Устройство для измерения твердости почвы
APPARATUS FOR MEASURING THE HARDNESS OF SOIL

Предлагаемое устройство относится к инструментам для определения твердости почвы с фиксацией результатов на бумажной ленте на глубину до 50 см.
Одной из важнейших физических характеристик почвы является твердость, т.е. ее способность сопротивляться сдавливанию и расклиниванию при работе на ней рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Наибольшее распространение для измерения твердости почвы получили твердомеры, составными частями которых являются пружины с заранее известным усилием сжатия, плунжеры и механизмы записи, фиксирующие соотношения усилия сжатия пружины при перемещении плунжера в почве.
Известен полевой почвенный твердомер конструкции Тарасенко-Бабицкого [UA 25914, 2007 г.], состоящий из стойки с рукоятками, штока с плунжером и защитной трубкой, тяги, пружины, опорного башмака и записывающего устройства. В известном твердомере сделана попытка разделить усилия раздавливания почвы торцом плунжера и усилия трения боковых стенок плунжера о грунт. Однако в большинстве твердомеров диаметр плунжера значительно превышает диаметр штока. Шток перемешается в образованном плунжером цилиндре и поэтому его боковое трение незначительно. А наличие направляющей трубки снижает надежность работы устройства, вследствие возможного забивания зазора между трубкой и штоком сырой почвой.
Известен твердомер Ревякина [Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 141 с.], который вследствие простоты и надежности конструкции получил широкое распространение. Твердомер включает сменный наконечник, навинченный на нижний конец телескопической штанги, который через пружину связан с нажимной рукояткой. Деформация пружины через систему тяг и рычагов передается на пружинную скобу и формирует карандашом диаграмму на бумажной ленте. Однако при работе на твердых почвах, вследствие недостаточной жесткости конструкции наблюдается недостоверная фиксация данных на бумажной ленте.
Известно устройство для измерения твердости почвы [RU 2717169, 2020 г.], выполненное на основе твердомера Ревякина. Составной частью известного твердомера являются сменный наконечник, навинченный на нижний конец телескопической штанги, который установлен между направляющими штангами с верхней и нижней опорными пластинами и стопорным узлом. Через цилиндрическую пружину телескопическая штанга связана с нажимной рукояткой. Деформация цилиндрической пружины через систему тяг и рычагов передается на пружинную скобу с поворотным узлом и формирует карандашом диаграмму на бумажной ленте, удерживаемой на съемной пластине пружинным зажимом.
Известное устройство использовалось для определения твердости на слабо- и среднеуплотненных почвах. При этом вследствие широкого распространения технологий выращивания сельскохозяйственных культур с минимальными обработками, почва на глубине свыше 12 см постепенно уплотнилась и при работе с твердомером даже с минимальным диаметром наконечника пружина полностью сжималась. Витки цилиндрической пружины сходились, и твердомер чертил прямую линию, не соответствующую реальной твердости почвы. Для устранения этого недостаткав конструкция устройства была усовершенствована.
Цель изобретения - обеспечение достоверной работы с твердомером на переуплотненных почвах.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для измерения твердости почвы (твердомер), состоящее из двух направляющих штанг, зафиксированных между собой верхней и нижней опорными пластинами. На направляющих штангах установлены две подвижные пластины с рукояткой, телескопическими штангами, большой цилиндрической пружиной и сменным наконечником. Телескопические штанги охватывает каретка с тягами, пружинной скобой и карандашом. На одной из направляющих штанг закреплена базовая плоская пластина с верхним П-образным захватом для съемной пластины и с нижним загнутым в трубочку окончанием, в центре которого установлен пружинный зажим. Съемная пластина для бумаги имеет с обеих сторон пазы для фиксации от перемещений в поперечных направлениях. Причем в верхней части она удерживается относительно заклепки в П-образном захвате, а внизу центрируется относительно диска и прижимается пружинным зажимом.
Кроме этого в твердомере под верхней опорной пластиной дополнительно установлены стопорные узлы, состоящие из связанных цилиндрических зажимов с болтами, между которыми в центре выполнено отверстие под фиксирующий винт.
На фиг. 1 показано устройство для измерения твердости почвы (твердомер) вид сбоку, на фиг. 2 - вид спереди, на фиг. 3 - увеличенное сечение узла крепления внутреннего стержня телескопической штанги и спицы, на фиг. 4 - увеличенное сечение наконечника спицы в центральном отверстии нижней опорной площадки.
Твердомер содержит две направляющие штанги 1 (фиг. 1), на одной из которых закреплена нижняя базовая пластина 2 и с возможностью перемещения вдоль них подвижная пластина 3. Направляющие штанги 1 жестко зафиксированы между собой стопорным узлом 4 и верхней опорной пластиной 5 с запорным винтом 6. Между направляющими штангами 1 через подвижную пластину 3 рукоятка 7 закреплена на наружной трубе телескопической штанги 8. К ней шарнирно прикреплены пластинчатые тяги 9 (фиг. 2) с поворотным узлом 10. Дополнительно пластинчатые тяги 9 шарнирно соединены с кареткой 11, надетой на наружную трубу телескопической штанги 8 и через продольный паз связанной штифтом с ее внутренней частью. На наружной трубе телескопической штанги 8 на резьбовом соединении закреплена опорная тарелка 12 (фиг. 1) для цилиндрической пружины 13 внутри которой на центральном стержне телескопической штанги 14 жестко установлена цилиндрическая удлиненная втулка 15 (фиг. 3). Цилиндрическая удлиненная втулка 15 выполнена с внутренней и наружной резьбами. На наружной резьбе закреплены нижнее опорное седло 16 для цилиндрической пружины 13 и нижняя подвижная пластина 17, удерживаемая гайкой 18. Во внутренней резьбе цилиндрической удлиненной втулки 15 пружинная спица 19 закреплена одним концом, а вторым - вместе с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 установлены в центральном отверстии нижней опорной пластины 21 (фиг. 4), прикрепленной к направляющим штангам 1 (фиг. 1). При этом в нижней части цилиндрической удлиненной втулки 15 (фиг. 3) перед внутренней резьбой выполнен небольшой цилиндрический участок с диаметром, равным диаметру пружинной спицы 19. В нижней части базовой пластины 2 (фиг. 1) на направляющей штанге 1 установлен пружинный зажим 22, удерживающий съемную пластину для бумаги 23 с бумажной лентой 24.
Дополнительную фиксацию съемной пластины для бумаги 23 с бумажной лентой 24 от поперечных смещений обеспечивают центральные пазы в торцах съемной пластины для бумаги 23. Верхний паз удерживается центральной заклепкой в П-образном изгибе базовой пластины 2, а нижний охватывает диск (на фигурах не показано), закрепленный штифтом в центре нижнего цилиндрического отворота базовой пластины 2 внутри пружинного зажима 22. Кроме этого, над базовой пластиной 2 и съемной пластиной для бумаги 23 на поворотном узле 10 с пружинной скобой 25 установлен карандаш 26.
Устройство для измерения твердости почвы (твердомер) работает следующим образом. Перед работой твердомер тарируется. Для этого к рукоятке 7 (фиг. 1) вертикально установленного твердомера дается определенное измеренное усилие. Цилиндрическая пружина 13 сжимается, и пишущий механизм отклоняет карандаш 26 (фиг. 2) в горизонтальном направлении. Соотношение усилия и отклонения измеряются и используются для дальнейших расчетов. Первоначально в твердомере закрепляется бумажная лента 24. Для этого, сжимая скобы, разводят пружинный зажим 22 и выводят из-под него нижнюю часть, а затем и всю съемную пластину для бумаги 23. Накладывают на нее бумажную ленту 24, заворачивают ее концы и вставляют сначала в П-образный верхний изгиб базовой пластины 2, а затем и в разжатый нажимной скобой пружинный зажим 22. Затем пружинный зажим 22 отпускают, и он вдавливает бумажную ленту 24 и центрирует нижнюю часть съемной пластины для бумаги 23 относительно диска, закрепленного штифтом в центре нижнего цилиндрического загиба базовой пластины 2. Далее карандаш 26 (фиг. 2) вкручивается в держатель на пружинной скобе 25 до соприкосновения его стержня с бумажной лентой 24, и, открутив запорный винт 6, перемещают за рукоятку 7 подвижную часть твердомера и прочерчивают на бумаге нулевую линию. Затем проворачивают вместе с поворотным узлом 10 вокруг горизонтальной оси на 90 градусов пружинную скобу 25, отводя карандаш 26 от бумажной ленты 24. Твердомер возвращают в первоначальное положение.
В месте определения твердости ставят твердомер нижней опорной пластиной 21 (фиг. 2) на почву в вертикальное положение, возвращают поворотный узел 10 с пружинной скобой 25 и карандашом 26 в рабочее положение и за рукоятку 7 вдавливают пружинную спицу 19 (фиг. 1) с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 в почву. При этом верхняя и нижняя подвижные пластины 3 и 17 перемещаются по направляющим штангам 1 и карандаш 26 (фиг. 2), опускаясь, чертит на бумаге кривую вертикального перемещения. Усилие сопротивления внедрению калиброванного цилиндрического наконечника 20 (фиг. 1) в почву передается через пружинную спицу 19, цилиндрическую удлиненную втулку 15 и нижнее опорное седло 16, закрепленное гайкой 18, на цилиндрическую пружину 13, верхним концом опирающуюся на опорную тарелку 12. Цилиндрическая пружина 13, сжимаясь, перемещает центральный стержень телескопической штанги 14 внутри ее наружной трубы 8. Расстояние между рукояткой 7 и кареткой 11 уменьшается и это передается через пластинчатые тяги 9 и двуплечий рычаг на поворотный узел 10 с пружинной скобой 25 (фиг. 2) и карандашом 26, которые перемещаются в поперечном направлении. Карандаш 26 перемещаясь по бумажной ленте 24 в продольном и поперечном направлениях, чертит на ней кривую линию, соответствующую твердости почвы на глубине прохождения калиброванного цилиндрического наконечника 20 (фиг. 1).
При измерении твердости на сильно уплотненной почве к рукоятке 7 твердомера прикладывают большие усилия для заглубления пружинной спицы 19 с калиброванным цилиндрическим наконечником 20. На твердомер возрастают скручивающие нагрузки, которые расшатывают узлы крепления направляющих штанг 1 с верхней и нижней опорными пластинами 5 и 21. Для увеличения общей жесткости конструкции под верхней опорной пластиной 5 твердомера установлен стопорный узел 4, который цилиндрическими зажимами дополнительно фиксирует между собой направляющие штанги 1. При максимальном вдавливании пружинной спицы 19 с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 в уплотненную почву, на место соединения их с цилиндрической удлиненной втулкой 15 действует, кроме силы сжатия, и изгибающая сила, которая способна по ослабленному резьбой месту переломить пружинную спицу 19. Во избежание этого в нижней части цилиндрической удлиненной втулки 15 выполнен небольшой участок цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру пружинной спицы 19, в котором, не ослабленная резьбой, пружинная спица 19 удерживается от поломки.
После заглубления в почву карандаш 26 (фиг. 2) за рычаг поворотного узла 10 проворачивают в холостое положение (отводят от бумаги) и за рукоятку 7 пружинную спицу 19 (фиг. 1) с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 извлекают из почвы. Установив твердомер на новое место и вернув пишущий узел в рабочее положение, повторяют нужное количество измерений с фиксацией каждой кривой. При нажатии на нажимную скобу пружинного зажима 22, быстро снимается съемная пластина для бумаги 23 с возможностью замены бумажной ленты 24 и возвращением их под пружинный зажим 22.
После завершения измерений снимают величины отклонения диаграмм на каждой глубине, определяют их средние значения и, используя ранее полученный тарировочный переводной коэффициент (индивидуальный для каждого твердомера), определяют среднее значение твердости на разной глубине.
Предлагаемое устройство успешно использовалось при определении твердости уплотненной почвы в полевых условиях при возделывании сельскохозяйственных культур с минимальными обработками.