Устройство для определения коэффициентов жесткости и твердости снежного покрова

Полезная модель относится к области испытаний при инженерных изысканиях в транспортно-технологическом машиностроении, в частности к устройству для определения деформационных характеристик снежного покрова в полевых условиях. Эти данные используются для определения проходимости машин.
Известен ряд устройств для исследования деформационных характеристик грунтов или снега, называемых пенетрометрами. В частности, известно изобретение [1], предназначенное для испытания снежного покрова при строительстве снежных дорог, взлетно-посадочных полос, строений на поверхности снега. Поверхность снега нагружается штампами различной конфигурации через шток при помощи электромотора. Проводимые эксперименты позволяют определить модуль упругости, угол внутреннего трения и коэффициент уплотнения снега.
К достоинствам данного устройства можно отнести возможность непрерывного перемещения штампа с постоянной скоростью, а также высокую точность фиксации данных за счет применения электронных датчиков.
К недостаткам данного устройства и пенетрометров можно отнести высокую техническую сложность механизма, в частности его штампов. Более того, конусная форма штампов, присущая пенетрометрам, не обеспечивает необходимую точность фиксации данных, необходимых для определения коэффициента жесткости и построения деформационной характеристики для снега.
Также известно устройство для определения реологических свойств снежного покрова [2].
Устройство содержит смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений, средство погружения.
Устройство состоит из рычага с опорой, на одной стороне которого крепится на шарнире жесткий штамп с регулируемым приводом штока посредством винтовой пары по длине штоков, а на другой стороне подвешен противовес. По концам рычага сверху закреплены два ролика, через которые переброшен канат, соединенный концами с двух сторон с нагружающими грузами, представляющими собой, например, тележку с грузами. На опоре установлен также электромотор, через вал которого переброшен в виде подвижной петли канат. Таким образом, ролики, канат и электромотор представляют собой в совокупности механизм перемещения нагружающих грузов.
Рычаг через стойку опоры закреплен на раме с четырьмя выносными опорами, на котором дополнительно размещены упор, фиксирующий рычаг со штампом в изначальном положении, когда давление со стороны штампа на снежный покров не передается, а также регистратор вертикальной деформации снежного покрова, который снабжен лентозаписывающим устройством, состоящим из мотора и ленты на вращающемся барабане, подвижным самописцем, которые установлены на салазках с направляющими, с одной стороны соединенным с возвратным в начальное положение упругим элементом, а с другой – с подвижной частью рычага через нерастяжимую нить и систему направляющих роликов.
Достоинствами данного устройства и метода являются следующие: перемещение груза и, как следствие, погружение штампа происходит постепенно и непрерывно, что обеспечивает деформацию снега, максимально схожую с процессом взаимодействия движителя транспортно-технологических машин со снежным полотном. Штамп является плоским с площадью, достаточной для определения деформационных характеристик снега с высокой точностью. Регистрация данных эксперимента осуществляется в автоматическом режиме, что обеспечивает высокую точность измерений.
К недостаткам указанного устройства стоит отнести
техническую сложность механизма, вызванную наличием рычажной системы, обеспечивающей преобразование горизонтального перемещения груза в вертикальное движение штампа, необходимостью применять дополнительные уравновешивающие грузы, наличием сложной системы блоков, обеспечивающей передачу крутящего момента от приводного двигателя к подвижному грузу. Помимо того, рычажный принцип нагрузки не обеспечивает большого усилия и достаточной высоты погружения штампа, что ограничивает диапазон исследований. В противном случае эксплуатация устройства, способного измерять снег большой глубины, была бы затруднена в силу больших габаритов установки. Увеличение удельного давления штампа на снег могло бы быть достигнуто за счет уменьшения площади штампа, что неизбежно повлекло бы возникновение недостатков, присущих способам [1, 2], либо увеличение нагружающего груза и противовеса, что, в свою очередь, затрудняет эксплуатацию установки. Кроме того, известное устройство обеспечивает лишь регистрацию вертикальной деформации снежного покрова, поставленную в зависимость от горизонтального перемещения каретки с грузом, не приведенную к конкретным значениям нагрузки на штамп.  Таким образом, характеристики, получаемые при использовании данного устройства, являются относительными.
Согласно [3], при определении деформационных характеристик снега для расчетов проходимости транспортных систем целесообразно применять плоские штампы, так как контактная поверхность движителя со снегом близка к плоскости с определенной площадью.
Наиболее близким к заявленному устройству можно считать устройство для определения деформационных характеристик снежного покрова [4], выбранное в качестве прототипа.
В устройстве для определения деформационных характеристик снежного покрова, содержащем смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений, средство нагружения, привод штока выполнен в виде параллельно ему расположенной цепной передачи, одно из звеньев которой соединено со штоком, ведущая звездочка цепной передачи установлена на выходном валу моторедуктора, а ведомая – на раме, средство регистрации вертикальных перемещений штока выполнено в виде установленного на направляющей штока датчика перемещений, а средство регистрации нагрузки – в виде встроенного в цепь передачи динамометра, при этом выходы датчика перемещений и динамометра соединены с входом прибора, регистрирующего и обрабатывающего зарегистрированные данные.
Регистрация величины нагружающей силы обеспечивается динамометром, значение вертикальной деформации снега через смещение штампа – датчиком перемещений.
Достоинствами данного устройства являются
возможность регистрации не только значений вертикальной деформации снега, но и величины нагружающей силы в максимальном диапазоне глубин залегания;
портативность устройства позволяет использовать его в полевых условиях.
К недостатком устройства стоит отнести
для испытания при помощи данного устройства необходимо, чтобы основание опиралось на твердый грунт под снегом. В таком случае нужно очищать поверхность от снега для установки устройства перед каждым испытанием. Данный факт замедляет процесс измерения, поскольку это требует дополнительного времени на подготовку.
Поскольку нагружающее устройство расположено консольно относительно рамы, то во время погружения штампа, в результате реакции в снеге возникает момент, который стремится опрокинуть установку в противоположную сторону. Во избежание опрокидывания необходимо уравновешивать установку дополнительными грузами. Также подобная компоновка не обеспечивает требуемой жесткости, что, в свою очередь, накладывает ограничения по создаваемым усилиям на штампе. При таких ограничениях данная установка не может работать со штампами больших размеров. Данный факт обусловлен тем, что при использовании штампов большей площади в снеге возникают большие реакции, которые приводят к изгибанию консольной системы устройства, которые искажают показания измерительной аппаратуры. Чтобы исключить деформацию рамы, потребовалось бы усиливать конструкцию, что, в свою очередь, привело бы к утяжелению установки. Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Задачей заявленного решения является создание максимально простого в использовании устройства для определения деформационных характеристик снежного покрова с возможностью использования широкого диапазона размеров и конфигураций штампов.
Технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в повышении скорости проведения испытаний снега за счет оптимизации конструкции устройства, а также расширении диапазона размеров и форм, применяемых штампов.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для определения коэффициентов жесткости и твердости снежного покрова, содержащем смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений и нагрузки, средство нагружения, привод штока выполнен в виде передачи винт-гайка, а рама выполнена в виде треноги с телескопическими опорами, при этом вертикальный шток с направляющей расположены в центре рамы, средство регистрации вертикальных перемещений штока выполнено в виде установленного на направляющей штока датчика перемещений, а средство регистрации нагрузки – в виде встроенного в шток динамометра, при этом выходы датчика перемещений и динамометра соединены с входом прибора, регистрирующего и обрабатывающего зарегистрированные данные.
Заявленное устройство представлено на фиг. 1, 2. На фиг. 1 – кинематическая схема устройства, на фиг. 2 – устройство во время испытаний.
Устройство состоит из трех телескопических опор, составляющих раму 1 в виде треноги, в центре которой расположена направляющая 2, на которой расположен электродвигатель 3, который через передачу винт-гайка 4 приводит в движение вертикальный шток 5 в направляющей 2. Штамп 6 закреплен на вертикальном штоке 5, при этом нагрузка измеряется динамометром 7, встроенным между штампом 6 и штоком 5, а вертикальные перемещения штока измеряются датчиком перемещений 8, закрепленным на раме 1. Выходы датчиков 7 и 8 подключены к системе сбора и обработки данных 9, подключенной к персональному компьютеру 10.
Устройство работает следующим образом.
Привод устройства (фиг. 1-2) осуществляется электромотором (поз. 3). Через пару винт-гайка (поз. 4), находящуюся в корпусе направляющей (поз. 2), движение передается на шток (поз. 5), который через динамометр (поз. 7) соединен со штампом (поз. 6), взаимодействует со снегом. Скорость перемещения штока (поз. 5) изменяется за счет варьирования числа оборотов электродвигателя при помощи частотного регулятора (на фиг. 1-2 не показан). Величина осадки снежного покрова и нагрузка фиксируется при помощи датчика перемещения (поз.8) и динамометра (поз.7), подключенных к системе сбора данных (поз. 9), которая выводит результаты измерений на персональный компьютер (поз. 10) в режиме реального времени. По величине приложенной нагрузки на штамп подсчитывается давление на опорную поверхность, а затем с учетом величины деформации снежного покрова определяются коэффициенты жесткости и твердости снежного покрова.
Перед началом эксперимента три опоры устанавливают на твердую поверхность сквозь снег, а штамп 6 устанавливают на поверхность снега таким образом, чтобы в начальный момент испытаний он не деформировал снежное полотно. Штамп 6, приводимый в движение электромотором 3, погружается в снег, а регистрирующая аппаратура фиксирует перемещения штока (деформацию снега), величины погружения и нагружающей силы.
Используемые штампы могут иметь различную форму и габариты и отдельно подсоединятся к штоку. Поскольку данная установка обладает высокой жесткостью, возникает возможность применять штампы больших размеров и различных конфигураций, так как реакция, возникающая в снеге при нагружении большими штампами, не вызывает деформаций установки.
Источники информации:
1. «Snow strength penetrometer» / U.S. Patent No. 5,831,161, G01N3/42, 33/18, опубл. 03.11.1998.
2. «Устройство для определения реологических свойств снежного покрова». Патент РФ 2396539, G01 N3/00, опубл. 10.08.2010.
3. Барахтанов Л.В. «Снегоходные машины» / Ершов В.И., Куляшов А.П., Рукавишников С.В. / Горький: Волго-Вятское кН. Изд-во 1986 – 191 с.
4. Устройство для определения деформационных характеристик снежного покрова Патент РФ на полезную модель № 142743 от. 30.12.2013.