Устройство для механического испытания по трем осям и способ моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда

Изобретение относится к устройству для механического испытания по трем осям и способу моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда. Устройство содержит основную часть системы нагружения, систему заморозки и систему для проведения испытания образцов; в основной части системы нагружения фланец, осевой нагнетательный поршень и оболочка, воспринимающая давление, образуют нагружающую основную часть, и осевое давление и ограничивающее давление управляются непосредственно устройством с сервоприводом для испытаний по трем осям и опосредованно водомасляным сепаратором, соответственно; в системе заморозки канал для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части и канал для циркуляции замораживающей жидкости основания соединены с внешним источником холода для охлаждения и замораживания, и на периферийной части образца предусмотрена растворяемая оболочка, чтобы обеспечить образование льда; в системе испытания образца ряд оптоволоконных датчиков в образце соединен с оптоволоконным устройством сбора данных для измерения температуры и деформаций. Настоящее изобретение взаимодействует с устройством с сервоприводом для испытаний по трем осям, водомасляным сепаратором, внешним источником холода и оптоволоконным устройством сбора данных, так что вода может быть заморожена с получением льда под давлением, ограниченная растворяемой оболочкой, которая растворяется после того, как создан образец льда, и затем может быть проведено механическое испытание по трем осям непосредственно в естественном напряженном состоянии после того, как вода заморожена с получением льда под давлением. Технический результат: возможность испытания по трем осям образцов льда, непосредственно замороженных из воды под давлением, в условиях контроля деформаций в течение всего процесса. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к технической области исследований механических характеристик льда, в частности, к устройству для механического испытания по трем осям и способу моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

С начала двадцатого века и до настоящего времени исследования механики льда значительно усовершенствовались, и механическое испытание льда стало незаменимым средством исследования. На начальной стадии, исследование механики льда в основном сосредоточено на взаимодействии между льдом и структурами, механизме разрушения льда и т.д., и объектами исследования являются в основном речной лед или морской лед, и механические испытания обычно учитывают влияние температуры льда и скорости нагружения на результаты испытаний.

По мере развития исследований механики льда объекты исследования распространились на области вечной мерзлоты, полярные ледники и т.д. Поскольку в процессе формирования такой лед подвергается различным степеням естественных деформаций, давление при замораживании привлекло внимание исследователей в разных странах.

Ввиду того, что традиционное оборудование для механического испытания льда не учитывает влияния давления при замораживании на стадии развития, задача исследования давления при замораживании не может быть решена, и для проведения соответствующих исследований основные технические средства должны быть усовершенствованы. В настоящее время существует два способа основных реализации:

Способ 1: устройство для подготовки образцов при традиционном механическом испытании льда изменяют путем добавления стальной пресс-форме функции создания давления, после чего исследование проводят в соответствии с традиционным способом механического испытания льда, то есть сначала выполняют повышение давления и замораживание, затем выдерживают при постоянной температуре и, наконец, образец извлекают из формы и помещают в нагружающее устройство с сервоприводом для испытания механических свойств.

Способ 2: средство для подготовки образца изменено, т.е. сначала монокристаллический лед получают в условиях отсутствия давления, затем монокристаллический лед разбивают и фильтруют для получения зерен кристаллов льда заданного размера, затем зерна кристаллов льда помещают в гибкую пленку и полости на границах зерен заполняют водой для получения образца льда, аналогичного образцу водонасыщенного грунта при механическом испытании грунта, затем выполняют заморозку под давлением в устройстве с сервоприводом для испытания по трем осям, и после выдержки при постоянной температуре проводят испытание механических свойств (Sammonds Р R, Murrell S A F, Rist М А, и др., The design of a high-pressure low-temperature triaxial deformation cell for ice [J]. Cold Regions Science Technology, 1991, 19(2):177-188).

Однако оба вышеупомянутых способа имеют существенные недостатки: хотя способ 1 может быть использован для замораживания воды и приготовления образца льда в условиях замораживания под давлением, он не обеспечивает значительных технических достижений в исследованиях с использованием обычного оборудования; в частности, во время испытания механических свойств образец льда необходимо сначала извлечь из формы, а затем упаковать и загрузить в камеру для испытания на трехосное сжатие; очевидно, что при этом за процессом снятия нагрузки следует последующее приложение нагрузки, и требуется дальнейшее изучение того, влияет ли история деформаций на результаты механических испытаний льда; хотя способ 2 может быть осуществлен в устройстве с сервоприводом для испытания по трем осям, чтобы избежать влияния факторов, имеющих место в процессе подготовки образца, он требует наличия необходимых условий для получения зерен кристаллов льда постоянного размера, и влияние давления при замораживании на механические свойства образцов льда, непосредственно замороженных из воды, не может быть изучено.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема: для устранения недостатков существующих устройств и способов механического испытания льда предшествующего уровня техники настоящее изобретение предусматривает устройство и способ испытания по трем осям образцов льда, непосредственно замороженных из воды под давлением, в условиях контроля деформаций в течение всего процесса.

Техническая схема: устройство для механического испытания по трем осям для моделирования процесса заморозки воды под высоким давлением с получением льда в настоящем изобретении содержит основную часть системы нагружения, систему заморозки и систему для проведения испытания образцов;

Основная часть системы нагружения содержит фланец, оболочку, воспринимающую давление, осевой нагнетательный поршень, основание для образца, впускную трубу для подачи жидкости, отводную трубу и изолирующий слой; фланец, оболочка, воспринимающая давление, и осевой нагнетательный поршень образуют нагружающую основную часть; фланец имеет ступенчатую форму, соединен с нижней частью оболочки, воспринимающей давление, замковым соединением, и соединен с оболочкой, воспринимающей давление, при помощи болтов с внутренним шестигранником, и на внешних сторонах фланца и оболочки, воспринимающей давление, предусмотрен изоляционный слой; осевой нагнетательный поршень проходит через центральное отверстие в верхней части оболочки, воспринимающей давление, в нагружающую основную часть; основание для образца расположено на фланце и герметизировано с фланцем при помощи уплотнительного кольца; впускная труба для подачи жидкости и отводная труба соединены с отверстиями во фланце через изолирующий слой, и сообщаются с пространством, ограничивающим давление нагрузки внутри оболочки, воспринимающей давление;

Система заморозки содержит канал для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части, впускную трубу для замораживающей жидкости периферийной части, выпускную трубу для замораживающей жидкости периферийной части, канал для циркуляции замораживающей жидкости основания, впускную трубу для замораживающей жидкости основания, выпускную трубу для замораживающей жидкости основания и растворяемую оболочку; канал для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части расположен внутри внешней стенки оболочки, воспринимающей давление, его верхний конец соединен с выпускной трубой для замораживающей жидкости периферийной части, и его нижний конец соединен с впускной трубой для замораживающей жидкости периферийной части; канал для циркуляции замораживающей жидкости основания расположен на нижнем конце основания для образца; впускная труба для замораживающей жидкости основания и выпускная труба для замораживающей жидкости основания расположены внутри фланца, соответственно, и сообщаются с каналом для циркуляции замораживающей жидкости основания; растворяемая оболочка расположена выше основания для образца на той же осевой линии, что и осевой нагнетательный поршень, и ее внутренняя поверхность плотно прилегает к внешней поверхности латексной пленки; растворяемая оболочка, которая вначале находится в твердом состоянии, постепенно растворяется гидравлическим растворителем в процессе испытания и теряет способность бокового сдерживания после того, как образец полностью переходит в твердое состояние;

Система для проведения испытания образцов содержит образец, прижимную головку, латексную пленку, ряд осевых оптоволоконных датчиков и ряд периферийных оптоволоконных датчиков; прижимная головка расположена на нижнем конце осевого нагнетательного поршня, образец расположен между прижимной головкой и основанием для образца, латексная пленка обернута по внешней стороне образца и герметизирована с внешними сторонами прижимной головки и основанием образца на его верхнем и нижнем концах, соответственно, с помощью уплотнительных колец, и латексная пленка выполнена с возможностью изоляции образца от гидравлического растворителя после разрушения растворяемой оболочки для гарантии того, что образец не сможет вступить в контакт с гидравлическим растворителем; ряд осевых оптоволоконных датчиков и ряд периферийных оптоволоконных датчиков предварительно установлены на центральной осевой линии и центральной периферийной линии образца, соответственно, и выведены через основание для образца и фланец.

Между центральным отверстием в верхней части оболочки, воспринимающей давление, и осевым нагнетательным поршнем, совмещенным с центральным отверстием, расположено уплотнительное кольцо.

Уплотнительное кольцо расположено в состоянии замкового соединения между оболочкой, воспринимающей давление, и фланцем.

Оболочка, воспринимающая давление, в области своей верхней поверхности вблизи поршневого отверстия снабжена нагревателем кольцевой пленки для управления направлением образования льда при испытании на замораживание и предотвращения образования льда в месте контакта между оболочкой, воспринимающей давление, и осевым нагнетательным поршнем.

Ряд осевых оптоволоконных датчиков и ряд периферийных оптоволоконных датчиков предварительно установлены в образце для сбора данных о деформации и температуре образца в процессе испытаний.

Прижимная головка имеет впускное отверстие для воды, выполненное с возможностью введения воды под латексную пленку.

Способ механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда с использованием устройства, описанного выше, включает следующее: весь испытательный процесс проводят в устройстве с сервоприводом для испытаний по трем осям; осевое давление прикладывается осевым нагнетательным поршнем при помощи блока управления осевым давлением устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям, блок управления ограничением давления устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям соединен с впускной трубой для подачи жидкости посредством водомасляного сепаратора, и давление гидравлического растворителя внутри оболочки, воспринимающей давление, опосредованно контролируется с помощью гидравлического масла сервопривода для проведения механического испытания по трем осям; процесс испытания в целом включает две стадии замораживания и стадию механического испытания по трем осям;

На стадии замораживания осевое давление и ограничивающее давление устройства устанавливают в соответствии с заданным давлением при замораживании согласно заданному способу заморозки, замораживающую жидкость при заданной температуре непрерывно подают из внешнего источника холода в канал для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части и канал для циркуляции замораживающей жидкости основания, соответственно, для понижения температуры камеры, ограничивающей давление, и образца, и создания твердотельного образца при заданной температуре, и ряд осевых оптоволоконных датчиков и ряд периферийных оптоволоконных датчиков присоединяют к внешнему оптоволоконному устройству сбора данных для измерения температуры образца в ходе процесса;

На стадии механического испытания по трем осям температура образца сохраняется неизменной; осевое давление и ограничивающее давление, которые изменяют по заданному правилу, прикладывают к образцу согласно заданным траекториям напряжений, и данные о деформации образца считывают через ряд осевых оптоволоконных датчиков и ряд периферийных оптоволоконных датчиков.

Преимущества: настоящее изобретение подходит для исследования механических характеристик льда, в частности для исследования влияния давления при замораживании на механические характеристики льда; при использовании вышеупомянутого технического решения устройство и способ, предусмотренные в настоящем изобретении, имеют следующие преимущества по сравнению с предшествующим уровнем техники:

(1) Настоящее изобретение взаимодействует с устройством с сервоприводом для испытания по трем осям, водомасляным сепаратором, внешним источником холода и оптоволоконным устройством сбора данных, так что вода может быть заморожена с получением льда под давлением в условиях, когда она ограничена растворяемой оболочкой, которая растворяется после того, как создан образец льда, и затем, после того, как вода заморожена с получением льда под давлением, может быть проведено механическое испытание по трем осям непосредственно в естественном напряженном состоянии;

(2) В настоящем изобретении растворяемая оболочка обеспечивает эффект бокового сдерживания в процессе замораживания воды для гарантии того, что форма образованного льда соответствует требованиям испытания; растворяемая оболочка во время испытания постепенно растворяется гидравлическим растворителем и теряет эффект бокового сдерживания после того, как образец переходит в твердое состояние; таким образом, остается только установить толщину растворяемой оболочки в соответствии с временем замораживания согласно плану испытания;

(3) Поскольку настоящее изобретение снабжено каналом для циркуляции замораживающей жидкости основания и каналом для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части, различные режимы заморозки можно выполнять в условиях контролируемой деформации, включая замораживание в одном направлении снизу вверх или замораживание по окружности снаружи внутрь и т.д., и настоящее изобретение можно использовать для изучения влияния различных режимов заморозки на механические характеристики льда;

(4) В настоящем изобретении в области верхней части поверхности оболочки, воспринимающей давление, возле поршневого отверстия предусмотрен нагреватель кольцевой пленки для управления температурой верхней поверхности устройства; таким образом, с одной стороны можно устанавливать общий температурный градиент устройства и можно контролировать режим заморозки образца во время замораживания; с другой стороны, можно предотвратить образование льда в области контакта между оболочкой, воспринимающей давление, и осевым нагнетательным поршнем, а также повысить точность испытания;

(5) В настоящем изобретении для измерения внутренней деформации и температуры образца во время испытания в образце предварительно установлен ряд осевых оптоволоконных датчиков и ряд периферийных оптоволоконных датчиков;

(6) Настоящее изобретение может быть использовано для исследования механических свойств и параметров других материалов в условиях выдержки под давлением.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На ФИГ. 1 представлен схематический вид конструкции согласно настоящему изобретению;

На ФИГ. 2 представлен схематический вид соединений устройства на стадии заморозки под давлением в варианте осуществления настоящего изобретения;

На ФИГ. 3 представлен схематический вид соединений устройства во время выдержки при постоянной температуре и механического испытания по трем осям в варианте осуществления настоящего изобретения.

На фигурах представлено:

1 - осевой нагнетательный поршень;

2 - изолирующий слой;

3 - отводная труба;

4 - выпускная труба для замораживающей жидкости периферийной части;

5 - образец;

6 - латексная пленка;

7 - растворяемая оболочка;

8 - впускная труба для замораживающей жидкости периферийной части;

9 - впускная труба для подачи жидкости;

10 - нагреватель пленки;

11 - оболочка, воспринимающая давление;

12 - прижимная головка;

13 - канал для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части;

14 - гидравлический растворитель;

15 - основание для образца;

16 - впускная труба для замораживающей жидкости основания;

17 - болт с внутренним шестигранником;

18 - канал для циркуляции замораживающей жидкости основания;

19 - выпускная труба для замораживающей жидкости основания;

20 - ряд осевых оптоволоконных датчиков;

21 - ряд периферийных оптоволоконных датчиков;

22 - фланец.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже вариант осуществления настоящего изобретения будет описан более подробно со ссылкой на чертежи.

Как показано на ФИГ. 1, устройство для механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда по настоящему изобретению в целом содержит основную часть системы нагружения, систему заморозки и систему для проведения испытания образцов.

Основная часть системы нагружения содержит фланец 22, оболочку 11, воспринимающую давление, осевой нагнетательный поршень 1, основание 15 для образца, впускную трубу 9 для подачи жидкости, отводную трубу 3 и изолирующий слой 2; фланец 22, оболочка 11, воспринимающая давление, и осевой нагнетательный поршень 1 образуют нагружающую основную часть; фланец 22 имеет ступенчатую форму, соединен с нижней частью оболочки 11, воспринимающей давление, замковым соединением, и соединен с оболочкой 11, воспринимающей давление, при помощи болтов 17 с внутренним шестигранником, а изолирующий слой 2 предусмотрен на внешних сторонах фланца 22 и оболочки 11, воспринимающей давление; осевой нагнетательный поршень 1 проходит через центральное отверстие в верхней части оболочки 11, воспринимающей давление, в нагружающую основную часть; основание 15 для образца расположено на фланце 22 и герметизировано с фланцем 22 при помощи уплотнительного кольца; впускная труба 9 для подачи жидкости и отводная труба 3 соединены с отверстиями во фланце 22 через изолирующий слой 2 и сообщаются с пространством, ограничивающим давление нагрузки внутри оболочки 11, воспринимающей давление; уплотнительное кольцо расположено между центральным отверстием в верхней части оболочки 11, воспринимающей давление, и осевым нагнетательным поршнем 1, совмещенным с центральным отверстием; уплотнительное кольцо расположено в состоянии замкового соединения между оболочкой 11, воспринимающей давление, и фланцем 22.

Система заморозки содержит канал 13 для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части, впускную трубу 8 для замораживающей жидкости периферийной части, выпускную трубу 4 для замораживающей жидкости периферийной части, канал 18 для циркуляции замораживающей жидкости основания, впускную трубу 16 для замораживающей жидкости основания, выпускную трубу 19 для замораживающей жидкости основания и растворяемую оболочку 7; канал 13 для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части расположен внутри внешней стенки оболочки 11, воспринимающей давление, его верхний конец соединен с выпускной трубой 4 для замораживающей жидкости периферийной части, и его нижний конец соединен с впускной трубой 8 для замораживающей жидкости периферийной части; канал 18 для циркуляции замораживающей жидкости основания расположен на нижнем конце основания 15 для образца; впускная труба 16 для замораживающей жидкости основания и выпускная труба 19 для замораживающей жидкости основания расположены внутри фланца 22, соответственно, и сообщаются с каналом 18 для замораживающей жидкости основания; растворяемая оболочка 7 расположена выше основания 15 для образца на той же осевой линии, что и осевой нагнетательный поршень 1, и ее внутренняя поверхность плотно прилегает к внешней поверхности латексной пленки 6; растворяемая оболочка 7 обеспечивает эффект бокового удержания в процессе замораживания воды для гарантии того, что форма образованного льда соответствует требованиям испытания; вначале растворяемая оболочка 7 находится в твердом состоянии, постепенно растворяется гидравлическим растворителем 13 в процессе испытания, и теряет способность бокового сдерживания после того, как образец 5 переходит в твердое состояние; таким образом, остается только установить толщину растворяемой оболочки 7 в соответствии с временем замораживания по плану испытания. Оболочка 11, воспринимающая давление, снабжена нагревателем 10 кольцевой пленки в области ее верхней поверхности возле поршневого отверстия для управления направлением образования льда в испытании на замораживание и предотвращения образования льда в области контакта между оболочкой 11, воспринимающей давление, и осевым нагнетательным поршнем 1.

Система для проведения испытания образцов содержит образец 5, прижимную головку 12, латексную пленку 6, ряд осевых оптоволоконных датчиков 20 и ряд периферийных оптоволоконных датчиков 21; прижимная головка 12 расположена на нижнем конце осевого нагнетательного поршня 1, образец 5 расположен между прижимной головкой 12 и основанием 15 для образца, ряд осевых оптоволоконных датчиков 20 и ряд периферийных оптоволоконных датчиков 21 предварительно установлены в образце 5 для сбора данных о деформации и температуре образца в процессе испытания. Латексная пленка 6 обернута по внешней стороне образца 5, и герметизирована с внешними сторонами прижимной головки 12 и основания 15 для образца на его верхнем и нижнем концах с помощью уплотнительных колец, соответственно; прижимная головка 12 имеет впускное отверстие для введения воды под латексную пленку 6. Латексная пленка 6, выполнена с возможностью изоляции образца 5 от гидравлического растворителя 14 после разрушения растворяемой оболочки 7 для гарантии того, что образец 5 не сможет вступить в контакт с гидравлическим растворителем 14; ряд осевых оптоволоконных датчиков 20 и ряд периферийных оптоволоконных датчиков 21 предварительно установлены на центральной осевой линии и центральной периферийной линии образца 5, соответственно, и выведены через основание 15 для образца и фланец 22.

Способ механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда по настоящему изобретению представляет собой следующее: весь испытательный процесс проводится в устройстве с сервоприводом для испытаний по трем осям; в частности, осевое давление прикладывают осевым нагнетательным поршнем 1 при помощи блока управления осевым давлением устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям, блок управления ограничением давления устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям соединен с впускной трубой 9 для подачи жидкости посредством водомасляного сепаратора, и давление гидравлического растворителя 14 внутри оболочки 11, воспринимающей давление, опосредованно контролируется с помощью гидравлического масла сервопривода для проведения механического испытания по трем осям; процесс испытания в целом включает две стадии замораживания и стадию механического испытания по трем осям.

На стадии замораживания осевое давление и ограничивающее давление устройства устанавливают в соответствии с заданным давлением при замораживании; в соответствии с заданным способом заморозки, замораживающая жидкость при заданной температуре непрерывно поступает из внешнего источника холода в канал 13 для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части и канал 18 для циркуляции замораживающей жидкости основания, соответственно, для понижения температуры камеры, ограничивающей давление, и образца 5 и создания твердотельного образца 5 при заданной температуре, и ряд осевых оптоволоконных датчиков 20 и ряд периферийных оптоволоконных датчиков 21 соединены с внешним оптоволоконным устройством сбора данных для измерения температуры образца 5 в ходе процесса;

На стадии механического испытания по трем осям температура образца 5 сохраняется неизменной; осевое давление и ограничивающее давление, которые изменяются по заданному правилу, прикладывают к образцу 5 согласно заданным траекториям напряжений, и данные о деформации образца 5 считывают через ряд осевых оптоволоконных датчиков 20 и ряд периферийных оптоволоконных датчиков 21.

Ниже способ испытания будет подробно описан в примере испытания по трем осям при замораживании под давлением в одном направлении. Для проведения испытания требуются источник холода, водомасляный сепаратор, устройство с сервоприводом для испытаний по трем осям и оптоволоконное устройство сбора данных. Испытание включает в себя 4 процесса, а именно, сборку устройства, заморозку под давлением, выдержку при постоянной температуре и испытание по трем осям. В частности, этапы следующие:

1) Сборка устройства

а. Сначала извлекают латексную пленку 6 и на внутренней стороне латексной пленки 6 отмечают положение ряда периферийных оптоволоконных датчиков 21; затем выполняют привязку ряда периферийных оптоволоконных датчиков 21 к положению, отмеченному на внутренней стороне латексной пленки 6, и латексную пленку 6 прикрепляют к верхнему концу основания 15 для образца с помощью уплотнительного кольца; затем ряд периферийных оптоволоконных датчиков 21 и ряд осевых оптоволоконных датчиков 20 пропускают через основание 15 и выводят из нижнего конца фланца 22, и предварительно сформированные отверстия в основании 15 для образца герметизируют; затем верхний конец ряда осевых оптоволоконных датчиков 20 прикрепляют к центру нижнего конца прижимной головки 12 и верхний конец латексной пленки 6 герметизируют уплотнительным кольцом на внешней стороне прижимной головки 12;

b. Деаэрированную воду вводят под латексную пленку через впускное отверстие для воды на прижимной головке 12, затем, после полного заполнения водой и выпуска воздуха впускное отверстие для воды герметизируют при помощи болтов; растворяемую оболочку 7 устанавливают на внешней стороне латексной пленки 6 таким образом, что в верхней части конец растворяемой оболочки 7 находится немного ниже верхней поверхности прижимной головки 12, а нижний конец растворяемой оболочки 7 располагается на поверхности нижнего уступа основания 15;

c. Наконец, оболочку 11, воспринимающую давление, в которой установлен осевой нагнетательный поршень 1, размещают на верхнем конце фланца 22 и закрепляют с фланцем 22 при помощи болтов 17 с внутренним шестигранником.

2) Заморозка под давлением

а. Сначала устройство перемещают в устройство с сервоприводом для испытаний по трем осям, и осевой нагружающий модуль устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям опускают до полного контакта с верхним концом осевого нагнетательного поршня 1; затем через впускную трубу 9 для подачи жидкости во внутреннее пространство устройства заливают гидравлический растворитель 14; в этот момент растворяемая оболочка 7 постепенно разрушается;

b. Впускную трубу 9 для подачи жидкости соединяют с водомасляным сепаратором, другой конец водомасляного сепаратора соединяют с блоком управления ограничением давления устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям; ограничивающее давление в устройстве контролируется опосредованно посредством водомасляного сепаратора блоком управления ограничением давления устройства с сервоприводом для испытаний потрем осям, вспомогательное приспособление устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям работает, чтобы довести осевое давление и ограничивающее давление до заданных значений с одинаковой степенью нагружения;

c. Наконец, впускную трубу 16 для замораживающей жидкости основания и выпускную трубу 19 для замораживающей жидкости основания соединяют с источником А холода, и ряд осевых оптоволоконных датчиков 20 и ряд периферийных оптоволоконных датчиков 21 соединяют с оптоволоконным устройством сбора данных, соответственно, и после отладки начинают сбор данных о температуре; запускают источник А холода, и замораживание проводится в соответствии с заданной температурой замораживания; ход замораживания оценивают при помощи оптоволоконного устройства сбора данных; этот этап заканчивается, когда образец 5 замораживается до заданной температуры, как показано на ФИГ. 2.

3) Выдержка при постоянной температуре

После завершения замораживания под давлением образец 5 выдерживают при заданной температуре испытания в течение 24 часов перед началом испытания по трем осям; заданная температура испытания может быть установлена в пределах диапазона от около 0°С до -70°С в соответствии с требованиями;

Настройку устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям на этапе 1 сохраняют, впускную трубу 8 для замораживающей жидкости периферийной части и выпускную трубу 4 для замораживающей жидкости периферийной части соединяют с источником В холода, источник А холода останавливают и соединение между устройством для механического испытания по трем осям и источником А холода отключают; запускают источник В холода и поддерживают замораживающую жидкость при заданной температуре испытания для поддержания давления и выдержки замороженного образца 5 при низкой температуре под давлением; на стадии выдержки растворяемая оболочка 7 полностью растворяется; данная стадия завершается, после того, как постоянная температура выдержки поддерживалась на уровне температуры испытания в течение 24 часов; соединения устройства на стадии выдержки показаны на ФИГ. 3;

4) Испытание по трем осям

После завершения вышеупомянутой работы источник В холода используют для дальнейшего управления температурой устройства для механического испытания по трем осям, и устройство с сервоприводом для испытаний потрем осям работает для проведения трехосного испытания на сдвиг; в процессе испытания оптоволоконным устройством сбора данных измеряется осевая деформация и периферийная деформация в образце 5, данные испытаний регистрируются после разрушения образца и завершения испытания; соединения устройства на стадии испытания по трем осям показаны на ФИГ. 3.

1. Устройство механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда, отличающееся тем, что содержит основную часть системы нагружения, систему заморозки и систему для проведения испытания образцов, при этом

основная часть системы нагружения содержит фланец (22), оболочку (11), воспринимающую давление, осевой нагнетательный поршень (1), основание (15) для образца, впускную трубу (9) для подачи жидкости, отводную трубу (3) и изолирующий слой (2);

фланец (22), оболочка (11), воспринимающая давление, и осевой нагнетательный поршень (1) образуют нагружающую основную часть;

фланец (22) имеет ступенчатую форму, соединен с нижней частью оболочки (11), воспринимающей давление, замковым соединением и соединен с оболочкой (11), воспринимающей давление, при помощи болтов (17) с внутренним шестигранником, и на внешних сторонах фланца (22) и оболочки (11), воспринимающей давление, предусмотрен изолирующий слой (2);

осевой нагнетательный поршень (1) проходит через центр отверстия в верхней части оболочки (11), воспринимающей давление, в нагружающую основную часть;

основание (15) для образца расположено на фланце (22) и герметизировано с фланцем (22) при помощи уплотнительного кольца;

впускная труба (9) для подачи жидкости и отводная труба (3) соединены с отверстиями во фланце (22) через изолирующий слой (2) и сообщаются с пространством, ограничивающим давление нагрузки внутри оболочки (11), воспринимающей давление;

система заморозки содержит канал (13) для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части, впускную трубу (8) для замораживающей жидкости периферийной части, выпускную трубу (4) для замораживающей жидкости периферийной части, канал (18) для циркуляции замораживающей жидкости основания, впускную трубу (16) для замораживающей жидкости основания, выпускную трубу (19) для замораживающей жидкости основания и растворяемую оболочку (7);

канал (13) для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части расположен внутри внешней стенки оболочки (11), воспринимающей давление, его верхний конец соединен с выпускной трубой (4) для замораживающей жидкости периферийной части, и его нижний конец соединен с впускной трубой (8) для замораживающей жидкости периферийной части;

канал (18) для циркуляции замораживающей жидкости основания расположен на нижнем конце основания (15) для образца;

впускная труба (16) для замораживающей жидкости основания и выпускная труба (19) для замораживающей жидкости основания расположены внутри фланца (22) соответственно и сообщаются с каналом (18) для циркуляции замораживающей жидкости основания;

растворяемая оболочка (7) расположена выше основания (15) для образца на той же осевой линии, что и осевой нагнетательный поршень (1), и ее внутренняя поверхность плотно прилегает к внешней поверхности латексной пленки (6);

растворяемая оболочка (7) вначале находится в твердом состоянии, постепенно растворяется гидравлическим растворителем (14) в процессе испытания и теряет способность бокового сдерживания после того, как образец (5) полностью переходит в твердое состояние;

система для проведения испытания образцов содержит образец (5), прижимную головку (12), латексную пленку (6), ряд осевых оптоволоконных датчиков (20) и ряд периферийных оптоволоконных датчиков (21),

прижимная головка (12) расположена на нижнем конце осевого нагнетательного поршня (1),

образец (5) расположен между прижимной головкой (12) и основанием (15) для образца,

латексная пленка (6) обернута по внешней стороне образца (5) и герметизирована с внешними сторонами прижимной головки (12) и основанием (15) для образца на его верхнем и нижнем концах с помощью уплотнительных колец соответственно, и латексная пленка (6) выполнена с возможностью изоляции образца (5) от гидравлического растворителя (14) после разрушения растворяемой оболочки (7) для гарантии того, что образец (5) не сможет вступить в контакт с гидравлическим растворителем (14);

ряд осевых оптоволоконных датчиков (20) и ряд периферийных оптоволоконных датчиков (21) предварительно установлены на центральной осевой линии и центральной периферийной линии образца (5) соответственно и выведены через основание (15) для образца и фланец (22).

2. Устройство для механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда по п. 1, отличающееся тем, что

уплотнительное кольцо расположено между центральным отверстием в верхней части оболочки (11), воспринимающей давление, и осевым нагнетательным поршнем (1), совмещенным с центральным отверстием.

3. Устройство для механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда по п. 1, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо расположено в состоянии замкового соединения между оболочкой (11), воспринимающей давление, и фланцем (22).

4. Устройство для механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда по п. 1, отличающееся тем, что

оболочка (11), воспринимающая давление, снабжена нагревателем (10) кольцевой пленки в области ее верхней поверхности возле поршневого отверстия для управления направлением образования льда в испытании на замораживание и предотвращения образования льда в области контакта между оболочкой (11), воспринимающей давление, и осевым нагнетательным поршнем (1).

5. Устройство для механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда по п. 1, отличающееся тем, что

ряд осевых оптоволоконных датчиков (20) и ряд периферийных оптоволоконных датчиков (21) предварительно установлены в образце (5) для сбора данных о деформации и температуре образца в процессе испытания.

6. Устройство для механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда по п. 1, отличающееся тем, что

прижимная головка (12) имеет впускное отверстие для воды, выполненное с возможностью введения воды под латексную пленку (6).

7. Способ механического испытания по трем осям для моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда путем использования устройства по п. 1, отличающийся тем, что включает:

размещение устройства для механического испытания по трем осям в устройстве с сервоприводом для испытаний по трем осям, в котором выполняется весь испытательный процесс,

приложение осевого давления осевым нагнетательным поршнем (1) при помощи блока управления осевым давлением устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям,

выполнение соединения блока управления ограничением давления устройства с сервоприводом для испытаний по трем осям с впускной трубой (9) для подачи жидкости посредством водомасляного сепаратора, и

опосредованное управление давлением гидравлического растворителя (14) внутри оболочки (11), воспринимающей давление, с помощью гидравлического масла сервопривода для проведения механического испытания по трем осям;

причем процесс испытания в целом включает две стадии замораживания и стадию механического испытания по трем осям;

на стадии замораживания установку осевого давления и ограничивающего давления устройства в соответствии с заданным давлением при замораживании;

непрерывную подачу, в соответствии с заданным способом заморозки, замораживающей жидкости при заданной температуре из внешнего источника холода в канал (13) для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части и канал (18) для циркуляции замораживающей жидкости основания соответственно для снижения температуры камеры, ограничивающей давление, и образца (5) и создания твердотельного образца (5) при заданной температуре, и

соединение ряда осевых оптоволоконных датчиков (20) и ряда периферийных оптоволоконных датчиков (21) с внешним оптоволоконным устройством сбора данных для измерения температуры образца (5) в ходе процесса;

на стадии механического испытания по трем осям,

поддержание температуры образца (5) неизменной,

приложение осевого давления и ограничивающего давления, которые изменяются по заданному правилу, к образцу согласно заданным траекториям напряжений, и

считывание данных о деформации образца (5) при помощи ряда осевых оптоволоконных датчиков (20) и ряда периферийных оптоволоконных датчиков (21).