СХЕМЫ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
SCHEMES OF SOIL COMPACTION

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее описание относится к способам создания схем уплотнения грунта, представляющих распределение давления в почве на глубине под нагруженной шиной, а также к отображениям, в которых используются такие схемы уплотнения грунта.
2. Описание предшествующего уровня техники
Известно, что уплотнение почвы может оказывать неблагоприятное воздействие на рост и развитие растений, которые высажены в почву. Чрезмерное уплотнение почвы может замедлять рост корней и ухудшать способность растений усваивать питательные вещества и влагу из почвы.
Основной причиной уплотнения почвы является воздействие шин тракторов и другой сельскохозяйственной техники. Эта проблема обостряется по мере того, как сельскохозяйственное оборудование становится крупнее и тяжелее.
Одной из методик уменьшения уплотнения почвы, вызываемого перемещениями колесной техники по полю, является снижение давления шины и связанное с ним распределение нагрузки по большей площади контакта шины с почвой. Ведется разработка шин с усовершенствованной конструкцией, которые являются долговечными в условиях сниженного давления накачивания.
Однако до сих пор не предложена системная методика, позволяющая демонстрировать уплотнение почвы, вызываемое данной шиной, или сравнивать конструкции шин для определения или демонстрации относительных показателей уплотнения почвы для разных шин.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном из аспектов настоящего описания предложен способ создания схемы уплотнения грунта для шины. Способ содержит следующие этапы:
(а) помещение относительно гибкой панели измерения давления на относительно жесткую плоскую опорную поверхность;
(b) покрытие панели измерения давления слоем зернистого материала;
(c) помещение шины на зернистый материал;
(d) нагружение шины; и
(e) создание схемы уплотнения грунта с помощью панели измерения давления.
В другом варианте осуществления настоящего описания отображение уплотнения грунта для шины представляет собой физическую трехмерную модель зоны контакта зернистого материала и нагруженной шины, и на трехмерную модель наложена схема уплотнения грунта.
В любом из представленных выше вариантов осуществления над панелью измерения давления может быть помещен ограничивающий контейнер, и ограничивающий контейнер может быть заполнен зернистым материалом до требуемой глубины.
В любом из представленных выше вариантов осуществления схема уплотнения грунта может быть сформирована сначала путем формирования выемки в поверхности грунта и помещения в выемку опорной пластины и панели измерения давления. На опорной пластине имеется опорная поверхность. После этого в выемку поверх панели помещают зернистый материал.
В любом из представленных выше вариантов осуществления глубина зернистого материала может находиться в диапазоне от 5 сантиметров до 30 сантиметров (от 2 дюймов до 12 дюймов).
В любом из представленных выше вариантов осуществления зернистый материал может представлять собой песок, почву или их смеси.
В любом из представленных выше вариантов осуществления опорная поверхность может быть сформирована на плоской пластине.
В любом из представленных выше вариантов осуществления на разных глубинах зернистого материала могут быть созданы дополнительные схемы уплотнения грунта.
В любом из представленных выше вариантов осуществления можно создать трехмерное представление зоны контакта нагруженной шины и зернистого материала, после чего на трехмерное представление можно наложить схему уплотнения грунта.
В любом из представленных выше вариантов осуществления можно создать трехмерное представление в виде физической модели. Физическая модель может быть либо физической моделью выемки, сформированной нагруженной шиной в зернистом материале, либо физической моделью по меньшей мере того участка нагруженной шины, который контактирует с зернистым материалом.
Схема уплотнения грунта может быть наложена на трехмерное представление любой из нескольких методик, включая: (1) печать схемы уплотнения грунта на физической модели; (2) проецирование схемы уплотнения грунта на физическую модель; (3) рисование схемы уплотнения грунта на физической модели; (4) формирование схемы уплотнения грунта на поверхности физической модели или (5) формирование физической модели принтером объемной печати, который также формирует схему уплотнения грунта зацело с моделью.
В способах настоящего описания трехмерное представление можно создать в виде виртуального трехмерного изображения либо выемки, сформированной в зернистом материале нагруженной шиной, либо того участка нагруженной шины, который контактирует с зернистым материалом.
В любом из представленных выше вариантов осуществления можно создать одну или более дополнительных трехмерных моделей зоны контакта зернистого материала и другой шины, и на дополнительную трехмерную модель может быть наложена вторая схема уплотнения грунта, причем две трехмерные модели могут отображаться смежно друг с другом так, что наблюдатель может сравнивать схемы уплотнения грунта для двух шин.
Многие цели, особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области при изучении представленного ниже описания совместно с приложенными рисунками.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
На Фиг. 1A представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции панели измерения давления, установленной на опорной пластине.
На Фиг. 1B представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции устройства, показанного на Фиг. 1A, с ограничивающим контейнером, установленным над панелью измерения давления, и контейнер заполнен зернистым материалом до требуемой глубины.
На Фиг. 1C представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции устройства, показанного на Фиг. 1B, с шиной, помещенной поверх заполнения в виде зернистого материала и нагруженной.
На Фиг. 1D представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции, аналогичный показанному на Фиг. 1C, с ограничивающим контейнером, заполненным зернистым материалом на глубину, превышающую показанную на Фиг. 1B и 1C.
На Фиг. 2A представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции выемки, сформированной на поверхности грунта, с помещенными в выемку опорной пластиной и панелью измерения давления.
На Фиг. 2B представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции устройства, показанного на Фиг. 2A, с выемкой, заполненной зернистым материалом.
На Фиг. 2C представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции устройства, показанного на Фиг. 2B, с нагруженной шиной, помещенной поверх заполнения в виде зернистого материала.
На Фиг. 2D представлен схематический вид сбоку в вертикальной проекции, аналогичный показанному на Фиг. 2C, но с более глубоко сформированной и заполненной зернистым материалом на большую глубину выемкой, перед помещением шины поверх зернистого заполнителя.
На Фиг. 3 представлен схематический вид панели измерения давления и связанной с ней системы сбора данных для создания схем распределения давления, соответствующих схемам уплотнения грунта.
На Фиг. 4 представлены две схемы уплотнения грунта для одной и той же шины, причем верхнее изображение соответствует глубине почвы 8 сантиметров (3 дюйма), а нижнее изображение - глубине почвы 13 сантиметров (5 дюймов).
На Фиг. 5 представлен вид в перспективе физической модели трехмерного представления зоны контакта нагруженной шины и зернистого материала, причем физическая модель представляет собой модель выемки, сформированной на поверхности грунта нагруженной шиной.
На Фиг. 6 показано схематическое представление методики создания физической модели, показанной на Фиг. 5, причем выемка в зернистом материале сканируется лазерным сканером для создания трехмерного профиля, который можно воспроизвести на трехмерном принтере.
На Фиг. 7 показан схематический вид в перспективе трехмерной физической модели, включающей тот участок нагруженной шины, который контактирует с поверхностью грунта или зернистого материала.
На Фиг. 8 показан схематический вид в перспективе трехмерной физической модели, показанной на Фиг. 5, с наложенной на него схемой уплотнения грунта.
На Фиг. 9 показан схематический вид в перспективе отображения со сравнением схем уплотнения грунта для двух шин. С левой стороны отображения сверху представлена трехмерная модель, такая как показанная на Фиг. 5 или 7, со схемой уплотнения грунта на относительно небольшую глубину, наложенной на трехмерную модель. На средней и нижней ступенях отображены дополнительные схемы уплотнения грунта, полученные для больших глубин, например 8 сантиметров (3 дюйма) и 13 сантиметров (5 дюймов).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Предложен способ создания схемы уплотнения грунта для шины. Под схемой уплотнения грунта подразумевается изображение, представляющее распределение давления в почве на глубине под зоной контакта нагруженной шины и поверхности почвы. Такая схема уплотнения грунта отличается от отпечатка, который оставляет под давлением сама шина тем, что рисунок такого давления распределяется и изменяется по мере увеличения глубины под шиной.
На Фиг. 1A представлен вид сбоку в вертикальной проекции некоторых компонентов системы, которые можно использовать для создания схем уплотнения грунта. На Фиг. 1A на пол 12 помещена опорная пластина 10, а на опорную пластину 10 помещена панель 14 измерения давления. В целом панель 14 измерения давления можно описать как относительно гибкую тонкую панель измерения давления типа пластины, а опорная пластина 10 имеет верхнюю опорную поверхность 16, которую можно описать как относительно жесткую плоскую опорную поверхность 16. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1A, также можно обойтись без опорной пластины 10, поместив панель 14 измерения давления непосредственно на пол 12, и в этом случае пол 12 образует относительно жесткую плоскую опорную поверхность для панели измерения давления. Ввиду относительной гибкости панели 14 желательно обеспечить поддержку панели 14 относительно жесткой плоской опорной поверхности 16, чтобы создать схему распределения давления, представляющую фактическое распределение давления на выбранной глубине под поверхностью грунта. Если гибкую панель 14 просто закопать в грунт, она деформируется и не будет достоверно создавать требуемые схемы уплотнения грунта.
На Фиг. 1B показано, что над панелью 14 измерения давления помещен ограничивающий контейнер 18, причем ограничивающий контейнер 18 заполнен зернистым материалом 22 на требуемую глубину 20 над панелью 14 измерения давления.
На Фиг. 1C показано, что поверх зернистого материала 22 помещена шина 24, которую нагрузили до требуемого значения, представляющего нагрузку, которая будет оказываться на шину в процессе эксплуатации. Как показано на Фиг. 1C, шина частично погружена в зернистый материал с образованием зоны контакта 25 шины 24 и зернистого материала 22. Зона контакта 25 может быть представлена формой выемки 25A в зернистом материале 22 или формой того участка 25B шины 24, который взаимодействует с зернистым материалом 22. В этом случае самый низкий участок шины отделен от панели 14 измерения давления глубиной 20A, которая меньше начальной глубины 20 зернистого материала.
В показанной на Фиг. 1C конфигурации панель 14 измерения давления можно использовать для создания схемы уплотнения грунта, представляющей уплотнение почвы на глубине 20 под поверхностью грунта.
На Фиг. 1D показано то же устройство, что и на Фиг. 1A-1C, за исключением того, что перед помещением поверх зернистого материала шины 24 зернистый материал был засыпан на большую глубину 20C, и в этом случае самый низкий участок шины 24 расположен на большей глубине 20D над панелью 14 измерения давления. Таким образом, показанную на Фиг. 1D систему можно использовать для создания схемы уплотнения грунта, представляющей уплотнение почвы на глубине 20C под поверхностью грунта.
На Фиг. 2A-2D представлена серия изображений, аналогичных показанным на Фиг. 1A-1D, за исключением ситуации, в которой опорная пластина 10 и панель 14 измерения давления помещены в выемку 26, сформированную в поверхности 28 грунта. На Фиг. 2B выемка 26 заполнена зернистым материалом 22 на глубину 30 над панелью 14 измерения давления.
На Фиг. 2C шина 24 помещена на поверхности грунта и нагружена так, что погрузилась в зернистый материал 22, после чего панель 14 измерения давления может создавать схему уплотнения грунта, представляющую уплотнение почвы на глубине 30 под поверхностью 28 грунта под воздействием нагруженной шины 24. Следует отметить, что на место поверх зернистого материала 22 может быть выведена нагруженная шина 24.
На Фиг. 2D показан вид, аналогичный показанному на Фиг. 2C, за исключением того, что на Фиг. 2D сформирована выемка 26 с большей глубиной, и зернистый материал 22 засыпан на большую глубину 30C под поверхностью 28 грунта. В конструкции, показанной на Фиг. 2D, панель измерения давления может создавать схему уплотнения грунта, представляющую уплотнение почвы на глубине 30C под поверхностью 28 грунта под воздействием нагруженной шины 24.
Для исследования уплотнения почвы для целей сельского хозяйства диапазон представляющих интерес глубин для глубины 20, показанной на Фиг. 1B, или глубины 30, показанной на Фиг. 2B, предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 5 сантиметров до приблизительно 30 сантиметров (от 2 дюймов до приблизительно 12 дюймов).
На Фиг. 3 показано схематическое представление панели 14 измерения давления и связанное с ней электронное оборудование, которое используется с панелью для создания схемы уплотнения грунта.

Сама по себе панель 14 измерения давления является деталью, которая существовала на предшествующем уровне техники и использовалась для создания изображений отпечатков шин. Одна из форм панели измерения давления доступна в продаже от компании Tekscan, Inc., Южный Бостон, штат Массачусетс, США, в составе системы измерения давления на поверхности TIRESCAN™. Другая панель для измерения давления доступна в продаже от компании XSensor Technology Corporation, г. Калгари, провинция Альберта, Канада, в составе системы датчиков для шин XSENSOR Х3.
Панель 14 измерения давления содержит систему ультратонких тактильных датчиков давления. В каждой панели имеется матрица отдельных чувствительных элементов, распределенных по площади панели. Плотность датчиков связана с разрешением изображений, которые может создавать панель.
Комплект 32 сканирующего электронного оборудования, предоставляемый поставщиком панели 14 измерения давления, используется для сбора данных от расположенной на панели матрицы датчиков и последующей обработки и отправки данных, полученных с этих датчиков, на компьютерную систему 34.
Компьютерная система 34 предназначена для получения информации с датчиков панели 14, определения и сохранения данных, соответствующих схемам уплотнения грунта, а также для передачи этих данных. На Фиг. 3 схематически представлены компьютерная система 34 и ее связь с панелью 14 измерения давления.
Компьютерная система 34 дополнительно включает процессор 35, машиночитаемый носитель 37 информации, базу данных 39 и платформу или модуль 41 ввода/вывода, который, как правило, может включать пользовательский интерфейс, создаваемый с помощью программных инструкций в соответствии со способами или этапами, которые более подробно описаны ниже.
Используемый в настоящем документе термин «машиночитаемый носитель информации» может относиться к любому долговременному носителю 37 информации в отдельности или к одному из множества долговременных носителей 37 информации, в котором содержится компьютерный программный продукт 43, который включает в себя исполняемое процессором программное обеспечение, инструкции или программные модули, которые при выполнении могут предоставлять данные или иным образом управлять компьютерной системой с целью реализации поставленной задачи или работать другим определенным способом, как дополнительно определено в настоящем документе. Кроме того, следует понимать, что можно использовать комбинацию более одного типа носителя информации для передачи исполняемого процессором программного обеспечения, инструкций или программных модулей с первого носителя информации, в котором изначально находятся программное обеспечение, инструкции или программные модули, на процессор для выполнения.
В настоящем документе общий термин «носитель информации» может дополнительно включать, без ограничений, среды передачи данных и/или среды хранения информации. Термин «среда хранения информации» может в равной степени относиться к энергозависимым и энергонезависимым, съемным и стационарным носителям, включая по меньшей мере динамическое запоминающее устройство, специализированные интегральные схемы (СИС), устройства памяти на кристалле, устройства памяти на оптических или магнитных дисках, устройства флэш-памяти или любой другой носитель, который можно использовать для хранения данных с обеспечением доступа для процессора, а также, если не указано иное, который может либо находиться на одной вычислительной платформе, либо быть распределен по множеству таких платформ. Термин «среда передачи данных» может включать в себя любые материальные носители, которые обеспечивают возможность считывания и выполнения процессором исполняемого процессором программного обеспечения, инструкций или программных модулей, находящихся на носителе, включая, без ограничений, провод, кабель, оптическое волокно и известные в данной области беспроводные носители.
Используемый в настоящем документе термин «процессор» может относиться по меньшей мере к устройствам обработки общего или специального назначения и/или к логическому устройству, как может быть понятно специалисту в данной области, включая, без ограничений, однопоточные или многопоточные процессоры, центральные процессоры, родительские процессоры, графические процессоры, медиапроцессоры и т.п.
Компьютерная система 34 принимает от панели 14 измерения давления и комплекта 32 сканирующего электронного оборудования данные, соответствующие схемам уплотнения грунта. Затем на основе программы 43 система 34 создает схемы уплотнения грунта.
На Фиг. 4A и 4B показаны два примера схем уплотнения грунта, создаваемых системой, показанной на Фиг. 1-3. В этом примере верхняя схема 42 уплотнения грунта, показанная на Фиг. 4А, была создана с использованием системы, показанной на Фиг. 1A-1D, для конкретной глубины 20, равной 8 сантиметрам (3 дюймам). Схема 44 уплотнения грунта, показанная на Фиг. 4B, была создана на большей глубине, в данном случае на глубине 20C, равной 13 сантиметрам (5 дюймам).
Рассмотрим пример схемы 42 уплотнения грунта, показанной на Фиг. 4A. Она включает внешнюю зону 42A, первую промежуточную зону 42B, вторую промежуточную зону 42C и центральную зону 42D, которые обозначены разными цветами или затемненными областями, которые показывают рост давлений при переходе от внешнего участка 42A к внутреннему участку 42D. Хотя схемы, показанные на Фиг. 4A и 4B, представлены в оттенках серого, для обозначения разных зон предпочтительно использовать разные цвета.
Если сравнить области 44A, 44B, 44C и 44D с одинаковым цветом в примере 44 на Фиг. 4B, можно увидеть, что с увеличением значений глубины давление, как правило, снижается, так что центральные области с более высоким давлением сжимаются.
Таким образом, предложен способ, представленный показанными на Фиг. 1-3 системами создания схем уплотнения грунта, аналогичных схемам 42 или 44 на Фиг. 4, причем способ включает следующие этапы:
(a) помещение относительно гибкой панели 14 измерения давления на относительно жесткую опорную поверхность, например на опорную пластину 10 или на пол 12;
(b) покрытие панели измерения давления слоем зернистого материала 22, например глубиной 20, как показано на Фиг. 1B, или глубиной 30, как показано на Фиг. 2B;
(c) помещение шины 24 на зернистый материал 22;
(d) нагружение шины 24; и
(e) создание схемы уплотнения грунта, например 42 или 44, с помощью панели 14 измерения давления.
Следует отметить, что этапы (с) и (d) можно выполнять одновременно, установив нагруженную шину на зернистый материал.
Если способ реализуется на полу или другой опорной конструкции, например, показанной на Фиг. 1A, можно использовать показанный на Фиг. 1B и 1C ограничитель 18, удерживающий зернистый материал на месте над панелью 14 измерения давления.
Если панель измерения давления следует поместить в выемку в грунте, как показано на Фиг. 2A-2B, то в грунте формируют выемку, в выемку помещают опорную пластину 10, поверх которой помещают панель, а затем выемку заполняют зернистым материалом 22.
В дополнение к созданию схем уплотнения грунта в настоящем описании предложено множество методик отображения этих схем так, чтобы наблюдатель мог оценивать относительные характеристики уплотнения грунта различных шин.
Одна из методик отображения схем уплотнения грунта заключается в создании трехмерного представления зоны контакта 25 нагруженной шины 24 и зернистого материала 22. Следует понимать, что трехмерное представление зоны контакта может быть либо в виде трехмерного представления выемки 25A, сформированной в зернистом материале нагруженной шиной, либо трехмерного представления по меньшей мере того участка 25B нагруженной шины, который контактирует с зернистым материалом.
Кроме того, трехмерное представление можно создать в виде физической модели, или же в некоторых ситуациях для отображения можно создать виртуальную модель.
На Фиг. 5 представлена физическая модель 46 выемки, сформированной в зернистом материале нагруженной шиной.
На Фиг. 7 представлена физическая модель 48 нагруженной шины, включая по меньшей мере тот участок нагруженной шины, который контактирует с зернистым материалом.
На Фиг. 6 схематически показана первая методика создания физической модели 46, показанной на Фиг. 5. Как показано на Фиг. 6, нагруженную шину 24 убрали из заполненного зернистым материалом контейнера 18, показанного на Фиг. 1C, оставив углубление 25A, сформированное в зернистом материале 22. Затем для сканирования трехмерного профиля углубления 25A использовали лазерное сканирующее устройство 50. После этого на базе трехмерного профиля, созданного лазерным сканирующим устройством 50, с помощью трехмерного принтера или других методик воспроизведения трехмерного объекта из цифрового файла, описывающего профиль углубления 25A, можно сформировать физическую модель 46.
Одна особенно желательная методика отображения схем уплотнения грунта, например 42 и 44, и привязки этих схем в сознании наблюдателя к шине с конкретной демонстрируемой конструкцией заключается в том, что схема уплотнения грунта накладывается на физическую модель, например 46 или 48.
На Фиг. 8 схематически представлена физическая модель 46, показанная на Фиг. 5, с наложенной на нее схемой 42 уплотнения грунта, показанной на Фиг. 4.
Следует отметить, что конкретная схема уплотнения грунта, выбранная для отображения на физической модели 46, как правило, является схемой уплотнения грунта, представляющей распределение давления на расстоянии несколько ниже зоны контакта 25, и нет необходимости в том, чтобы отображаемая на физической модели схема уплотнения грунта точно соответствовала распределению давления непосредственно в зоне контакта 25. Методика отображения, показанная на Фиг. 8, - это лишь методика комбинирования трехмерного представления зоны контакта 25 со связанной схемой уплотнения грунта на любой выбранной глубине для установления в сознании наблюдателя взаимосвязи между конструкцией шины и соответствующей ей схемой уплотнения грунта.
Схемы уплотнения грунта можно накладывать на физическую модель разными способами.
Схему уплотнения грунта можно печатать на физической модели любой доступной методикой печати.
Схему уплотнения грунта можно проецировать на физическую модель с помощью проектора. При использовании проектора он может последовательно проецировать на одну физическую модель разные схемы уплотнения грунта.
Схему уплотнения грунта можно рисовать на физической модели.
Схему уплотнения грунта можно сформировать на поверхности физической модели путем формования, гравировки, машинной обработки или с помощью любой другой доступной методики.
Схему уплотнения грунта можно сформировать зацело с физической моделью путем изготовления физической модели цветным принтером объемной печати, который может создать цветную схему уплотнения грунта в составе трехмерной модели из файла данных с описанием как физической модели, так и схемы уплотнения грунта.
Если трехмерное представление зоны контакта является виртуальным представлением, то схему уплотнения грунта можно наложить на трехмерное изображение цифровыми методиками.
Кроме того, отображение может включать расположенные рядом отображения схем уплотнения грунта, созданных для разных сравниваемых шин. Например, на Фиг. 9 отображение 52 имеет верхнюю поверхность 54 отображения, на которой отображаются два трехмерных представления углубления, сформированного в грунте, аналогично отображению на Фиг. 46, на котором отображения обозначены как 46A и 46B. Отображения 46A и 46B могут иметь схему уплотнения грунта, наложенную на них способом, показанным на Фиг. 8, или же они могут быть просто физическим представлением выемки 25A, показанной на Фиг. 5. Отображение включает промежуточную и нижнюю поверхности 56 и 58 отображения, на которых рядом отображены схемы 60A и 60B уплотнения грунта, полученные на первой глубине, например 8 сантиметров (3 дюйма), а также схемы 62A и 62B уплотнения грунта, полученные на второй глубине, например 13 сантиметров (5 дюймов).
Таким образом, видно, что устройство и способы настоящего изобретения легко достигают целей и преимуществ, упомянутых и присущих им. В то время как некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения показаны и описаны для целей настоящего описания, специалисты в данной области могут внести множество изменений в конструкцию и устройство деталей и стадий, и эти изменения входят в объем и сущность настоящего изобретения, как определено в приложенных пунктах формулы изобретения.