白之间的作用力、特殊化基团之间的作用力等。AFM能够测量探针和生物样品之间的微小作用力,评价生物样品的力学性质。但原子力显微镜不能以生物活体为测量对象，且成本很高。

杨志强《三套微小土壤粘附力测试系统的研究》公开了利用以力学传感器测试系统检测微小土壤粘附力，测试结果表明,力学传感器测试系统能较好地实现常规微小土壤粘附力的测量,自动化程度高,试验数据重复性好,运行平滑稳定。但力学传感器类仪器对生物活体力学性能测量的制样要求比较高，且精度较高的传感器很容易在使用过程中被损坏。

发明专利申请《一种测量生物活体与物体间粘附力的测力装置及测试方法》，公开号CN101482553；发明专利申请《一种测量物体间粘附力的装置及其测试方法》，公开号CN102252960A，这两个专利都是基于力学的测量仪器，前者采用了天线式拉杆结构，可以测量生物活体与各种粗糙表面间的粘附力；后者利用了高速转动离心力，且可以通过高速摄像机观测到待测样品在离心力的作用下摆脱粘附力进行分离的动态过程。但二者都存在操作复杂、易损坏、成本高等问题，且不能满足一般实验室的使用要求。

发明专利《一种土壤粘附力检测装置》，公开号CN202735231U，公布了一种土壤粘附力检测装置，结构简单，能够测量不同压力下的土壤粘附力，直观简便易于实现自动化。包括底座、连杆、悬臂、电动推杆、压力传感器、试件座、试件、土壤试样盒、圆盘、拉压传感器、单片机。连杆固定在底座上，悬臂固定在连杆上端。单片机固定在连杆上，电动推杆一端固定在悬臂上、另一端连接有压力传感器。试件座装在压力传感器底端、其上装有试件。试件下方对应位置装有圆盘，圆盘底端通过拉压传感器与底座相连、其顶端装有土壤试样盒。本实用新型结构简单，操作简单，检测结果明显和直观，且自动化程度高。该实验仪器主要针对土壤粘附力的检测。土壤粘附力较小，故该实验装置只适用较小粘附力的测量。同时，电动推杆仅能垂直运动，无法测量粘附力剪切强度。该装置无法适用于多种粘附力的测量，同时测量粘附力的大小范围不足，无法得到广泛的应用。

应用本装置从力学的角度探讨海洋污损生物的粘附的性质，定量分析海洋生物承受到剪切与拉伸的联合作用，脱离粘附表面时剪切力与拉伸的关系，得到相应的结论。这将极大地促进海洋污损生物防除技术的进步。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述空白，提供一种操作简单，成本相对较低，设备体积较小的实验台，容易得到大规模推广使用。实验开始时，仅需完成简单的绕线工作，连接粘附物体及拉压传感器，选择适当的拉力角度即可完成实验台的调整工作。以沙子作为重物，均匀而连续地增加加载力，可减小实验误差，且成本低廉。通过重物加载轮、齿轮组等使重物提供的重力数倍作用于所测物体上，提高其对不同需要的实验的适应能力。本发明经过较为严格的力学计算，主要为形变计算，强度分析，发现试验台材料采用普通碳钢即可，节约了仪器成本，为试验台大范围应用提供了可能。

本发明为了解决上述技术问题提供的技术方案是：一种准静态加载测量粘附力的装置，包括悬臂梁、半圆角度器、齿轮传动器、底板、准静态力加载器、沙盒、拉压传感器数据采集器、拉压传感器和附着基；所述底板上依次设置附着基、半圆角度器、齿轮传动器和准静态力加载器；悬臂梁的一端与半圆角度器固定连接；拉压传感器的上、下端各连接一根连接线，上端连接线的另一端绕过悬臂梁与齿轮传动器相连，下端连接线的另一端与待测的粘附物相连，粘附物固定于附着基上；拉压传感器通过数据线与拉压传感器数据采集器相连；齿轮传动器的下方连接沙盒。

所述悬臂梁由两支平行的悬臂组成，其中一端通过连接块将两支悬臂连接，另一端通过中轴将悬臂梁与半圆角度器连接。

所述悬臂梁的一端设置滑轮，通过中轴与悬臂梁和半圆角度器固定连接，悬臂梁的另一端在靠近连接块处设置至少一个定滑轮，所述连接线绕过悬臂梁上的滑轮和定滑轮再与齿轮传动器相连。

进一步的，所述悬臂梁上沿着两支悬臂平行设有一组或两组以上的小孔，用于调节定滑轮的位置。通过螺栓将定滑轮固定在悬臂上不同的小孔中，从而调节定滑轮在悬臂梁上的相对位置。

进一步的，所述半圆角度器上沿着圆弧平行设有两组或两组以上的小孔，用于调节悬臂梁和半圆角度器的相对位置。调节刻度可以为每10度一组小孔，通过螺栓将悬臂梁的一端固定在半圆角度器上不同的小孔中，从而调节悬臂梁和半圆角度器的相对位置。

进一步的，所述底板上设有四个以上小孔，用于调节所述附着基在底板上的相对位置。

所述齿轮传动器包括一个重物加载轮和一个齿轮组，齿轮组至少由两个齿轮组成，重物加载轮和齿轮组之间通过齿轮轴连接。

进一步的，所述重物加载轮设有两个以上不同半径的轮片，所述沙盒连接在重物加载轮的轮片上。通过将沙盒连接在不同的加载轮轮片上，从而实现对重物加载轮不同半径轮片的选择，再通过齿轮组的传动，可以提供不同的拉力倍率，以满足实验中对力的不同要求，可调节省力。

所述准静态力加载器为上、下两端开口的容器，且下端开口对准所述沙盒。

进一步的，所述准静态力加载器的下端开口附近设有一段可调节角度的通道。

进一步的，所述拉压传感器数据采集器可以连接计算机，对测量数据进行读取或进一步分析。

所述准静态力加载器中可以添加能够连续流动的重物，如沙子、木屑、液体等。

所述连接线可以是钢丝、钢绳等。

利用本发明装置测量粘附力的操作方法如下：

第一步，先将一根连接线的一端通过固定装置固定于待测的粘附物上，将另一端固定连接在拉压传感器的下端；再将第二根连接线的一端固定连接在拉压传感器的上端，将另一端绕过悬臂梁上的定滑轮和滑轮连接到齿轮传动器的齿轮轴上，完成绕线工作；

第二步，将拉压传感器的数据线与拉压传感器数据采集器相连，再将数据采集器连接到计算机上；

第三步，调节悬臂梁至合适的角度后用标准件螺钉固定在半圆角度器上；

第四步，向准静态力加载器中添加能够连续流动的重物(如沙子)，重物会通过准静态力加载器均匀而连续地流向沙盒，沙盒中的重量变化作用于齿轮传动器，再通过连接线绕过悬臂梁依次作用于拉压传感器、粘附物从而完成测量，记录和分析采集到的数据即可。

有益效果：

本发明装置通过准静态力加载器向沙盒中添加如沙子等重物，实现准静态加载，加载力从零开始均匀而连续的变化，从而解除加载力变化不均匀；另外，通过重物加载轮、齿轮传动器使重物提供的重力数倍作用于待测的粘附物上，提高其对不同需要的实验的适应能力；本发明测量装置结构简单合理，制作成本低，测量准确度高，容易得到大规模推广使用。

本发明装置主要用于测量海洋污损生物等具有较大粘附力试样的粘附力测量，同时可测量粘附力的剪切强度，进而为分析粘附力的性质降低难度。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置悬臂梁及半圆角度器的结构示意图；

图3是本发明装置齿轮传动器的结构示意图；

图4是本发明装置悬臂梁的强度分析图；

图5是本发明装置螺栓的剪切强度分析图；

其中：1-悬臂梁；2-半圆角度器；3-齿轮传动器；4-底板；5-准静态力加载器；6-沙盒；7-拉压传感器数据采集器；8-拉压传感器；9-附着基；10-粘附物；1.1-连接块；1.2-定滑轮；1.3-悬臂；1.4-滑轮；1.5-中轴；3.1-肋板；3.2-小齿轮；3.3-大齿轮；3.4-卷绳轴；3.5-重物加载轮；L-悬臂梁长度；T-粘附力；P-螺栓的剪切力；θ-平面内钢丝与悬臂梁垂线的夹角。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案，并结合附图，进一步叙述本发明。除非特别说明，实施方式中未描述的技术手段均可以用本领域技术人员所公知的方式实现。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分、用量、尺寸、形状进行的各种修改、替换、改进也属于本发明的保护范围，并且本发明所限定的具体参数应有可允许的误差范围。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

实施例1：

结合附图1-3，进一步说明本发明装置和方法。

一种准静态加载粘附力测量装置，包括悬臂梁1、半圆角度器2、齿轮传动器3、底板4、准静态力加载器5、沙盒6、拉压传感器数据采集器7、拉压传感器8和附着基9；所述底板4上依次设置附着基9、半圆角度器2、齿轮传动器3和准静态力加载器5；悬臂梁1的一端与半圆角度器2固定连接；拉压传感器8的上、下端各连接一根连接线，上端连接线的另一端绕过悬臂梁1与齿轮传动器3相连，下端连接线的另一端与待测的粘附物10相连，粘附物10固定于附着基9上；拉压传感器8通过数据线与拉压传感器数据采集器7相连；齿轮传动器3的下方连接沙盒6。

所述悬臂梁1由两支平行的悬臂1.3组成，其中一端通过连接块1.1将两支悬臂连接，另一端通过中轴1.5将悬臂梁1与半圆角度器2连接。

所述悬臂梁1的一端设置滑轮1.4，通过中轴1.5与悬臂梁1和半圆角度器2固定连接，悬臂梁1的另一端在靠近连接块1.1处设置至少一个定滑轮1.2，所述连接线绕过悬臂梁1上的滑轮1.4和定滑轮1.2再与齿轮传动器3相连。

所述悬臂梁1上沿着两支悬臂1.3平行设有10-15组小孔，用于调节定滑轮的位置。

所述半圆角度器2上沿着圆弧平行设有10-15组小孔，用于调节悬臂梁和半圆角度器的相对位置。

所述底板4上设有60-100个小孔，用于调节所述附着基9在底板上的相对位置。

所述齿轮传动器3包括一个重物加载轮3.5和一个齿轮组，齿轮组由一个小齿轮3.2和一个大齿轮3.3组成，重物加载轮3.5和小齿轮3.2通过齿轮轴连接，上述一根连接线的一端绕过悬臂梁1后连接在卷绳轴3.4上，也即大齿轮3.3的齿轮轴。

所述重物加载轮3.5设有2-8个不同半径的轮片，所述沙盒6设置在重物加载轮3.5的下方，通过刚性线连接在重物加载轮的轮片上。通过对重物加载轮不同半径轮片的选择，再通过齿轮组的传动，可以提供不同的拉力倍率，加载重物的重量可以放大约1-20倍，以满足实验中对力的不同要求，可调节省力。

所述准静态力加载器5为上、下两端开口的容器，且下端开口对准所述沙盒6。

所述准静态力加载器5的下端开口附近设有一段可调节角度的通道，通过调节此通道的折弯角度，可以对准静态力加载器5中所添加的重物流向沙盒6的速度进行调控，以实现不同的准静态加载速度。

所述拉压传感器数据采集器可以连接计算机，对测量数据进行读取及进一步分析。

所述准静态力加载器中添加沙子作为重物。

所述连接线采用钢丝。

利用本发明装置测量粘附力的操作方法如下：

第一步，先将一根钢丝的一端通过夹具固定于待测的粘附物10上，将另一端固定连接在拉压传感器8的下端；再将第二根钢丝的一端固定连接在拉压传感器8的上端，将另一端绕过悬臂梁1上的定滑轮1.2和滑轮1.4连接到齿轮传动器3的卷绳轴3.4上，完成绕线工作；

第二步，将拉压传感器8的数据线与拉压传感器数据采集器7相连，再将数据采集器连接到计算机上；

第三步，调节悬臂梁1至合适的角度后用标准件螺钉固定在半圆角度器2上；

第四步，向准静态力加载器5中添加沙子，沙子会通过准静态力加载器5均匀而连续地流向沙盒6，沙盒中沙子的重量变化作用于齿轮传动器3，再通过钢丝依次作用于悬臂梁1、拉压传感器8、粘附物10从而完成测量，记录和分析采集到的数据即可。

所述的定滑轮1.2主要用于测量正拉力，滑轮1.4主要用于测量剪切力，定滑轮1.2与滑轮1.4配合用于测量一般方向的拉力。

实施例2：

力学装置在使用中可能会受力变形，本发明装置具有足够的强度及稳定性。结合附图4-5，对本发明装置进行进一步的力学分析。

(1)悬臂梁的强度分析：

悬臂梁将发生弯曲变形，危险截面位于固定端处，危险点是固定端处梁的上下边缘点。如图4所示；

悬臂梁长为L，宽为h，厚度为b，材质为普通碳钢；

L＝360mm,h＝50mm,b＝16mm,φ＝10mm,T＝500N

θ＝30°,40°,50°,60°,70°,80°.；

$\begin{array}{c}{M}_0=\mathrm{TL}\cos \mathrm{\θ}={500\×360\×10}^{-3}\cos \mathrm{\θN}\·m\\ =180\cos \mathrm{\θN}\·m\end{array};$

$\begin{array}{c}{I}_z=\frac{{\mathrm{bh}}^3-{\mathrm{bd}}^3}{12}=\frac{1}{12}({16\×50}^3-{16\×10}^3)\×{10}^{-12}{m}^4\\ ={1.653\×10}^{-7}{m}^4\end{array};$

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M_0\frac{h}{2}}{I_z}=\frac{{180\×25\×10}^{-3}\cos \mathrm{\θN}\·m^2}{{1.653\×10}^{-7}{m}^4}=27.22\cos \mathrm{\θMpa};$

当θ＝30°,40°,50°,60°,70°,80°；

σ_max＝23.58,20.86,17.51,13.63,9.32,4.75Mpa；

σ_max＝23.58Mpa<[σ]＝140Mpa，满足强度要求。

(2)悬臂梁的稳定性分析：

约束形式为一端固定，一端自由；

柔度： $\mathrm{\&lambda;}=\frac{\mathrm{\&mu;L}}{i},$ 其中 $i=\sqrt{\frac{I}{A}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{bh}}^3/12}{\mathrm{bh}}}=\frac{h}{3.46}=\frac{50}{3.46}\mathrm{mm}={14.45\&times;10}^{-3}m;$

不属于细长杆，中长杆适用范围的最小柔度为

因此λ＜λ₂此杆也不是中长杆，而为短粗杆，无需对稳

定性进行校核。

(3)变形分析

最大挠度

$f_{\max }=\frac{{\mathrm{TL}}^3\cos \mathrm{\&theta;}}{{3\mathrm{EI}}_z}=\frac{{500\&times;360}^3\&times;{10}^{-9}}{{3\&times;206\&times;10}^9\&times;{1.653\&times;10}^{-7}}\cos \mathrm{\&theta;}=0.228\cos \mathrm{\&theta;}\left(\mathrm{mm}\right);$

θ＝30°,40°,50°,60°,70°,80°；

f_max＝0.197,0.175,0.147,0.114,0.078,0.040(mm)；

误差可以忽略不计。

(4)螺栓的剪切强度分析：

如图5所示；

$P=\frac{T\sin \mathrm{\&theta;}}{2},\mathrm{\&tau;}=\frac{P}{A}=\frac{T\sin \mathrm{\&theta;}}{2A}=\frac{500\sin \mathrm{\&theta;}}{2\&times;\frac{{\mathrm{\&pi;d}}^2}{4}}=\frac{1000\sin \mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&pi;}\&times;10}^2\&times;{10}^{-6}}=3.18\sin \mathrm{\&theta;}\left(\mathrm{Mpa}\right);$

当θ＝30°,40°,50°,60°,70°,80°；

τ＝1.59,2.04,2.44,2.75,2.99,3.13(Mpa)；

τ_max＝3.13＜[τ]＝40(Mpa)；

因此螺栓满足强度要求。

Claims (10)

1.一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，包括悬臂梁、半圆角度器、齿轮传动器、底板、准静态力加载器、沙盒、拉压传感器数据采集器、拉压传感器和附着基；所述底板上依次设置附着基、半圆角度器、齿轮传动器和准静态力加载器；悬臂梁的一端与半圆角度器固定连接；拉压传感器的上、下端各连接一根连接线，上端连接线的另一端绕过悬臂梁与齿轮传动器相连，下端连接线的另一端与待测的粘附物相连，粘附物固定于附着基上；拉压传感器通过数据线与拉压传感器数据采集器相连；齿轮传动器的下方连接沙盒。

2.如权利要求1所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述悬臂梁由两支平行的悬臂组成，其中一端通过连接块将两支悬臂连接，另一端通过中轴将悬臂梁与半圆角度器连接。

3.如权利要求1所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述悬臂梁的一端设置滑轮，通过中轴与悬臂梁和半圆角度器固定连接，悬臂梁的另一端在靠近连接块处设置至少一个定滑轮，所述连接线绕过悬臂梁上的滑轮和定滑轮再与齿轮传动器相连。

4.如权利要求1所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述悬臂梁上沿着两支悬臂平行设有两组或两组以上的小孔，用于调节定滑轮的位置；所述半圆角度器上沿着圆弧平行设有两组或两组以上的小孔，用于调节悬臂梁和半圆角度器的相对位置；所述底板上设有四个以上小孔，用于调节所述附着基在底板上的相对位置。

5.如权利要求1所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述齿轮传动器包括一个重物加载轮和一个齿轮组，齿轮组至少由两个齿轮组成，重物加载轮和齿轮组之间通过齿轮轴连接。

6.如权利要求5所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述重物加载轮设有两个以上不同半径的轮片，所述沙盒连接在重物加载轮的轮片上。

7.如权利要求1所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述准静态力加载器为上、下两端开口的容器，且下端开口对准所述沙盒；所述准静态力加载器的下端开口附近设有一段可调节角度的通道。

8.如权利要求1所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述拉压传感器数据采集器连接计算机，对测量数据进行进一步分析。

9.如权利要求1所述的一种准静态加载测量粘附力的装置，其特征在于，所述连接线是钢丝或钢绳。

10.利用权利要求1-9任一项所述的准静态加载测量粘附力的装置测量粘附力的方法，包括如下步骤：

第一步，先将一根连接线的一端通过固定装置固定于待测的粘附物上，将另一端固定连接在拉压传感器的下端；再将第二根连接线的一端固定连接在拉压传感器的上端，将另一端绕过悬臂梁上的定滑轮和滑轮连接到齿轮传动器的齿轮轴上，完成绕线工作；

第二步，将拉压传感器的数据线与拉压传感器数据采集器相连，再将数据采集器连接到计算机上；

第三步，调节悬臂梁至合适的角度后用标准件螺钉固定在半圆角度器上；

第四步，向准静态力加载器中添加能够连续流动重物，重物会通过准静态力加载器均匀而连续地流向沙盒，沙盒中的重量变化作用于齿轮传动器，再通过连接线绕过悬臂梁依次作用于拉压传感器、粘附物从而完成测量，记录和分析采集到的数据即可。