Устройство для измерения твердости почвы
DEVICE FOR MEASURING HARDNESS OF SOIL

Предлагаемое устройство относится к инструментам для определения твердости почвы с фиксацией показателей на бумажных носителях на глубину до 50 см.
Одной из важнейших физических характеристик почвы является твердость, т.е. ее способность сопротивляться сдавливанию и расклиниванию.
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.
Известно устройство для измерения твердости почвы корнеобитаемого слоя травянистых растений [1]. Устройство включает основание с закрепленными на ней направляющими штангами, многосекционный рабочий шток с пружиной и пишущим механизмом. Недостатком известного устройства является низкая надежность и сложность в работе.
Известен полевой почвенный твердомер конструкции Тарасенко-Бабицкого [2], 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 перемещается в образованном плунжером цилиндре и поэтому его боковое трение незначительно. А наличие направляющей трубки снижает надежность работы устройства вследствие забивания зазора между трубкой и штоком сырой почвой.
Известен твердомер Ревякина [3], вследствие простоты и надежности он получил наибольшее распространение и постепенно вытеснил другие приборы на советском, а впоследствии и на постсоветском пространстве. Частью рабочего прибора являются 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.
Известный твердомер много лет использовался для определения твердости почвы. При этом была выявлена необходимость быстрого перевода карандаша в рабочее и холостое положения, применение быстрой и более простой фиксации бумаги, также повышение жесткости всей конструкции при работе на твердых почвах. Для устранения вышеперечисленных недостатков был доработан твердомер Ревякина, о чем излагается в описании заявляемого устройства.
Цель изобретения - повышение надежности конструкции устройства и облегчение работы с твердомером.
Для устранения вышеперечисленных недостатков и решения поставленной задачи предлагается устройство для определения твердости почвы (твердомер), состоящее из двух направляющих штанг, зафиксированных между собой верхней и нижней опорными пластинами. На направляющих штангах установлена подвижная пластина с рукояткой, телескопической штангой, большой пружиной и сменным наконечником. Телескопическую штангу охватывает каретка с тягами, пружинной скобой и карандашом. При этом пружинная скоба на окончании горизонтальной тяги с лыской закреплена через поворотный узел, состоящий из корпуса, рычага, малой цилиндрической пружины и оси с шайбой и гайками. На одной из направляющих штанг заклепками закреплена базовая плоская пластина с верхним П-образным захватом для съемной пластины и с нижним загнутым в трубочку окончанием, в центре которого штифтом закреплен диск с лыской. Съемная пластина для бумаги имеет с обеих сторон пазы для фиксации с бумагой от перемещений в поперечных направлениях. Причем в верхней части она фиксируется относительно заклепки в П-образном захвате, а внизу центрируется относительно диска с лыской и прижимается зажимным узлом, дополнительно закрепленным хомутом на направляющей штанге.
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 спереди, на фиг. 2 - вид сбоку, на фиг. 3 - увеличенное сечение стопорного узла А-А, на фиг. 4 - увеличенное сечение пишущего узла В-В, на фиг. 5 - сечение крепления пишущего узла с другой стороны С-С.
Твердомер содержит две направляющие штанги 1 (фиг. 1), на одной из которых закреплена заклепками 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 прикреплена к телескопической штанге 8. На рукоятке 7 шарнирно закреплена вертикальная тяга 9, двуплечий рычаг 10, горизонтальная тяга 11 и корпус поворотного узла 12, на котором жестко установлена пружинная скоба 13 с карандашом 14. Дополнительно горизонтальная тяга 11 шарнирно соединена с кареткой 15 наклонной тягой 16. Каретка 15 надета на телескопическую штангу 8 и соединена штифтом с ее внутренней частью. Сверху нижняя базовая пластина 2 имеет захват П-образного сечения, в котором установлена съемная пластина для бумаги 17 с бумажной лентой 18, а снизу съемная пластина для бумаги 17 с бумажной лентой 18 фиксируется пружинным зажимом 19 с наклонными нажимными скобами 20, одна из которых дополнительно закреплена хомутом 21 на направляющей штанге 1. Внизу направляющие штанги 1 удерживаются между собой основанием 22, в центре которого расположены нижняя часть телескопической штанги 8 со сменным наконечником 23. На корпусе поворотного узла 12 (фиг. 2) дополнительно закреплен рычаг 24, а между направляющими штангами 1 под кареткой 15 на телескопических штангах 8 установлена большая цилиндрическая пружина 25. Верхним концом она закреплена за наружную часть телескопической штанги 8, а нижней - за внутреннюю.
Дополнительную фиксацию съемной пластины для бумаги 17 с бумажной лентой 18 от поперечных смещений обеспечивают пазы в съемной пластине для бумаги 17. Верхний паз удерживается центральной заклепкой в П-образном захвате, а нижний охватывает диск 26 со скосом, закрепленный штифтом в центре нижнего цилиндрического отворота базовой пластины 2. Стопорный узел 4 (фиг. 3) установлен в верхней части твердомера. Связанные между собой цилиндрические зажимы, сдавленные стопорными болтами 27, охватывают обе направляющие штанги 1 и удерживают их от взаимного проворачивания. Кроме того, в центре стопорного узла выполнено отверстие для запорного винта 6. Корпус поворотного узла 12 (фиг. 4) закреплен на горизонтальной тяге 11 осью 28 с внутренней гайкой 29, шайбой 30, малой цилиндрической пружиной 31 и внутренней гайкой 32. При этом на горизонтальной тяге 11 (фиг. 5) выполнен закругленный скос (лыска) 33, позволяющий корпусу поворотного узла 12 проворачиваться на 90 градусов.
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. Большая цилиндрическая пружина 25 (фиг. 2) сжимается и пишущий механизм отклоняет карандаш 14 (фиг. 1) в горизонтальном направлении. Соотношение усилия и отклонения измеряется и используется для дальнейших расчетов. Первоначально в твердомере закрепляется бумажная лента 18. Для этого сжимают нажимные скобы 20, разводят пружинный зажим 19 и выводят из-под зажима сначала нижнюю часть, а затем и всю съемную пластину для бумаги 17. Накладывают на нее бумажную ленту 18 более длинную, чем съемная пластина, заворачивают концы бумажной ленты и вставляют сначала в П-образный верхний захват базовой пластины 2, а затем и в разжатый нажимной скобой 20 пружинный зажим 19. Нажимная скоба 20 отпускается и пружинный зажим 19, у которого вторая скоба закреплена хомутом 21 на направляющей штанге 1, вдавливает бумажную ленту 18 и центрирует нижнюю часть съемной пластины для бумаги 17 относительно диска со скосом (лыской) 26 (фиг. 2), закрепленного штифтом в центре нижнего цилиндрического загиба базовой пластины 2. Далее карандаш 14 (фиг. 1) вкручивают в держатель на пружинной скобе 13 до соприкосновения его стержня с бумажной лентой 18 и, открутив запорный винт 6, перемещают за рукоятку 7 подвижную часть твердомера и прочерчивают на бумаге нулевую линию. Затем рычагом 24 проворачивают корпус поворотного узла 12 вокруг оси 28 (фиг. 4) с малой пружиной 31, шайбой 30, наружной гайкой 29. Корпус 12 проворачивается относительно горизонтальной тяги 11 (фиг. 5) вокруг оси 28 с внутренней гайкой 32 по лыске (скосу) 33 на 90 градусов. Вместе с корпусом поворотного узла 12 (фиг. 4) проворачивается и пружинная скоба 13, отводя карандаш 14 от бумажной ленты 18. Твердомер возвращают в первоначальное положение.
В заданном месте ставят твердомер основанием 22 (фиг. 1) на почву в вертикальном положении, возвращают корпус поворотного узла 12 с пружинной скобой 13 и карандашом 14 в рабочее положение и за рукоятку 7 вдавливают нижнюю часть телескопической штанги 8 с наконечником 23 в почву. При этом подвижная пластина 3 перемещается по направляющим штангам 1 и под действием усилия сопротивления внедрения наконечника 23 большая цилиндрическая пружина 25 (фиг. 2) сжимается, и телескопические штанги 8 скользят внутри друг друга. Расстояние между рукояткой 7 и кареткой 15 уменьшается и это передается через вертикальную тягу 9 на двуплечий рычаг 10, шарнирно закрепленный на каретке 15, который перемещает за середину горизонтальную тягу 11 (фиг. 1) в поперечном направлении. Одним концом горизонтальная тяга 11 через наклонную тягу 16 шарнирно соединена с кареткой 15, а второй конец через поворотный узел и пружинную скобу 13 перемещает карандаш 14, как в продольном, так и в поперечном направлениях, прочерчивая на бумажной ленте 18 кривую нагрузки.
При измерении твердости на сильно уплотненной или ссохшейся почве к рукоятке 7 твердомера прикладывают большие усилия для заглубления наконечника. На твердомер возрастают скручивающие нагрузки, которые расшатывают узлы крепления направляющих штанг 1 с верхней опорной пластиной 5 и основанием 22. Для увеличения общей жесткости конструкции под верхней опорной пластиной 5 твердомера установлен стопорный узел 4 с болтами 27 (фиг. 3), который цилиндрическими зажимами дополнительно фиксирует направляющие штанги 1. Кроме этого, стопорный узел 4 ограничивает вертикальные перемещения телескопических штанг 8, что исключает выпадение внутренней телескопической штанги 8 с малым наконечником 23 из центрального отверстия основания 22.
После заглубления твердомера в почву карандаш 14 за рычаг 24 проворачивают в холостое положение и за рукоятку 7 нижнюю часть телескопических штанг 8 с наконечником 23 извлекают из почвы. Установив твердомер на новое место и вернув пишущий узел в рабочее положение, повторяют нужное количество измерений с фиксацией каждой кривой. Нажав на нажимную скобу 20, быстро снимают съемную пластину для бумаги 17 с возможностью быстрой замены бумажной ленты 18 и возвращением их на базовую пластину 2 под пружинный зажим 19.
После завершения измерений снимают величины отклонения диаграмм на каждой глубине, определяют их средние значения и, используя ранее полученный тарировочный коэффициент (индивидуальный для каждого твердомера), определяют среднее значение твердости на разной глубине.
Предлагаемое устройство было изготовлено путем усовершенствования твердомера Ревякина и успешно использовано при определении твердости почвы в полевых условиях.
Список литературы
1. Патент на полезную модель 106746 Рос. Федерации: МПК G01N 3/00 Устройство для измерения твердости почвы / Корпушов С.А., Петров В.И., Жданов Ю.М.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИАЛМИ РАСХН - №2010151074/15; заявл. 13.12.2010, опубл. 20.07.2011, бюл. №20.
2. Патент на корисну модель 25914 UA МПК G01N 1/02 Половий грунтовий твердомiр конструкцii Тарасенка-Бабицького / Тарасенко B.I., Бабицький Л.Ф.; заявитель и патентообладатель Нацiональний агарарний университет - № u200704449; заявл. 23.04.2007, опубл. 27.08.2007, бюл. №13.
3. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 141 с.