Устройство для измерения силы адгезии льда

Полезная модель относится к области исследования адгезионной прочности льда к различным материалам и может быть использована в авиационной промышленности при исследованиях процессов обледенения летательных аппаратов, а также гидрофобных и льдофобных покрытий в противообледенительных системах.
Известно «Устройство для измерения сдвиговой прочности адгезии льда к твердым поверхностям», Бойнович Л.Б., Емельяненко A.M., Жевненко С.Н., патент на полезную модель RU 125342 U1, 18.09.2012. опубликовано: 27.02.2013 Бюл. №6. В этом устройстве лед намораживается на цилиндре, помещенном в сосуд с водой, закрытый снизу пробкой из материала, имеющего низкую адгезию ко льду. При этом в пробке имеется углубление, в которое вставляется нижний торец тестируемого образца. Сила адгезии измеряется путем выдергивания цилиндра, вмороженного в лед. Замораживание воды в сосуде происходит с помощью охлаждаемых водой элементов Пельтье. При таком способе замораживания образца с покрытием вода находится в стационарных условиях и в замкнутом объеме. При замораживании лед расширяется и испытывает стеснение со стороны стенок сосуда, что влияет на адгезию.
Известен «Способ измерения адгезии льда на сдвиг к другим материалам», Попов С.Н., Шадринов Н.В., Архипов А.А., Соколова М.Д., патент RU 2 522 818 С1, 11.12.2012, опубликовано: 20.07.2014 Бюл. №20. В нем замораживание воды на поверхности исследуемого материала проводится внутри фторопластовой втулки, которая используется в качестве каркаса и позволяет контролировать и равномерно распределять нагрузку при давлении на всю площадь контакта лед-материал. Измерение нагрузки, необходимой для сдвига льда от исследуемой поверхности материала, проводится в климатической камере с помощью универсальной разрывной машины в режиме сжатия. В этом способе также замораживание происходит в стационарных условиях в замкнутом объеме ограниченном фторопластовой втулкой. По мнению авторов это позволяет избежать стеснения льда со стороны стенок втулки. Однако, как показывает практика, фторопласт не является абсолютным льдофобным материалом. Поэтому существует сила адгезии на границе лед - фторопласт - исследуемый материал по всей длине окружности определяемой внутренним диаметром фторопластовой втулки. Кроме того, сила, сдвигающая втулку со льдом, приложена диаметрально, а не по всей длине окружности. Это может дать дополнительную ошибку в измерениях.
Известно измерение адгезии льда к покрытиям на цилиндрической поверхности, например в статье Р.В. Гольдштейн, В.П. Епифанов. «К измерению адгезии льда к другим материалам». Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2011 г. т.2 стр. 28-41. В этой работе лед получают также в стационарных условиях, наливая воду на цилиндрический образец с последующим замораживанием. Вода при замерзании находится в стационарных условиях и в замкнутом объеме. При замораживании лед расширяется и испытывает стеснение со стороны стенок сосуда, что влияет на адгезию. Хотя при измерении силы адгезии в этом варианте лед нагружается по всей длине окружности.
Известно, взятое за прототип, устройство исследования намораживания льда в газодинамическом водовоздушном потоке на вращающийся цилиндр, «Measurement of Liquid Water Content for Supercooled Large Drop conditions in the NRC's Altitude Icing Wind Tunnel», D.M. Orchard, C. Clark and G. Chevrette, SAE Technical Paper 2019-01-2007, 2019. Устройство содержит электродвигатель, вращающий цилиндрический вал, расположенный в газодинамическом водовоздушном потоке, цилиндр, закрепленный на валу.
Однако, это устройство не предназначено для измерения сдвиговой прочности льда к твердым поверхностям.
В тоже время с точки зрения разработки противообледенительных систем в летательных аппаратах представляет интерес исследование адгезии к покрытиям, находящимся в водовоздушном газодинамическом потоке при низких температурах и измерение силы адгезии непосредственно после намораживания льда при той же температуре и влажности воздуха.
Задачей и техническим результатом создания полезной модели является разработка устройства, для измерения адгезии льда к гидрофобным и льдофобным покрытиям, на которых лед намораживается в условиях, максимально соответствующих условиям обледенения в процессе полета.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что устройство для измерения силы адгезии льда содержит электродвигатель, вращающий цилиндрический вал, расположенный в газодинамическом водовоздушном потоке, цилиндр, закрепленный на валу, вал снабжен упором и стопором, на валу закреплены датчик силы, защитный элемент и цилиндр с исследуемым покрытием, которые стянуты к упору вала крепежной гайкой, сдвигающий элемент, силовая гайка, накрученная на вал и прилегающая к сдвигающему элементу через шайбу, защитный колпачок, навинченный на сдвигающий элемент и упирающийся в торец вала.
На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения силы адгезии льда.
Устройство расположено в аэродинамической трубе с центробежным вентилятором и распылительной системой воды, помещенной в холодильную камеру. Устройство (фиг. 1) содержит электродвигатель 15, вращающий вал 5, расположенный в газодинамическом водовоздушном потоке, цилиндр 9, с нанесенным на него исследуемым покрытием 10. Цилиндр 9 закреплен на вращающемся валу 5, имеющем упор 13 и стопор 14. К упору прилегает датчик силы 12. Датчик состоит из четырех тензометрических элементов, включенных по мостовой схеме. Это известная стандартная конструкция, поэтому она не показана. Датчик силы имеет разъем для подключения кабеля от измерительной системы. Датчик силы закрыт от обледенения защитным элементом 11. Кроме того, защитный элемент 11 задает границу обледенения испытуемого покрытия. Эта граница задается такой, чтобы предотвратить разрушение льда, прежде чем он начнет сдвигаться. На вращающийся вал 5 надет цилиндр 9 с исследуемым покрытием, на которое в процессе испытаний намерзает лед 10. Цилиндр 9 прижат к защитному элементу 11 крепежной гайкой 8 (через шайбу). На вращающийся вал 5 также надет сдвигающий элемент 2. Между сдвигающим элементом 2 и крепежной гайкой 8 должен быть зазор, обеспечивающий ход сдвигу льда. Этот зазор достигнут с помощью защитного колпачка 3. У него две функции: во-первых, он защищает от обледенения силовую гайку 4 и вращающийся вал 5, а во-вторых, дно колпачка упирается в вал, обеспечивая необходимый зазор для сдвига льда.
a
Для измерения силы адгезии на цилиндр 9 тем или иным способом наносят покрытие, степень гидрофобности которого предстоит определить с помощью силы сдвига F. Эту силу измеряют с помощью датчика силы 12.
Работа устройства для измерения силы адгезии заключается в следующем. После достижения в холодильной камере заданной температуры включают центробежный вентилятор аэродинамической трубы, задающий поток 1. Распылительная система воды создает в водовоздушном потоке заданную водность. В потоке 1 находится устройство. Включают электродвигатель 15, вращающий цилиндр 9 с нанесенным исследуемым покрытием. При скорости вращения порядка 40 об/мин происходит равномерное по всей поверхности обледенение цилиндра. Спустя заданное время центробежный вентилятор выключают. Выключают двигатель 15. К датчику 12 через разъем подсоединяют кабель измерительной системы.
a
Фиксируют нулевой уровень силы. Он задается поворотом гайки 8 еще при сборке механизма. Отворачивают защитный колпачок 3. Чтобы предотвратить поворот сдвигающего элемента 2, вместе с колпачком 3, он удерживается ключом за «лыске» 7. После того как колпачок снят, вал 5 фиксируют стопором 14. Поворотом силовой гайки 4 через шайбу 6 происходит смещение сдвигающего элемента 2 вдоль оси вращения вала. При этом усилие сдвига передается льду 10. Благодаря силе сцепления льда 10 с цилиндром 9 это усилие передается цилиндру, и через защитный элемент 11 воздействует на датчик 12, прилегающий к упору 13. Сигнал датчика силы 12 записывают в измерительной системе. В момент срыва льда фиксируют силу адгезии F.
Разработанное устройство позволяет измерять силу адгезии непосредственно в рабочей части аэродинамической трубы, не снимая образец с покрытием, т.е. при той же самой температуре воздуха и влажности. При наличии других образцов с покрытиями их замена занимает несколько минут.