一种冰粘附强度的测试装置及测试方法

本发明涉及材料表面结冰强度测试，更具体的说是涉及一种冰粘附强度的测试装置及测试方法。

背景技术：

1、结冰是一种常见的自然现象，在工程领域中普遍存在，会带来不便与危害，如航空领域中飞机机翼结冰、电力运输领域中输电线缆结冰、制冷设备表面结冰等。由于结冰过程伴随着冰粘附现象的发生，所以会导致材料表面负重增加，或出现遮挡材料表面、干扰光学材料折射能力及透光性等问题。因此，如何高效、快速评价材料表面的结冰粘附强度是评价及设计除冰方法的基础。

2、目前，低温环境下水粘附在材料表面用冰粘附强度表征。冰粘附强度可以用于评价材料表面冰清除的难易程度。目前，国内外对材料冰粘附强度的研究有美国寒冷地区研究与工程实验室基于astmd 3528-96(2002)测试标准，设计了双试件搭接切向力测试方法，用于评价材料表面的冰粘附强度；国内专利“一种冰粘附强度测试方法和装置”-cn102269691 b利用滑刀测量水滴结冰后与材料表面的切向粘附强度；“一种材料表面冰粘附强度法向力测试方法和装置”-cn 102628789 a利用拖拉剥离由水结冰粘附在试样表面上探头的最大法向力，以表征法向冰粘附强度；“一种测量材料表面法向与切向冰粘附强度”-cn 112014234 a使用圆柱杯制冰法，并利用测试设备进行拉伸来表征粘附强度。总结以上测量冰粘附强度的测试方法和装置，均是利用剥离装置，将冰从材料表面剥离。其主要存在的问题是试验测量过程中，剥离装置需要接触冰与材料的冻结接触面，难以保证剥离过程中冰所受合力沿水平方向，易造成误差，即剥离装置对试验结果易产生干扰，降低测试结果。

3、因此，如何提供一种不借助剥离装置，直接分离冰与材料，能够准确测量材料表面冰粘附强度，且可操作性和重复性良好的冰粘附强度的测试装置及测试方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种不借助剥离装置，直接分离冰与材料，能够准确测量材料表面冰粘附强度，且可操作性和重复性良好的冰粘附强度的测试装置及测试方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种冰粘附强度的测试装置，包括：

4、测试平台；

5、制冷器，所述制冷器设置在所述测试平台上，所述制冷器的制冷面上放置有待测试的试样，所述试样顶端面上滴有水滴，水滴结冰成冰包；

6、高度可调支撑架，所述高度可调支撑架支撑在所述试样顶端面上，所述高度可调支撑架上固定有竖向导向管，所述竖向导向管的底部管壁上螺接有紧固螺栓；

7、测力器，所述测力器顶部设有测力拉手，所述测力器底部的测力探杆穿设在所述竖向导向管中，所述紧固螺栓的螺栓头端与所述测力探杆的杆壁顶紧接触，所述测力探杆的探头端置于所述冰包内部；

8、力显示仪，所述力显示仪与所述测力器电连接，用于显示测力值的大小；

9、温控器，所述温控器与所述制冷器电连接，用于控制所述制冷器的温度。

10、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种冰粘附强度的测试装置，使用时，将定量的水滴滴在试样上，并保证探头端位于水滴内部，制冷器开始制冷，水滴结冰成冰包，然后向上匀速拖拽测力拉手，使冰包与试样接触表面剥离，力显示仪显示测力器的拉力值，并根据结冰界面面积计算粘附强度。因此，该测试装置不借助外部的剥离装置，以悬浮式探头端来约束水滴，并直接分离冰包与试样材料，能够准确测量试样材料表面冰粘附强度，从而有效避免了传统测试装置使用剥离装置难以保证其剥离过程中冰包所受剥离装置的合力沿水平方向而易造成测试误差的问题。

11、进一步的，所述高度可调支撑架底端上螺接有支撑在所述试样顶端面上的支撑盘。

12、采用上述技术方案产生的有益效果是：转动支撑盘时，可调节支撑架的高度，进而可适当的调整探头端与试样表面之间的距离，确保剥离处的位置位于冰包与试样的接触表面，保证试验的精准性。

13、进一步的，所述支撑盘为吸盘。

14、采用上述技术方案产生的有益效果是：可调节支撑架可通过吸盘吸附在试样上，提高可调节支撑架的稳定性，避免在拉拽测力拉手时，可调节支撑架晃动影响测试效果。

15、进一步的，所述探头端上固定有用于增大水滴对所述试样顶端面的接触湿润面积的环形圈，所述环形圈通过其上的横梁与所述探头端固定连接。

16、采用上述技术方案产生的有益效果是：通过环形圈可以约束水滴，以实现探头端在一定悬浮高度下(间隙)下水滴对试样表面的接触湿润面积，利于水滴结冰为冰包后对试样表面具有一定的粘附力，确保冰包具有一定的粘附强度，提高测试精度。

17、进一步的，所述环形圈为圆形或三角形或四边形。

18、进一步的，所述环形圈的边缘处固定有多个用于增加所述环形圈的结冰抓力的悬浮爪刺。

19、采用上述技术方案产生的有益效果是：悬浮爪刺可增大环形圈与冰包之间的抓力，使得在拖拽测力拉手时，探头端不易从冰包中脱落出，保证试验能够正常进行。

20、进一步的，所述悬浮爪刺的材质为亲水性材质。

21、采用上述技术方案产生的有益效果是：增加水对悬浮爪刺的亲合力，易于提高悬浮爪对冰包的抓力。

22、本发明提供了一种冰粘附强度的测试方法，采用所述的测试装置进行如下测试步骤：

23、步骤s1：将所述试样置于所述制冷器的制冷面上，并在所述试样顶端面上放置所述高度可调支撑架，同时保证所述试样顶端面平整、无杂质及刮痕；

24、步骤s2：将所述测力探杆穿过所述竖向导向管，并拧紧所述紧固螺栓，以将所述测力探杆顶紧在所述竖向导向管上，然后将待测的定量水滴滴定在所述试样的顶端面上，同时使所述探头端置于所述水滴内部，开启所述制冷器，并通过所述温控器控制制冷温度，使所述水滴在所述试样顶端面上结冰成所述冰包；

25、步骤s3：待所述冰包冻结后，松开所述紧固螺栓，并匀速拉拽所述测力拉手使所述冰包从所述试样表面剥离，所述力显示仪显示所述测力器的拉力值，并根据结冰界面面积s计算粘附强度；

26、其中，若剥离处位于所述冰包与所述试样的接触表面，表明所测拉力为冰包与所述试样表面的冰粘附力，视为试验结果有效；若剥离处位于所述探头端与冰包的接触面，表明所述试样表面的冰粘附力大于所述探头端表面的冰粘附力，则视为试验结果无效，此时需要通过所述高度可调支撑架调整所述探头端与所述试样表面的距离，然后重复步骤s2和步骤s3。

27、进一步的，所述温控器控制所述制冷器的结冰试验温度范围为-55～-5℃。

28、进一步的，所述测力拉手由人工方式或电动方式完成匀速拉拽，其速度为1.0～5.0mm/s。

技术特征：

1.一种冰粘附强度的测试装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种冰粘附强度的测试装置，其特征在于，所述高度可调支撑架(5)底端上螺接有支撑在所述试样(3)顶端面上的支撑盘(51)。

3.根据权利要求2所述的一种冰粘附强度的测试装置，其特征在于，所述支撑盘(51)为吸盘。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种冰粘附强度的测试装置，其特征在于，所述探头端(821)上固定有用于增大水滴对所述试样(3)顶端面的接触湿润面积的环形圈(11)，所述环形圈(11)通过其上的横梁(111)与所述探头端(821)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种冰粘附强度的测试装置，其特征在于，所述环形圈(11)为圆形或三角形或四边形。

6.根据权利要求4所述的一种冰粘附强度的测试装置，其特征在于，所述环形圈(11)的边缘处固定有多个用于增加所述环形圈(11)的结冰抓力的悬浮爪刺(12)。

7.根据权利要求6所述的一种冰粘附强度的测试装置，其特征在于，所述悬浮爪刺(12)的材质为亲水性材质。

8.一种冰粘附强度的测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的测试装置进行如下测试步骤：

9.根据权利要求8所述的一种冰粘附强度的测试方法，其特征在于，所述温控器(10)控制所述制冷器(2)的结冰试验温度范围为-55～-5℃。

10.根据权利要求8所述的一种冰粘附强度的测试方法，其特征在于，所述测力拉手(81)由人工方式或电动方式完成匀速拉拽，其速度为1.0～5.0mm/s。

技术总结
本发明公开了一种冰粘附强度的测试装置及测试方法，测试装置包括：测试平台；制冷器，其设置在测试平台上，制冷器的制冷面上放置有待测试的试样，试样顶端面上滴有水滴，水滴结冰成冰包；高度可调支撑架，其支撑在试样顶端面上，高度可调支撑架上固定有竖向导向管，竖向导向管的底部管壁上螺接有紧固螺栓；测力器，其顶部设有测力拉手，测力器底部的测力探杆穿设在竖向导向管中，紧固螺栓的螺栓头端与测力探杆的杆壁顶紧接触，测力探杆的探头端置于冰包内部；力显示仪，其与测力器电连接；温控器，其与制冷器电连接。该测试装置不借助外部的剥离装置，直接分离冰包与试样材料，能够准确测量试样材料表面冰粘附强度。

技术研发人员：金敬福,陈奕颖,陈廷坤,王家旭
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15