Усовершенствованный комплекс оборудования при провидении испытания на определение предела прочности морского льда на центральный изгиб

Введение:
Освоение шельфовых месторождений в Арктике является стратегическим направлением ведущих российских нефтяных и газодобывающих компаний.

Необходимым условием освоения шельфовых месторождений является определение внешних нагрузок и воздействий. Определяющей нагрузок для таких сооружений являются нагрузки ото льда.

Значения прочности льда на изгиб сильно варьируются и зависят от структуры льда, размера испытываемого образца, объема рассола, техники проведения испытания, методика обработки полученных данных. Учитывая пространственную неоднородность ледяных образований, зависимость прочности льда от различных факторов, а также разрушение ледяных полей при воздействии на конические и наклонные сооружения от изгиба, введен такой прочностной параметр льда, как его прочность на изгиб. Для получения этой характеристики производят испытания консольных балок в натурных условиях, а также проводят испытания морского льда на центральный изгиб. Для этого разработан и выпускается отечественной промышленностью прибор (испытательная машина) ПИМ-200.

Определение прочности образцов льда на центральный изгиб.

Испытания проводятся на полевой испытательной машине ПИМ-200М (рисунок 1) со следующими основными техническими характеристиками: максимальное усилие 2 кН, точность определения усилия 5 %, диапазон скоростей хода опорной плиты от 0,1 мм/с до 5 мм/с.



Рисунок 1 - Полевая испытательная машина ПИМ-200М.

Образцы льда в виде круглых пластин изготавливаются из керна диаметром 141 мм, полученных с помощью керноотборника «KovacsEnterprise». При толщине льда до 1 метра керн распиливался на специальном станке без пропусков на пластины толщиной 1,8-2,1 см.

Продолжительность нагружения составляет единицы секунд. Это обеспечивает хрупкое разрушение пластин льда. Максимальное значение силы в момент разрушения образца измеряется по показаниям динамометра со стрелочным индикатором часового типа.

Напряжение в центре круглой свободно опертой пластины постоянной толщины определяется по формуле:

,

где: s – напряжение (кг/см2); Р – нагрузка (кг); m – величина, обратная коэффициенту Пуассона и равная примерно 3; h – толщина пластины (cм); r – радиус пластины (см); r0 – радиус распределения нагрузки (см).

При испытаниях пластин, приготовленных из ледяного керна диаметром 14,1 см, применяется подставка с внутренним диаметром 12,4 см (r = 6,2 см), а диаметр нагрузочного цилиндра составляет 1 см (r0 = 0,5 см).  При этом для определения прочности льда на центральный изгиб используется простая формула:

где sпл – разрушающее напряжение (кг/см2), Рмакс – разрушающая нагрузка (кг).

Полученные при испытаниях результаты заносятся в таблицы, по данным которых строятся графики распределения предела прочности круглых пластин по толщине льда.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что нагрузка на образцы льда в виде круглых пластин обеспечивается ручным приводом. При этом невозможно обеспечить постоянную скорость нагружения испытуемого образца, что снижает качество результатов испытаний. Кроме того, ручной привод не дает возможности с достаточной точностью производить испытания ледяных пластин при различных скоростях нагружения.

Предлагается в качестве прототипа используем прибор ПИМ – 200М.

Изобретение относится к оборудованию и измерительной технике и может быть применено для определения характеристик образцов льда в виде круглых пластин на прочность при изгибе.

Система содержит опорную чашу для испытания круглых пластин, подъемный механизм с винтовой подачей и закрепленной на опорной плите, через редуктор передаться крутящий момент от двигателя.

При этом к верхнему пуансону пресса в центре крепится съемный блок с упором в виде вертикального цилиндра для испытаний круглых пластин. Полученные при этом невозможно проводить регистрацию нагрузки на электронный носитель. Хотелось бы отметить, что данная установка позволяет проводить испытания в большем диапазоне скоростей с применением МК Arduino, в качестве устройства передачи данных. Доработанный пресс обозначается как полевая испытательная машина (ПИМ-200А).

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности и точности измерений характеристик прочности льда при центральном изгибе. Указанный технический результат достигается тем, что воздействие при испытаниях образцов льда в виде цилиндров размещается между пуансоном и опорной плитой пресса. Посредством запуска электродвигателя в работу крутящий момент передается через редуктор на шарико-винтовую передачу, которая преобразует ередает вращательное движение ……… в поступательное движение штока. Пуансон оказывает воздействие на образец вплоть до его разрушения.

 Постоянство скоростей выдвижения рабочего штока обеспечивается применением шагового двигателя, снабженного регулятором скорости, который позволяет выставлять заданную скорость выдвижения штока в определенном диапазоне скоростей.

Схема предлагаемой конструкции пресса приведен на рис. 2


Рис. 2 Схема универсального полевого пресса для испытаний образцов льда на центральный изгиб: 1 — основание, 2 — двигатель, 3 — муфта соединительная, 4 — стойки, 5 — редуктор, 6 – радиально упорный подшипник, 7 — шарико-винтовая передача ШВП, 8— опорная чаша, 9 — упор, 10 — тензодатчик.

Заключение.

При создание технического проекта – произвели проработку сборочных единиц, расчеты - проверочные, уточняющие работоспособность конструкции. Применили принцип типизации, унификации и агрегатированные элементы. Применив конструктивные решения с появлением новых технологических приемов, с повышением эксплуатационных требований.

Модернизированная мобильная установка для испытания образцов льда на центральный изгиб будет использована при проведении исследований, в полевых условиях для определения характеристик прочности льда на основании испытаний образцов льда в виде круглых пластин. Одним из особенностей установки является возможность проведения испытаний с контролем скорости нагружения, что достигается за счет применения МК Arduino.

 

Литература

1. СП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Свод правил, актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*.

2. Тимко Г. У., Викс У. Ф. Обзор технических свойств морского льда [Журнал]. Наука и техника в районах крайнего Севера, 2010, 60 : 107-129.

3. Мастерсон Д. М. Новейшие достижения в области конструкции льда и его несущей способности [Журнал]. Наука и техника в районах крайнего Севера, 2009, 58(3) : 99-112.

4. Фредеркинг Р. М. У., Тимко Г. У. Об измерении свойств льда на изгиб методом разрушения консольных балок [Журнал]. Ежегодное издание по гляциологии, 1983, 4 : 58-65.

5. Коржавин К.Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. - Новосибирск: изд- во Со АН СССР, 1962, 224 с.

6. Коржавин К.Н., Птухин Ф.И. Влияние скорости нагружения на оценку прочности льда в расчетах ледовых нагрузок / Труды НИИЖТ. Вып. 60. Новосибирск: Изд. НИИЖТ. 1967, с.21-32.

7. Bekker A.T., Tsuprik V.G., Pomnikov E.E. Studies of specific energy fracture of ice using method test samples on uniaxial compression // Proc Twenty-seventh Int Ocean and Polar Eng Conf. San Francisco, CA, USA, (ISOPE). 2017. Pp. 1319–1325.

8. В.Н. Смирнов, С.М. Ковалев, В.А. Бородкин, А.А. Нюбом, А.И. Шушлебин Инструментальный мониторинг и краткосрочный прогноз явлений сжатия и торошения в морских льдах. Санкт-Петербург ААНИИ 2017. 174 с.