УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПОЧВОГРУНТОВ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СРЕЗОМ

Предлагаемая полезная модель относится к почвоведению, грунтоведению и может быть использована при проведении масштабных измерений для определения физико-механических свойств почв и грунтов, характеристики которых используются в агрономии, мелиорации, при расчетах технологических параметров глубокого рыхления почв, при оценке экологического состояния почв агро- и фитоценозов, а также в гидротехнике и дорожном строительстве для оценки степени уплотнения насыпей и грунтовых плотин.
Известно устройство для испытания грунтов вращательным срезом, включающее штангу с рукояткой, режущий механизм в виде четырех лопастей, попарно размещенных в одной плоскости, и измерительную головку (Ав. св. СССР №380981, G01N 3/42, 1966).
Недостатком этого устройства является низкая точность, особенно при испытании слабых грунтов, так как при задавливании лопастей структура грунта нарушается.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения твердости почво-грунтов вращательным срезом, которое снабжено пружинной муфтой, размещенной на штанге с возможностью свободного перемещения вдоль нее, режущий механизм содержит закрепляемый на штанге стальной цилиндр с установленной на нем цилиндрической центровочной муфтой, нижний торец которого имеет глубокое резьбовое отверстие под установочный винт, фиксирующий пару режущих лопастей-клиньев в виде пропеллера, закрепленных на его плоской головке с возможностью их свободного поворота в вертикальной плоскости и принятия V-образного и А-образного положения, а в фиксированном состоянии - положения под углом 90° к оси штанги (Патент РФ №96250, G01N 3/42, 2010).
Недостатком этого устройства является низкая эргономичность, особенно при проведении масштабных измерений, так как процедуры фиксации места измерения, твердости почво-грунтов, и определение соответствующей этой твердости глубины являются весьма трудоемкими и занимают значительное время.
Целью предлагаемого технического решения является получение в полевых условиях достоверной и точной информации о твердости почвы и грунта по всему профилю до глубины 2,5-3 м. с автоматической регистрацией физических параметров (давления, глубины) и географических координат ГЛОНАСС/GPS места измерения при сокращении временных и трудовых затрат.
Достичь поставленной цели позволяет предлагаемое устройство для измерения твердости почво-грунтов вращательным срезом, включающее штангу с рукояткой, измерительную головку, пружинную муфту, размещенную на штанге с возможностью свободного вдоль нее перемещения, и режущий механизм, содержащий пару режущих лопастей-клиньев в виде пропеллера, закрепленных с возможностью свободного поворота в вертикальной плоскости и принятия V-образного и А-образного положения, а в фиксированном состоянии - положения под углом 90° к оси штанги, отличающееся тем, что оно снабжено регистрирующим модулем, включающим датчик давления, ультразвуковой или лазерный дальномер, GPS приемник, микроконтроллер, карту памяти и блок автономного электропитания.
Кроме того, регистрирующий модуль устройства может быть снабжен GSM/GPRS модемом для передачи зарегистрированных на карту памяти данных на удаленный терминал.
Устройство может быть смонтировано на разборной штанге почвенного бура.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами и фотографией, где на фото 1 - представлен вид устройства в натуре; на фиг.1 - общий вид устройства, режущие клинья в V-образном положении для погружения в скважину; на фиг.2 - общий вид устройства с режущими клиньями в рабочем положении; на фиг.3 - структурная схема регистрирующего модуля.
Устройство, общий вид которого при минимальной длине штанги приведен на фото 1 и фиг.1, включает штангу почвенного бура 1 с рукояткой, пружинную муфту 2, измерительную головку 3 с регистрирующим модулем 4 и режущий механизм.
Режущий механизм устройства содержит стальной цилиндр 5, на который насажена цилиндрическая центровочная муфта 6. Нижний конец цилиндра имеет глубокое резьбовое отверстие под установочный винт 7, на плоской головке которого с помощью крепежного винта закреплены два режущих лопасти-клина 8 в виде пропеллера с возможностью свободного поворота в вертикальной плоскости. Величина угла между режущими гранями клина зависит от плотности испрытуемых грунтов и составляет 15-35°.
Пружинная муфта 2 (фиг.1) состоит из опорного диска 9 с закрепленной на нем центровочной муфтой 10, пружины 11 и шайбы-фиксатора 12. Все части пружинной муфты могут свободно перемещаться вдоль штанги так, что в зависимости от глубины погружения режущего механизма в скважину опорный диск 9 ложится на поверхность почвы, обеспечивая возможность сжатия пружины и ее фиксацию в этом состоянии с помощью шайбы-фиксатора 12 и резьбового штифта 13.
Регистрирующий модуль 4 (фиг.3) устройства закрепляется на стержне динамометрического ключа измерительной головки 3 и содержит датчик давления 14 в качестве средства для измерения сопротивления почво-грунта, ультразвуковой или лазерный дальномер 15 для измерения глубины исследуемого почвенного горизонта, GPS приемник 16 для определения пространственных координат, микроконтроллер 17, карту памяти 18 и блок автономного электропитания 19.
Устройство работает следующим образом:
Заранее подготавливают с помощью почвенного бура скважину заданного диаметра и глубины. После этого бур переоборудуют в устройство для измерения твердости почво-грунта, для чего на штангу 1 бура насаживают пружинную муфту 2, к верхнему концу штанги присоединяют измерительную головку (динамомертический ключ) 3 со штоком 20 и регистрирующим модулем, при этом датчик давления 14 размещен между стержнем и стрелкой шкального динамометрического ключа измерительной головки 3 для регистрации момента затяжки, а ультразвуковой (лазерный) дальномер 15 направлен на земную поверхность. К нижнему концу штанги крепят режущий механизм, имеющий для этого спил и две шпильки на верхнем конце цилиндра 5, при этом цилиндрическая центровочная муфта 6 имеет диаметр, равный диаметру скважины. Режущий механизм опускают до упора в скважину.
Чтобы не разрушить структуры грунта стенок скважины перед погружением режущие лопасти-клинья 8 приводят в V-образное положение, выкручивая установочный винт 7 из цилиндра 5. Приведение режущих лопастей-клиньев в рабочее состояние (перпендикулярное стенкам скважины) достигается вращением штанги по часовой стрелке при упоре режущего механизма в дно скважины, в результате чего установочный винт 7 входит по резьбе в цилиндр 5, раздвигает режущие лопасти-клинья и фиксирует неподвижно относительно штанги 1. Их размах в рабочем состоянии в зависимости от физико-механических свойств почво-грунта на 4 - 12 см. больше диаметра измерительной скважины. При этом режущие лопасти-клинья 8 ориентированы симметрично штанги 1 и перпендикулярно ей, образуя пропеллер так, что за каждый полный оборот штанга поднимается вверх на 5-10 см в зависимости от шага нарезаемой клиньями винтовой канавки.
Перед началом каждого измерения необходимо провести уравновешивание с тем, чтобы вертикальная нагрузка веса устройства на режущие клинья была минимальной. Это достигается с помощью пружинной муфты 2, обеспечивающей подъемную силу, равную весу устройства при сжатии пружины 11 на заранее определенную величину, зависящую от числа присоединенных к штанге секций, т.е. от глубины скважины.
Глубину почвенного горизонта, в котором проводится измерение, определяют ультразвуковым (лазерным) дальномером 15.
Измерение выполняют путем постепенного наращивания усилия на ручку динамометрического ключа 3 до возникновения вращательно-поступательного (вверх) движения штанги 1. Показание максимального напряжения, фиксируемое датчиком давления 14, является искомым параметром. Глубина горизонта, максимальная величина усилия и географические координаты GPS приемника 16 сохраняют через микроконтроллер 17 на карту памяти 18. Зарегистрированные на карту памяти данные могут передаваться на удаленный терминал с помощью GSM/GPRS модема под управлением микроконтроллера 17.
Для каждого комплекта режущих лопастей-клиньев и динамометрического ключа выполняют предварительную калибровку, обеспечивающую пересчет показаний в искомые единицы твердости, кг/см.
После проведения измерений на заданном почвенном горизонте при необходимости извлечения устройства, не повреждая ни самого устройства, ни стенок скважины, штангу 1 устройства вращают против часовой стрелки, при этом установочный винт 7 за счет упора лопастей-клиньев 8 в стенки скважины выкручивается из цилиндра 5, освобождает лопасти-клинья, и они принимают А-образное положение, что способствует беспрепятственному извлечению устройства из скважины.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет при проведении масштабных измерений в полевых условиях получать при минимальных трудозатратах достоверную и точную информацию о твердости почвы и грунта по всему профилю до глубины 2,5-3 м. с автоматической регистрацией физических параметров (давления, глубины) и географических координат ГЛОНАСС/GPS и при необходимости их последующей передачей на удаленный терминал.