УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЯ ПОЧВОГРУНТА
DEVICE FOR STUDY OF PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF SOIL LAYER

Изобретение относится к области испытаний при инженерных изысканиях в сельском хозяйстве, строительстве и машиностроении, в частности к устройствам для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта небольшой толщины, преимущественно средней и низкой плотности.
Известно устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом [1]. Устройство позволяет нагружать слой почвогрунта через исследуемый трак вертикальной нагрузкой при помощи гидроцилиндра и, после заглубления трака, - нагружать горизонтальной нагрузкой посредством движения трактора. Устройство состоит из рамы, жестко закрепленной на тракторе, на которой устанавливается подвижная рамка, выполненная в виде короба и перемещающаяся по двум парам направляющих роликов. Опоры роликов установлены в ползунах, горизонтальное перемещение которых ограничивается тензометрическими тягами. К днищу короба шарнирно крепится шток силового цилиндра механизма нагружения. В шарнире установлен тензометрический палец для измерения вертикальной реакции грунта. Снаружи к днищу короба крепится исследуемый трак.
Недостатками данного устройства являются, во-первых, разница во времени приложения вертикальной и горизонтальной силы к траку. В реальных условиях указанные силы со стороны трака гусеничной машины действуют одновременно. Во-вторых, создание горизонтальной нагрузки достигается за счет движения трактора, что приводит к ее неравномерности в момент трогания трактора с места и погрешностям в измерении. В-третьих, использование рам мобильной техники, в частности трактора, в качестве обязательной составляющей всей системы испытания элементов гусеницы приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях. В-четвертых, не происходит образования грунтового кирпича, что влечет за собой снижение горизонтальной (касательной или сдвиговой) силы при испытаниях, по сравнению с аналогичными условиями в реальности.
Известно также устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом [2]. Устройство обеспечивает нагружение слоя почвогрунта через тензометрический трак нормальной вертикальной и касательной нагрузками, создаваемыми гидроцилиндрами. Устройство содержит неподвижную раму, в направляющих которой установлена тележка с испытуемым траком, снабженным датчиками для измерения усилий и перемещаемым механизмом нагружения, выполненным в виде гидроцилиндра. При этом тележка снабжена вертикальными направляющими. Тележка имеет также гидроцилиндр для горизонтального перемещения ее по грунту, а трак соединен шарнирно со штоком гидроцилиндра механизма нагружения и снабжен двумя парами осей, попеременно входящих в две пары гнезд, закрепленных в блоке, перемещающемся по направляющим. Для надежной фиксации трака оси фиксируются в гнездах при помощи поворотного фиксатора, выполненного в виде самозаклинивающихся кулачков. Для формирования грунтового кирпича под испытуемым траком тележка снабжена двумя дополнительными траками, расположенными перед испытуемым траком и после него.
Достоинствами данного устройства являются: во-первых, обеспечение равномерности вертикальной и касательной нагрузок, во-вторых, обеспечение одновременности их приложения, в-третьих, моделирование грунтозацепа, погружающегося в грунт, в-четвертых, формирование грунтового кирпича под испытуемым траком.
Недостатками данного устройства являются следующие. Во-первых, дополнительные грунтозацепы находятся на разных расстояниях от основного грунтозацепа, внедряющегося в грунт, что влечет за собой формирование неравномерных грунтовых кирпичей, приводящих к искажению достоверной информации. Во-вторых, расположение дополнительных грунтозацепов и внедряющегося между ними основного грунтозацепа противоречит реальной картине движения гусеничного трактора, т.к. заглубляемый грунтозацеп не может находиться между двумя уже погруженными в слой почвогрунта грунтозацепами. Это приводит к увеличению давления со стороны горизонтального нагружающего гидроцилиндра, что приводит к повышению нагрузок по сравнению с реальными условиями. В-третьих, возможность проведения опыта без изменения начальных условий один раз, для повторного опыта с теми же начальными условиями необходима еще одна подготовка слоя почвогрунта, что может привести к разным начальным условиям, а соответственно к погрешностям в измерениях.
Известно устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом [3]. При этом слой почвогрунта через исследуемое звено нагружают вертикальной нагрузкой при помощи гидроцилиндра, а после погружения звена в грунт производят горизонтальное смещение (сдвиг) при помощи лебедки. Номинальное значение касательной силы тяги определяют интегрированием площади эпюры касательного усилия, получаемой по результатам опыта
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>H</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>П</mi><mi>Э</mi></msub></mrow><mrow><mi>δ</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
н
где Р - номинальное значение касательной силы тяги, Н;
э
П - площадь эпюры касательного усилия по длине гусеничного движителя с базой L, Н·м;
δ - величина установленного в опыте коэффициента буксования;
t - шаг звена гусеницы, м.
Устройство имеет следующий вид. По неподвижным горизонтальным направляющим на катках перемещается тележка. В ней выполнены вертикальные направляющие в виде роликов, между которыми помещен подвижный короб. Внутри него установлен гидроцилиндр нагружения, который шарнирно соединен одним концом с коробом, а другим с тележкой. К нижней части короба крепится тензометрический комплекс с исследуемым звеном. Перемещение тележки по направляющим обеспечивается с помощью реверсивной лебедки. Она соединена с тележкой посредством троса, нижняя ветвь которого непосредственно соединяется с лебедкой, а верхняя ветвь - через обводной блок с целью обеспечения реверса тележки. Направляющие опираются на лыжи, необходимые для передвижения стенда по грунту.
Достоинствами данного устройства являются, во-первых, возможность многократного повторения одного опыта при равных начальных условиях, во-вторых, равномерная вертикальная нагрузка, приложенная к исследуемому звену.
Недостатками устройства являются, во-первых, обеспечение разновременного прикладывания вертикальной и горизонтальной нагрузок. Здесь приложение горизонтальной силы начинается после приложения вертикальной нагрузки. В реальных условиях под движителями мобильных машин этой временной разницы практически не существует. Во-вторых, приложение горизонтального усилия осуществляется за счет лебедки, т.е. за счет прикладывания постоянной скорости деформации к исследуемому звену. Это приводит к неравномерности касательной нагрузки (вследствие упруговязкопластичных свойств слоя почвогрунта) и делает необходимым аналитическим методом определять номинальное касательное усилие, что влияет на увеличение погрешности получаемых результатов. В-третьих, не происходит образование грунтового кирпича, что влечет за собой снижение касательной силы при испытаниях по сравнению с аналогичными условиями в реальности. В-четвертых, самостоятельно задаются величиной коэффициента буксования, значение которой никак не скорректировано с реальными закономерностями нагружения слоя грунта, определяемыми типом гусеницы, параметрами системы натяжения гусеницы, параметрами системы подрессоривания, характеристиками зацепления гусеницы с ведущей звездочкой и т.д., а также со свойствами слоя почвогрунта.
Известно также устройство для определения несущей способности грунта при испытаниях по контролю за уплотнением в дорожном строительстве [4]. При этом устройство позволяет нагружать слой дорожной одежды статической нагрузкой через жесткий круглый штамп посредством гидроцилиндра, являющегося продолжением направляющей штанги, расположенной соосно на штампе, упирающегося в раму автомобиля или любой дорожной машины, а деформацию грунта (или вертикальное перемещение штампа) измеряют при помощи индикаторов часового типа.
Недостатки указанного устройства состоят в следующем. Во-первых, устройство позволяет измерять только вертикальную часть деформации слоя и не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. Во-вторых, статическая нагрузка на штамп не может быть приложена мгновенно, т.е. проходит некоторое время, составляющее от долей до нескольких секунд, в течение которого нагрузка на штамп возрастает от нуля до максимального значения, соответствующего заданной статической нагрузке. Это приводит к существенному искажению результатов измерения деформации и модуля деформации. В-третьих, деформация слоя грунта приводит к увеличению расстояния между штампом и рамой автомобиля, при этом резко снижается давление в гидроцилиндре устройства нагружения, а следовательно, и нагрузка на штампе. Таким образом, требуется постоянное регулирование давления в гидроцилиндре, что в результате приводит к непостоянству статической нагрузки на штампе и, как следствие, к увеличению погрешности измерения. В-четвертых, использование механических индикаторов деформации часового типа не позволяет (в силу визуального наблюдения) точно определить величину деформации слоя грунта при заданных значениях времени наблюдения, что также приводит к снижению точности измерения. В-пятых, использование рам мобильной техники (автомобиля или дорожных машин) в качестве упора заставляет привлекать эту технику в качестве обязательной составляющей всей системы испытания слоя грунта, что приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях.
Известно также устройство для определения модуля деформации и модуля упругости грунтов [5]. Устройство обеспечивает нагружение образца грунта диаметром не менее 20 см и высотой не менее 15 см ступенчатой статической нагрузкой посредством рычажной системы с гирями через жесткий штамп диаметром 5 см. По замеренной посредством индикаторов часового типа вертикальной деформации, развивающейся под действием вертикальной ступенчатой нагрузки, определяют модуль упругости или модуль деформации.
Недостатками устройства являются следующие. Во-первых, модуль упругости и модуль деформации определяются посредством штампов малого диаметра, что носит условный характер и определяет относительные и качественные, а не расчетные характеристики (как отмечается в самом источнике информации). Во-вторых, использование механических индикаторов деформации часового типа не позволяет (в силу визуального наблюдения) точно определить величину деформации слоя грунта при заданных значениях времени наблюдения, что также приводит к снижению точности измерения. В-третьих, измеряется только вертикальная часть деформации слоя, что не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики.
Известна установка для исследования напряжений и перемещений грунта под опорами транспортного средства [6]. При этом слой почвогрунта нагружают нагрузкой при помощи движущегося трактора. Устройство имеет следующий вид. На корпусе в бугелях крепятся направляющие, по которым при помощи ходового винта и электродвигателя перемещается каретка, на опорные плоскости которой монтируются ножи или штанги с датчиками давления, реостатными датчиками вертикального и поперечного перемещений; в основании штанг расположены реостатные датчики продольных перемещений. При движении транспортного средства под его опорами происходит деформация грунта. Изменяются физические свойства грунта как по глубине, так и в поперечных и продольных плоскостях, что фиксируется датчиками.
Достоинствами данного устройства является, во-первых, то, что исследование напряжений и перемещений грунта производится в реальных условиях эксплуатации. Во-вторых, деформация грунта измеряется в трех плоскостях, что позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. В-третьих, штанги, установленные в каретке, по меньшей мере, в два ряда и выполненные разной длины, позволяют проводить исследование напряжений и перемещений грунта не только по центральной оси опорной поверхности движителя, но и на некотором расстоянии (в зависимости от длины штанги) от нее одновременно. В-четвертых, измерение происходит на различной глубине слоя почвогрунта, что позволяет получить распределение напряжений и деформаций по его глубине.
Недостатками данного устройства является, во-первых, то, что нагружение слоя почвогрунта происходит конкретным транспортным средством, что влечет за собой его использование как обязательной составляющей всей системы испытания. Это приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях. Во-вторых, реостатный датчик продольных перемещений дает искаженную информацию о реальном перемещении, вследствие того, что штанга обладает значительной массой и инерцией, т.к. на ней располагаются датчик давлений и реостатные датчики вертикального и поперечного перемещений. В-третьих, возможно искажение информации вследствие давления грунта на корпус установки (изменение положения его в грунте) в результате движения транспортного средства. В-четвертых, воздействие нагрузки на слой почвогрунта непосредственно со стороны движущегося трактора создает дополнительные трудности в аналитическом описании действующих напряжений в слое почвогрунта, т.к. в этом случае эпюра давления описывается сложным законом, зависящим от типа гусеницы, параметров системы натяжения гусеницы, параметров системы подрессоривания, характеристик зацепления гусеницы с ведущей звездочкой и т.д. В связи с этим, переход от экспериментальных данных с конкретным транспортным средством к расчетным для любого другого транспортного средства со своими параметрами аналитически не представляется возможным и, поэтому, предложенная установка может быть использована при анализе напряжений и перемещений грунта только под конкретным, уже существующим, транспортным средством. При этом полученные экспериментальные данные по оценке физико-механических свойств грунта не являются инвариантными, т.е. не зависящими от способа их определения.
Известно устройство [7] для исследования физико-механических характеристик почвогрунтов, включающее неподвижно закрепленную на основании ванну, по направляющим которой перемещается рама с шарнирно закрепленным на ней рычагом, посредством которого при помощи грузов, изменяющей длину оси и шарикоподшипников происходит нагружение жесткого квадратного штампа вертикальной нагрузкой, механизм горизонтально нагружения штампа, крепящегося к раме и состоящего из двух роликов, полиспаста и металлического троса. Касательная нагрузка в опыте реверсируется (действует по очереди с двух противоположных сторон), что соответствует реальной картине формирования напряженного состояния слоя почвы под колесным движителем, рассматриваемым в дальнейшем в качестве элемента математической модели. Датчики касательной нагрузки контактируют со слоем почвогрунта через специальные толкатели и расположены равномерно по глубине слоя почвогрунта; в механизме вертикального нагружения предусмотрен карданный шарнир, позволяющий сохранить горизонтальное положение штампа относительно слоя почвогрунта при движении рычага вертикальной нагрузки вниз и горизонтального перемещения штампа под действием касательных сил; датчик вертикальной деформации подвижен, для компенсации касательного движения штампа; штамп имеет переменные параметры грунтозацепов, а их расположение на штампе дает возможность формирования грунтового кирпича. При этом для нормальной работы устройства по обеспечению стабильного напряженно-деформируемого состояния слоя почвогрунта под штампом необходимо первоначальное приложение вертикальной нагрузки к штампу, а затем, через небольшой промежуток времени порядка 0,5…2 с - горизонтальную нагрузку. Если прикладывать нагрузки к штампу в обратной последовательности, то штамп, не прижатый первоначально вертикальной нагрузкой к слою почвогрунта, резко уйдет в сторону под действием горизонтальной нагрузки и измерения деформаций слоя почвогрунта не состоятся.
Достоинствами данного устройства являются: во-первых, обеспечение практически одновременного приложения вертикальной и касательной нагрузок, во-вторых, моделирование грунтозацепа, погружающегося в грунт, в-третьих, формирование грунтового кирпича под испытуемым штампом.
Недостатками данного устройства являются, во-первых, сложность подготовки и настройки оборудования для проведения повторных опытов группой участников - двух и более. Во-вторых, громоздкость и высокая материалоемкость конструкции в целом. В третьих, корректировка величины горизонтальной деформации слоя почвогрунта под штампом вследствие небольшого рассогласования в одновременности приложения вертикальной и горизонтальной нагрузок.
Известно также устройство для определения физико-механических характеристик грунтов - беваметр [8]. Устройство применяется как для определения зависимостей осадки грунта от приложенной вертикальной нагрузки, так и для нахождения зависимостей горизонтальной деформации от приложенных сдвигающих (тангенциальных усилий). Беваметр состоит из двух или трех штампов различного размера и одного кольцевого штампа для определения напряжений сдвига. Штампы прикреплены к нагрузочным гидроцилиндрам, посредством которых они заглубляются в грунт. В свою очередь, гидроцилиндры соединены с регистраторами, которые фиксируют кривые нагрузка - осадка. Кольцевой штамп с размещенными на его нижней поверхности в радиальном направлении грунтозацепами приводится во вращение мотором. К оси кольцевого штампа приложена нормальная нагрузка посредством гидроцилиндра, при этом фиксируется крутящий момент мотора и угол поворота кольцевого штампа. Штампы и приводы к ним с соответствующей регистрирующей аппаратурой размещены на специальной раме.
Недостатками данного устройства являются, во-первых, использование мобильной техники, в частности трактора, в качестве обязательной составляющей всей системы испытания, что приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях. Во-вторых, приложение горизонтального сдвигающего усилия под кольцевым штампом осуществляется мотором по касательной к окружности установки грунтозацепов, т.е. за счет прикладывания постоянной скорости деформации к исследуемому звену. Это приводит к неравномерности действия касательной нагрузки (вследствие упруго-вязко-пластичных свойств слоя почвогрунта) и делает необходимым аналитическим методом определять номинальное касательное усилие, что влияет на увеличение погрешности получаемых результатов. В-третьих, статическая нагрузка на штамп не может быть приложена мгновенно со стороны гидроцилиндра, т.е. проходит некоторое время, составляющее от долей до нескольких секунд, в течение которого нагрузка на штамп возрастает от нуля до максимального значения, соответствующего заданной статической нагрузке. Это приводит к существенному искажению результатов измерения деформации и модуля деформации. В-четвертых, деформация слоя грунта приводит к увеличению расстояния между штампом и рамой трактора, при этом резко снижается давление в гидроцилиндре устройства нагружения, а следовательно, и нагрузка на штампе. Таким образом, требуется постоянное регулирование давления в гидроцилиндре, что в результате приводит к непостоянству статической нагрузки на штампе и, как следствие, к увеличению погрешности измерения. В-пятых, применение кольцевого штампа с грунтозацепами приводит к выпиранию грунта наверх в центральной его части при одновременном действии нормальной и сдвиговой нагрузок, разрыхляя грунт и разрушая его структуру, что приводит к существенным искажениям в измерении сдвиговой деформации. В-шестых, регистрация вертикальной и сдвиговой деформаций грунта производится под разными штампами, в то время как следует их определять одновременно под одним деформатором (штампом), когда к нему одновременно прикладываются и вертикальная, и сдвиговая нагрузки. Такой характер нагружения и деформации грунта соответствует реальным процессам, характеризующим изменение его напряженно-деформированного состояния под реальными движителями машин (как под колесными, так и под гусеничными). В-седьмых, устройство позволяет регистрировать в зависимости от приложенных нагрузок величины деформаций или в какой-то конкретный момент времени, одинаковый для всех опытов с целью последующего сравнений относительных показателей несущей способности грунта, или величины деформаций, имеющих предельные значения, когда дальнейшее развитие деформаций не происходит. Устройство не позволяет проследить динамику развития деформаций с дальнейшим определением параметров скоростей ползучести грунта для расчета деформаций под конкретным типом движителя машин.
Исследования показали, что взаимодействие движителей мобильных машин с опорной поверхностью основания принято моделировать с помощью плоских штампов круглой или прямоугольной формы.
При этом данные реологических испытаний слоя опорного основания (почвогрунта), полученные при использовании траков, также можно использовать в математических моделях, описывающих взаимодействие различных по типу движителей с опорным основанием. Дело в том, что данные, полученные при нагружении штампа постоянными нагрузками (в соответствии с законом Хевисайда) или так называемые инвариантные значения физико-механических характеристик слоя почвогрунта (т.е. данные, не зависящие от способа их определения), можно применять для исследований на математических моделях процессов взаимодействия различных движителей, включив в математическую модель алгоритм расчета, учитывающий характер взаимодействия конкретного движителя с опорным основанием. При этом используются данные физико-механических характеристик слоя опорного основания, полученные как инвариантные, т.е., как установлено, полученные при постоянных законах нагружения (в соответствии с законом Хевисайда), при которых достаточно легко определить физико-механические характеристики слоя почвогрунта, например, в отличие от [9].
Наиболее близким к предлагаемому является устройство [10], включающее механизмы вертикального нагружения и вращательного смещения штампа, размещенные на перемещаемом каркасе с датчиками вертикального и углового перемещения штампа, и измерительно-регистрирующую систему, механизм синхронизации приложения вертикальной и сдвиговой нагрузки, при этом механизм вращательного смещения штампа состоит из подвеса с грузом, соединенным с барабаном посредством троса, перекинутого через обводной блок, когда барабан соединен с осью штампа посредством подвижного шлицевого соединения, механизм вертикального нагружения состоит из перемещающегося по направляющим ползуна с опорной плитой, соединенной со штампом через удлинитель и опорный подшипник, датчики вертикального и углового перемещения штампа состоят из двух натяжных нитей, одна из которых соединена с барабаном, а другая - с опорной плитой, системы изменяющих направление смещения нитей роликов и оптико-волоконных элементов с двумя роликами, через которые перекинуты нити в виде обжимающей петли, а штамп является круглым, а не кольцевым, с размещенными под ним равномерно по окружности в радиальном направлении ближе к краю штампа грунтозацепами длиной не более половины его радиуса.
Недостатками данного устройства являются следующие. Во-первых, вертикальная нагрузка на штамп формируется весом тела участника эксперимента, как можно быстрее и плавно наступив на опорную плиту ползуна, без толчков и рывков, обеими ногами. Тем не менее, в пределах времени, составляющего десятые доли секунды, все же нагрузка на штамп не прикладывается как постоянная мгновенно, а возрастает от нуля и до величины, равной весу тела человека за эти доли секунды. При этом, в зависимости от физиологических особенностей человек при переносе своего веса на опорную плиту ползуна может создавать различные толчки с разными ускорениями, не обеспечивая при этом даже равномерное увеличение нагрузки на штампе, скорость изменения которой в дальнейшем можно было бы учесть при оценке погрешностей нагружения и при корректировке полученных кривых вертикальной ползучести слоя почвогрунта.
Во-вторых, в момент начала смещения ползуна и штампа вниз, при смещении нити механизма синхронизатора его стопор освобождает ударную скобу с размещенным на ней бойком, которая под действием скрученной пружины начинает свое угловое перемещение, накапливая кинетическую энергию во время разгона. В конце свободного хода ударной скобы боек ударяет по наконечнику фиксатора барабана механизма вращательного смещения штампа, который выходит из зацепления с плитой каркаса устройства. При этом барабан получает свободу вращательного движения под действием веса груза и начинает поворачивать штамп, обеспечивая при этом постоянные значения касательных напряжений в грунте под штампом.
Доли секунды, за которые натягивается нить, смещается стопор, освобождая скобу с размещенным на ней бойком, поворачивается скоба с бойком, накапливая кинетическую энергию, все же не обеспечивается одновременное срабатывание механизмов вертикального нагружения и вращательного смещения штампа, что приводит к неточности воспроизведения процесса нагружения.
В-третьих, установка не позволяет исследовать физико-механические характеристики слоя почвогрунта при его нагружении вертикальной вибрационной нагрузкой, что часто присутствует при выполнении операций виброуплотнения грунтов дорожными катками, а также может использоваться в новой перспективной технологии прикатывания посевов вибровальцом. Как известно, развитие деформации слоя почвогрунта во времени при его уплотнении статической или вибрационной нагрузками протекает по различным законам с разной степенью выпуклости кривой ползучести. А это значит, что и физико-механические характеристики слоя почвогрунта при его нагружении вертикальной вибрационной нагрузкой или статической нагрузкой также будут иметь различные по величине численные значения.
Задача - повышение универсальности устройства и точности воспроизведения процесса нагружения, позволяющих приблизится к оценке реальных процессов, происходящих при нагружении слоя почвогрунта.
Технический результат достигается тем, что устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта включает каркас устройства, круглый штамп с размещенными под ним грунтозацепами, механизмы вертикального нагружения и вращательного смещения штампа, механизм синхронизации приложения вертикальной и сдвиговой нагрузки, датчики вертикального и углового перемещения штампа, измерительно-регистрирующую систему. Новым является то, что механизм вертикального нагружения снабжен вибровозбудителем вертикальных колебаний для передачи на почвогрунт динамической нагрузки и набором грузов для передачи на почвогрунт статической нагрузки, а механизм синхронизации приложения вертикальной и сдвиговой нагрузки представляет собой цилиндрический редуктор, корпус которого жестко соединен с каркасом устройства, на ведомый вал редуктора одним концом намотан трос, второй конец которого соединен с опорной плитой механизма вертикального нагружения, на ведущем валу редуктора закреплен поворотный рычаг, упирающийся в стопор, при этом стопор входит в корпус редуктора, имеет возможность мгновенного разъединения с ним и несет на себе петлевидный конец троса с возможностью разъединения со стопором в момент его разъединения с корпусом редуктора, а второй конец троса жестко закреплен на поверхности барабана механизма вращательного смещения штампа.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг.2 представлен общий вид устройства, на фиг.3 представлен момент включения механизма синхронизации приложения вертикальной и сдвиговой нагрузки.
1
1
2
2
Каркас устройства состоит из стальной плиты 1 и стоек 2, соединенных с плитой четырьмя кронштейнами 3 (см. фиг.1). Снизу к плите прикреплены две направляющие 4, по которым перемещается ползун с опорной плитой 5, воспринимающий вертикальную вибрационную нагрузку P-P и соединенный со штампом 6 через полый удлинитель 7 и упорный подшипник 8. Удлинитель 7 упирается в наружное кольцо упорного подшипника 8 над штампом 6, таким образом, достигается возможность углового перемещения последнего. Ось 9 штампа 6, проходя через полый удлинитель 7, в верхней ее части имеет подвижное шлицевое соединение с барабаном 10, имеющим возможность осевого вращения относительно стальной плиты 1 посредством упорного подшипника 11. Подвес с грузом 12 весом P соединен тросом 13, перекинутым через обводной блок 14, с барабаном 10. Передаточное отношение механизма вращательного смещения штампа определяется диаметром барабана и средним радиусом установки грунтозацепов R на штампе и позволяет создавать необходимую величину касательного напряжения под штампом при повороте. Стопор 15 удерживает барабан 10 и ось 9 со штампом 6 от вращения под воздействием нагрузки Р перед началом проведения эксперимента. Для устранения осадки устройства в почвогрунт стойки 2 имеют в нижней части башмаки 16.
Датчики вертикального и углового перемещения штампа 6 представляют собой оптико-волоконные элементы, смонтированные в едином корпусе, и в целом такая конструкция может представлять собой, например, элемент компьютерной системы - устройство типа «Мышь» лазерного или другого бесконтактного типа. Устройство типа «Мышь» 17 установлено на отдельной горизонтальной панели, не связанной со стальной плитой 1 каркаса устройства.
Корпус устройства типа «Мышь» в центральное части, совпадающей с его центром тяжести, соединен с двумя натяжными нитями 18, одна из которых соединена с барабаном 10, а другая - с опорной плитой 5, через обводные ролики 19, таким образом, чтобы относительно друг друга они располагались под углом 90 градусов, при этом направления смещения нитей 18 должны совпадать с продольной и поперечной осями «Мыши» 17, вдоль которых на компьютере 20 оптико-волоконные датчики регистрируют вертикальное и горизонтальное смещение курсора на экране компьютера. С другой стороны концы нитей 18 соединены с опорной плитой 5 для измерения вертикальной деформации слоя почвогрунта и с барабаном 10 для измерения его сдвиговой деформации. Сигналы с датчиков передаются на ЭВМ и фиксируются в виде вертикального и углового перемещений штампа с помощью специально разработанной программы “Регистрация линейных перемещений” [11] в виде системы таблиц и графиков.
Механизм синхронизации приложения вертикальной и сдвиговой нагрузки включает цилиндрический редуктор 21, смонтированный на стальной плите 1, поворотный рычаг 22, упирающийся в стопор 23, при этом стопор 23 входит в корпус редуктора 21 и имеет возможность мгновенного разъединения с ним, трос 24, одним концом намотанный на ведомом валу редуктора 21, а другим концом соединенный с опорной плитой 5, и трос 25, который с одной стороны имеет петлевидный конец с возможностью разъединения со стопором 23 в момент его разъединения с корпусом редуктора 21, а другой стороной жестко закреплен на поверхности барабана 10 механизма вращательного смещения штампа.
дин
ст
Механизм вертикального нагружения снабжен вибровозбудителем вертикальных колебаний для передачи на почвогрунт динамической нагрузки Р, состоящим из вибратора 26, приводимого в действие электродвигателем 27 через ременную передачу 28, смонтированных на платформе 29, жестко связанной через стойки 30 с опорной плитой 5, и набором грузов 31 для передачи на почвогрунт регулируемой статической нагрузки P, неподвижно закрепленных на стойках 30.
2
ст
дин
Устройство работает следующим образом (фиг.1). Устройство устанавливают на подготовленный для проведения эксперимента почвогрунт. Стопором 23 и тросом 25 блокируют возможность вращения барабана 10 относительно стальной плиты 1 и навешивают груз 12 весом Р на подвес, обеспечивающий в процессе эксперимента с учетом передаточного отношения механизма вращательного смещения штампа необходимую величину касательного напряжения под штампом 6 с грунтозацепами 32. Посредством редуктора 21, рычага 22, упирающегося в стопор 23 и троса 24 вывешивают платформу 5 по вертикали в таком положении, чтобы штамп 6 своей нижней поверхностью касался поверхности слоя почвогрунта, при этом грунтозацепы 32 должны быть полностью погружены в почвогрунт. Передаточное число редуктора 21, как показали проведенные исследования, имеет величину порядка 10…15, что вполне необходимо для плавного и точного вывешивания платформы 5 и штампа 6 в требуемое начальное положение. «Мышь» 17 соединяют посредством нитей 18 с платформой 5 и барабаном 10, а также с ЭВМ 20. Вертикальную вибрационную нагрузку на штамп 6 формируют статической нагрузкой P посредством выбора веса грузов 31, а также динамической нагрузкой Р посредством вращения вибратора 26, приводимого в действие электродвигателем 27 через ременную передачу 28, смонтированных на платформе 29, жестко связанной через стойки 30 с опорной плитой 5.
2
Резко выдергивают стопор 23 из корпуса редуктора 21, при этом петля троса 25 освобождается, обеспечивая возможность вращения барабана 10 и штампа 6 под действием крутящего момента за счет силы тяжести Р грузов 12.
2
ст
дин
При этом барабан 10 получает свободу вращательного движения под действием веса P груза 12 и начинает поворачивать штамп 6, обеспечивая при этом постоянные значения касательных напряжений в грунте под штампом, посредством его оси 9, находясь в подвижном с ней зацеплении через шлицевое зацепление. Одновременно с этим, или в один и тот же момент времени, что обеспечивается жестким зацеплением зубчатых колес редуктора 21 и отсутствием упругих деформаций каких-либо элементов механизма синхронизации приложения вертикальной и сдвиговой нагрузок, штамп 6 начинает перемещаться вниз под действием вибрационной нагрузки, включающей статическую нагрузку Р и динамическую нагрузку Р, деформируя слой почвогрунта.
Таким образом, механизм синхронизации обеспечивает единовременное совместное приложение вертикальной и сдвиговой нагрузок к штампу 6.
В процессе деформирования штампом 6 слоя почвогрунта производится регистрация показаний датчиков вертикального и углового перемещения штампа на ЭВМ.
Зарегистрированные на ЭВМ показания датчиков по изменению вертикальной и сдвиговой деформаций слоя почвогрунта во времени позволяют по соответствующей методике определить его физико-механические характеристики.
Предлагаемое устройство позволяет качественно повысить эффективность испытаний и расширить информативность полученных результатов.
Преимущества предложенного устройства наглядно представлены в таблице.
Таблица
Сравнение показателей базового и заявляемого объектов изобретений
Показатели
Базовый объект
Заявляемый объект
Выводы
Устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта
Наличие вибровозбудителя вертикальных колебаний
Не имеется
Имеется
Универсальность устройства
Синхронизация приложения вертикальной и сдвиговой нагрузки
Невысокая
Высокая
Точность воспроизведения процесса нагружения
Приложение вертикальной статической нагрузки
Не мгновенное
Мгновенное
Точность воспроизведения процесса нагружения
Источники информации
1. А.с. 1418594 СССР, МКИ G01M 17/00. Устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом / А.А. Бенц, Б.Н. Пинигин, В.И. Репин, В.А. Сударчиков, Д.Б. Чернин (СССР). - №4239548/31 - 11; Заяв. 29.04.87; Опубл. 23.08.88, Бюл. №31. - 2 с.: ил.
2. А.с. 696333 СССР, МКИ G01M 17/00. Устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом / А.А. Бенц, Д.Б. Чернин Б.Н. Пинигин, Д.Г. Валиахметов (СССР). - №2600499/27 - 11; Заяв. 07.04.78; Опубл. 05.11.79, Бюл. №41. - 3 с.: ил.
3. Бенц А.А. Методика определения тяговых свойств трактора по сдвиговым характеристикам звена гусеницы / А.А. Бенц, Б.Н. Пинигин, В.А. Сударчиков, Д.Б. Чернин // Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин: Тематический сборник научных трудов. - Челябинск: ЧПИ, 1985. - С.51-55.
4. Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований / пер. с англ. И.В. Гагариной. - М.: Транспорт, 1987. - 188 с.
5. Попова З.А. Исследование грунтов для дорожного строительства: (Лаборатор. и практич. работы). Учеб. пособие для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1985. - 126 с.
6. А.с. 1242746 СССР, МКИ G01M 17/00. Установка для исследования напряжений и перемещений грунта под опорами транспортного средства / В.М. Купцов, Н.Н. Полянсикий, Ю.Н. Теверовский, Е.Б. Цыганков, В.Д. Леонтьев, Г.В. Обминяный (СССР). - №3822893/27 - 11; Заяв. 10.12.84; Опубл. 07.07.86, Бюл. №25. - 5 с.: ил.
7
7. Пат. 2236673 Российская федерация, МПК G01N 33/24, G01M 17/00. Устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта. / Носов С.В., Азовцев Н.Н., Бондаренко П.А., Маслов Б.А.; заявитель и патентообладатель Липецкий гос. техн. ун-т. - №2003109005; заявл. 31.03.03; опубл. 20.09.04, Бюл. №26. - 13.: ил.
8. Беккер М.Г. Введение в теорию система “Местность - машина”; пер с англ. - М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.
9. Патент РФ №2192006. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, и устройство для его осуществления: Заявка №99126270 от 14.12.99; МПК 7 G01N 33/24. / С.В. Носов, М.В. Рощупкин, А.Л. Кононов, А.Г. Каплун; Липецкий государственный технический университет. - Б.И. №30 (II ч.) за 2002 г. (Зарегистрирован в Гос. Реестре изобретений РФ 27.10.02 г.).
10. Патент РФ №2365916. Устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта / С.В. Носов, Н.Е. Перегудов, Ю.Ю. Киндюхин // Заявка №2008112526/28 от 31.03.2008. Зарегистрировано в Гос.реестре изобретений РФ 27.08.2009. БИПМ №24.
11. Носов С.В., Бондаренко П.А. Программа “Регистрация линейных перемещений”.- Национальный информационный фонд неопубликованных документов. - Инв. Номер ВНТИЦ № ГР 50200700319. - Инв. Номер ОФАП №7672 от 12.02.2007. - 5 с.