CN111948032A - 一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置及其试验方法，涉及一种试验装置及其试验方法。本发明解决了现有试验装置无法模拟室外复杂的气候环境下橡胶与冰冲撞摩擦、接触摩擦试验的问题。本发明的顶板和底板密封安装在有机玻璃筒的两端，试样转动轴安装在有机玻璃筒内，试样转动轴的一端与步进电机的输出轴连接，试样转动轴的另一端转动安装在底板上，被测止水材料通过螺栓安装在试样转动轴上。方法：对止水材料进行安装；向有机玻璃筒内注入防冻液和冰块；模拟止水材料与冰冲撞摩擦的过程；确保试验状态与初始状态相同；试验结束试样取出，进行拉伸强度及断裂伸长率试验，计算拉伸强度及断裂伸长率。本发明用于模拟止水材料与冰冲撞摩擦。

Description

一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置及其试验方法
技术领域
本发明涉及一种试验装置及其试验方法，具体涉及一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置及其试验方法。
背景技术
在寒冷地区，随着环境温度的上升与下降，与止水结构(橡胶盖板)相粘结的冰盖也会随着库水位上升下降，冰盖在反复的爬坡、下滑的过程中，会对橡胶盖板产生冲撞、摩擦，导致破坏，造成止水结构失效。止水结构冰摩擦破坏是制约冬季工程结构安全性的重要指标，如何正确模拟寒区服役条件下的冰摩擦试验是一个有待解决的难题。
目前的测试方法主要是利用将冰块放置在止水结构上，进行反复推动摩擦的方法，无法实现快速测试、有效改变摩擦速率及模拟不同环境下的实验工况，同时，应用目前的测试装置进行冰摩擦试验，无法兼顾模拟冰撞击止水结构真实的方式。
综上所述，现有的橡胶止水材料在与冰冲撞摩擦试验装置无法有效模拟室外复杂的气候环境下橡胶与冰冲撞摩擦、接触摩擦试验问题，不能有效控制摩擦速率模拟撞击强弱，在操作过程中存在诸多不便的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的橡胶止水材料在与冰冲撞摩擦试验装置无法有效模拟室外复杂的气候环境下橡胶与冰冲撞摩擦、接触摩擦试验问题，不能有效控制摩擦速率模拟撞击强弱，在操作过程中存在诸多不便的问题。进而提供了一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置及其试验方法。
本发明的技术方案是一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置及其试验方法，它包括控制箱、开关、转向调节旋钮、转速调节旋钮、转速显示屏、步进电机、轴承座、顶板、有机玻璃筒、多个螺杆、窗盖、试样转动轴、螺栓、底板、底盖、多个螺母和传感器，开关、转向调节旋钮、转速调节旋钮和转速显示屏安装在控制箱上，步进电机安装在控制箱一侧并与控制箱之间通过导线连接，顶板和底板相对设置，有机玻璃筒水平放置，顶板和底板通过多个螺杆和多个螺母将顶板和底板密封安装在有机玻璃筒的两端，有机玻璃筒上安装有窗盖，传感器安装在轴承座内，且传感器与控制箱之间电连接，轴承座安装在步进电机的输出轴上，试样转动轴安装在有机玻璃筒内，试样转动轴的一端与步进电机的输出轴连接，试样转动轴的另一端转动安装在底板上，底盖安装在底板的外端面上，被测止水材料通过螺栓安装在试样转动轴上。
进一步地，被测止水材料为橡胶材料。
进一步地，窗盖11可开启安装在有机玻璃筒9上。
进一步地，顶板8和底板14上均开设凹槽18和轴孔19。
进一步地，多个螺杆10和多个螺母16的数量为4个。
进一步地，顶板8和底板14均为正方形板，4个螺杆10沿正方形板的四角均布设置。
进一步地，轴承座7安装在步进电机6与顶板8之间。
本发明还提了一种使用模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置的试验方法，它包括以下步骤：
步骤一、对止水材料进行安装；
将试验用止水材料通过螺栓固定在试样转动轴12上，装入有机玻璃筒9中；
再将顶板8和底板14通过多个螺杆10和多个螺母16密封固定在有机玻璃筒9的两侧，此时步进电机6的输出轴和试样转动轴12在一条回转轴线上；
步骤二、向有机玻璃筒9内注入防冻液和冰块；
按照试验要求调整冰块及防冻液比例，将冰块、防冻液注入有机玻璃筒9内的回转轴线位置，盖上窗盖11，并将试验装置放入-10℃的负温环境中；
步骤三、模拟止水材料与冰冲撞摩擦的过程；
接通电源，连接控制箱1，开启开关2进行试验，通过转速调节旋钮4来控制并调节试样转动轴12的转速，试样转动轴12的最大转速为367转/min；
在试验时，每间隔2小时，通过转向调节旋钮3调整一次试样转动轴12的转向；
步骤四、当液面上升达到2cm时，将防冻液倒出，使液面回到初始的步进电机6的输出轴和试样转动轴12在一条回转轴线上的试验位置；同时向试验装置内加入冰块，确保试验状态与初始状态相同；
步骤五、试验结束后，将止水材料试样取出，进行拉伸强度及断裂伸长率试验，计算拉伸强度及断裂伸长率，至此完成了模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验。
进一步的，步骤二中向有机玻璃筒9内注入防冻液和冰块的过程如下：
步骤二一：在试验开始时，先将防冻液注入试验装置中，液面保持在有机玻璃筒9的回转轴线位置；
步骤二二：再向试验装置中加入冰块，保证止水材料试样两侧的液面上，均匀的浮动着冰块，冰块将液面填满，且不会堆叠在一起，启动试验装置后，冰块能均匀且充分的与橡胶摩擦撞击。
本发明与现有技术相比具有以下改进效果：
1、本发明能够模拟止水材料(橡胶)与冰冲撞摩擦，且能够实现冰水混合物在试验环境中长期存在，同时能够通过转轴转速调节，实现对不同冲撞剧烈程度的模拟，真实反映寒冷地区随着库水位变化引起的冰与止水材料冲撞摩导致其性能变化情况，指导寒区面板坝止水结构的优化设计。
2、本发明通过电机连接试样转动轴，能够实现正、反两个方向转动摩擦，冰块不易聚积，保证两侧冰块均衡，操作方便，模拟更准确。
3、本发明在控制箱内安装电子显示屏，能够实现实时监测试样轴转速，对模拟控制更精确。
4、本发明采用步进电机进行驱动，通过电脉冲信号进行控制，能够对试样转轴实现不同的转速，对模拟更精确；
5本发明的试验装置为封闭式，具有较好的抗冻性，直接放入不同负温境中，实现控制不同密度下的冰摩擦试验；
6、本发明的实验装置体积小、重量轻，移动运输方便，便于维修和保养。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；图2是窗盖的主视图；图3是顶板的主视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置包括控制箱1、开关2、转向调节旋钮3、转速调节旋钮4、转速显示屏5、步进电机6、轴承座7、顶板8、有机玻璃筒9、多个螺杆10、窗盖11、试样转动轴12、螺栓13、底板14、底盖15和多个螺母16，开关2、转向调节旋钮3、转速调节旋钮4和转速显示屏5安装在控制箱1上，步进电机6安装在控制箱1一侧并与控制箱1之间通过导线连接，顶板8和底板14相对设置，有机玻璃筒9水平放置，顶板8和底板14通过多个螺杆10和多个螺母16将顶板8和底板14密封安装在有机玻璃筒9的两端，有机玻璃筒9上安装有窗盖11，轴承座7安装在步进电机6的输出轴上，试样转动轴12安装在有机玻璃筒9内，试样转动轴12的一端与步进电机6的输出轴连接，试样转动轴12的另一端转动安装在底板14上，底盖15安装在底板14的外端面上，被测止水材料通过螺栓13安装在试样转动轴12上。
本实施方式的控制箱1侧壁设有孔，电机6通过侧孔插装在控制箱1中，另外一侧与试样转轴11连接，被测止水材料(橡胶)通过螺栓12固定在试样转轴11上，通过转向调节旋钮3控制，可实现正、反两个方向转动摩擦。
本实施方式的有机玻璃筒8上部设置窗口，通过窗口注入防冻液，放入冰块，方便试验操作；
本实施方式的顶板10、底板13内部设有凹槽，可与有机玻璃筒8紧密结合，保证紧密连接不漏水。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的被测止水材料为橡胶材料。如此设置，便于真实模拟实际的止水材料。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的窗盖11可开启安装在有机玻璃筒9上。如此设置，便于在有机玻璃筒9内装冰块或防冻液。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的顶板8和底板14上均开设凹槽18和轴孔19。如此设置，便于对有机玻璃筒9的两端密封。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的多个螺杆10和多个螺母16的数量为4个。如此设置，连接牢固可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的顶板8和底板14均为正方形板，4个螺杆10沿正方形板的四角均布设置。如此设置，连接方便可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的轴承座7安装在步进电机6与顶板8之间。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种使用模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置的试验方法，它包括以下步骤：
步骤一、对止水材料进行安装；
将试验用止水材料通过螺栓固定在试样转动轴12上，装入有机玻璃筒9中；
再将顶板8和底板14通过多个螺杆10和多个螺母16密封固定在有机玻璃筒9的两侧，此时步进电机6的输出轴和试样转动轴12在一条回转轴线上；
步骤二、向有机玻璃筒9内注入防冻液和冰块；
按照试验要求调整冰块及防冻液比例，将冰块、防冻液注入有机玻璃筒9内的回转轴线位置，盖上窗盖11，并将试验装置放入-10℃的负温环境中；
步骤三、模拟止水材料与冰冲撞摩擦的过程；
接通电源，连接控制箱1，开启开关2进行试验，通过转速调节旋钮4来控制并调节试样转动轴12的转速，试样转动轴12的最大转速为367转/min；
在试验时，每间隔2小时，通过转向调节旋钮3调整一次试样转动轴12的转向；
步骤四、当液面上升达到2cm时，将防冻液倒出，使液面回到初始的步进电机6的输出轴和试样转动轴12在一条回转轴线上的试验位置；同时向试验装置内加入冰块，确保试验状态与初始状态相同；
步骤五、试验结束后，将止水材料试样取出，进行拉伸强度及断裂伸长率试验，计算拉伸强度及断裂伸长率，至此完成了模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验。
具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的步骤二中向有机玻璃筒9内注入防冻液和冰块的过程如下：
步骤二一：在试验开始时，先将防冻液注入试验装置中，液面保持在有机玻璃筒9的回转轴线位置；
步骤二二：再向试验装置中加入冰块，保证止水材料试样两侧的液面上，均匀的浮动着冰块，冰块将液面填满，且不会堆叠在一起，启动试验装置后，冰块能均匀且充分的与橡胶摩擦撞击。如此设置，便于模拟止水材料与冰冲撞摩擦的过程。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
结合图1至图3说明本发明的试验原理：
(1)由于试验环境温度控制在0度以下，因此试验中采用防冻液代替水与冰块混合。在试验开始时，将防冻液注入试验装置中，液面保持在圆筒中回转轴线位置。
(2)向试验装置中加入冰块，保证试件两侧的液面上，均匀的浮动着冰块，冰块大致将液面填满，且不会堆叠在一起，启动试验装置后，冰块能均匀且充分的与橡胶摩擦撞击。
(3)为了避免由于在试验过程中，橡胶试件持续保持一个方向转动时，将一侧的冰块带到另外一侧的情况。在试验时，每间隔2小时，通过控制旋钮调整一次试样转轴的转向，确保试验过程中，试样两侧的冰块数量均衡。
(4)由于长时间试验，冰块与橡胶摩擦，冰块会逐渐减少，防冻液液面会逐渐上升。在试验过程中，当液面上升达到2cm时，将防冻液倒出，使液面回到初始试验位置。同时向试验装置内加入冰块，确保试验状态与初始状态相同。
(5)保持液面水位不变下，调节冰水比例提高冰块密度，实现不同强度下冰块撞击；通过调节转速，实现橡胶与冰的撞击强弱调节，实现试验状态与实际工况的贴合模拟。
实施例1：本实施例采用模拟止水材料(橡胶)与冰摩擦的试验装置进行测试的方法按下列步骤实现：
一、将试验用橡胶试样通过螺栓固定在试样转轴上，装入有机玻璃筒中，顶板、底板上设置凹槽，与有机玻璃筒尺寸相同。将顶板、底板、通过螺杆、螺母固定在有机玻璃筒两侧，通过螺母在螺杆上拧紧，确保试验装置密封不漏水，此时步进电机、试样转轴在一条回转轴线上。
二、按照试验要求调整冰块及防冻液比例，将冰块、防冻液注入有机玻璃筒内至筒中回转轴线位置，盖上窗盖，放入负温(-10℃)环境中。
三、接通电源，连接控制箱，开启开关进行试验，控制调节转速，最大可达367转/min。以此模拟止水材料(橡胶)与冰冲撞摩擦。在试验时，每间隔2小时，通过控制旋钮调整一次试样转轴的转向，
四、当液面上升达到2cm时，将防冻液倒出，使液面回到初始试验位置。同时向试验装置内加入冰块，确保试验状态与初始状态相同。
五、试验结束后，将橡胶试样从试样盒中取出，进行拉伸强度及断裂伸长率试验，计算拉伸强度及断裂伸长率。
本实施例所用橡胶试样采用工程实际使用材料，根据本发明得到的试验数据如下：
天数 拉伸强度(Mpa) 断裂伸长率(％)
0 6.54 390
14 5.86 350
28 5.28 326
56 5.17 300
可以得到试验条件下，橡胶与冰冲撞摩擦后性能变化情况。根据止水结构工程实际服役年限下的性能实测数据与试验数据进行综合分析，为橡胶止水结构工程寿命预测提供技术方法支撑。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置，其特征在于：它包括控制箱(1)、开关(2)、转向调节旋钮(3)、转速调节旋钮(4)、转速显示屏(5)、步进电机(6)、轴承座(7)、顶板(8)、有机玻璃筒(9)、多个螺杆(10)、窗盖(11)、试样转动轴(12)、螺栓(13)、底板(14)、底盖(15)和多个螺母(16)，
开关(2)、转向调节旋钮(3)、转速调节旋钮(4)和转速显示屏(5)安装在控制箱(1)上，步进电机(6)安装在控制箱(1)一侧并与控制箱(1)之间通过导线连接，
顶板(8)和底板(14)相对设置，有机玻璃筒(9)水平放置，顶板(8)和底板(14)通过多个螺杆(10)和多个螺母(16)将顶板(8)和底板(14)密封安装在有机玻璃筒(9)的两端，有机玻璃筒(9)上安装有窗盖(11)，轴承座(7)安装在步进电机(6)的输出轴上，试样转动轴(12)安装在有机玻璃筒(9)内，试样转动轴(12)的一端与步进电机(6)的输出轴连接，试样转动轴(12)的另一端转动安装在底板(14)上，底盖(15)安装在底板(14)的外端面上，被测止水材料通过螺栓(13)安装在试样转动轴(12)上。
2.根据权利要求1的一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置，其特征在于：被测止水材料为橡胶材料。
3.根据权利要求2的一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置，其特征在于：窗盖(11)可开启安装在有机玻璃筒(9)上。
4.根据权利要求3的一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置，其特征在于：顶板(8)和底板(14)上均开设凹槽(18)和轴孔(19)。
5.根据权利要求4的一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置，其特征在于：多个螺杆(10)和多个螺母(16)的数量为4个。
6.根据权利要求5的一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置，其特征在于：顶板(8)和底板(14)均为正方形板，4个螺杆(10)沿正方形板的四角均布设置。
7.根据权利要求6的一种模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置，其特征在于：轴承座(7)安装在步进电机(6)与顶板(8)之间。
8.一种使用权利要求1-7中任意一项权利要求所述的模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验装置的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一、对止水材料进行安装；
将试验用止水材料通过螺栓固定在试样转动轴(12)上，装入有机玻璃筒(9)中；
再将顶板(8)和底板(14)通过多个螺杆(10)和多个螺母(16)密封固定在有机玻璃筒(9)的两侧，此时步进电机(6)的输出轴和试样转动轴(12)在一条回转轴线上；
步骤二、向有机玻璃筒(9)内注入防冻液和冰块；
按照试验要求调整冰块及防冻液比例，将冰块、防冻液注入有机玻璃筒(9)内的回转轴线位置，盖上窗盖(11)，并将试验装置放入-10℃的负温环境中；
步骤三、模拟止水材料与冰冲撞摩擦的过程；
接通电源，连接控制箱(1)，开启开关(2)进行试验，通过转速调节旋钮(4)来控制并调节试样转动轴(12)的转速，试样转动轴(12)的最大转速为367转/min；
在试验时，每间隔2小时，通过转向调节旋钮(3)调整一次试样转动轴(12)的转向；
步骤四、当液面上升达到2cm时，将防冻液倒出，使液面回到初始的步进电机(6)的输出轴和试样转动轴(12)在一条回转轴线上的试验位置；同时向试验装置内加入冰块，确保试验状态与初始状态相同；
步骤五、试验结束后，将止水材料试样取出，进行拉伸强度及断裂伸长率试验，计算拉伸强度及断裂伸长率，至此完成了模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验。
9.根据权利要求8的模拟止水材料与冰冲撞摩擦的试验方法，其特征在于：步骤二中向有机玻璃筒(9)内注入防冻液和冰块的过程如下：
步骤二一：在试验开始时，先将防冻液注入试验装置中，液面保持在有机玻璃筒(9)的回转轴线位置；
步骤二二：再向试验装置中加入冰块，保证止水材料试样两侧的液面上，均匀的浮动着冰块，冰块将液面填满，且不会堆叠在一起，启动试验装置后，冰块能均匀且充分的与橡胶摩擦撞击。
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