[發明專利]旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201410014027.6
• 申請日: 2014-01-13
• 公開（公告）號: CN103776763A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 朱程香;朱春玲;苗波;孫衛平;巫瑞銳;崔寧;王淵
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N19/04
• 分類號: G01N19/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：包括制冷系統、機械驅動系統、噴水系統以及數據采集系統；所述，制冷系統包括保溫箱（4）和通過供冷管道與保溫箱（4）內部連通的供冷裝置；實驗件（5）放在保溫箱（4）內部并與機械驅動系統相連接，機械驅動系統驅動實驗件（5）作直線運動和旋轉運動；噴水系統包括噴嘴、空氣輸送管道（17）和水輸送管道（18），空氣輸送管道（17）和水輸送管道（18）同時接入噴嘴，噴嘴安裝在保溫箱（4）壁上；數據采集系統包括拉壓式力傳感器（8）、溫度傳感器（15）、壓力傳感器（14）、智能采集模塊（13）、計算機（12），拉壓式力傳感器（8）安裝在機械驅動系統內，溫度傳感器（15）設置在保溫箱（4）內部，壓力傳感器（14）分別安裝在空氣輸送管道（17）和水輸送管道（18）上，拉壓式力傳感器（8）、溫度傳感器（15）、壓力傳感器（14）均通過智能采集模塊（13）連接到計算機（12）。

2.根據權利要求1所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述機械驅動系統包括實驗件夾持機構（2）、聯軸器（6）、軸（7）、螺桿（9）、鎖緊螺母（10）、步進電機（11）以及電機驅動器；所述實驗件（5）的一端與設置在保溫箱（4）內一側的夾持機構（2）相連接，另一端通過聯軸器（6）連接到軸（7）上?，從軸（7）向外又依次連接有拉壓式力傳感器（8）、螺桿（9）、鎖緊螺母（10）、步進電機（11）。

3.根據權利要求2所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述供冷裝置為液氮罐（1）。

4.根據權利要求3所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述噴嘴為雙通道可調節液態水滴直徑噴嘴（16），噴嘴內的水、氣管道采用的是同心的雙圓柱體管道，且內管路為水管道，外管路為氣管道。

5.根據權利要求4所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述雙通道可調節液態水滴直徑噴嘴（16）的水壓范圍：????????????????????????????????????????????????、氣壓范圍：?、液態水滴直徑MVD可調范圍：。

6.根據權利要求5所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述噴嘴安裝在保溫箱（4）頂部壁上。

7.根據權利要求6所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述智能采集模塊（13）包括溫度信號采集模塊、水路、氣路壓力信號采集模塊、拉壓式力傳感器的壓力信號采集模塊。

8.根據權利要求7所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述拉壓式力傳感器（8）供橋電壓為10VDC，精度為?，靈敏度為2mV/V。

9.?根據權利要求8所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置，其特征在于：所述溫度傳感器（15）為鉑電阻溫度傳感器，數量為6個。

10.采用權利要求1至9任意一項權利要求所述的一種旋轉圓柱結冰與冰層粘附力測量的實驗裝置進行結冰與冰層粘附力測量的方法，其特征在于：包括以下步驟：

1）將實驗件（5）一端利用聯軸器（6）與軸（7）相連接，另一端與夾持機構（2）相連接，實驗件（5）可以在夾持機構（2）內自由旋轉和滑動；

2）調節機械驅動系統，使實驗件（5）只進行旋轉運動而不進行直線運動；封閉保溫箱（4），打開制冷系統開關和供氣開關，調節供氣壓力為0.2MPa～0.6MPa，開始制冷；?

3)?當保溫箱（4）內部溫度達到實驗的設定結冰溫度值時，打開供水開關，調節供水壓力為0.1MPa～0.3MPa，調節制冷系統開關使保溫箱（4）保持溫度恒定，使實驗件（5）上結冰，開始記錄結冰時間,結冰持續時間為8~10分鐘；?

4）待結冰過程結束，停止供氣和供水，調節制冷系統開關使溫箱（4）內繼續保持保步驟3）中的結冰溫度，進行結冰后的冷凍，冷凍時間為4~6分鐘；

5）調整機械驅動系統，使實驗件（5）停止旋轉運動開始單一直線運動，對冰層進行壓縮，利用計算機（12）和智能采集模塊（13）進行力學測試實驗數據包括空氣管路壓力、水管路壓力、保溫箱內部溫度、拉壓式力傳感器的壓力值的采集和記錄，拉壓式力傳感器的壓力值即為冰的剪切粘附力；測量得到冰層的長度和實驗件直徑，通過計算處理得出相應的粘附強度數值，即首先通過實驗件的直徑和冰層的長度得到冰與實驗件之間的接觸面積，然后找出冰的剪切粘附力的最大值，則剪切粘附力的最大值同接觸面積的比值即為冰的剪切粘附強度；

具體計算如下：

其中：為冰與實驗件的接觸面積，；為實驗件直徑，；為冰層的長度，；為冰的剪切粘附強度，；為冰的剪切粘附力的最大值，。