Устройство для определения предела прочности снежного покрова на лавиноопасных склонах
DEVICE FOR DETERMINING THE STRENGTH OF SNOW COVER ON AVALANCHE SLOPES

Изобретение относится к области лавиноведения, а именно к устройствам для оценки механических и прочностных характеристик снежного покрова в местах непосредственного залегания на лавиноопасных склонах.
Известны различные твердомеры (пенетрометры) ударного типа с коническими наконечниками и нагрузочными площадками для измерения механических и прочностных характеристик снежного покрова в месте непосредственного залегания [1].
Основным недостатком известных устройств является то, что они в, принципе, не дают возможности определить предел прочности снега на одноосное сжатие без возможности бокового расширения. А именно такое сжатие приводит к просадке снежной толщи на склоне и, как следствие, - к сходу лавин.
Известны также пружинные нажимные динамометры для измерения предела прочности снега, снабженные съемной (испытательной) нагрузочной площадкой круглой формы [2]. Измерения прочности снежного покрова такими устройствами ведутся перпендикулярно его наслоению. Однако, как показала практика, такие динамометры дают большой разброс значений предела прочности для одного и того же снега в силу влияния субъективных факторов на результаты измерений (сложность осуществления на глаз перпендикулярности вектора силы давления к плоскости залегания снега и одинаковых динамических условий нагружения и т.д.).
Другим недостатком известного устройства является низкая точность измерения, что обусловлено сильной зависимостью механических свойств снега от характера и скорости его нагружения [4, 5]. Кроме того, не учитывается сопротивление снега боковому срезу, что в итоге приводит к существенным ошибкам, достигающих в ряде случаев до 20%.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для экспресс-оценки механических и прочностных свойств снежного покрова в полевых условиях, содержащее трубчатый цилиндрический корпус (ствол) с опорным кольцом у основания, внутри которого размещен полый стержень с индентером (наконечником) и инертной массой, метательное устройство пружинного типа, оснащенное фиксатором поджатия пружины и спусковым устройством, а также жестко скрепленный с наконечником и инертной массой тензодатчик, подключенный к электронному блоку обработки электрического сигнала, ПРОТОТИП [3].
В известном устройстве в качестве индентера используется конический наконечник, который при ударе выдвигается из ствола и проникает в снежный слой на глубину до 25 мм. При этом электронным блоком фиксируется электрический сигнал от тензодатчика и по величине этого сигнала по паспортным данным прибора определяются прочностные характеристики снежного покрова.
Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет определить мгновенный предел прочности снега, при его одноосном сжатии без возможности бокового расширения. Попытки разработать устройство, применимое в полевых условиях и позволяющее получать репрезентативные значения прочности снега с требуемой точностью, до сих пор не увенчались успехом.
Техническим результатом от использования заявленного технического решения является повышение точности измерения путем определения мгновенного предела прочности снега на одноосное сжатие без возможности бокового расширения.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для определения предела прочности снежного покрова на лавиноопасных склонах, содержащем полый цилиндр (ствол), внутри которого размещен шток, с наконечником в виде нагрузочного диска, метательное устройство пружинного типа, оснащенное фиксатором поджатия пружины и спусковым устройством, а также тензодатчик, подключенный к измерителю, согласно изобретению к основанию полого цилиндра жестко прикреплена металлическая тонкостенная обойма, у которой внутренний диаметр равен внутреннему диаметру цилиндрического корпуса, при этом устройство содержит дополнительно демпфер, выполненный в виде упругого кольца, который размещен в полости цилиндра между штоком и нагрузочным диском, при этом упругое кольцо нижней своей частью жестко прикреплено к центру нагрузочного диска, а верхней частью - к штоку, при этом тензодатчик размещен на боковой поверхности упругого кольца в месте наибольшего его изгиба при воздействии силовой нагрузки.
Технический результат достигается и тем, что упругое кольцо изготовлен из ленточной пружинной стали, а нагрузочный диск выполнен из пластика.
Технический результат достигается и тем, что толщина стенки обоймы составляет 0,5-1,0 мм.
Технический результат достигается также и тем, что конец обоймы сточен под конус с наружным углом скоса, составляющим 15-30°.
На рисунках представлены:
Фиг. 1 - схема устройства для определения предела прочности снежного покрова на лавиноопасных склонах.
Фиг. 2 - вид устройства сверху.
Устройство (Фиг. 1) включает полый цилиндр 1, диаметром около 70 мм и толщиной стенок 3-5 мм, который может быть изготовлен из стали или пластика. К нижней части полого цилиндра 1 жестко прикреплена металлическая обойма 2, у которой внутренний диаметр равен внутреннему диаметру полого цилиндра 1. Толщина стенки обоймы при этом составляет 0,5-1,0 мм, а высота - 40 мм. Конец обоймы 2 сточен под конус. Угол при вершине конуса снаружи составляет 15-30°. Внутри корпуса 1 размещена нагрузочная площадка 3 в виде диска, изготовленная из пластика. Диаметр диска соответствует внутреннему диаметру полого цилиндра 1. В полости цилиндра 1 размещена силовая пружина 4, внутри которой размещен шток 5. Между штоком 5 и нагрузочным диском 3 размещен демпфер, который выполнен в виде упругого кольца 6, прикрепленного жестко своей нижней частью к центру нагрузочного диска 3, а верхней - к концу штока 5. На наружной и внутренней поверхности упругого кольца 6, в месте наибольшего его изгиба, размещены тензодатчики равного сопротивления 7, обеспечивающие термокомпенсацию выходного сигнала. Выход тензодатчиков 7 подключен к измерителю 8. Полый цилиндр 1 в верхней части содержит крышку 9 с отверстием 10, через которое свободный конец штока 5 выступает наружу. Выступающий наружу конец штока 5 снабжен рукояткой 11. На крышке 9 размещен спусковой механизм 12, фиксирующий положение штока 9 в полости цилиндра 1. Спусковой механизм 12 может иметь различную конструкцию. В данном случае он выполнен в виде защелки.
Для определения предела прочности снега используется снегозаборник 13 призматической формы (Фиг. 2), имеющий с одной - верхней стороны отверстие 14, диаметр которого равен внешнему диаметру обоймы 2. По контуру отверстия 14 размещены два диаметрально расположенных паза 15 для крепления обоймы 2 к снегозаборнику 13 с помощью байонетного фиксатора 16, размещенного у основания полого цилиндра 1 (Фиг. 1 и Фиг. 2).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом работы устройство приводят в рабочее состояние. Для этого с помощью рукоятки 11 шток 5 отводится в верхнее крайнее рабочее положение, при этом силовая пружина 4 сжимается, а положение штока 9 в полости цилиндра 1 фиксируется спусковым механизмом 12, который в данном случае выполнен в виде защелки. После этого через отверстие 14 снегозаборника 13, в отобранный из шурфа образец снега 17, внедряют обойму 2, двигая его до упора в основание снегозаборника 13. При этом полый цилиндр своим торцом упирается в верхнюю стенку снегозаборника 13. Затем, повернув обойму 2 на 10-15° влево или вправо, фиксируют положение обоймы 2 в снегозаборнике 13. В этом случае нагрузочный диск 3 прилегает к образцу снега 17, находящемуся внутри обоймы 2, но не оказывает на него давления. После этого защелка 12 отводится в сторону из зацепления с штоком 5. При этом освобождается силовая пружина 4, которая через упругое кольцо 6 и нагрузочный диск 3 действует на образец снега 17, находящийся внутри обоймы 2. При этом давление на образец 17 меняется от нуля до некоторого значения, при котором происходит хрупкое его разрушение. Давление на образец, при котором происходит разрушение образца 17, фиксируется в измерителе 8. Скачок электрического сигнала отражает разрушение структуры снега в образце 17 и фиксируется измерителем 8. По уровню данного сигнала легко определяют мгновенный предел прочности снега на одноосное сжатие без возможности бокового расширения. При соответствующей калибровке измерителя 8 численное значение предела прочности снега можно считывать непосредственно с цифрового табло измерителя 8.
В настоящее время разработан действующий макет устройства, который позволяет в полевых условиях получать репрезентативные значения мгновенной прочности снега на одноосное сжатие без возможности бокового расширения с требуемой точностью 1,5-3%.
Приведенные признаки, характеризующие изобретение, являются существенными, так как в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности и решения поставленной задачи, а каждый в отдельности необходим для идентификации и отличия заявленного устройства от известных в технике.
Литература
1. Гляциологический словарь (под ред. В.М. Котлякова). Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 527 с.
2. Руководство по предупредительному спуску снежных лавин с применением артиллерийских систем КС-19. М.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 40-41.
3. РД 52.37.613 - 2000. Руководящий документ по снеголавинным работам. - Росгидромет. - 2000, С. 57-62. ПРОТОТИП.
4. Багов М.М, Эльмесов A.M. Релаксационные свойства снега. Труды ВГИ. Физика снега, лавины, сели. Выпуск 62. М.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 62-71.
5. Долов М.А., Кислов Б.В. Релаксация напряжений в снежном покрове. Труды ВГИ. Физика снега и снежных лавин. Выпуск 15. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. С. 36-44.