УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦА МАТЕРИАЛА НА ИСТИРАНИЕ ЛЬДОМ
RIG FOR ICE ATTRITION TEST OF MATERIAL SPECIMEN

Изобретение относится к технике механических испытаний материалов на стойкость к истиранию до разрушения и может быть использовано, в частности, для испытаний на ледовое истирание.
Известна установка для исследования образца материала на истирание льдом, содержащая основание, размещенное на нем средство для удержания образца льда, снабженное приводом вращения, и средство для удержания образца истираемого материала (см. Экспериментальное исследование на истирание бетона морским льдом. Статья на 20-ом ОТС в Хьюстоне, штат Техас, 2-5 мая 1988 г.).
Недостатком этого решения является низкая производительность, так как оно не позволяет проводить испытания более одного образца.
Известна также установка для исследования образца материала на истирание льдом, содержащая основание, на котором размещена горизонтальная платформа, выполненная с возможностью перемещения образца льда относительно образца истираемого материала, фиксируемого в средстве для его удержания, и средство их прижатия друг к другу (см. патент РФ на ПМ №45826, МПК G01N 3/56, 2005 г.).
К недостаткам данной конструкции относятся нестабильная ширина контактной поверхности за счет износа материала истирающей поверхности и невозможность применения больших усилий на контакте из-за разрушения истирающего материала.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение заданной поверхности контакта истираемого и истирающего материала.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении стабильной площади контакта трущихся материалов и повышении несущей способности льда за счет его подрезки ножом с двух сторон.
Поставленная задача решается тем, что в конструкцию установки для исследования образца материала на истирание льдом, содержащую основание, на котором размещена горизонтальная платформа, выполненная с возможностью перемещения образца льда относительно образца истираемого материала, фиксируемого в средстве для его удержания, и средство их прижатия друг к другу, добавляется нож, выполненный с возможностью профилирования поверхности образца льда, контактирующей с истираемым образцом, для чего нож содержит вертикальную направляющую, через которую, с возможностью возвратно-поступательного движения, пропущен шток, на конце которого закреплена режущая пластина, режущая кромка которой, обращенная к образцу льда, выполнена П-образной, при этом шток снабжен выступом, на котором параллельно продольной оси штока закреплен стержень, нижний конец которого шарнирно скреплен с опорной лыжей, причем стержень отстоит от штока относительно направления движения образца, при этом режущая пластина выполнена с возможностью регулирования положения ее кромки относительно опорной поверхности опорной лыжи, кроме того, верхний конец штока выполнен с возможностью размещения на нем дополнительного груза.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…установка снабжена ножом, выполненным с возможностью профилирования поверхности образца льда, контактирующей с истираемым образцом…» обеспечивает стабильность площади контакта истирающей и истираемой поверхностей во время испытаний.
Признаки «…нож содержит вертикальную направляющую, через которую, с возможностью возвратно-поступательного движения, пропущен шток, на конце которого закреплена режущая пластина…» обеспечивают возможность взаимодействия режущей кромки ножа с обрабатываемой поверхностью стабильно во времени и пространстве.
Признак, указывающий, что режущая кромка ножа, «обращенная к образцу льда, выполнена П-образной», обеспечивает возможность профилирования контактной поверхности льда, обеспечивающей стабильность во времени параметров контакта истираемого и истирающей поверхностей, а также предотвращает часть поверхности истираемого образца от контакта с истирающим, формируя таким образом измерительную базу.
Признак «шток снабжен выступом, на котором параллельно продольной оси штока закреплен стержень, нижний конец которого шарнирно скреплен с опорной лыжей» обеспечивает регулирование толщины снимаемого слоя истирающей поверхности.
Признак «…стержень отстоит от штока относительно направления движения образца…» обеспечивает опирание лыжи на чистую, только что обработанную поверхность образца льда.
Признак «…режущая пластина выполнена с возможностью регулирования положения ее кромки относительно опорной поверхности опорной лыжи…» обеспечивает возможность регулирования толщины снимаемого слоя истирающей поверхности.
Признак «…верхний конец штока выполнен с возможностью размещения на нем дополнительного груза…» обеспечивает возможность формирования прижимающего усилия на ноже и его внедрение в образец льда, кроме того, обеспечивается возможность регулирования этого усилия.
На фиг.1 показана установка, на фиг.2 показан вертикальный разрез установки, на фиг.3 показаны схемы нагружения образца льда, на фиг.4 и 5 показан способ исследования нескольких истираемых образцов, на фиг.6 и 7 показан образец льда.
На чертежах показаны основание 1, горизонтальная платформа 2, образец 3 льда, образец 4 истираемого материала, средство 5 удержания образца 4 истираемого материала, средство 6 прижатия образцов 3 и 4 друг к другу, вертикальная направляющая 7 ножа, шток 8, режущая пластина 9 ножа, режущая кромка 10 режущей пластины 9, выступ 11 штока 8, стержень 12, опорная лыжа 13, дополнительный груз 14.
Горизонтальная платформа 2 установлена на основании 1 и выполнена с возможностью перемещения образца 3 льда относительно образца 4 истираемого материала, который фиксируют в средстве 5 для его удержания и средстве 6 их прижатия образцов 3 и 4 друг к другу.
Установка снабжена ножом, выполненным с возможностью профилирования поверхности образца 3 льда, контактирующей с истираемым образцом 4. Нож содержит вертикальную направляющую 7, неподвижно закрепленную на основании 1, через которую с возможностью возвратно-поступательного движения по вертикали пропущен шток 8, на конце которого закреплена режущая пластина 9. Режущая кромка 10 режущей пластины 9, обращенная к образцу 3 льда, выполнена П-образной, при этом шток 8 снабжен выступом 11, на котором параллельно продольной оси штока 8 закреплен стержень 12, нижний конец которого шарнирно (с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, ориентированной поперек направления движения контактной поверхности льда) скреплен с опорной лыжей 13. Стержень 12 отстоит от штока 8 относительно направления движения образца 4, т.е. режущий нож контактирует с поверхностью образца 3 льда ранее опорной лыжи 13, что обеспечивает контакт последней с уже подрезанной поверхностью. Режущая пластина 9 выполнена с возможностью регулирования положения ее кромки 10 относительно опорной поверхности опорной лыжи 13. Верхний конец штока 8 выполнен с возможностью размещения на нем дополнительного груза 14.
При испытаниях на истирание требуется обеспечить стабильную площадь соприкосновения контактирующих поверхностей испытуемых материалов. Когда истирающий материал относительно непрочен, то развитие больших усилий на контакте не возможно из-за его разрушения, что приводит к изменению условий контакта, и, соответственно, снижению достоверности полученных результатов.
пр
пр
Так при истирании истираемого материала (например, бетона) льдом, последний ломается прежде, чем будут достигнуты высокие давления на контакте (см. фиг.3), где показана распространенная (реальная) схема нагружения льда, не позволяющая достичь высоких давлений. Разрушающая сила прижатия образца F2 много больше F1.
Повысить несущую способность льда можно за счет увеличения ширины образца льда до значения H (см. фиг.6, 7), а обеспечить заданную площадь поверхности контакта путем подрезки льда ножом с двух сторон, задавая, таким образом, ширину контактной площадки.
Установка работает следующим образом.
Образец 4 испытуемого материала изготавливают в форме цилиндра или прямоугольной призмы, которая одной из своих плоскостей вступит в контакт с торцевой поверхностью образца 3 льда.
Изготавливают образец 3 льда, которому придают кольцевую форму (он может быть изготовлен прямо на месте проведения испытания или подготовлен в натурных условиях), ограниченный внутренним R1 и внешним R2 радиусами, и который имеет плоские торцевые поверхности, разнесенные на толщину H (см. фиг.6, 7).
Нож формирует две плоские поверхности I и II (см. фиг.5), которые получаются путем врезания ножа в лед при отсутствии образца истираемого материала 4 движением штока 8 вертикальной направляющей 7 вниз, врезанием режущей кромки 10 режущей пластины 9, обращенной к образцу 3 льда. Параметры ножа выбираются таким образом, чтобы поверхность I была уже образца 4, а поверхность II наоборот шире образца. Таким образом, нож формирует начальную поверхность льда (плоскость I) до начала истирания.
Одну торцевую поверхность образца 3 льда устанавливают и крепят на платформе 2 (например, заморозкой). Вторая торцевая поверхность образца 3 льда предназначена для контакта с образцом 4 истираемого материала. Фиксируют образец 4 истираемого материала в контакте с образцом 3 льда в средстве 5 для его удержания и формируют усилие средством 6 их прижатия друг к другу.
При контакте бетона со льдом поверхность I подвергнется износу и преобразуется в поверхность I′, расположенную между плоскостями I и II (фиг.5). В дальнейшем поверхность I′ будет мнимой плоскостью, т.е. нож не будет резать лед на уровне этой плоскости. Важным параметром является глубина подрезки t, т.е. расстояние между плоскостями I′ и II. Чем меньше t, тем большее усилие прижатия можно развить без разрушения поверхности контакта II. Величина t определяется расстоянием между режущей кромкой 10 ножа, формирующей поверхность II, и поверхностью, касательной, соединяющей опорные лыжи 13. Значение величины t устанавливают опытным путем для максимальной силы прижатия. Обеспечивают возможность контактирования ножа с истирающей поверхностью образца 3 льда непосредственно у зоны контактирования истираемого образца 4 и истирающей поверхности образца 3 льда стержнем 12 и регулируют толщину снимаемого слоя истирающей поверхности положением кромки 10 режущей пластины 9 относительно опорной поверхности опорной лыжи 13, при этом шарнирность соединения лыжи 13 со стержнем 12 исключает ее заклинивание. Формирование прижимающего усилия на ноже и его внедрение в образец 3 льда и возможность регулирования этого усилия обеспечивают дополнительным грузом 14.