ТВЕРДОМЕР
HARDNESS GAUGE

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации грунтовых аэродромов и зимних дорог, подготавливаемых методом уплотнения снега.
Известен твердомер НИАС, состоящий из вертикальной стойки с опорной площадкой, подвижной стойки с конусом, площадки для ступни и закрепленной на вертикальной стойке шкалы глубины погружения конуса, при этом замер прочности снежного покрова осуществляется путем установки твердомера на снежное покрытие и нажатия ногой на площадку для ступни с записью показаний прибора по шкале глубины погружения конуса (Руководство по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации (РЭГА РФ-94), М., Воздушный транспорт, 1993, с. 205-209).
Недостатком известного твердомера является низкая точность измерения из-за того, что невозможно выставить продольную ось подвижной стойки строго вертикально и удерживать ее в таком положении при нажатии ногой, кроме того, трение скольжения подвижной стойки, глубина и скорость погружения конуса будут зависеть от массы экспериментатора и меняться в достаточно широких пределах.
Известен пенетрометр, включающий корпус с шаровым элементом, образующим с корпусом фиксируемую с помощью гайки шаровую пару и имеющим сквозное отверстие, в котором размещен падающий стержень с конусом, снабженный шкалой и удерживаемый в заданном положении стопором (Авторское свидетельство СССР №520535, дата приоритета 10.11 1974, дата публикации 05.07.1976, авторы: Далин B.C. и др., RU).
Недостатком известного аналога является то, что после установки стержня с конусом в вертикальное положение при осуществлении фиксации шарового элемента за счет трения шаровой поверхности гайки о поверхность шарового элемента возможен его поворот в плоскости вращения резьбового соединения, вызывающий нарушение вертикальности установки падающего стержня с конусом. Кроме того, часть энергии падающего груза тратится на трение скольжения стержня о направляющие шарового элемента, что вместе с отклонением от вертикальности влияет на снижение точности определения прочности снежного покрова.
Известен твердомер, включающий корпус, выполненный в виде хомута с тремя телескопическими стойками, шаровой элемент со сквозным отверстием, разрезную обойму, охватывающую шаровой элемент, направляющую трубу, падающий стержень с указателем, коническим наконечником и сменным грузом, механизм привода с реечной передачей, обеспечивающей возможность осевого перемещения направляющей трубы относительно шарового элемента и корпуса, затвор, связанный приводным тросом со спусковым крючком для фиксации стержня в верхнем положении и обеспечения падения при измерении, мерную линейку, стопорный болт для фиксации направляющей трубы в шаровом элементе, закрепленную в нижней части направляющей трубы стойку, несущую упорное кольцо, и уровнемер (Патент РФ №2550375 С1, дата приоритета 17.02.2014, дата публикации 10.05.015, авторы: Ганжа В.А. и Ковалевич П.В., RU).
Недостатками известного аналога являются:
- во-первых, повышенные трудозатраты при отсутствии возможности настройки вертикального положения направляющей трубы из-за перемещения ее вниз под действием собственного веса вместе с механизмом привода подъема направляющей трубы, так как отсутствует ограничитель этого перемещения;
- во-вторых, сложность обеспечения устойчивого вертикального положения продольной оси направляющей трубы, так как корпус опирается на исследуемое покрытие тремя телескопическими стойками, торцевая поверхность каждой из которых вследствие малой величины будет углубляться в снежное покрытие на разную глубину из-за неравномерной плотности снега по поверхности покрытия;
- в-третьих, сложность конструкции, обусловленная наличием сложной конструктивной схемы механизма захвата указателя со стрелкой и наличием телескопических стоек, шарнирно соединенных с корпусом;
- в-четвертых, ограниченные функциональные возможности вследствие ограничения высоты подъема стержня с коническим наконечником из-за упора направляющей трубы в нижний торец шарового элемента и фиксации этого положения стопорным винтом, что не может обеспечить работу твердомера с разной высотой подъема наконечника, а также не дает возможности определения прочности снежных образований по глубине покрова.
Перечисленные недостатки приводят к снижению точности выполненных измерений, повышению стоимости изготовления и затрат времени при выполнении замеров, усложняют конструкцию твердомера, не обеспечивая главного критерия, от которого зависит определение прочности, - установку вертикальности продольной оси направляющей трубы, а также не обеспечивая определение прочности снега с разными свойствами, в том числе и по глубине покрова.
В качестве прототипа принят твердомер, включающий корпус со стойками и основанием с центральным отверстием, в корпусе установлен с возможностью фиксации шаровой элемент со сквозным отверстием, в котором жестко закреплена направляющая труба, вдоль продольной оси которой установлен с возможностью перемещения стержень с указателем со стрелкой, с коническим наконечником и сменным грузом, зафиксированным гайкой, при этом в верхней и нижней частях направляющей трубы выполнены не менее трех прямоугольных отверстий, равномерно расположенных в плоскости, перпендикулярной оси трубы, в каждом из отверстий расположена вилка с возможностью радиального перемещения в них и в цилиндрическом отверстии скобы, жестко закрепленной на направляющей трубе, на одном конце вилки установлен подшипник качения, соприкасающийся наружной обоймой с поверхностью стержня, а другой конец вилки выполнен с резьбой, установлен в скобе и снабжен гайками, стопор для фиксации шарового элемента состоит из болта и втулки, выполненных с цилиндрическими выемками, а в стенке направляющей трубы выполнен продольный паз с поперечными уступами для указателя со стрелкой (Патент РФ №2350923 С2, дата приоритета 08.05.2007, дата публикации 27.03.2009, авторы: Желукевич Р.Б. и др., RU, прототип).
Недостатками прототипа являются низкие эксплуатационные свойства:
- повышенные трудозатраты и низкая точность установки вертикальности продольной оси направляющей трубы из-за отсутствия средств балансировки;
- низкая точность выполненных измерений из-за отсутствия уровнемера для корректировки установки продольной оси твердомера в вертикальном положении;
- сложность фиксации шарового элемента в корпусе;
- отсутствие фиксации подвижных элементов при транспортировке твердомера;
- ограниченные функциональные возможности для определения прочности снега с разными свойствами, в том числе по глубине покрова.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных свойств твердомера путем обеспечения балансировки вертикального положения направляющей трубы, повышения точности измерений, упрощения фиксации шарового элемента в корпусе, обеспечения фиксации подвижных элементов при транспортировке и расширения функциональных возможностей.
Для решения поставленной задачи предложен твердомер, включающий корпус со стойками и основанием с центральным отверстием, в корпусе установлен с возможностью фиксации шаровой элемент со сквозным отверстием, в котором жестко закреплена направляющая труба, вдоль продольной оси которой установлен с возможностью перемещения стержень с указателем со стрелкой, со съемным наконечником и сменным грузом, зафиксированным гайкой, в стенке направляющей трубы выполнен продольный паз с поперечными уступами для указателя со стрелкой, расположенного на стержне перпендикулярно его продольной оси, а на поверхности трубы установлена мерная линейка для указания величины подъема стержня и глубины погружения наконечника в снежный покров. Согласно изобретению корпус выполнен в виде хомута с внутренними буртиками на нижнем торце, разделенными по меньшей мере тремя пазами, и дополнительно содержит опертую на буртики разрезную обойму, охватываемую хомутом и образующую с шаровым элементом подвижное соединение, затягиваемое посредством болта и гайки, стягивающих концы хомута, нижняя часть направляющей трубы дополнительно снабжена равномерно распределенными по поверхности четырьмя балансировочными грузами, обеспечивающими балансировку вертикального положения направляющей трубы, причем один из указанных грузов расположен соосно с продольным пазом, стержень снабжен дополнительными радиальными резьбовыми отверстиями, расположенными в ряд по высоте, для установки указателя со стрелкой, а продольный паз направляющей трубы выполнен с дополнительными поперечными уступами, обеспечивающими регулировку высоты подъема съемного наконечника, имеющего в зависимости от состояния снежного покрова коническую или сферическую форму и установленного с возможностью заглубления при разрушении обледеневшего снежного покрова коническим наконечником и при уплотнении снега сферическим наконечником посредством силового воздействия, при этом между наконечником, соединенным со стержнем резьбовым соединением, и сменным грузом установлены регулировочные прокладки, а стержень выполнен с возможностью установки ударного механизма, кроме того, твердомер дополнительно содержит расположенный в зоне нижнего поперечного уступа механизм фиксации транспортного положения стержня.
Согласно изобретению механизм фиксации транспортного положения стержня выполнен в виде разрезного болта с гайкой, шарнирно установленного на выступах разной величины, жестко закрепленных на поверхности направляющей трубы, с возможностью поворота разрезного болта в плоскости, перпендикулярной продольной оси направляющей трубы и с возможностью фиксации, при этом разрезной болт снабжен жестко закрепленным на нем фиксатором, закрывающим продольный паз в месте расположения нижнего поперечного уступа и удерживающим указатель в нижнем поперечном уступе в транспортном положении, для фиксации которого резьбовой конец разрезного болта закреплен в пазу большего выступа с помощью гайки, а для фиксаций разрезного болта в рабочем положении при проведении измерений на направляющей трубе консольно закреплена стопорная пружина в виде разрезного кольца, ось которого расположена в плоскости поворота разрезного болта.
Согласно изобретению ударный механизм содержит опорный элемент, нижняя часть которого установлена в центральном резьбовом отверстии на верхнем торце стержня, а верхняя часть соединена с направляющей цилиндрической стойкой, имеющей Т-образный верхний торец, а на стойке установлен с возможностью свободного перемещения боек.
Согласно изобретению резьбовое соединение указателя со стержнем выполнено с прокладкой для обеспечения поперечной ориентации стрелки указателя.
На фиг. 1 схематично изображен твердомер с коническим наконечником, общий вид; на фиг. 2 изображен корпус твердомера, продольный разрез; на фиг. 3 - то же, вид сверху; на фиг. 4 изображен стержень со сферическим наконечником и с ударным механизмом; на фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 6 - разрез Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 показан выносной элемент I в виде узла фиксации стержня в транспортном положении; на фиг. 8 - сечение В-В на фиг. 7.
Твердомер для определения прочности снежного покрова содержит корпус 1, опирающийся на основание 2 с центральным отверстием посредством стоек 3 (фиг. 1). Корпус 1 выполнен в виде хомута с двумя проушинами 4 и снабжен внутренними буртиками 5 на нижнем торце, разделенными тремя пазами 6, а также опорными элементами 7 стоек 3 (фиг. 2, фиг. 3). В корпусе 1 с возможностью фиксации установлен шаровой элемент 8, имеющий сквозное отверстие, в котором жестко закреплена направляющая труба 9. Для фиксации шарового элемента 8 корпус снабжен опертой на буртики 5 разрезной обоймой 10, охватываемой хомутом и образующей с шаровым элементом 8 подвижное соединение, затягиваемое посредством болта 11 и гайки 12, установленных в проушинах 4 хомута и стягивающих его концы (фиг. 3). Вдоль продольной оси направляющей трубы 9 установлен с возможностью перемещения стержень 13 со съемным коническим 14 или сферическим 15 наконечником и сменным грузом 16, затягиваемым гайкой 17 (фиг. 4). Для этого в верхнем и нижнем уровнях направляющей трубы 9 выполнены не менее трех прямоугольных отверстий 18, равномерно расположенных в плоскости, перпендикулярной оси направляющей трубы. В каждом из отверстий 18 расположена вилка 19 с возможностью радиального перемещения в отверстии 18 направляющей трубы 9 и в цилиндрическом отверстии 20 скобы 21, жестко закрепленной на направляющей трубе. На одном конце вилки 19 установлен подшипник качения 22, соприкасающийся наружной обоймой с поверхностью стержня 13, а другой конец вилки, установленный в скобе 21, выполнен с резьбой и снабжен гайками 23, регулирующими зазор между наружной обоймой подшипника качения и стержнем при установке стержня вдоль продольной оси направляющей трубы. При этом наружные обоймы подшипников качения 22, контактирующие с поверхностью стержня 13, являются направляющими при перемещении стержня вдоль продольной оси направляющей трубы (фиг. 5, фиг. 6).
В стенке направляющей трубы 9 выполнен продольный паз 24 с поперечными уступами 25 для указателя 26 со стрелкой, закрепленного на стержне 13 перпендикулярно его продольной оси. Указатель 26 выполнен в виде пальца с выгравированной на торце стрелкой, для установки которого по высоте стержня 13 в ряд выполнены радиальные резьбовые отверстия 27. Наличие поперечных уступов 25 в продольном пазу и ряд радиальных резьбовых отверстий 27 в стержне обеспечивают регулировку высоты подъема наконечника и, как следствие, минимизацию последствий влияния скорости его проникновения в снежный покров на измерение проникающей силы, на энергоемкость процесса, вид деформации снега и учет инерционных сил.
Для обеспечения поперечной ориентации стрелки указателя 26 резьбовое соединение пальца со стержнем выполнено с прокладкой 28. На поверхности трубы установлена мерная линейка 29 для указания величины подъема стержня 13 и глубины погружения наконечника 14 или 15 в снежный покров, а также установлен уровнемер 30 для контроля вертикального положения направляющей трубы 9.
Нижняя часть направляющей трубы 9 для обеспечения автоматической балансировки вертикального положения снабжена равномерно распределенными по поверхности четырьмя балансировочными грузами 31, один из которых расположен соосно с продольным пазом 24.
Съемный наконечник, используемый в твердомере, в зависимости от состояния снежного покрова, наличия обледенений, разной степени плотности снега по глубине, характера деформирования снега, может иметь коническую или сферическую форму. Конический наконечник 14 предназначен для разрушения обледеневшего снежного покрова, при осуществлении которого величина вдавливания определяется сопротивлением разрушению. Сферический наконечник 15 предназначен для замера прочности свежевыпавшего, уплотненного и плотного снега, в том числе по глубине снежного покрова, а величина вдавливания определяется сопротивлением уплотнения.
В нижней части стержень 13 со сменным грузом 16 резьбовым концом соединен с коническим 14 или сферическим 15 наконечником и через регулировочные прокладки 32 плотно поджат к наконечнику с помощью гайки 17.
На верхнем торце стержня 13 соосно с ним установлен ударный механизм для дополнительного силового воздействия на сферический наконечник. Ударный механизм содержит опорный элемент 33, нижняя часть которого установлена в центральном резьбовом отверстии 34 стержня, а верхняя часть соединена с направляющей цилиндрической стойкой 35, имеющей Т-образный верхний торец, а на стойке 35 установлен с возможностью свободного перемещения боек 36.
Твердомер также содержит механизм фиксации транспортного положения стержня, расположенный в зоне нижнего поперечного уступа 25 и выполненный в виде разрезного болта 37 с гайкой 38, шарнирно установленного на выступах разной величины 39, 40, жестко закрепленных на поверхности направляющей трубы 9, с возможностью поворота разрезного болта в плоскости, перпендикулярной продольной оси направляющей трубы, и с возможностью фиксации. При этом разрезной болт снабжен жестко закрепленным на нем фиксатором 41, закрывающим продольный паз 24 в месте расположения нижнего поперечного уступа 25 и удерживающим указатель 26 в нижнем поперечном уступе 25 в транспортном положении, для фиксации которого резьбовой конец разрезного болта закреплен в пазу большего выступа 40 с помощью гайки 38. Для фиксации разрезного болта 37 в рабочем положении при проведении измерений на направляющей трубе 9 консольно закреплена стопорная пружина 42 в виде разрезного кольца, ось которого расположена в плоскости поворота разрезного болта.
Заявляемый твердомер используют следующим образом.
Корпус 1 твердомера с установленной на буртиках 5 разрезной обоймой 10, взаимодействующей с шаровым элементом 8, жестко соединенным с направляющей трубой 9, вдоль продольной оси которой установлен с возможностью перемещения стержень 13 с указателем со стрелкой 26, съемным наконечником 14 или 15 и сменным грузом 16, основанием 2 устанавливается на предварительно выровненное снежное покрытие. Указатель со стрелкой 26 заводится в нижний поперечный уступ 25 направляющей трубы 9. При этом вершина конического 14 или сферического 15 наконечника должна находиться в плоскости основания 2, соприкасающегося со снежным покровом, а направляющая труба 9 с шаровым элементом 8 под действием силы тяжести от собственного веса, веса стержня 13 с коническим 14 или сферическим 15 наконечником, веса ударного механизма в составе опорного элемента 33, цилиндрической стойки 35 и бойка 36, сменного груза 16, гайки 17, регулировочных прокладок 32 и четырех балансировочных грузов 31 устанавливается шаровым элементом 8 в разрезной обойме 10 вертикально. Для фиксации в корпусе 1 вертикального положения направляющей трубы 9 с установленным вдоль ее продольной оси стержнем 13 и закрепленными на них деталями вращением гайки 12 под действием осевой силы болта 11 проушины 4 сближаются, корпус 1 за счет наличия пазов 6 деформируется и зажимает разрезную обойму 10 с шаровым элементом 8, удерживая его в таком положении во время определения прочности снега. Затем указатель со стрелкой 26 вместе со стержнем 13, коническим 14 или сферическим 15 наконечником поднимается вверх по продольному пазу 24 до соответствующего поперечного паза 25, предусмотренного экспериментом, и заводится в этот паз. Вертикальность установки твердомера проверяется по уровнемеру 30. Из этого положения стержень 13 отпускается. Под действием собственной тяжести он движется вниз и, соприкасаясь со снежным покровом конической или сферической поверхностью наконечника, входит в снег. Величина внедрения наконечника отсчитывается по шкале мерной линейки 29.
При замере прочности снежного покрова по глубине используются сменный сферический наконечник 15 и ударный механизм, показанный на фиг. 4. Для замера прочности снега на поверхности покрова указатель со стрелкой 26 из крайнего нижнего положения поднимается на максимальную высоту по продольному пазу 24 направляющей трубы 9 и с такой высоты отпускается вниз. По мерной линейке 29 замеряется глубина погружения сферического наконечника. Последующее погружение наконечника осуществляется за счет удара бойка 36 после подъема его по цилиндрической стойке 35 на максимальную высоту и замера величины погружения после каждого подъема. Вертикальность установки твердомера контролируется по уровнемеру 30 после каждого замера.
При использовании конического наконечника 14 ударный механизм, установленный на верхнюю часть стержня 13, может быть снят.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достичь более высокий технический результат по сравнению с известными аналогами, который заключается в повышении точности измерений, упрощении фиксации шарового элемента в корпусе, обеспечении фиксации подвижных элементов при транспортировке и расширении функциональных возможностей за счет определения прочности на поверхности и по глубине снежного покрова с наконечниками разного профиля, а также позволяет снизить стоимость изготовления и трудоемкость работ при измерениях.