CN108181233A - 一种材料表面动态成冰粘附力测定方法及其装置 - Google Patents

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    • G01N19/04—Measuring adhesive force between materials, e.g. of sealing tape, of coating

Abstract

本发明公开了一种材料表面动态成冰粘附力测定方法及其装置，目的在于解决在进行成冰粘附强度测定时，静态成冰法与实际作业环境结冰的结构、强度相差很大，而采用动态成冰法进行测量时，力的作用面比冰粘附面积小很多，由于冰本就十分脆弱，很容易还未推动就破碎，会出现无法测量的问题。该装置包括电机、悬臂、转速测定装置、转速显示器、高速摄像机，悬臂的两端分别设置有连接件。本发明在测试时保证了动态结冰的完整性，既满足了对真实结冰的仿真度要求，又能满足对结冰试件强度保护的要求。同时，本发明的测量装置构思巧妙，设计合理，结构简单，易于维护。经实际测试，本发明能够满足动态成冰粘附力测定需求，测定结果准确，可重复性好。

Description

一种材料表面动态成冰粘附力测定方法及其装置
技术领域
本发明涉及材料表面冰粘附力测定领域，具体为一种材料表面动态成冰粘附力测定方法及其装置。本发明提出一种测量材料表面冰层粘附力的测试方法，及用于该方法的装置，其能够用于测试评价在结冰风洞中材料表面结冰的粘附强度。
背景技术
当飞机在低于结冰温度的高空飞行时，其表面产生的结冰将破坏周边气流流场的平顺度，在增加阻力的同时，显著降低气流对机翼提供的升力，对飞行安全构成极大威胁。
风力机在寒冷气候环境下运行时，如果遇到含有过冷水滴的气流，或遭遇雨雪天气，叶片、轮毂、机舱、塔架、风速风向仪等部件表面会发生结冰现象。风机桨叶表面结冰会造成气体动力学外形的改变，进而导致机组运行效率降低，输出功率大幅减小，并导致电网的稳定性受到很大影响。同时，不均匀的结冰还会导致转子的失衡，造成系统振动，严重时甚至可能发生桨叶疲劳断裂的事故，对周围区域公共安全构成严重威胁。
为了应对结冰问题，飞机、风力发电机往往需要耗费大量的能源在防除冰系统上，这导致用于动力部分的能源受到一定的限制。由于现阶段对冰粘附机理的研究还不全面，为保证系统运行安全性，防除冰系统往往会统一按照最大功率进行防除冰作业，这无疑导致了大量的能源浪费。因此，需要对动态环境所成冰粘附强度有一定了解，以设计具备足够性能且经济的防除冰控制系统。
面对产业的这种需求，现有的研究主要采用两种主流测量方案：(1)静态成冰，成冰装置的形状为倒立圆台，其通过由外壳部分向冰块侧面传递的粘附力与压力来使冰脱离；(2)动态成冰，在绕轴旋转圆柱的表面结冰，使用大一圈的套筒推动表面的冰层。其中，静态成冰法只能测量静态环境的结冰，与实际作业环境结冰的结构、强度相差很大；而采用动态成冰法进行测量时，力的作用面比冰粘附面积小很多，由于冰本就十分脆弱，很容易还未推动就破碎，从而导致无法测量。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对在进行成冰粘附强度测定时，静态成冰法与实际作业环境结冰的结构、强度相差很大，而采用动态成冰法进行测量时，力的作用面比冰粘附面积小很多，由于冰本就十分脆弱，很容易还未推动就破碎，会出现无法测量的问题，提供一种材料表面动态成冰粘附力测定方法及其装置。针对现有测量设备的缺陷，本发明提出了一种测量冰与材料表面粘附力的实验装置。本发明在测试时保证了动态结冰的完整性，既满足了对真实结冰的仿真度要求，又能满足对结冰试件强度保护的要求。同时，本发明的测量装置构思巧妙，设计合理，结构简单，易于维护。经实际测试，本发明能够满足动态成冰粘附力测定需求，测定结果准确，可重复性好。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种材料表面动态成冰粘附力测定方法，包括如下步骤：
(1)分别以待测定材料制作待测试件、配重块，所述待测试件包括连接部、用于结冰粘附的结冰部，所述结冰部设置在连接部上，所述连接部上设置有螺纹连接孔；
(2)测定待测试件的质量后，将待测试件放入结冰风洞中，进行结冰模拟；
(3)当待测试件结冰完成后，称取粘附冰的待测试件的质量，计算得到冰的质量m；
(4)在悬臂中心位置设置电机，电机的转轴与悬臂相连且电机能带动悬臂的两端实现等臂转动；再选取与粘附冰的待测试件质量相近或相等的配重块，将粘附冰的待测试件、选取的配重块对称设置在悬臂的两端；
(5)启动电机，并通过电机带动悬臂加速旋转，通过高速摄像机对待测试件进行监测，并测定悬臂的实时转速；
(6)当待测试件上的冰脱落后，停止悬臂转动；
(7)基于高速摄像机的监测画面和对应的悬臂实时转速，得到冰脱落时的转速ω；
(8)根据如下公式(I)计算冰对待测定材料的离心力F，
F＝mω2r (I)，
式(I)中，m为冰的质量，ω为转速，r为单边旋臂长度；
基于冰对待测定材料的离心力F，根据如下公式(II)计算待测材料的粘附强度σ，
式(II)中，A为冰在待测试件上的粘附面积。
所述待测试件的剖面呈T型，所述结冰部呈矩形或圆形或椭圆形。
所述连接部与结冰部连接为一体。
所述结冰部表面呈正方形，冰在待测试件上的粘附面积即为连接部的表面面积。
所述结冰部通过螺杆或螺栓与悬臂相连，所述结冰部上用于粘附冰的表面所在平面与水平面之间的夹角为0°～90°。
所述配重块为若干个。进一步，所述配重块为至少两个且配重块的质量从小到大增加。
所述步骤(5)中，采用光电传感器测定悬臂的实时转速。
通过图像分析得到冰脱离时的图像帧，并记录画面中显示的实时转速ω。
还包括与光电传感器相连的转速显示器，所述转速显示器、待测试件位于高速摄像机的视野内。
所述待测试件涂覆有防水高分子膜，或待测试件内嵌入有加热丝。
用于前述方法的装置，包括电机、与电机转轴相连的悬臂、对悬臂转速进行测定的转速测定装置、转速显示器、用于对待测试件进行监测的高速摄像机，所述悬臂的两端分别设置有用于与配重块、待测试件相连的连接件，所述悬臂两端与旋转中心的距离相等；
所述转速显示器与转速测定装置相连且转速显示器能实时显示转速测定装置测定的转速。
所述连接件为设置在悬臂两端的凹槽。
所述测定测装置为对射式光电传感器。
还包括与高速摄像机相连的控制系统，所述控制系统内设置有图像识别模块且图像识别模块能自动识别冰脱离时的帧画面。
针对前述问题，本发明提供一种材料表面动态成冰粘附力测定方法及其装置，其是一种在动态模拟结冰环境下，材料表面所成结冰的粘附力的测量方法及装置。在一个具体实例中，其包括如下步骤。
(a)分别采用待测定材料制作待测试件、配重块，每组实验采用4个以上的平行样。其中，待测试件包括连接部、用于结冰粘附的结冰部，结冰部设置在连接部上，连接部上设置有螺纹连接孔。该结构中，连接部主要用于与悬臂相连，结冰部用于在表面形成结冰。
进一步，待测试件的剖面呈T型，结冰部呈矩形或圆形或椭圆形。采用该方式，待测试件的结构简单，易于制作，能够满足实验室批量制作的需求。结冰部表面呈正方形，冰在待测试件上的粘附面积即为连接部的表面面积。
配重块为若干个，且配重块的质量从小到大增加。
(b)测定待测试件的质量后，将待测试件放入结冰风洞中，设定参数后，进行结冰模拟。该步骤中，主要用于在待测试件的结冰部表面形成结冰。
(c)当待测试件结冰完成后，称取粘附冰的待测试件的质量，计算得到冰的质量m。该步骤中，通过待测试件前后的质量差，即可计算得到冰的质量m。
(d)在悬臂中心位置设置电机，电机的转轴与悬臂相连，电机带动悬臂的两端实现等臂转动。再选取与粘附冰的待测试件质量相近或相等的配重块，将粘附冰的待测试件、选取的配重块对称设置在悬臂的两端。即配重块与悬臂一端的连接件相连，待测试件与悬臂另一端的连接件相连。本申请中，选取与粘附冰的待测试件质量相近或相等的配重块即可。
其中，结冰部通过螺杆或螺栓与悬臂相连，结冰部上用于粘附冰的表面所在平面与水平面之间的夹角为0°～90°。即本发明中，将粘附冰的待测试件与配重块对称安装在旋臂两端，角度可在0°(测切向粘附力)到90°(测法向粘附力)之间变动，从而更好的满足测定需求。
(e)启动电机，并通过电机带动悬臂加速旋转，通过高速摄像机对待测试件进行监测，并测定悬臂的实时转速，即角速度ω。当待测试件上的冰脱落后，停止悬臂转动。
(f)清理实验区域，更换下一个待测试件，重复前述步骤，至测试完成。
慢速播放图像，需要判断脱落时逐帧播放，记录脱落时的转速。根据如下公式(I)计算冰对待测定材料的离心力F，
F＝mω2r (I)，
式(I)中，m为冰的质量，ω为转速，r为单边旋臂长度；
基于冰对待测定材料的离心力F，根据如下公式(II)计算待测材料的粘附强度σ，
式(II)中，F为上式计算所得离心力，A为冰在待测试件上的粘附面积。
进一步，本发明提供一种用于前述方法的装置。
申请人综合分析，现有技术所存在的优缺点，采用动态结冰的材料制作待测试件，采用离心旋转的方法来间接获取冰对材料表面的粘附力，有效避免测量半途对冰结构的破坏。考虑到现在市面上民用调速电机采用的调速方式基本为无极调速模式，很难精确测量某时刻的实时转速。为此，本申请中采用了对射式光电传感器侦测电机的实时转速，并在屏幕上输出以便图像捕捉，也可采用轴转速传感器获取，但考虑到应尽量使安装过程简化，传感器与电机部分独立安装显然更具优势。
同时，本发明能在材料表面从切向(0°)到法向(90°)中任意角度产生的粘附力值，配置方便，利用电力信号控制精准，操作简单，测量动态结冰粘附强度的效果很好。
进一步，待测试件涂覆有防水高分子膜，或待测试件内嵌入有加热丝。同时，本发明中还可加入图像识别技术，自动识别冰脱离时的帧画面，节省人力和时间。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明在测试时保证了动态结冰的完整性，既满足了对真实结冰的仿真度要求，又满足了对结冰试件强度保护的要求，能够有效克服现有技术所存在的缺陷；
(2)基于结构的改进，本发明的测试方法能测量任意角度的结冰粘附强度，设备组成简单，成本低廉；
(3)本发明中采用光电传感器获取实时转速的方法，在无需为电机带来额外负荷的前提下，能达到高精度的测量数据，不影响系统的稳定性，且数据可重复性好；
(4)本发明的方法具有较高的通用性，通过选择相应的传感器，调整装置的尺寸，选用相应转速的电机，即可满足相应的测试需求；
(5)进一步，本申请的实验装置具有较好的扩展性，可在待测试件上涂覆防水高分子膜，或嵌入加热丝模拟加热过程，还可加入图像识别技术，自动识别冰脱离时的帧画面，节省人力和时间；
(6)本发明构思巧妙，设计合理，结构简单，使用方便，易于维护，可重复性好，能够满足动态成冰粘附力测定需求，具有较高的应用价值。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为待测试件的结构示意图。
图2为悬臂的结构示意图。
图3为法向粘附力测量装配示意图。
图4为切向粘附力测量装配示意图。
图5为整体装配结构示意图。
图中标记：1、转轴，2、配重块，3、待测试件，4、转速测定装置，5、转速显示器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例中采用的装置如图所示，其包括电机、悬臂、转速测定装置、转速显示器、高速摄像机。其中，电机的转轴与悬臂相连，悬臂的两端对称设置有连接件。本实施例中，连接件为设置在悬臂末端的凹槽。如图所示，将配重块、待测试件对称设置在悬臂的两端，配重块、待测试件分别与悬臂的凹槽(即凹形连接槽)相连。同时，悬臂两端与旋转中心的距离相等。
本实施例中，配重块、待测试件分别采用待测定材料进行制作。如图所示，待测试件包括连接部、用于结冰粘附的结冰部，待测试件的剖面呈T型，结冰部表面呈矩形。
进一步，转速测定装置对悬臂转速进行测定。本实施例中，测定测装置采用对射式光电传感器；对射式光电传感器的发射端、接收端分别设置在悬臂的两侧。同时，转速显示器与转速测定装置相连，通过转速显示器能实时显示转速测定装置测定的转速。而在悬臂带动待测试件转动的过程中，高速摄像机能对悬臂进行实时摄像，转速显示器也位于高速摄像机的测定范围内。
进一步，该装置还包括与高速摄像机相连的控制系统，控制系统内设置有图像识别模块且图像识别模块能自动识别冰脱离时的帧画面。
根据需要，待测试件上还可涂覆防水高分子膜，或在待测试件内嵌入有加热丝。
在一个具体实例中，结冰部表面呈正方形，长、宽分别采用12mm，结冰部厚1mm；连接板的长、宽、高分别为10mm、4mm、4mm。悬臂整长400mm，悬臂末端的凹槽的长、宽、高分别为10mm、10mm、4mm；其中，悬臂与待测试件的连接孔半径为1mm。
实施例1
(1)采用指定材料制备待测试件与配重块：选用7075铝合金作为本次实验的材料，分别加工出4块待测试件、5块配重块，配重块分别比待测试件厚0、2、4、8、10mm。对配重块进行称量，重量依次为1.3、2.1、2.9、5.4、7.5g。
(2)将4个待测试件同时放入冰风洞，设置环境参数，进行结冰。结束取出、称量第一个重量为3.8g，其他待测试件放入冰柜待测。
(3)选用2.9g重的配重块，与待测试件对称安装在旋臂两端，测切向粘附强度，与旋臂的夹角应为0°，开启所有传感器、显示器，确定显示器处于高速摄像机视野内。
(4)开启电机，选择加速旋转，直至冰脱落后，停止电机旋转。
(5)清理实验区域，进行下一个待测试件的实验，直到全部测试完成，关闭设备。
在计算机上筛选冰脱离时的图像，将脱离时数据记如下表1所示。
表1实施例1的测定数据
待测试件编号 1 2 3 4
待测试件含冰重量(g) 3.8 4.0 3.6 3.9
实际结冰重量(g) 2.5 2.7 2.3 2.6
脱离时转速(rpm) 1281 1235 1344 1288
本实施例中，旋转半径r＝0.2m；角速度ω应换算单位为rad/s，即60rpm＝2πrad/s，面积A＝12*12＝144mm2；计算脱离粘附力及强度如下表2所示。
表2实施例1的脱离粘附力及强度
待测试件编号 1 2 3 4
粘附力(N) 9.00 9.03 9.11 9.46
粘附强度(MPa) 0.063 0.063 0.063 0.067
取平均，得到：在实施例1的冰环境参数设置下，冰对7075铝合金表面切向粘附强度为0.064MPa。
实施例2
(1)采用指定材料制备待测试件与配重块：选用聚四氟乙烯作为本次实验的材料，分别加工出4块待测试件、5块配重块，配重块分别比待测试件厚0、2、4、8、10mm。对配重块进行称量，重量分别为1.0、1.7、2.3、4.3、6.0g。
(2)将4个待测试件同时放入冰风洞，设置环境参数，进行结冰。结束取出、称量第一个重量为2.3g，其他待测试件放入冰柜待测。
(3)选用2.3g重的配重块，与待测试件对称安装在旋臂两端，测切向粘附强度，与旋臂的夹角应为0°，开启所有传感器、显示器，确定显示器处于高速摄像机视野内。
(4)开启电机，选择加速旋转，直至冰脱落后，停止电机。
(5)清理实验区域，进行下一个待测试件的实验，直到全部测试完成，关闭全部设备。
(6)在计算机上筛选冰脱离时的图像，记录脱离时数据，如下表3所示。
表3实施例2的测定数据
待测试件编号 1 2 3 4
待测试件含冰重量(g) 2.2 2.4 2.5 2.1
实际结冰重量(g) 1.2 1.4 1.5 1.1
脱离时转速(rpm) 1153 1022 1041 1225
本实施例中，旋转半径r＝0.2m；角速度ω应换算单位为rad/s，即60rpm＝2πrad/s，面积A＝12*12＝144mm2；计算脱离粘附力及强度如下表4所示。
表4实施例2的脱离粘附力及强度
待测试件编号 1 2 3 4
粘附力(N) 3.50 3.20 3.57 3.62
粘附强度(MPa) 0.024 0.022 0.025 0.025
取平均，得到：在实施例2结冰环境参数设置下，冰对聚四氟乙烯材料表面切向粘附强度为0.024MPa。
实施例3
(1)采用指定材料制备待测试件与配重块：选用304不锈钢作为本次实验的材料，分别加工出4块待测试件、5块配重块，将待测试件进行轻度砂纸抛光处理，分别比待测试件厚0、1、2、4、8mm。对配重块进行称量，重量分别为3.8、5.0、6.1、8.5、13.2g。
(2)将4个待测试件同时放入冰风洞，设置环境参数，进行结冰。结束后，取出、称量，第一个重量为6.8g，其他待测试件放入冰柜待测。
(3)选用6.1g重的配重块，与待测试件对称安装在旋臂两端，测切向粘附强度，与旋臂的夹角应为0°，开启所有传感器、显示器，确定显示器处于高速摄像机视野内。
(4)开启电机，选择加速旋转，直至冰脱落后，停止电机。
(5)清理实验区域，进行下一个待测试件的实验，直到全部测试完成，关闭全部设备。
(6)在计算机上筛选冰脱离时的图像，记录脱离时数据，如下表5所示。
表5实施例3的测定数据
待测试件编号 1 2 3 4
待测试件含冰重量(g) 6.0 5.7 5.9 5.9
实际结冰重量(g) 2.2 1.9 2.1 2.1
脱离时转速(rpm) 1865 1932 1881 1854
本实施例中，旋转半径r＝0.2m；角速度ω应换算单位为rad/s，即60rpm＝2πrad/s，面积A＝12*12＝144mm2；计算脱离粘附力及强度如下表6所示。
表6实施例3的脱离粘附力及强度
待测试件编号 1 2 3 4
粘附力(N) 16.78 15.55 16.30 15.83
粘附强度(MPa) 0.12 0.11 0.11 0.11
取平均，得到：在实施例3结冰环境参数设置下，冰对轻度抛光处理304不锈钢材料表面切向粘附强度为0.011MPa。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)分别以待测定材料制作待测试件、配重块，所述待测试件包括连接部、用于结冰粘附的结冰部，所述结冰部设置在连接部上，所述连接部上设置有螺纹连接孔；
(2)测定待测试件的质量后，将待测试件放入结冰风洞中，进行结冰模拟；
(3)当待测试件结冰完成后，称取粘附冰的待测试件的质量，计算得到冰的质量m；
(4)在悬臂中心位置设置电机，电机的转轴与悬臂相连且电机能带动悬臂的两端实现等臂转动；再选取与粘附冰的待测试件质量相近或相等的配重块，将粘附冰的待测试件、选取的配重块对称设置在悬臂的两端；
(5)启动电机，并通过电机带动悬臂加速旋转，通过高速摄像机对待测试件进行监测，并测定悬臂的实时转速；
(6)当待测试件上的冰脱落后，停止悬臂转动；
(7)基于高速摄像机的监测画面和对应的悬臂实时转速，得到冰脱落时的转速ω；
(8)根据如下公式(I)计算冰对待测定材料的离心力F，
F＝mω2r (I)，
式(I)中，m为冰的质量，ω为转速，r为单边旋臂长度；
基于冰对待测定材料的离心力F，根据如下公式(II)计算待测材料的粘附强度σ，
式(II)中，A为冰在待测试件上的粘附面积。
2.根据权利要求1所述材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，所述待测试件的剖面呈T型，所述结冰部呈矩形或圆形或椭圆形。
3.根据权利要求2所述材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，所述结冰部表面呈正方形。
4.根据权利要求1-3任一项所述材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，所述结冰部通过螺杆或螺栓与悬臂相连，所述结冰部上用于粘附冰的表面所在平面与水平面之间的夹角为0°～90°。
5.根据权利要求1所述材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用光电传感器测定悬臂的实时转速。
6.根据权利要求所述材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，通过监测画面得到冰脱落的图像，得到冰脱落时的角速度ω。
7.根据权利要求1-6任一项所述材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，还包括与光电传感器相连的转速显示器，所述转速显示器、待测试件位于高速摄像机的视野内。
8.根据权利要求1所述材料表面动态成冰粘附力测定方法，其特征在于，所述待测试件涂覆有防水高分子膜，或待测试件内嵌入有加热丝。
9.用于前述1-8任一项所述方法的装置，其特征在于，包括电机、与电机转轴相连的悬臂、对悬臂转速进行测定的转速测定装置、转速显示器、用于对待测试件进行监测的高速摄像机，所述悬臂的两端分别设置有用于与配重块、待测试件相连的连接件，所述悬臂两端与旋转中心的距离相等；
所述转速显示器与转速测定装置相连且转速显示器能实时显示转速测定装置测定的转速。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，还包括与高速摄像机相连的控制系统，所述控制系统内设置有图像识别模块且图像识别模块能自动识别冰脱离时的帧画面。
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