Стенд для исследования физико-механических свойств ледяного покрова при его разрушении механическим способом
STAND FOR STUDY OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ICE COVER DURING ITS DESTRUCTION BY MECHANICAL MEANS

Решение относится к области экспериментального исследования физико-механических свойств льда при его разрушении механическим способом.
Известен способ локального разрушения льда из-под воды путем механического воздействия на него жесткой емкости, наполняемой воздухом (патент RU2398072 C2). На головной части корпуса жесткой емкости закреплено кольцо, создающее предварительную концентрацию нагрузки на нижнюю поверхность ледяного покрова; устойчивость всплытия емкости обеспечивают приданием ей вращения за счет вытекания водяного балласта из сопел, расположенных в нижней части этой емкости, приподнятых относительно ее дна и развернутых под углом 45(к корпусу емкости в горизонтальной плоскости.
Недостатком данного способа исследования разрушения ледяного покрова является то, что при этом способе разрушения ледяного покрова не осуществляется замера физико-механических характеристик льда при его разрушении.
Наиболее близким прототипом является патент (RU2182326 С2) «Способ определения механических характеристик ледовых торосов и устройство для его осуществления». Способ определения механических характеристик ледовых торосов заключается в продавливании пластины сквозь киль тороса в вертикальном направлении с одновременным измерением динамометром силы сопротивления продавливанию.
Продавливание пластины осуществляется за счет веса прикрепляемой к ней груза, а силу сопротивления продавливанию измеряют динамометром.
Устройство для определения механических характеристик ледовых торосов включает силовой привод с выдвижным штоком, который связан через динамометр с продавливаемой пластиной, электронный блок, соединенный с динамометром и регистратор.
Недостатком данного способа исследования является ограниченность возможностей его нагружения, а именно не позволяет исследовать разрушение ледяного покрова из-под воды, а также разрушение поверхности льда приложенным продольным усилием к кромке ледяного покрова.
Задачей изобретения является осуществление измерений физико-механических характеристик ледяного покрова при различных видах его разрушения в результате приложения различных усилий к поверхности ледяного покрова
Технический результат достигается тем, что в стенде для исследования механических свойств льда и способов его разрушения, состоящем из морозильной камеры, внутри которой установлен бассейн с водой, над которым установлена подвижная тележка, в центре днища бассейна установлен дейдвуд, через который проходит шток, в верхней части которого установлен керн, а нижний конец штока находится под днищем бассейна и соединен с динамометром и датчиком линейных перемещений, закрепленных на выдвижном штоке подъемного механизма, керн, закрепленный на верхней части штока, расположенный внутри бассейна, выполнен съемным и может иметь разную форму, на подвижной тележке закреплен двухкомпонентный динамометр, соединенный при помощи механизма вертикальных перемещений с керном, который может устанавливаться под любым углом к поверхности разрушаемого льда и осуществлять разрушение льда, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.
Исследования разрушения ледяного покрова осуществляется на стенде, состоящем из морозильной камеры, внутри которой установлен бассейн с водой, соединенный сообщающейся трубой с расширительным баком, стенки которого, как и бассейна, покрыты теплоизоляцией. В центре днища бассейна вмонтирована дейдвудная труба, через которую проходит керн, верхняя часть которого находится внутри бассейна, а его нижняя часть находится под днищем бассейна и соединена с динамометром и датчиком линейных перемещений. Динамометр жестко закреплен на выдвижном штоке подъемного механизма.
В верхней части стенда, над бассейном, установлена подвижная тележка, способная перемещаться вдоль бассейна по направляющим рельсам, закрепленных на внешних сторонах продольных бортов бассейна, на которой установлен двухкомпонентный динамометр с закрепленным на нем механизмом вертикального перемещения и датчик линейного перемещения. На нижней подвижной части механизма вертикальных перемещений закреплен керн, с возможностью менять угол наклона к поверхности льда.
Упорная часть обоих кернов, верхнего и нижнего, выполнена съемной и может иметь по необходимости любой профиль и форму.
Все три динамометра, датчики линейных перемещений и датчик скорости тележки (на чертежах не показан) соединены с информационно-измерительной системой стенда.
На фиг. 1 показан поперечный разрез стенда; на фиг. 2 - продольный разрез стенда по ДП; на фиг. 3 показана схема разрушения ледяного покрова наклонным керном.
Стенд для исследования механических свойств льда и способов его разрушения (фиг. 1-3) содержит морозильную камеру 1, с расположенным внутри нее бассейном с водой 2 (поверхность ледяного покрова 3), соединенного с расширительным баком 4 при помощи сообщающейся трубы 5. В центре днища 6 бассейна 2 вмонтирована дейдвудная труба 7, через которую проходит шток 8 с керном 9, соединенного в нижней его части с динамометром 10 и датчиком линейных перемещений 11, жестко закрепленных на выдвижном штоке 12 подъемного механизма 13. В верхней части бассейна - 2 установлена подвижная тележка 14, способная перемещаться по рельсам 15, установленных на внешней стороне продольных бортов 16 бассейна 2.
На подвижной тележке 14 установлен двухкомпонентный динамометр 17, на котором закреплен механизм вертикального перемещения 18 и датчик линейных перемещений 19. На нижней подвижной части 20 механизма вертикальных перемещений 18 закреплен керн 21 с возможностью поворота вокруг оси 22 и фиксации его на разных углах α относительно поверхности льда при помощи сектора 23, закрепленного на нижней поверхности 20 механизма вертикальных перемещений 18.
Стенд для исследования механических свойств льда и способов его разрушения работает следующим образом.
При исследовании разрушения ледяного покрова из-под воды, перед началом исследований устанавливают в верхней части штока 9 его рабочую съемную часть определенной формы - керн 9.
В бассейн заливают воду так, чтобы рабочая часть керна 9 была затоплена. Включив морозильную камеру 1 (холодильный агрегат не показан), осуществляют намораживание льда на поверхности воды в бассейне 2 нужной толщины, предусмотренной программой испытаний. Контроль толщины льда осуществляется при помощи контрольного сверления отверстий на поверхности ледяного покрова. При достижении ледяного покрова нужной толщины включают подъемный механизм 13, при достижении керном 9 нижней поверхности ледяного покрова 3 на динамометре 10 возникает усилие, изменение которого фиксируется измерительной аппаратурой, а датчиком перемещений 11 фиксируется ход керна 9 от момента его касания нижней поверхности ледяного покрова 3 до полного разрушения.
С помощью подвижной тележки 14 можно проводить исследования разрушения ледяного покрова 3 двумя способами.
Первый способ аналогичен исследованиям разрушения ледяного покрова 3 из-под воды.
Подвижная тележка 14 устанавливается в нужном месте над ледяным покровом 3, фиксируется и включается механизм вертикального перемещения 18, керн нужной формы 21 подводят к поверхности льда 3 и доводят до полного разрушения ледяного покрова 3, при этом измерительной аппаратурой фиксируется сила нагрузки керна на поверхность льда и ход керна от его касания до полного разрушения ледяного покрова 3.
Второй способ исследования разрушения ледяного покрова заключается в его разрушении боковым ребром керна 21, движущегося вдоль бассейна при различных углах его наклона к поверхности льда α.
Этот вид исследования осуществляются следующим образом.
Керн 21 определенной формы устанавливают под нужным углом α к поверхности ледяного покрова 3, поворачивая его вокруг оси 22 с фиксированием его с помощью сектора 23. Затем в ледяном покрове 3 делают прорезь под керн 21 и опускают керн 21 механизмом вертикального перемещения 18 в эту прорезь ниже ледяного покрова 3. После этого подвижную тележку 14 приводят в движение вдоль бассейна по рельсам 15. Во время движения тележки 14 керн 21 наезжает на кромку ледяного покрова 3 под установленным углом α, разрушая ледяной покров. При разрушении ледяного покрова 3 на кромке керна 21, находящегося в соприкосновении с ледяным покровом, возникает усилие, разрушающее лед. Усилие, возникающее на керне 21 передается через механизм вертикального перемещения 18 на двухкомпонентный динамометр 17, который замеряет вертикальную “Y” и горизонтальную “Х» составляющие силы, разрушающие лед. Сигналы с двухкомпонентного динамометра 17 фиксируются измерительной аппаратурой стенда.
Решение позволяет проводить исследования разрушения ледяного покрова, осуществляемого различными способами с осуществлением замера усилий, возникающих при его разрушении.