CN106769632A - 一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备及方法，它涉及一种评价抗覆冰能力的设备及方法。现有用于测量冰体与接触界面粘结力的实验设备及方法中，无法测定不同厚度冰体与接触界面粘结力，无法满足高效准确的反映出弹性涂层的弹性变形能力对破冰效果影响的问题。本发明中的设备包括立柱、支架、球体、记录装置、底座、基体、冰体和弹性涂层，支架一端设在立柱上，球体设在支架上，基体设在底座上，弹性涂层设在基体上，冰体设在弹性涂层上，记录装置设在立柱或支架上；本发明中方法包括十二个步骤，通过球体多次撞击测试试样，根据冰体质量损失率公式得到冰体多次受撞击后的质量损失率。本发明用于低冰点弹性涂层抗覆冰能力的实验过程中。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备及方法。
背景技术
我国气候冬夏分明，位于北温带和亚热带，大部分地区属于冰雪多发地区，尤其是在东北、西北、华北等冬季积雪地区。冬季降雪和冰冻严重影响了公路的正常运营，路面积雪结冰给交通和出行带来了极大的不便，导致交通事故频发，特别是在初冬和初春季节，路面积雪在车辆荷载和温度变化的重复作用下，在路面表面极易形成薄冰，给道路交通安全带来隐患。
除此之外，随着中国列车的提速，动车组的大规模发展，人们对铁路交通安全的重视程度越来越高。铁路交通的安全性高一直是铁路运输的重要优势，只有多方面考虑安全问题，尽可能降低运输过程中产生的安全隐患，才能保持和巩固铁路运输的优势地位。在我国东北部，冬季室外气温常常在零下二十摄氏度，有时甚至达到零下三十摄氏度这样的低温，列车长时间运行在这种环境中，特别是在雨雪天气后，积雪结冰现象在所难免。虽然铁路交通的运行比公路交通不易受到气候的影响，但是列车在冰雪天气运行时仍会存在安全隐患。列车结冰有可能导致轨道交通延误，严重的积雪覆冰甚至导致列车停运和损坏。
冰雪容易堆积在列车底盘和转向架上面，如果不及时清除，可能会造成列车刹车系统和轴承部件的故障。冰雪附着还可能会破坏车钩、车厢电缆，严重时甚至导致列车的报废，给客货运输带来不便。同时还可能对交通设施造成严重破坏，造成建设单位巨大的经济损失。传统的列车除冰方式是将列车拖入维修车间，然后用加热的气体或液体对冰层进行喷射使之融解。有时甚至采用人工敲打的方式直接敲碎并清除附着在列车表面、车底的冰层。这些方式不仅耗费大量的人力物力，而且在除冰效果以及除冰速率方面都不尽人意。
在不同领域有不同的除冰方式。例如飞机除冰有先进的红外线除冰，电磁脉冲除冰等方法；路面和铁路机车除冰有人工清除法，机械除冰雪，撒布融雪剂，抑制冻结铺装技术和喷涂低冰点弹性涂层等方法。
近年来，抑制冻结铺装技术和喷涂低冰点弹性涂层成为一种新型除冰技术日趋发展起来，两种技术均是利用特殊材料的变形能力较强的特性，通过在外荷载作用下产生的自应力，使表面冰层破碎，从而有效地抑制积雪和覆冰现象。此类方法的优点是弹性除冰涂层利用其自身的弹性和冰与界面之间力学性能的差异进行除冰，不仅可以使冰面破碎，还能使冰层和界面分离，除冰效果彻底。利用低冰点弹性涂层自身的弹性和变形在荷载作用下进行除冰，克服了化学除冰雪方式造成的环境污染，而且除冰的同时不影响正常交通。
因此，评价新技术有效性的方法就显得尤为重要。目前，对于低冰点弹性涂层抗覆冰的评价方法有拉拔实验等测试方法，但是现有方法不能测量出不同厚度冰体情况下与接触界面粘结力，无法准确的反映出涂层的弹性变形能力对破冰效果的影响，也无法反应出在实际除冰过程中冲击力对除冰效果的影响。总之，传统列车除冰方式操作步骤冗余且耗时费力，由于除冰过程简单且粗暴，导致除冰工作对列车刹车系统、轴承部件或其他重要部件伤害严重，甚至导致报废，缺少有效评价方法对列车除冰进行指导，难以实现合理有效地除冰方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备及方法，以解决现有用于测量冰体与接触界面粘结力的实验设备及方法中，无法测定不同厚度冰体与接触界面粘结力，无法满足高效准确的反映出弹性涂层的弹性变形能力对破冰效果影响的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备，它包括立柱、支架、球体、记录装置、底座、基体、冰体和弹性涂层，所述底座水平设置，所述立柱竖直设置在底座上，所述支架位于底座的正上方且其一端设置在立柱上，支架沿立柱的高度方向往复运动，球体设置在支架上，基体设置在底座上，弹性涂层设置在基体上，冰体设置在弹性涂层上，所述记录装置设置在立柱或支架上且其记录端朝向冰体设置。
利用具体实施方式一所述的设备实现的评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：在基体上喷涂弹性涂层；
步骤二：模拟实际工况，启动制冷设备，使弹性涂层表面结冰形成冰体，带有弹性涂层和冰体的基体作为测试试样；
步骤三：检查并确保底座水平设置，安装记录装置；
步骤四：将步骤二中得到的测试试样进行称重，称得的质量为m0，然后将测试试样放到底座上，设定测试试样的中心点为O，确保测试试样的中心点O与球体的中心处于同一垂线上，选定中心点O为第一撞击点，调整支架至试验要求的指定高度并固定，将记录装置连接电脑，调整记录装置的位置并确保记录装置的记录端朝向冰体设置，开启录像模式；
步骤五：使球体自由下落至测试试样的表面；
步骤六：移除球体，将测试试样的破损面进行翻转使冰体朝下，清除已脱离弹性涂层表面的碎冰，然后称量清除碎冰后的测试试样的质量，称得的质量为m1；
步骤七：将测试试样再次放在底座上，在测试试样的一端处选取一点为第二撞击点A，第二撞击点A与中心点O之间的距离为测试试样长度的1/4～1/3，调整支架或测试试样的位置使第二撞击点A与球体的中心处于在同一垂线上；
步骤八：重复操作步骤五和步骤六进行二次撞击，二次撞击完成后，对二次撞击后的测试试样的质量进行称量，称得的质量为m2；
步骤九：将测试试样再次放在底座上，在测试试样的另一端处选取一点为第三撞击点B，第三撞击点B与中心点O之间的距离为测试试样长度的1/4～1/3，调整支架或测试试样的位置使第三撞击点B与球体的中心处于在同一垂线上；
步骤十：重复操作步骤五和步骤六进行三次撞击，三次撞击完成后，对三次撞击后的测试试样的质量进行称量，称得的质量为m3，同理在测试试样上选取其他撞击点，进行N次撞击；
步骤十一：设定冰体在球体第1次撞击后的质量损失率为LI1，冰体在球体第1次撞击后的质量损失率为LI1，冰体在球体第2次撞击后的质量损失率为LI2，冰体在球体第3次撞击后的质量损失率为LI3，冰体在球体第N次撞击后的质量损失率为LIN，分别计算冰体在球体第1次、第2次、第3次至第N次撞击后的质量损失率，质量损失率越大，则弹性涂层的抗覆冰能力越强；
冰体的质量损失率的计算公式如下：
第一次撞击的质量损失率：
第二次撞击的质量损失率：
第三次撞击的质量损失率：
第N次撞击的质量损失率：
步骤十二：打开记录装置录制的视频，逐一测量球体每次下落后冰体表面的出现各条裂缝的长度，计算出各条裂缝的长度之和为该次撞击形成裂缝总长度C，裂缝总长度C越大，则表明弹性涂层的抗覆冰能力越强。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明有效解决了现有方法或装置仅能测量冰与界面粘结力以及现有方法无法满足可以高效准确的反映出弹性涂层的弹性变形能力对破冰效果影响的问题。
本发明能够在不同弹性涂层材料下形成不同厚度的冰，并测量该种冰与不同材料粘结程度，从而为机械法除冰系统提供技术支持。同时，本发明还能准确的反映出涂层的弹性变形能力对破冰效果的影响.
本发明设备的结构设计简单且使用方便，本发明的方法操作简单且评价评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的准确性高，能够为不同种类低冰点弹性涂层除冰法提供有利技术支持。本发明能够有效反应出在实际除冰过程中冲击力对除冰效果的影响，具有显著的进步意义。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明中设备的主视结构示意图；
图2为球体投放用板9的俯视结构示意图；
图3为球体投放用板9的立体结构示意图；
图4为球体投放用板9与测试试样之间工作位置关系的示意图；
图5为图1中D处的放大示意图；
图6为球体投放用板9与支架2之间连接关系的俯视结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到实现效果的技术过程能够充分理解并据以实施，需要说明的是，只要不构成冲突，本发明的各个实施例以及各个实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式包括立柱1、支架2、球体3、记录装置4、底座5、基体6、冰体7和弹性涂层8，所述底座5水平设置，所述立柱1竖直设置在底座5上，所述支架2位于底座5的正上方且其一端设置在立柱1上，支架2沿立柱1的高度方向往复运动，球体3设置在支架2上，基体6设置在底座5上，弹性涂层8设置在基体6上，冰体7设置在弹性涂层8上，所述记录装置4设置在立柱1或支架2上且其记录端朝向冰体7设置。
本实施方式中球体3为钢球，钢球的质量根据实验的具体要求选定。
本实施方式中基体6为矩形，冰体7的形状与基体6的形状相配合，弹性涂层8的外形与冰体7的形状一致。
本实施方式中冰体7厚度的取值范围为0.3cm-2.5cm，最佳取值为1cm。冰体7厚度取值由弹性涂层8的材料及厚度决定。在实验指定的动能条件下，冰体7厚度随弹性涂层8厚度的增加而增加，但当冰体厚度超过3cm的时候，即使弹性涂层厚度再增加，除冰效果无明显差别。
本实施方式中弹性涂层8的材料为可大变形、可小变形或其他具有弹性的软质材料，例如液体丁腈、低丙烯丁腈橡胶、PVC合金胶或其他柔性材料均可，根据实验的具体要求选定弹性涂层8的种类即可。
本实施方式中基体6的材料为钢板、铁板或其他硬质材料制成的板体。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中所述立柱1上加工有刻度。刻度的标记有效显示出支架2的上升和下落高度，能够有效记录支架2的位移距离。
具体实施方式三：结合图1、图2、图3、图4和图6说明本实施方式，本实施方式中支架2上设置球体投放用板9，所述球体投放用板9沿其板厚方向加工有中心孔9-1和多个矫位孔9-2，所述中心孔9-1正对于冰体7的中心设置，多个矫位孔9-2均朝向冰体7设置。
本实施方式中球体投放用板9上的中心孔9-1和多个矫位孔9-2是为了配合球体3而设置。中心孔9-1和多个矫位孔9-2均为球体3的定位通过孔，起到有效辅助球体3从指定位置落下并撞击冰体7的指定位置。多个矫位孔9-2分别位于中心孔9-1的两侧。对球体3的下落位置起到准确的引导作用，矫正球体3的下落位置，有效防止球体3下落位置发生偏移的问题发生。
本实施方式中球体投放用板9的形状与冰体7的形状相一致。其他结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，本实施方式中所述支架2为伸缩式支架，所述支架2沿底座5长度方向作出收缩或伸展动作。
本实施方式中支架2设置为伸缩式支架有利于提高本发明中设备整体的灵活性。更加便于准确且有效地进行撞击实验。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式中记录装置4为摄像头。其他能够实现记录撞击过程中冰体7出现裂缝影像的装置均可。其他结构及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述方法包括以下步骤：
步骤一：在基体6上喷涂弹性涂层8；
步骤二：模拟实际工况，启动制冷设备，使弹性涂层8表面结冰形成冰体7，带有弹性涂层8和冰体7的基体6作为测试试样；
步骤三：检查并确保底座5水平设置，安装记录装置4；
步骤四：将步骤二中得到的测试试样进行称重，称得的质量为m0，然后将测试试样放到底座5上，设定测试试样的中心点为O，确保测试试样的中心点O与球体3的中心处于同一垂线上，选定中心点O为第一撞击点，调整支架2至实验要求的指定高度并固定，将记录装置4连接电脑，调整记录装置4的位置并确保记录装置4的记录端朝向冰体7设置，开启录像模式；
步骤五：使球体3自由下落至测试试样的表面；
步骤六：移除球体3，将测试试样的破损面进行翻转使冰体7朝下，清除已脱离弹性涂层8表面的碎冰，然后称量清除碎冰后的测试试样的质量，称得的质量为m1；
步骤七：将测试试样再次放在底座5上，在测试试样的一端处选取一点为第二撞击点A，第二撞击点A与中心点O之间的距离为测试试样长度的1/4～1/3，调整支架2或测试试样的位置使第二撞击点A与球体3的中心处于在同一垂线上；
步骤八：重复操作步骤五和步骤六进行二次撞击，二次撞击完成后，对二次撞击后的测试试样的质量进行称量，称得的质量为m2；
步骤九：将测试试样再次放在底座5上，在测试试样的另一端处选取一点为第三撞击点B，第三撞击点B与中心点O之间的距离为测试试样长度的1/4～1/3，调整支架2或测试试样的位置使第三撞击点B与球体3的中心处于在同一垂线上；
步骤十：重复操作步骤五和步骤六进行三次撞击，三次撞击完成后，对三次撞击后的测试试样的质量进行称量，称得的质量为m3，同理在测试试样上选取其他撞击点，进行N次撞击；
步骤十一：设定冰体7在球体3第1次撞击后的质量损失率为LI1，冰体7在球体3第1次撞击后的质量损失率为LI1，冰体7在球体3第2次撞击后的质量损失率为LI2，冰体7在球体3第3次撞击后的质量损失率为LI3，冰体7在球体3第N次撞击后的质量损失率为LIN，分别计算冰体7在球体3第1次、第2次、第3次至第N次撞击后的质量损失率，质量损失率越大，则弹性涂层的抗覆冰能力越强；
冰体7的质量损失率的计算公式如下：
第一次撞击的质量损失率：
第二次撞击的质量损失率：
第三次撞击的质量损失率：
第N次撞击的质量损失率：
步骤十二：打开记录装置4录制的视频，逐一测量球体3每次下落后冰体7表面的出现各条裂缝的长度，计算出各条裂缝的长度之和为该次撞击形成裂缝总长度C，裂缝总长度C越大，则表明弹性涂层的抗覆冰能力越强。
本方法中的步骤五、八和十中还设置有球体投放用板7以纠正和定位球体3的撞击位置。
本方法中球体3在第1次撞击冰体7后，冰体表面形成的裂缝总长度为C1，球体3在第2次撞击冰体7后，冰体表面形成的裂缝总长度为C2，球体3在第3次撞击冰体7后，冰体表面形成的裂缝总长度为C3，球体3在第N次撞击冰体7后，冰体表面形成的裂缝总长度为CN。
结合本发明的实施例：
实施例一：利用本发明分别对三种工况：底面为纯钢板、底面为可小变形的低冰点弹性涂层、底面为可大变形的低冰点弹性涂层，进行对本发明的效果验证。上述三种工况的冰体7厚度均为0.5cm，基体6尺寸为10cm×20cm，支架2高度为50cm，球体3质量为200g。严格按照相同的实验操作程序进行效果验证，对低冰点弹性涂层抗覆冰能力进行评价。实验结果如下表所示：
为对比验证本发明评价指标的准确性及优越性，进行了原实验方法的对比，原实验方法为拉拔实验。相同地，分别对三种工况：底面为纯钢板、底面为可小变形的低冰点弹性涂层、底面为可大变形的低冰点弹性涂层，使用旧实验方法进行效果验证。三种工况的冰体厚度均为0.5cm，同样地，严格按照相同的实验操作程序进行效果验证，对低冰点弹性涂层抗覆冰能力进行评价。实验结果如下表所示：
| 拉拔力MPa | |
| 纯钢板 | 3.9 |
| 小变形涂层 | 2.1 |
| 大变形涂层 | 1.8 |
利用本发明测试出的评价指标可以看出，大变形低冰点弹性涂层抗覆冰能力强于低冰点小变形弹性涂层，远强于纯钢板抗覆冰能力。除此之外，本发明还可以通过不同质量的钢球有效测量出在实际除冰过程中冲击力对除冰效果的影响。而在旧实验方法中，测试钢球与冰体7的拉拔力时，拉拔断裂面为冰体7中部而并非钢板与冰的接触界面处断裂，不仅无法准确评价刚性涂层和弹性涂层之间抗覆冰能力的差异，也无法显著分辨出不同涂层间的抗覆冰能力，还无法快速评价外界冲击力对除冰效果的影响。
因此由上述实际实验可以证明，本发明在快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力上有着显著的准确、客观性，具有进步意义。
Claims (6)
1.一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备，其特征在于：它包括立柱(1)、支架(2)、球体(3)、记录装置(4)、底座(5)、基体(6)、冰体(7)和弹性涂层(8)，所述底座(5)水平设置，所述立柱(1)竖直设置在底座(5)上，所述支架(2)位于底座(5)的正上方且其一端设置在立柱(1)上，支架(2)沿立柱(1)的高度方向往复运动，球体(3)设置在支架(2)上，基体(6)设置在底座(5)上，弹性涂层(8)设置在基体(6)上，冰体(7)设置在弹性涂层(8)上，所述记录装置(4)设置在立柱(1)或支架(2)上且其记录端朝向冰体(7)设置。
2.根据权利要求1所述的一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备，其特征在于：所述立柱(1)上加工有刻度。
3.根据权利要求1所述的一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备，其特征在于：支架(2)上设置球体投放用板(9)，所述球体投放用板(9)沿其板厚方向加工有中心孔(9-1)和多个矫位孔(9-2)，所述中心孔(9-1)正对于冰体(7)的中心设置，多个矫位孔(9-2)均朝向冰体(7)设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备，其特征在于：所述支架(2)为伸缩式支架，所述支架(2)沿底座(5)长度方向作出收缩或伸展动作。
5.根据权利要求4所述的一种快速评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的设备，其特征在于：记录装置(4)为摄像头。
6.利用权利要求1所述的设备实现的评价低冰点弹性涂层抗覆冰能力的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：在基体(6)上喷涂弹性涂层(8)；
步骤二：模拟实际工况，启动制冷设备，使弹性涂层(8)表面结冰形成冰体(7)，带有弹性涂层(8)和冰体(7)的基体(6)作为测试试样；
步骤三：检查并确保底座(5)水平设置，安装记录装置(4)；
步骤四：将步骤二中得到的测试试样进行称重，称得的质量为m0，然后将测试试样放到底座(5)上，设定测试试样的中心点为O，确保测试试样的中心点O与球体(3)的中心处于同一垂线上，选定中心点O为第一撞击点，调整支架(2)至试验要求的指定高度并固定，将记录装置(4)连接电脑，调整记录装置(4)的位置并确保记录装置(4)的记录端朝向冰体(7)设置，开启录像模式；
步骤五：使球体(3)自由下落至测试试样的表面；
步骤六：移除球体(3)，将测试试样的破损面进行翻转使冰体(7)朝下，清除已脱离弹性涂层(8)表面的碎冰，然后称量清除碎冰后的测试试样的质量，称得的质量为m1；
步骤七：将测试试样再次放在底座(5)上，在测试试样的一端处选取一点为第二撞击点A，第二撞击点A与中心点O之间的距离为测试试样长度的1/4～1/3，调整支架(2)或测试试样的位置使第二撞击点A与球体(3)的中心处于在同一垂线上；
步骤八：重复操作步骤五和步骤六进行二次撞击，二次撞击完成后，对二次撞击后的测试试样的质量进行称量，称得的质量为m2；
步骤九：将测试试样再次放在底座(5)上，在测试试样的另一端处选取一点为第三撞击点B，第三撞击点B与中心点O之间的距离为测试试样长度的1/4～1/3，调整支架(2)或测试试样的位置使第三撞击点B与球体(3)的中心处于在同一垂线上；
步骤十：重复操作步骤五和步骤六进行三次撞击，三次撞击完成后，对三次撞击后的测试试样的质量进行称量，称得的质量为m3，同理在测试试样上选取其他撞击点，进行N次撞击；
步骤十一：设定冰体(7)在球体(3)第1次撞击后的质量损失率为LI1，冰体(7)在球体(3)第1次撞击后的质量损失率为LI1，冰体(7)在球体(3)第2次撞击后的质量损失率为LI2，冰体(7)在球体(3)第3次撞击后的质量损失率为LI3，冰体(7)在球体(3)第N次撞击后的质量损失率为LIN，分别计算冰体(7)在球体(3)第1次、第2次、第3次至第N次撞击后的质量损失率，质量损失率越大，则弹性涂层的抗覆冰能力越强；
冰体(7)的质量损失率的计算公式如下：
第一次撞击的质量损失率：
第二次撞击的质量损失率：
第三次撞击的质量损失率：
第N次撞击的质量损失率：
步骤十二：打开记录装置(4)录制的视频，逐一测量球体(3)每次下落后冰体(7)表面的出现各条裂缝的长度，计算出各条裂缝的长度之和为该次撞击形成裂缝总长度CN，裂缝总长度CN越大，则表明弹性涂层的抗覆冰能力越强。
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