RU125342U1

RU125342U1 - DEVICE FOR MEASUREMENT OF SHEAR STRENGTH OF ICE ADHESION TO SOLID SURFACES

Info

Publication number: RU125342U1
Application number: RU2012139800/28U
Authority: RU
Inventors: Людмила Борисовна Бойнович; Александр Михайлович Емельяненко; Сергей Николаевич Жевненко
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2013-02-27

Abstract

Полезная модель относится к устройствам испытательной техники и предназначена для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к различным твердым поверхностям. Устройство содержит неподвижную станину, сосуд для замораживания воды с отверстием в верхней крышке для погружения в сосуд тестируемого образца, устройство для замораживания воды в сосуде, подвижный рычаг с возможностью вертикального перемещения относительно неподвижной станины, датчик измерения силы с креплением для тестируемого образца и компьютер для обработки результатов измерений. Тестируемый образец, представляющий собой цилиндр из исследуемого материала, одной стороной прикреплен к датчику силы, закрепленному на подвижном рычаге, а другой стороной частично погружен в сосуд с замораживаемой водой через отверстие в крышке сосуда. Диаметр отверстия лишь незначительно превышает диаметр цилиндра, а площадь боковой поверхности погруженной части цилиндра существенно больше площади его торцевой части. Измерение адгезионной прочности основано на определении усилия, требуемого для выдергивания образца изо льда, при приложении усилия вдоль оси цилиндра. Новым техническим результатом, обеспечиваемым данным устройством, является определение адгезионной прочности при преимущественно сдвиговом характере разрушения контакта тестируемого образца со льдом с минимизацией вероятности когезионного разрушения в объеме льда. 1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 2 ил. The invention relates to devices for testing equipment and is designed to measure the shear strength of ice adhesion to various solid surfaces. The device contains a fixed frame, a vessel for freezing water with a hole in the top cover for immersion in the vessel of the test sample, a device for freezing water in the vessel, a movable lever with the possibility of vertical movement relative to the fixed frame, a force measurement sensor with a mount for the tested sample and a computer for processing measurement results. The test specimen, which is a cylinder made of the material under study, is attached to one side of the force sensor attached to a movable lever, and the other side is partially immersed in a vessel with freezing water through a hole in the vessel lid. The diameter of the hole only slightly exceeds the diameter of the cylinder, and the area of the side surface of the immersed part of the cylinder is substantially larger than the area of its end part. Measurement of adhesion strength is based on the determination of the force required to pull a sample out of ice, while applying force along the axis of the cylinder. A new technical result provided by this device is the determination of adhesion strength with a predominantly shear nature of the destruction of the contact of the test specimen with ice while minimizing the likelihood of cohesive failure in the ice volume. 1 bp f-ly, 2 zp f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств. Конкретно, предлагаемое устройство предназначено для измерения адгезионной прочности контакта льда с поверхностью испытуемого образца при сдвиговом разрушении этого контакта.The utility model relates to the field of analysis of materials by determining their physical properties. Specifically, the proposed device is designed to measure the adhesive strength of the contact of ice with the surface of the test sample during shear destruction of this contact.

Измерение адгезионной прочности контакта льда с твердыми поверхностями, количественно характеризующей энергию, которую нужно затратить для разделения единицы площади такого контакта, весьма важно во многих отраслях промышленности, в частности, в авиации и электроэнергетике для оценки эффективности мер, принимаемых для борьбы с обледенением поверхностей самолетов, аэронавигационного оборудования и проводов и конструкций воздушных линий электропередач.Measuring the adhesion strength of the contact of ice with solid surfaces, quantitatively characterizing the energy that needs to be spent to separate a unit of the area of such contact, is very important in many industries, in particular, in aviation and electric power industry to evaluate the effectiveness of measures taken to combat the icing of aircraft surfaces, aeronautical equipment and wires and structures of overhead power lines.

Из существующего уровня техники известно устройство для оценки адгезионной прочности (патент Китая CN 202033278, 05.06.2011), содержащее скобы, фиксирующие тестируемый образец, охлаждающее устройство, дозирующее устройство для подачи воды на поверхность образца, скользящий нож для отламывания льда и устройство для измерения максимальной силы, приложенной к ножу. В данном устройстве тестируемый образец, зафиксированный в скобах, охлаждается до заданной температуры, устройство дозирования воды по каплям подает воду на поверхность образца, где вода быстро замерзает, образуя ледяной столбик, после чего скользящий нож с измерителем силы перемещается вдоль тестируемой поверхности, сдвигая горизонтально выступающие ледяные наросты до момента отслаивания (или разрушения) льда, так что измеренная максимальная сила характеризует прочность адгезии льда к поверхности образца.From the current level of technology known device for assessing adhesive strength (China patent CN 202033278, 06/05/2011), containing brackets that fix the test sample, a cooling device, a metering device for supplying water to the sample surface, a sliding knife for breaking off ice and a device for measuring the maximum force applied to the knife. In this device, the test specimen, fixed in brackets, is cooled to a predetermined temperature, the water metering device drops water to the sample surface, where the water quickly freezes, forming an ice column, after which the sliding knife with a force meter moves along the surface being tested, shifting horizontally protruding ice buildup until the moment of peeling (or destruction) of ice, so that the measured maximum force characterizes the strength of ice adhesion to the sample surface.

Известно также другое устройство (Гольдштейн Р.В., Епифанов В.П. К измерению адгезии льда к другим материалам // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2011. №2. С.28-41), в котором ледяная прослойка толщиной 2,5 мм замораживается между двумя дисками из исследуемого материала, соединенными с захватами стандартной разрывной машины для испытания прочности материалов на разрыв. После замораживания прослойки и выдерживания требуемое время при заданной температуре, производится испытание на разрыв, и по измеренному максимальному усилию при разрыве и известной площади сечения прослойки оценивается адгезионная прочность контакта тестируемого образца со льдом в условиях нормального отрыва.Another device is also known (Goldstein R.V., Epifanov V.P. To measure ice adhesion to other materials. // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics. 2011. №2. P.28-41), in which the ice layer 2.5 mm thick is frozen between two disks of the material under study, connected to the grippers of a standard tensile testing machine for tensile strength testing of materials. After freezing the interlayer and maintaining the required time at a given temperature, a tensile test is performed, and the adhesion strength of the test specimen with ice under normal tearing is measured using the measured maximum tensile strength and known interlayer cross-sectional area.

Однако недостатком известных технических решений является возможность разрушения не только по плоскости контакта льда с тестируемой поверхностью, но и с образованием трещин внутри самого льда, в результате чего становится неопределенной реальная площадь, по которой произошло разрушение контакта, а измеренное значение усилия сдвига ледяного нароста или разрыва ледяной прослойки может определяться не только прочностью адгезии льда к поверхности, но и силами сцепления внутри ледяной прослойки, наличием в ней трещин и других дефектов. В результате оценка адгезионной прочности оказывается ошибочной как из-за неточности определения площади разрушаемого адгезионного контакта между льдом и тестируемой поверхностью, так и из-за вклада когезионного разрушения в объеме льда в измеряемое значение максимальной приложенной силы.However, a disadvantage of the known technical solutions is the possibility of destruction not only along the plane of contact of the ice with the test surface, but also with the formation of cracks inside the ice itself, as a result of which the actual area over which the contact has collapsed has become uncertain, and the measured value of the ice buildup shear force or rupture ice layer can be determined not only by the strength of ice adhesion to the surface, but also by the forces of adhesion inside the ice layer, the presence of cracks and other defects in it. As a result, the assessment of adhesion strength is erroneous both due to the inaccuracy of determining the area of the destroyed adhesive contact between ice and the test surface, and due to the contribution of cohesive failure in the ice volume to the measured value of the maximum applied force.

Техническим результатом заявленной полезной модели является:The technical result of the claimed utility model is:

- минимизации вероятности когезионного разрушения в объеме льда при измерении адгезионной прочности контакта тестируемого образца со льдом;- minimizing the probability of cohesive failure in the ice volume when measuring the adhesive strength of the contact of the test sample with ice;

- определение адгезионной прочности при преимущественно сдвиговом характере разрушения контакта тестируемого образца со льдом. Именно такой характер разрушения наиболее вероятен при отрыве льда от поверхностей элементов авиационной техники и электроэнергетического оборудования.- determination of adhesive strength with a predominantly shear nature of the destruction of the contact of the test sample with ice. It is this character of destruction that is most likely when ice is separated from the surfaces of the elements of aviation equipment and electrical power equipment.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве тестируемый образец представляет собой цилиндр из исследуемого материала, частично погруженный в сосуд с замораживаемой водой через отверстие в крышке сосуда, при этом диаметр отверстия лишь незначительно превышает диаметр цилиндра, площадь боковой поверхности погруженной части цилиндра существенно больше площади его торцевой части, а измерение адгезионной прочности основано на определении усилия, требуемого для выдергивания образца изо льда, при приложении усилия вдоль оси цилиндра. Для полного исключения нормальной составляющей отрыва образца от льда сосуд с замораживаемой водой может иметь отверстие в нижней части, которое перед заполнением сосуда водой закрывается пробкой из материала, имеющего низкую адгезию ко льду (например, тефлона или силиконовой резины), при этом в пробке имеется углубление, в которую вставляется нижний торец тестируемого образца. Это позволяет избежать намораживания льда на торцевую часть цилиндра из исследуемого материала. После замораживания воды в сосуде пробка может быть вынута перед измерением, и усилие, требуемое для выдергивания образца изо льда, будет полностью определяться только сдвиговым разрушением контакта между образцом тестируемого материала и льдом.The technical result is achieved by the fact that in the proposed device the test sample is a cylinder of the material under study, partially immersed in a vessel with freezing water through an opening in the lid of the vessel, while the diameter of the hole only slightly exceeds the diameter of the cylinder, the side surface area of the submerged part of the cylinder is significantly larger its end part, and the measurement of adhesive strength is based on the determination of the force required to pull a sample out of ice, while applying i'm along the axis of the cylinder. To completely eliminate the normal component of detaching a sample from ice, a vessel with freezing water may have an opening in the lower part, which is closed with a stopper made of a material with low adhesion to ice (for example, Teflon or silicone rubber) before filling the vessel with water, while there is a recess in the stopper in which the lower end of the test specimen is inserted. This allows you to avoid freezing of ice on the end of the cylinder of the material under study. After freezing the water in the vessel, the stopper can be removed before the measurement, and the force required to pull the sample out of the ice will be fully determined only by the shear breaking of the contact between the sample of the test material and ice.

Устройство поясняется фиг.1, на которой изображен пример внешнего вида (слева) и принципиальная схема (справа) устройства для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям.The device is illustrated in figure 1, which shows an example of the appearance (left) and schematic diagram (right) of the device for measuring the shear strength of ice adhesion to solid surfaces.

Устройство содержащит неподвижную станину 4, сосуд для замораживания воды 2 с отверстием в верхней крышке для погружения в сосуд тестируемого образца 1, устройство 3 для замораживания воды в сосуде, подвижный рычаг 6 с возможностью вертикального перемещения относительно неподвижной станины 4 путем вращения рукоятки 7, датчик 5 измерения силы с креплением для тестируемого образца 1 и компьютер (на фиг.1 не показан) для обработки результатов измерений. Тестируемый образец 1, представляющий собой цилиндр из исследуемого материала, одной стороной прикреплен к датчику силы 5, закрепленному на подвижном рычаге 6, а другой стороной частично погружен в сосуд 2 с замораживаемой водой 9 через отверстие в крышке сосуда, причем диаметр отверстия лишь незначительно превышает диаметр цилиндра, а площадь боковой поверхности погруженной части цилиндра существенно больше площади его торцевой части, сосуд с водой вместе с устройством для замораживания воды в нем жестко закреплены на неподвижной станине 4. Сосуд 2 с замораживаемой водой может иметь отверстие в нижней части, которое перед заполнением сосуда водой закрывается пробкой 8 из материала, имеющего низкую адгезию ко льду, при этом в пробке имеется углубление, в которую вставляется нижний торец тестируемого образца 1.The device contains a fixed frame 4, a vessel for freezing water 2 with a hole in the top cover for immersion in the vessel of the test sample 1, a device 3 for freezing water in the vessel, a movable lever 6 with the possibility of vertical movement relative to the fixed frame 4 by rotating the handle 7, the sensor 5 force measurements with mounting for test sample 1 and a computer (not shown in figure 1) for processing measurement results. Test sample 1, which is a cylinder of the material under study, is attached to the force sensor 5 attached to the movable lever 6 by one side and partially to the other side partially immersed in the vessel 2 with freezing water 9 through an opening in the vessel lid, the diameter of the hole only slightly exceeding the diameter cylinder, and the lateral surface area of the immersed part of the cylinder is substantially larger than the area of its end part, the vessel with water, together with the device for freezing water in it, is rigidly fixed to the fixed bed e 4. The vessel 2 with freezing water may have an opening in the lower part, which before filling the vessel with water is closed with a stopper 8 made of a material having low adhesion to ice, while there is a recess in the stopper into which the lower end of the test sample 1 is inserted.

Примером реализации устройства для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям является устройство, в котором в качестве неподвижной станины и подвижного рычага используются соответственно станина и держатель тубуса инструментального микроскопа БМИ-1, в качестве устройства для замораживания воды в сосуде используются водоохлаждаемые элементы Пельтье, а датчиком силы служит датчик L6J компании ZEMIC, являющийся одноопорной консолью из алюминиевого сплава с четырьмя тензодатчиками. Диапазон напряжений питания датчика составляет 5÷12 В, номинальная чувствительность датчика при этом составляет 1.5±0.2 мВ/В, номинальная нагрузка 3.5 кг (допустимое превышение номинальной нагрузки - 150%). В описанном ниже примере работы устройства использовали напряжение питания датчика 10 В, сигнал определяли с точностью 0,01 мВ мультиметром Agilent 34420А. Градуировка производилась с помощью стандартного набора весов и показала линейность зависимости величины сигнала от нагрузки вплоть до 8 кг. Тестируемый образец представлял собой алюминиевый цилиндр диаметром 4 мм и длиной 80-100 мм. В 10 мм от одного края было высверлено отверстие под штифт для закрепления образца на датчике силы, крепление к датчику силы производилось с помощью шарнирного устройства.An example of the implementation of the device for measuring the shear strength of ice adhesion to solid surfaces is a device in which, as a stationary bed and a movable lever, a bed and a tube holder of the BMI-1 instrumental microscope are used respectively, water-cooled Peltier elements are used as a device for freezing water in a vessel, and The force sensor is the Z6IC L6J sensor, which is a single-support aluminum alloy console with four strain gauges. The sensor supply voltage range is 5 ÷ 12 V, the nominal sensitivity of the sensor is 1.5 ± 0.2 mV / V, the nominal load is 3.5 kg (the permissible excess of the nominal load is 150%). In the example of the device operation described below, the sensor supply voltage of 10 V was used; the signal was determined with an accuracy of 0.01 mV using an Agilent 34420A multimeter. Calibration was performed using a standard set of weights and showed linearity of the signal magnitude depending on the load up to 8 kg. The test specimen was an aluminum cylinder with a diameter of 4 mm and a length of 80-100 mm. A hole for a pin was drilled 10 mm from one edge to fix the sample on the force sensor; the attachment to the force sensor was made using an articulated device.

Устройство работает следующим образом. Нижний конец образца 1 погружается в сосуд 2 на глубину 15 мм. Уровень воды в сосуде контролируется через прозрачное окно в крышке и может быть изменен в процессе эксперимента. Замораживатель 3 представляет собой два элемента Пельтье мощностью 65 Вт каждый, прикрепленные к плоским стенкам сосуда 2, а «горячая» сторона холодильников охлаждается проточной водой с помощью медных радиаторов. Размер поверхности холодильников Пельтье 40*40 мм, величина питающего тока - до 6 А на каждый холодильник, что позволяет заморозить воду в сосуде и понизить температуру льда вплоть до -20°С. Температура образца контролируется с помощью хромель-алюмелевой термопары, спай которой находится в замораживаемой воде в непосредственной близости от образца. Сигнал с термопары снимается с помощью милливольтметра, погрешность определения температуры составляет ±1°С. После достижения нужной температуры льда, вращением винта 4 прикладывается нагрузка на образец до тех пор, пока не прозвучит характерный щелчок и на зависимости нагрузки от времени (фиг.2) не появится резкий скачок вниз. Величина адгезионной прочности определяется как разница между максимальной нагрузкой и «остаточной», т.е. нагрузкой, которая остается после отрыва образца, отнесенная к площади погруженной в лед части образца. Характерные точки помечены на фиг.2 кружками.The device works as follows. The lower end of sample 1 is immersed in the vessel 2 to a depth of 15 mm. The water level in the vessel is controlled through a transparent window in the lid and can be changed during the experiment. The freezer 3 is two 65-watt Peltier elements each attached to the flat walls of the vessel 2, and the “hot” side of the refrigerators is cooled with running water using copper radiators. The size of the Peltier refrigerator surface is 40 * 40 mm, the value of the supply current is up to 6 A per each refrigerator, which allows freezing the water in the vessel and lowering the ice temperature down to -20 ° C. The temperature of the sample is controlled using a chromel-alumel thermocouple, the junction of which is in the frozen water in the immediate vicinity of the sample. The signal from the thermocouple is removed using a millivoltmeter, the error in determining the temperature is ± 1 ° C. After the desired temperature of the ice has been reached, a rotation of the screw 4 applies the load on the sample until a characteristic click sounds and a sharp jump downwards appears on the dependence of the load on time (Fig. 2). The adhesive strength is defined as the difference between the maximum load and the “residual”, i.e. load, which remains after the separation of the sample, related to the area immersed in the ice of the sample. Characteristic points are marked with circles in FIG.

Claims

1. Device for measuring the shear strength of adhesion of ice to solid surfaces, containing a fixed frame, a vessel for freezing water with a hole in the top cover for immersion in the vessel of the test sample, a device for freezing water in the vessel, a movable lever with the possibility of vertical movement relative to the fixed frame, force measurement sensor with mounting for the test sample and a computer for processing the measurement results, characterized in that the test sample, which is a cylinder NDR from the material under study, one side attached to a force sensor attached to a movable lever, and the other side partially immersed in a vessel with freezing water through an opening in the lid of the vessel, the hole diameter only slightly exceeding the diameter of the cylinder, and the side surface area of the immersed part of the cylinder is substantially more of the area of its end part, a vessel with water together with a device for freezing water in it are rigidly fixed on a fixed bed, while the measurement of adhesive strength is based for determining the force required for pulling a sample of ice, when a force along the axis of the cylinder.

2. The device according to claim 1, characterized in that the vessel with freezing water has a hole in the lower part, which before filling the vessel with water is closed with a stopper made of a material having low adhesion to ice, while in the stopper there is a recess into which the bottom end is inserted test specimen.

3. The device according to claim 1, characterized in that the stationary frame and the holder of the BMI-1 instrumental microscope are used as the stationary bed and the movable lever; L6J from ZEMIC.