Комплексная система для определения характеристик прочности льда в натурных условиях и на образцах
COMPLEX SYSTEM FOR DETERMINATION OF ICE STRENGTH CHARACTERISTICS IN NATURAL CONDITIONS AND ON SAMPLES

Комплексная система для определения характеристик прочности льда в натурных условиях и на образцах относится к измерительной технике, а более конкретно к устройствам измерения силы или механического напряжения при разрушении льда с помощью гидравлических средств. Комплексная система может быть использована при определении характеристик прочности ровного льда и ледовых образований в натурных условиях и на образцах льда, необходимых при проектировании и строительстве ледостойких сооружений в замерзающих морях.
Известен гидравлический зонд-индентор (borehole jack) [1], который используется для определения характеристик прочности льда в скважинах и представляет собой гидроцилиндр с выдвижным штоком, на котором закреплен индентор в виде круга, вырезанного из стенки цилиндра. При этом радиус кривизны индентора совпадает с радиусом скважины, что обеспечивает плотное прилегание индентора к стенке скважины. Противоположная опорная часть гидроцилиндра также выполнена с радиусом кривизны, совпадающим с радиусом скважины. Площадь опорной части и площадь индентора равны. При проведении испытаний рабочая жидкость подается в поршневую часть гидроцилиндра, при этом происходит выдвижение штока с индентором и внедрение в стенку скважины как индентора, так и противоположной опорной части гидроцилиндра.
Недостатком указанного устройства являются частые перекосы устройства при проведении испытаний, вызванные внедрением гидроцилиндра в стенку скважины как со стороны индентора так и со стороны опорной части, что ведет к искажению информации о характеристиках прочности ледяного покрова. Внедрение устройства в обе стороны уменьшает в два раза глубину внедрения индентора в стенку скважины, что не дает возможность получить полную характеристику разрушения льда и снижает качество получаемой информации. Кроме того, возможно застревание гидроцилиндра со стороны опорной части во льду даже при втянутом рабочем штоке, что затрудняет извлечение устройства из скважины. Данное устройство невозможно применять для испытаний прочности киля и паруса тороса, сформированных из смерзшихся обломков льда, вследствие того, что площадь индентора и опорной части невелики и, как правило, намного меньше обломков льда, составляющих парус и киль торосов и стамух. В устройстве не предусмотрена возможность согласованного проведения испытаний прочности льда в скважинах и на образцах, что не позволяет получать коэффициент сравнения необходимый при расчетах нагрузок льда на сооружения.
Известно устройство для измерения характеристик прочности льда и ледовых образований [2], принятое за прототип, которое представляет собой гидроцилиндр с выдвижным штоком, на котором закреплен индентор в виде круга, вырезанного из стенки цилиндра. Противоположная опорная часть устройства, выполнена в виде сегмента цилиндра с радиусом, совпадающим с радиусом скважины, в которой проводятся испытания. При этом опорная часть изготовляется с площадью поверхности, превышающей площадь индентора не менее чем в десять раз, что обеспечивает устойчивую работу устройства в скважине и внедрение только индентора в лед, что дает достаточно глубокое проникновение индентора в стенку скважины, необходимое для получения характеристик прочности льда. Устройство снабжено набором съемных инденторов разной площади, что необходимо для работы во льду разной прочности. При этом площадь опорной плиты превосходит площадь самого большого индентора не менее чем в десять раз. Устройство работает от гидростанции, которая обеспечивает внедрение индентора в стенку скважины с одной постоянной скоростью [3].
Недостатком указанного устройства является невозможность изменять скорость выдвижения штока с индентором, а также отсутствие возможности непрерывного измерения глубины внедрения индентора в лед при испытаниях, нет согласованного по характеристикам нагружения с зонд-индентором пресса с регулируемой скоростью перемещения пуансона пресса для испытаний образцов льда при сжатии с целью получения коэффициента сравнения прочности образцов льда и прочности льда в натурных условиях в скважине [3]. Кроме того, затруднительно применение такого устройства для определения прочности киля и паруса тороса из-за малой площади индентора по сравнению с размерами обломков льда, формирующих парус и киль.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей известного устройства, повышение качества и точности измерений характеристик прочности льда в натурных условиях и на образцах. Указанный технический результат достигается тем, что изменение скорости внедрения индентора в лед обеспечивается применением гидростанции, снабженной регулятором потока, который позволяет выставлять заданную скорость выдвижения штока зонд-индентора в определенном диапазоне скоростей.
в
н
2
2
Для измерения давления в рабочем цилиндре зонд-индентора и определения положения штока при выдвижении применен измерительный блок, который обеспечивает следующие функции: измерение давления в рабочей полости зонд-индентора датчиком давления и дублирующее визуальное измерение с помощью манометра; измерение хода поршня в рабочей камере зонд-индентора путем измерения хода поршня измерительного цилиндра в измерительном блоке встроенным датчиком положения; обеспечивает за счет работы входящих в блок гидравлических клапанов исходное положение и заполнение рабочей жидкостью (маслом) измерительного цилиндра, а также входящего в состав комплекса мультипликатора давления. Мультипликатор гидравлический предназначен для повышения давления рабочей жидкости (масла) в рабочей камере зонд-индентора (гидроцилиндра) и тем самым обеспечивает постоянство заданной скорости внедрения индентора в лед. Мультипликатор состоит из двух соединенных между собой цилиндров. В цилиндре низкого давления находится поршень большого диаметра D, который соединен с плунжером (штоком) малого диаметра d, входящим в цилиндр высокого давления. Получаемое давление р будет в D/d раз больше подводимого р.
Для проведения испытаний характеристик прочности в парусе и киле тороса на место круглого индентора устанавливается индентор в виде сегмента цилиндра по размерам совпадающий с размерами опорной плиты. В этом случае испытания проводятся с нагружением стенки скважины в обоих направлениях. Размер индентора обеспечивает необходимое нагружение в среде, сформированной из обломков льда, а меньшая прочность такой среды по сравнению с ровным льдом и с консолидированной частью тороса, позволяет определить ее прочностные характеристики при уменьшенной величине внедрения.
Устройство укомплектовано прессом для проведения испытаний прочности при сжатии образцов льда согласованного размера с размером круглых инденторов (поперечная площадь образца и площадь круглого индентора сопоставимы). Кроме того, скорость выдвижения пуансона пресса регулируется при помощи регулятора потока на гидростанции, к которой подключается пресс, что позволяет согласовывать скорости нагружения льда в скважинах и скорости нагружения образцов льда, испытуемых в прессе. При этом перемещение штока гидроцилиндра пресса измеряется при помощи датчика перемещения, встроенного в пресс, а усилие измеряется при помощи датчика давления и визуально дублируется манометром, установленными на прессе.
На фиг. 1 приведен состав комплексной системы для определения характеристик прочности льда в натурных условиях (в скважинах). На ледяном поле 1 расположена гидростанция 2 с регулятором потока 3 для установки заданной скорости выдвижения штока зонд-индентора 5 и гидрораспределителем 4. Гидростанция 2 рукавами через измерительный блок 6, включающий в себя измерительный цилиндр 7 и манометр 8 (датчик давления и гидравлические клапана исходного положения и заполнения маслом измерительного цилиндра на фиг. 1 не указаны) и мультипликатор 9 соединена с зонд-индентором 5. Над зонд-индентором установлена тренога 10 с электролебедкой 11 и ручной лебедкой 12, обеспечивающих опускание и подъем зонд-индентора 5 в скважину в ручном или механизированном режимах. Измерительный блок 6 подключается к регистрирующему устройству, а гидростанция 2 к электрогенератору, которые на фиг. 1 не указаны.
На фиг. 2 приведена схема подключения рукавами к прессу 13 гидростанции 2 с регулятором потока 3 для установки заданной скорости выдвижения штока с пуансоном 14 гидроцилиндра пресса 13. Перемещение штока с пуансоном 14 гидроцилиндра пресса 13 измеряется при помощи встроенного в пресс датчика перемещения, который на схеме не указан, а усилие измеряется при помощи датчика давления 15 и визуально дублируется манометром 16, установленными на прессе 13. Гидростанция 2 подключается к электрогенератору, а датчик перемещения штока пресса 13 (на фиг. 2 не указан) и датчик давления 15 подключаются к регистрирующему устройству, которое на фиг. 2 не указано.
Комплексная система для определения характеристик прочности льда работает следующим образом.
Для работы в натурных условиях (фиг. 1) гидростанция 2 подключается к электропитанию и происходит ее работа на холостом ходу. В положении «РАЗГРУЗКА» гидрораспределителя 4 насос гидростанции разгружен, зонд-индентор 5 неподвижен, а в исходном положении штоки гидроцилиндров мультипликатора 8 и зонд-индентора 5 полностью втянуты, шток измерительного гидроцилиндра 7 измерительного блока 6 полностью выдвинут.При этом зонд-индентор 5 находится на поверхности льда вне скважины. Регулятором потока 3 настраивается заданная скорость выдвижения штока гидроцилиндра зонд-индентора 5. Зонд-индентор 5 опускается на заданную глубину в скважину, выбуренную во льду. При включении гидрораспределителя 4, установленного на гидростанции 2, в положение «РАБОТА» масло по соединительному рукаву поступает в поршневую полость мультипликатора 9. При этом происходит выдвижение штока мультипликатора 9. Из штоковой полости мультипликатора 9 масло поступает в поршневую полость зонд-индентора 5, выдвигая его шток с постоянной скоростью и создает нагрузку на лед.
Усилие на лед определяется площадью поршня зонд-индентора 5 и величиной давления в его поршневой полости. Максимальное давление в штоковой полости мультипликатора 9 и поршневой полости зонд-индентора 5 определяется как давление, настроенное на гидростанции и умноженное на коэффициент мультипликации.
Из штоковой полости зонд-индентора 5 масло вытесняется в штоковую полость измерительного гидроцилиндра 7 измерительного блока 6. Шток измерительного гидроцилиндра 7 втягивается. Перемещение штока измерительного гидроцилиндра 7 измеряется встроенным датчиком положения (на фиг. 1 не указан). Таким образом осуществляется косвенное измерение хода (перемещения) штока зонд-индентора 5.
Масло из поршневой полости измерительного гидроцилиндра возвращается по рукаву в гидростанцию. Давление в поршневой полости зонд-индентора 5 измеряется датчиком давления (на фиг. 1 не указан) и визуально манометром 8 на измерительном блоке 6. В конце хода поршень зонд-индентора 5 упирается в переднюю крышку. При этом благодаря конструктивно заданному соотношению объемов мультипликатор давления 9 и измерительный гидроцилиндр 7 не совершают полного хода. При включении гидрораспределителя 4, установленного на гидростанции 2, в положение «ВОЗВРАТ» производится цикл возврата гидроцилиндров зонд-индентора 5, мультипликатора 9, измерительного гидроцилиндра 7 в исходное положение.
При работе с гидравлическим прессом 13 его подключают рукавами к гидростанции 2 (фиг. 2) с регулятором потока 3, который служит для установки заданной скорости выдвижения штока с пуансоном 14 гидроцилиндра пресса 13. При включении гидрораспределителя 4, установленного на гидростанции 2, в положении «РАБОТА» происходит нагружение образца льда (на фиг. 2 не указан), помещенного в пресс 13. Перемещение штока с пуансоном 14 гидроцилиндра пресса 13 измеряется при помощи встроенного в пресс датчика перемещения, который на схеме не указан, а усилие измеряется при помощи датчика давления 15 и визуально дублируется манометром 16, установленными на прессе 13. При установке гидрораспределителя 4 в положение «РАЗГРУЗКА» пресс останавливается, давление на гидростанции 2 сбрасывается. При установке гидрораспределителя 4 в положение «ВОЗВРАТ» шток гидроцилиндра пресса 13 возвращается в исходное (верхнее) положение. Скорость перемещения штока гидроцилиндра пресса 13 при опускании (нагружении) может быть отрегулирована с помощью регулятора потока 3 на гидростанции 2.
Использованные источники:
1. Masterson D.M. Interpretation of insitu borehole ice strength measurement tests. IAHR. IceSymposium. 1992. Banff. Alberta, p. 802-815.
2. Смирнов B.H., Шушлебин А.И., Яцкевич A.A. Патент на полезную модель №65224 «Устройство для измерения характеристик прочности ровного льда и ледовых образований». Приоритет полезной модели 03.04.2007. Зарегистрировано в Гос. реестре полезных моделей РФ 27.07.2007.
3. Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Никитин В.А., Шейкин И.Б., Шушлебин А.И. Новые технологии изучения механики и динамики морского льда и получения исходных данных для оценки сил ледового воздействия на берега, дно и сооружения. Труды RAO/GIS OFFSHORE 2009, PROCEEDINGS. СПб, 15-18 сентября, 2009, т. 2, с. 288-293.