УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
APPARATUS FOR MEASURING DEFORMATION AND STRESS IN ICE COVER

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств льда и, в частности, ледотехнике и предназначено для измерения относительных деформаций и напряжений ледяного покрова, вызванных природными явлениями и техническими воздействиями.
Известны кварцевые штанговые линейные деформометры для измерения относительных деформаций земной коры, вызываемых приливными волнами и землетрясениями [1, 2]. Такие устройства устанавливают в специально построенных шахтах, где климатические влияния на работу прибора практически отсутствуют. При этом один конец штанги заделывается в бетонное основание, а свободный конец покоится на подвесной опоре у другого основания. Оба основания заделываются в скальный грунт шахты.
Недостатками устройства являются невозможность определения главных деформаций грунта и отсутствие компенсации температурных колебаний воздуха. Кроме того, заделка кварцевой штанги в бетонном основании и способ вмонтирования основания в грунт неприемлемы для ледовых условий эксплуатации устройства.
Известно устройство для измерения деформаций льда [3], которое содержит кварцевую штангу, один конец которой жестко связан с основанием, вмороженным в лед. У свободного конца штанги вмораживается стойка с термокомпенсационным штоком, на котором крепится преобразователь перемещений свободного конца кварцевой штанги. Недостатком устройства является невозможность определить главные деформации в плоскости льдины и тем самым определить эллипс деформации и азимут источника деформирования льда.
Известен датчик давления [4] во льду, выполненный в виде упругого полого шара, в котором в трех взаимно перпендикулярных направлениях расположены параметрические преобразователи, каждый из них закреплен в двух точках, расположенных диаметрально противоположно на внутренней стенке шара. При помощи такого устройства можно определить эллипс напряжений в ледяном покрове и азимут на источник напряжений. Недостатком датчика давления является невозможность определения деформаций льда.
Известно устройство для измерения деформаций льда [5], взятое за прототип, которое снабжено тремя кварцевыми штангами, закрепленными в постаменте, вмороженном в лед. Штанги расходятся под углами 120° в сторону стоек, также вмороженных в лед. На стойках закреплены термокомпенсационные штоки с параметрическими датчиками перемещения свободных концов штанг. Такая установка штанг и закрепление их концов обеспечивает определение главных деформаций в плоскости льдины и азимута источника деформирования льда в непрерывном режиме работы на основании следующих формул:
φ
I
II
0
0
где ε - деформация в направлении, образующем с осью X произвольно выбранной системы координат X, Y угол φ: ε и ε - главные деформации (максимальная и минимальная) в направлении главных осей I и II, образующие с осью X углы φ и (φ-π/2) соответственно.
;
1
2
3
где ε, ε, ε - измеренные деформации на каждой штанге. Кроме того, устройство снабжено приспособлением, которое позволяет проводить калибровку без перерыва работы деформометра. Это обеспечивает гидравлический трансформатор, расположенный на постаменте, с тремя рабочими штоками, упирающимися в хомуты с зажатыми в них концами кварцевых штанг. Сами хомуты прижимаются четырьмя плоскими пружинами к упорам, жестко скрепленным с постаментом. Четвертый задающий шток, расположенный в верхней части гидротрансформатора, вводится в камеру гидротрансформатора микрометрическим винтом. Таким образом, осуществляется подача калибровочного сигнала в виде ступени на все три штанги. Недостатком прототипа является то, что устройство не предназначено для измерения напряжений во льду.
Целью изобретения является обеспечение определения напряженно-деформированного состояния льда на основании одновременного измерения главных напряжений и главных деформаций совместно с определением азимута источника деформирования льда; определение модуля упругости льда; определение анизотропного состояния льда; определение затухания напряжений в ледяном покрове.
Указанный результат достигается тем, что постамент и стойки выполнены в виде полых жестких цилиндров с дном полусферической формы. Такая конфигурация минимизирует концентрацию напряжений при их замораживании в лед. В постаменте располагаются ниже поверхности льда три параметрических датчика, каждый из которых закреплен внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. При этом оси чувствительности датчиков расходятся под углами 120° и совпадают с направлением осей чувствительности кварцевых штанг устройства. Такая установка параметрических датчиков в постаменте обеспечивает определение главных напряжений и азимута источника напряженного состояния льда в плоскости льдины на основании следующих формул:
,
ψ
I
II
0
0
где σ - напряжение в направлении, образующем с осью X произвольно выбранной системы координат X, Y угол ψ: σ и σ - главные напряжения (максимальное и минимальное) в направлении главных осей I и II, образующие с осью X углы ψ и (ψ-π/2) соответственно.
;
1
2
3
где σ, σ, σ - измеренные напряжения на каждом параметрическом датчике, установленном внутри постамента.
По измеренным главным напряжениям и деформациям определяются модули упругости льда:
;
,
I
II
где E, E - модули упругости в направлении максимальных и минимальных напряжений и деформаций соответственно. Это также дает возможность характеризовать анизотропность ледяного покрова.
В каждой стойке, вмороженной у свободных концов кварцевых штанг, ниже поверхности льда устанавливается параметрический датчик, закрепленный внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. При этом ось чувствительности каждого датчика, расположенного в стойке, совпадает с осью чувствительности своей кварцевой штанги и осью чувствительности одного параметрического датчика, установленного в постаменте. Такое расположение параметрических датчиков в постаменте и в стойках обеспечивает определение затухания напряжений на базе устройства.
На фиг.1 представлен вид устройства в разрезе по одной из трех кварцевых штанг 1. Постамент 2, выполненный в виде полого жесткого цилиндра с дном полусферической формы, вморожен в ледяной покров. Внутри постамента 2 установлен параметрический датчик 3 (два других датчика не указаны), закрепленный внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. У свободного конца кварцевой штанги 1 вморожена стойка 4 в виде полого жесткого цилиндра с дном полусферической формы. Внутри стойки 4 установлен параметрический датчик 5, закрепленный внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. На постаменте 2 неподвижно установлена плита 6, к которой при помощи болтов 7 крепится гидравлический трансформатор 8 с микрометрическим винтом 9, упирающимся в задающий шток 10, вставленный через сальник 11 в камеру 12 гидротрансформатора 8. Камера 12 заполнена рабочей жидкостью. В нее через сальник 13 вставлен рабочий шток 14 (показан один рабочий шток из трех). Рабочий шток упирается в конец кварцевой штанги 1, закрепленной в подвижном хомуте 15. Хомут 15 прижимается двумя горизонтальными и двумя вертикальными плоскими пружинами 16 (видна одна вертикальная пружина 16) к упору 17 с помощью планки 18, которая крепится к плите 6 и упору 17 при помощи болтов 19. Упор 17 жестко связан с плитой 6. Кварцевая штанга 1 свободным концом направлена в сторону стойки 4, вмороженной в лед. К стойке 4, снабженной параметрическим датчиком 5, крепится термокомпенсационный шток 20. На конце штока 20 закреплен параметрический датчик перемещений 21 свободного конца штанги.
На фиг.2 представлен вид сверху постамента с плитой 6, гидравлическим трансформатором 8, микрометрическим винтом 9, тремя рабочими штоками 14, которые упираются в концы трех кварцевых штанг 1, закрепленных в подвижных хомутах 15. Хомуты 15 прижимаются горизонтальными плоскими пружинами 22 (видны три верхние горизонтальные плоские пружины) к упорам 17 при помощи планок 18 болтами 19. Свободные концы штанг 1 расходятся под углами 120° к стойкам 4 в соответствии с фиг.1.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Постамент 2 с тремя параметрическими датчиками 3 и закрепленной на постаменте плитой 6 вмораживается в лед. На плите 6 болтами 7 крепится гидравлический трансформатор 8 с микрометрическим винтом 9, упирающимся в задающий шток 10, вставленный через сальник 11 в камеру 12 гидротрансформатора 8. Штанги из кварцевых труб 1 закрепляются в подвижных хомутах 15, которые прижимаются плоскими вертикальными пружинами 16 (фиг.1) и горизонтальными пружинами 22 (фиг.2) к упорам 17 при помощи планок 18 болтами 19. Свободные концы трех штанг 1 направляются в сторону трех стоек 4, внутри которых расположены по одному параметрическому датчику 5. На стойках закрепляются термокомпенсационные штоки 20 и преобразователи перемещений 21 свободных концов кварцевых штанг. Термокомпенсационные штоки 20 позволяют исключить ошибку, возникающую при собственных температурных деформациях штанг. Электрические сигналы с трех преобразователей перемещений 21 свободных концов кварцевых штанг 1, с трех параметрических датчиков 3, расположенных в постаменте 2, и с трех параметрических датчиков 5, находящихся в стойках 4, поступают на регистрирующую аппаратуру (на фиг.1 и 2 не указана). По этим сигналам определяются главные деформации, главные напряжения, модули упругости, анизотропное состояние льда в соответствии с вышеприведенными формулами.
Контроль за чувствительностью устройства осуществляется следующим образом. Задающий шток 10 вводится через сальник 11 при помощи микрометрического винта 9 в камеру 12 гидротрансформатора 8 на выбранную величину (например, на величину, приводящую к появлению сигнала на штангах деформометра 10 мкм). Гидротрансформатор 8 скреплен с плитой 6 болтами 7. При этом три рабочих штока 14 через сальники 13 выдвинутся и сместят подпружиненные четырьмя плоскими пружинами 16 и 22 подвижные хомуты 15 с зажатыми в них концами кварцевых штанг 1, что обеспечит появление контрольных сигналов в виде ступеней на регистраторе. Далее при выводе задающего штока 10 из камеры 8 при выкручивании микрометрического винта 9 хомуты 15 плоскими пружинами 16 и 22 возвращаются в исходное положение и прижимаются к упорам 17, а на регистраторе запись возвращается на прежний уровень.
Технико-экономический эффект проявляется:
- в повышении точности измерения напряженно-деформированного состояния льда, а именно определении главных деформаций и главных напряжений при одновременном определении азимута источника деформирования льда одним устройством;
- в определении модулей упругости льда по главным деформациям и главным напряжениям и определении степени анизотропии льда;
- в определении затухания напряжений во льду на базе устройства.
Источники информации
1. Латынина Л.А. Анализ работы штангового деформографа. АН СССР, ин-т «Физики Земли», №4218-72, деп., М., 1977 г.
2. Латынина Л.А., Кармалеева P.M. Деформографические измерения.М.: Наука, 1978 г.
3. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Устройство для измерения деформаций льда. - Авт. св. №712744. Опубликовано 30.01.1980 г. Бюл. №4.
4. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Альтшулер Г.Г. Датчик давления. Авт. св. №561887. Опубликовано 15.06.77 г. Бюл. №22.
5. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Устройство для измерения деформаций льда. Авт. св. №1784888. Опубликовано 30.12.92 г. Бюл. №48 (прототип).