Способ и стенд для измерения площади зоны контакта между тонкостенной оболочкой под внутренним давлением и жесткими преградами
METHOD AND BENCH FOR MEASURING THE AREA OF CONTACT BETWEEN THIN-WALLED SHELL UNDER INTERNAL PRESSURE AND RIGID BARRIERS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике экспериментального измерения ширины или площади зоны контакта, образующейся между тонкостенными оболочками и жесткими преградами. Цель изобретения - повышение точности измерений.
Изобретение может быть использовано в процессе проектирования и экспериментального исследования механических и теплотехнических параметров тонкостенных оболочек (каналов, труб, резервуаров), использующихся в системах охлаждения, в транспортных системах и др., для которых определяющими являются параметры контактного взаимодействия с окружающими жесткими преградами или опорами.
В частности, изобретение может быть использовано для оценки ширины зоны контакта, реализующейся в системах жидкостного охлаждения активных фазированных решеток, в которых применяются внешние деформируемые каналы охлаждения (см., О.И. Крахин, В.П. Радченко, Д.Л. Венценосцев. "Методы создания системы отвода тепла теплонагруженных частей ФАР". Радиотехника 10 (2011): стр. 88-94; Токмаков Д.И. «Проблемы создания системы охлаждения активной фазированной антенной решетки сантиметрового диапазона». Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск No 68; патент РФ №2615661 «Способ охлаждения АФАР»). Ширина зоны контакта между каналами охлаждения и охлаждаемыми поверхностями в таких конструкциях является одним из наиболее важных технических параметров, определяющих эффективность отвода тепла от греющихся элементов АФАР и, как следствие, надежности и долговечности изделия в целом. В процессе проектирования изделий необходимо иметь достоверные прогнозы ширины зоны контакта каналов охлаждения со стенками приемо-передающих модулей, для выбора оптимальных параметров гидравлической системы: расхода, давления, допустимой температуры охлаждающей жидкости (см. Радченко В.П. «Моделирование напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкций систем терморегулирования радиолокационных станций», диссертация на соискание звания кандидата технических наук, 2018 г.).
Ранее измерение ширины зоны контакта для деформируемых тонкостенных каналов охлаждения производилось на основе расчетных методов (Бабайцев и др. (2017). Оценка прочности и выбор оптимальной формы поперечного сечения тонкостенных металлических трубок системы охлаждения АФАР. Технология металлов, №10, 38-46) или с использованием щупа через отверстия, просверливаемые в жестких преградах (О.И. Крахин, В.П. Радченко, Д.Л. Венценосцев. "Методы создания системы отвода тепла теплонагруженных частей ФАР". Радиотехника 10 (2011): стр. 88-94). Однако, эти методы являются недостаточно точными и не позволяют проводить визуальное наблюдение зоны контакта и быстрые экспериментальные измерения. Также известны методы определения параметров контакта автомобильных шин с дорожным полотном (US 5092166 A, US 20090080703 A1, US 20160167464 A1, RU 2384830, US 5092166 A). Эти методы основаны на использовании аналоговых и цифровых датчиков контакта, визуальных наблюдениях и видеофиксации процессов деформирования шины при контакте с жесткой поверхностью, однако эти методы не позволяют измерять зону контакта для жестких оболочек, выполняемых из металлов (а не из резины или иных эластомеров), в которых из-за более высокой жесткости деформации могут быть крайне малы, а зона контакта не проявляется в виде характерного наблюдаемого пятна. Отличием предлагаемой методики является использованием аэрозоля или смазки для визуализации зоны контакта между металлической оболочкой и стеклом, использованием прозрачных преград и исследованием процессов деформирования оболочки под действием внутреннего давления, что требует расположения преград, как минимум, с двух сторон от исследуемой оболочки.
Техническим результатом предлагаемого способа и стенда является возможность измерения зоны контакта тонкостенных оболочек под внутренним давлением зажатых в жестких преградах с возможностью выставления точного зазора между преградами и контролирования требуемого давления в самой оболочке.
Заявленный технический результат достигается:
1. Способ измерения площади зоны контакта между тонкостенной оболочкой под внутренним давлением и жесткими преградами, характеризирующийся тем, что фрагмент оболочки герметизируют и подключают к системе нагнетания и контроля давления воздуха, устанавливают оболочку между жесткими преградами, жестко фиксируют преграды на требуемом расстоянии, нагнетают давление в оболочке до требуемого давления или до возникновения контакта, измеряют площадь зоны контакта.
2. Способ измерения по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность исследуемого фрагмента оболочки перед установкой между жесткими преградами до испытания наносится смазка или аэрозоль на водной или органической основе для точной фиксации зоны контакта
3. Стенд для измерения площади зоны контакта между тонкостенной оболочкой под внутренним давлением и жесткими преградами, состоящий из исследуемого фрагмента оболочки, подключенного к системе подаче воздуха с регулированием давления в фрагменте оболочки и установленного между жестко закрепленными жесткими преградами, выполненными в виде стеклянных плит с отверстиям для фиксации с заданным зазором между плитами.
4. Стенд для измерения по п. 3, отличающийся тем, что на поверхности стеклянных нанесена гравировка для центрирования и миллиметровая шкала для фиксации зоны контакта.
5. Стенд для измерения по п. 3, отличающийся тем, что на стеклянной плите установлена подсветка, обеспечивающая улучшение визуального наблюдения зоны контакта.
На фиг. 1 представлена схема лабораторного стенда для определения ширины зоны контакта между фрагментом оболочки и жесткими преградами.
На фиг. 2 представлена зона контакта оболочки с преградами в виде характерного пятна оставленного от заранее нанесенной смазки/аэрозоля на поверхности оболочки.
Лабораторный стенд состоит из исследуемого фрагмента оболочки (позиция 1 на фиг. 1), установленного между жестко закрепленными стеклянными плитами (позиция 2 на фиг. 1) и подключенного к системе подаче воздуха (позиции 3, 4-6 на фиг. 1). Стеклянные пластины изготовлены из незакаленного стекла с отверстиями для фиксации и выставления заданных зазоров (позиция 7 на фиг. 1) и с гравировкой в виде центрирующих линий (позиция 8 на фиг. 1), для ровной установки образца, и с миллиметровыми шкалами (позиция 9 на фиг. 1), для фиксирования зоны контакта. Зазор между пластинами контролируется с помощью болтового соединения и набором шайб или проставок фиксированного размера, позволяя зафиксировать образец без зазора или с фиксированным зазором.
Система подачи и контроля давления воздуха должна иметь:
- основной резервуар высокого давления с воздухом (позиция 6 на фиг. 1)
- манометр (позиция 4 на фиг. 1), показывающий давление в баллоне,
- редуктор понижающие давление до рабочего давления второй ступени (позиция 5 на фиг. 1), и высокоточный редуктор второй ступени (позиция 10 на фиг. 1) с манометром и регулирующим устройством позволяющий контролировать подачу воздуха с точность не менее 0,1 атм, и манометром с кнопкой сброса воздуха для сброса или понижения давления в трубке (позиция 3 на фиг. 1).
Соединение редуктор/регулятор давления и регулятор давления/баллон осуществляются с помощью шлангов через байонетное соединение. Для удобства видимости миллиметровой шкалы на стекле в торце стекла установлена подсветка (позиция 11 на фиг. 1).
Измерения проводятся следующим образом. Выбирается характерный фрагмент исследуемой оболочки. Фрагмент оболочки предварительно герметизируется, например, путем заваривания открытых торцов, и подключается к системе подачи и контроля давления воздуха через заранее установленный в исследуемом образце ниппель (позиция 12 на фиг. 1). Непосредственно перед проведением испытаний на поверхность оболочки наносится смазка или аэрозоль на водной или органической основе. Фрагмент оболочки размещается между двумя (или более) стеклянными плитами, расстояние между которыми выставляется с учетом необходимых зазоров, которые реализуются в реальных условиях эксплуатации рассматриваемой оболочки. Далее оболочка надувается, и для заданного уровня давления внутри оболочки определяется ширина или площадь зоны контакта между оболочкой и стеклянными плитами.
Измерения проводятся путем непосредственного наблюдения. Присутствие смазки/аэрозоля на поверхности оболочки позволяет визуально наблюдать зону контакта оболочки с преградами в виде характерного пятна, размеры которого замеряются (см. фиг. 2). Преграды выполняются из прозрачных стеклянных плит достаточной толщины, для обеспечения их прочности и жесткости в условиях контакта с исследуемым фрагментом оболочки. В частности, при испытаниях каналов охлаждения из нержавеющей стали с гидравлическим диаметром не более 10 см, толщиной стенок до 1 мм и нагружаемых избыточным давлением не более 2 атм, достаточно использовать стеклянные плиты толщиной 20 мм.
Использование водных аэрозолей является предпочтительным, так как повышает точность проводимых измерений, однако, они требуют постоянного восстановления из-за того, что достаточно быстро испаряются на воздухе. Использование смазок на органической или водной основе позволяет производить более длительные испытания, однако точность измерения снижается, так как пятно зоны контакта может существенно увеличиваться вследствие налипания смазки на поверхность стекол и капиллярных эффектов.
Для удобства измерений на поверхность стеклянных плит предварительно наносится миллиметровая разметка (например, лазерной гравировкой), которая позволяет непосредственно измерить реализующуюся ширину зону контакта в процессе испытаний. Для повышения заметности зоны (пятна) контакта со стороны торца стеклянных плит включается подсветка, например, с использованием лампы дневного света.