Устройство для определения коэффициента внешнего трения почвы

Полезная модель относится к области сельскохозяйственного приборостроения.
Одним из ключевых моментов снижения энергоемкости почвообрабатывающих машин является  использование полимерных конструкционных материалов  с низким коэффициентом трения скольжения.  Определение же величины коэффициента трения скольжения  этих материалов к почве является задачей важной и актуальной.
При  определении энергетических характеристик почвообрабатывающих машин применяется коэффициент трения скольжения.  Затраты на преодоление сил трения составляют в некоторых случаях 40%…50% и более от их общего сопротивления рабочих органов. Величина коэффициента трения  зависит от механического состава и влажности почвы, шероховатости  рабочей поверхности, материала, используемого для изготовления рабочего органа, удельного давления на поверхности контакта тел и скорости скольжения [Синеоков  Г.Н., Панов И.М.  Г.Н.– М.: Машиностроение, 1977. – С.15; Старовойтов С.И., Чемисов Н.Н. Коэффициент трения скольжения почвы / Сборник научных трудов XXIV Международной научно-практической конференции «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения». - Брянск, 2012 - С. 139]. При наличии экспериментального определенного значения силы трения  коэффициент трения  определяется с помощью формулы Амонтона [ Сабликов М.В. Сельскохозяйственные машины. Основы теории и технологического расчета. М.: Колос, 1968. С.83], предложенной в конце XVII века.
Сила трения  и коэффициент трения  определяется с  помощью приспособлений различного рода. Так, силу трения можно измерить с помощью динамометра. Перемещаемое тело при этом должно двигаться равномерно.
Более совершенным устройством является дисковый прибор трения конструкции  ВИСХОМ.  Диск  расположен горизонтально и вращается вокруг  вертикальной оси. На нем находится каретка, закрепленная на трехплечем рычаге. Определив  движущую силу с помощью динамометра, зная силу тяжести каретки, определяют  угол и коэффициент трения.
Прибор, разработанный профессором В.А. Желиговским, также предназначен для определения угла и коэффициента внешнего трения. Прибор  включает  жестко  закрепленную направляющую со скользящей втулкой, кареткой, перемещающуюся  по наклонной линейке.
Прототипом является дисковый прибор трения конструкции ВИСХОМ [Воронюк Б.А., Пьянков А.И., Мильцева Л.В. и др. Физико-механические свойства растений, почв и удобрений.-М.: Издательство «Колос», 1970.-С.167]. Прибор включает вращающийся диск и силоизмерительный механизм.    Данный прибор позволяет измерять силу трения в интервале 0,5Н….10Н.
Недостатком  известного устройства является сложность конструкции силоизмерительного механизма и достаточно высокий порог нижней границы измеряемого диапазона.
Технической задачей полезной модели  является снижение сложности конструкции силоизмерительного механизма и повышение точности измерения за счет снижения  порога нижней границы измеряемого диапазона.
Поставленная техническая задача достигается тем, устройство для определения  коэффициента внешнего трения  почвы, включающим вращающийся диск и силоизмерительный механизм,  согласно полезной модели, снабжено электронными весами, стойкой с роликом и нитью, а силоизмерительный механизм представлен эталонным грузом, размещенным на весах.
Полезная модель  поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема устройства для определения коэффициента внешнего трения почвы; на фиг. 2 – то же, вид сверху.
Устройство  для определения  коэффициента внешнего трения  включает основание 1, на котором размещена стойка 2 и  опора 3. К стойке 2  крепится свободно вращающийся ролик 4. К опоре 3 крепится электродвигатель 5 . На вертикальном валу 6 электродвигателя 5  закреплены два диска 7 и 8. Диск 7 выполнен металлическим. Диск 8 выполнен из материала, для которого необходимо определить коэффициент внешнего трения. В частности, он может быть выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Диски 7 и 8 скреплены между собой  винтами (на рисунках не показаны). Через ролик 4 переброшена гибкая нить 9. Она связана с эталонным грузом 10, размещенным на электронных весах 11. Электронные весы 11 размещены на  жестком основании 1. Бюкса 12 с почвой  расположена на   диске 8. Бюкса 12 нитью 9 связана с эталонным грузом 10.
Установка для определения коэффициента внешнего трения работает следующим образом.
На электронные весы 11 устанавливают эталонный груз 10, например, 490 грамм. Включают электродвигатель 5. Диск 8  при  вращении стремится  переместить бюксу 12 с почвой, тем самым разгружая эталонные весы 11. Цена деления при использовании электронных весов составит 0,01 Н. А нижняя граница интервала силы трения также будет значительно снижена.
Коэффициент внешнего трения  определяем из выражения
где   - коэффициент внешнего трения;
- масса эталонного груза до вращения диска, г;
- масса груза при установившемся вращении диска, отображаемая на весах, г;
- масса почвы, заключенной в пластиковой бюксе, г.
В таблице 1 представлены полученные результаты экспериментальных исследований. При относительной влажности  суглинистой почвы, равной 48,85%  и скорости движения диска 1,94 м/с коэффициент внешнего трения материала РЕ-1000  составил 0,132.
Таблица 1 - К определению          коэффициента       внешнего    трения       сверхвысокомолекулярного полиэтилена (РЕ-1000) и суглинистой почвы
<img file="00000004.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000004.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />-масса груза до вращения диска, г
<img file="00000005.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000005.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />-масса груза при установившемся вращения диска, отображаемая на весах, г
<img file="00000006.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000006.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />- масса почвы, г
<img file="00000003.jpg" he="7" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000003.jpg" he="7" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />-коэффициент внешнего трения
<img file="00000003.jpg" he="7" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000003.jpg" he="7" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />-коэффициент внешнего трения
490
472
209
0,086
0,132
490
454
219
0,164
490
455
224
0,156
490
455
223
0,157
490
466
199
0,120
490
463
203
0,133
490
467
211
0,109
490
452
220
0,173
490
460
219
0,137
490
471
220
0,086
Использование  устройства  позволит упростить  силоизмерительный механизм и снизить порог нижней границы   измеряемого диапазона при точности измерения 0,01 Н.