ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ УПРУГОСТИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области оперативного определения несущей способности грунтов и оснований дорог по динамическому модулю упругости.
Известен динамический плотномер, действие которого основано на определении плотности грунта путем вбивания в него бойка с коническим наконечником и замера глубины погружения бойка в грунт. Указанный плотномер содержит размещенные в вертикальном корпусе ударник с буртиком, боек, опирающийся на ударную пружину, захват, спусковой механизм, датчик перемещения бойка с магнитом и блок обработки результатов измерения (патент РФ №2097487).
Такое устройство из-за малой энергии удара нельзя использовать для определения динамического модуля деформации грунта методом штампа.
Этот метод, предусмотренный стандартом СТ СЭВ 5497-86, заключается в определении величин модуля упругости по амплитудам деформации, полученным от действия ударной силы через круглый, жесткий штамп.
Известен измеритель динамического модуля упругости грунта LFG, содержащий направляющую стойку (штангу), на которой с возможностью перемещения по ней установлен ударник (падающий груз), снабженный механизмом фиксации (транспортировочным и удерживающим фиксатором), а также упругий элемент в виде пакета тарельчатых пружин. На направляющей штанге также установлен механизм сброса ударника, рукоятка и пузырьковый уровень. Прибор также включает штамп, оснащенный измерительным блоком с датчиком усадки, на который устанавливается направляющая стойка. Измерительный блок снабжен разъемом для подключения кабеля, а на штампе предусмотрены рукоятки для его перемещения и установки. Кроме того, прибор включает электронный блок измерения усадки, смонтированный в специальном транспортировочном футляре. Электронный блок содержит схемотехнику, жидкокристаллический дисплей, разъем для подсоединения кабеля, операционные клавиши и разъем для подсоединения принтера.
Этот прибор имеет следующие недостатки:
- большая масса (более 30 кг) и вследствие этого сложность транспортировки и выполнения измерений на объектах;
- неудобство в работе из-за размещения электронного блока в отдельном транспортировочном футляре;
- при каждом испытании загрузочный механизм устанавливается на измерительном блоке штампа, при этом необходимо обеспечить его правильное положение; в приборе для этого использован пузырьковый уровень;
- возможность случайного травмирования оператора из-за наличия открытого подвижного груза на штанге.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности динамического воздействия и снижение массогабаритных показателей прибора, а также повышение удобства эксплуатации.
Еще одной задачей является повышение безопасности.
Указанная первая задача решается за счет того, что в первом варианте исполнения прибора для измерения динамического модуля упругости, включающем штамп, с закрепленным на нем измерительным блоком с датчиком усадки, снабженным упругим элементом, направляющую стойку, установленный на ней с возможностью падения на упругий элемент и подъема ударник, механизм фиксации и сброса ударника, а также электронный блок для регистрации и обработки результатов испытания, связанный с датчиком кабелем, согласно полезной модели, направляющая стойка закреплена на штампе, а электронный блок установлен на направляющей стойке.
Измерительный блок снабжен датчиком ударного усилия.
Упругий элемент выполнен съемным, с возможностью изменения его параметров.
Упругий элемент может быть выполнен в виде пакета стальных тарельчатых пружин.
Кабель размещен внутри направляющей стойки.
Груз выполнен секционным, с возможностью изменения его массы.
Во втором варианте исполнения прибора для измерения динамического модуля упругости, включающем штамп, с закрепленным на нем измерительным блоком с датчиком усадки, снабженным упругим элементом, направляющую стойку, установленный на ней с возможностью падения на упругий элемент и подъема ударник, механизм фиксации и сброса ударника, а также электронный блок для регистрации и обработки результатов испытания, связанный с измерительным блоком кабелем, согласно полезной модели, направляющая стойка закреплена на штампе, электронный блок установлен на направляющей стойке, а прибор оснащен ускорителем движения груза, выполненным в виде маршевой пружины, снабженной механизмом взвода.
Измерительный блок снабжен датчиком ударного усилия.
Маршевая пружина, ударник и упругий элемент закрыты кожухом.
Упругий элемент выполнены съемным, с возможностью изменения его параметров.
Упругий элемент может быть выполнен в виде пакета стальных тарельчатых пружин.
Упругий элемент может быть выполнен из упругого полимерного материала, например полиуретана.
Кабель размещен внутри направляющей стойки.
В третьем варианте исполнения прибора для измерения динамического модуля упругости, включающем штамп, с закрепленным на нем измерительным блоком с датчиком усадки, снабженным упругим элементом, направляющую стойку, установленный на ней с возможностью падения на упругий элемент и подъема ударник, механизм фиксации и сброса ударника, а также электронный блок для регистрации и обработки результатов испытания, связанный с измерительным блоком кабелем, согласно полезной модели, направляющая стойка выполнена телескопической с закрепленной на штампе нижней частью и подвижной верхней частью, жестко связанной с охватывающим ее корпусом, электронный блок установлен на корпусе, а прибор оснащен ускорителем движения груза, выполненным в виде маршевой пружины, снабженной механизмом взведения, при этом маршевая пружина, ударник и упругий элемент закрыты телескопическим кожухом, нижняя из которых закреплена на штампе, а верхняя жестко связана с корпусом.
Измерительный блок снабжен датчиком ударного усилия.
Упругий элемент выполнен съемным, с возможностью изменения его параметров.
Упругий элемент может быть выполнен в виде пакета стальных тарельчатых пружин.
Упругий элемент может быть выполнен из упругого полимерного материала, например полиуретана.
Кабель размещен внутри направляющей стойки.
Проведенные патентные исследования подтверждают, что заявляемое устройство соответствуют условиям патентоспособности «новизна»; оно может быть осуществлено в промышленных масштабах, следовательно, соответствует условию «промышленная применимость».
Сущность разработки поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен прибор по варианту 1, на фиг.2 - прибор по варианту 2, на фиг.3 - прибор по варианту 3.
Вариант 1.
Прибор включает штамп 1 в виде круглой металлической пластины. В центре штампа 1 неподвижно закреплен измерительный блок 2 с датчиком усадки и датчиком ударного усилия (на чертеже не обозначены) и полая металлическая направляющая стойка 3. Над измерительным блоком 2 установлен упругий элемент 4. В качестве упругого элемента 4 может быть использован пакет стальных тарельчатых пружин. Количество составных частей упругого элемент 4 или их жесткость может меняться для обеспечения возможности установки заданных параметров упругости.
На направляющей стойке 3 с возможностью свободного падения на упругий элемент 4 установлен секционированный ударник 5. Количество секций, а, следовательно, масса ударника, может меняться. Механизм фиксации и сброса ударника 5 выполнен в виде установленного на стойке 3 ползунка 6 и связанного с ним фиксатора 7 с крючком для захвата фланца ударника 5. Изменением положения ползунка 6 на стойке 3 можно менять высоту падения ударника 5. На верхней части стойки 3 установлен кронштейн 8 для крепления электронного блока 9, имеющего защиту от вибраций. Кабель (на чертеже не показан), связывающий датчики измерительного блока 2 с электронным блоком 9, проходит внутри полой стойки 3.
Работа данного варианта прибора осуществляется следующим образом.
Принцип работы прибора заключается в измерении амплитуды полной осадки круглого штампа 1 в грунт, при воздействии на него ударной нагрузки. Во время удара электронный блок 9 прибора автоматически записывает сигналы с датчиков силы и усадки штампа. Одновременно с этим, микропроцессор электронного блока 9 производит двойное интегрирование сигнала ускорения, и вычисляет амплитуду усадки грунта.
Подготовка прибора предусматривает размещение на направляющей стойке 3 ударника 5 заданной массы (с заданным количеством секций), установку ползунка 6 на заданной высоте на направляющей стойке 3, подключение электронного блока 9 к кабелю, выходящему из отверстия в верхней части направляющей стойки 3, и фиксацию электронного блока 9 в кронштейне 8.
На объекте испытания выбирают ровную, горизонтальную поверхность. Для выравнивания небольших неровностей на поверхности можно нанести тонким слоем сухой песок, заполняющий полости только под штампом 1. Перед проведением контрольных измерений необходимо произвести предварительную усадку испытываемого грунта тремя ударами.
Для проведения измерения прибор необходимо подготовить для выполнения удара. Для этого следует поднять ударник 5 до его зацепления с крючками фиксатора 7. При работе с прибором запрещается оставлять его во взведенном состоянии на длительное время.
Затем, отпуская фиксатор 7, осуществляют сброс ударника 5 на упругий элемент 4.
После падения ударник 5 осторожно подхватывают, и снова фиксируют его на заданной высоте.
Далее операцию повторяют.
d
st
На дисплее прибора будет показан результат (среднее значение динамического модуля E, соответствующее ему значение статического модуля E и др.).
Вариант 2.
Прибор включает штамп 1 в виде круглой металлической пластины. В центре пластины 1 закреплен измерительный блок 2 с датчиком усадки и датчиком ударного усилия (на чертеже не обозначены). На измерительном блоке 2 жестко закреплена полая металлическая направляющая стойка 3 и размещен упругий элемент 4.
В качестве упругого элемента 4 может быть использован пакет стальных тарельчатых пружин, аналогично варианту 1.
Кроме того, упругий элемент 4 может быть выполнен из упругого полимерного материала, в том числе в виде единой детали.
В конкретном варианте исполнения упругий элемент 4 выполнен в виде комплекта горообразных колец из полиуретана.
В качестве упругого материала может быть использован другой полимерный материал.
Форма составных частей упругого элемента 4 может определятся суммарной жесткостью пакета.
На стойке 3 с возможностью падения на упругий элемент 4 размещен ударник 5. Над ударником 5 размещен ускоритель перемещения, выполненный в виде маршевой пружины сжатия 10.
Система управления прибором включает механизм 11 фиксации ударника 5, совмещенный с узлом взведения маршевой пружины 10, и механизм 12 сброса ударника 5, связанные между собой посредством скользящей по направляющей стойке 3 втулки 13. Механизм 12 сброса ударника 5 снабжен управляющими рукоятками 14.
Механизмы 11 и 12 фиксации и сброса ударника 5 могут быть выполнены в виде цанговых захватов и/или в виде поворотных крючков.
Упругий элемент 4, ударник 5 и маршевая пружина 10 размещены в защитном кожухе 15, закрепленном на измерительном блоке 2.
Электронный блок 9 установлен на кронштейне 8 в верхней части направляющей стойки 3. Для снижения вредных ударных воздействий на электронный блок 9 предусмотрена защита от вибраций. Кабель (не показан) проходит от датчиков к электронному блоку 9 внутри направляющей стойки 3.
Требования к установке прибора аналогичны описанным ранее.
Отличия касаются порядка подготовки прибора к удару. Для этого оператор должен нажимая на рукоятки 14, резко опустить механизмы 11 фиксаций и 12 сброса до упора, пока не будет полностью сжата маршевая пружина 10 и зафиксирован ударник 5. Когда ударник 5 будет зафиксирован, сопротивление маршевой пружины 10 сжатию исчезнет. После зацепления (фиксации) ударника 5 необходимо поднять за рукоятки 14 механизм 11 фиксации вместе с ударником 5 и сжатой пружиной 10 вверх по направляющей стойке 3 до фиксации в верхнем положении механизма 12 сброса.
Прибор готов к работе.
Для выполнения сброса ударника оператор должен надавить вниз на рукоятки 14 с усилием порядка 30-35 кг, выводя из зацепления фиксаторы механизма 12 сброса. При этом ударник 5 под действием собственной массы и пружины 10 ускорителя устремляется вниз, ударяясь об упругий элемент 4, что приводит к погружению штампа 1 в грунт. Данные от датчиков измерительного блока 2 по кабелю передаются на электронный блок 9, последний фиксирует величину усадки с учетом силы удара, автоматически вычисляет значение динамического модуля упругости или деформации и отображает полученные результаты на графическом дисплее. Кроме того, прибор производит архивирование полученных результатов и условий измерений.
Вариант 3.
Прибор содержит штамп 1 в виде круглой металлической пластины. В центре штампа 1 закреплен измерительный блок 2 с датчиком усадки и датчиком ударного усилия (на чертеже не обозначены). Над измерительным блоком 2 размещен упругий элемент 4, аналогичный упругому элементу 4, описанному во втором варианте прибора.
На измерительном блоке 2 жестко закреплена нижняя часть 17 полой металлической телескопической направляющей стойки и упругий элемент 4. На неподвижной нижней части 16 направляющей стойки с возможностью падения на упругий элемент 4 размещен ударник 5. Над ударником 5 размещен ускоритель перемещения, выполненный в виде маршевой пружины сжатия 10.
Верхняя часть 17 направляющей стойки установлена с возможностью перемещения по ее нижней части 16. С верхней частью 17 направляющей стойки жестко связан корпус 18. На верхней части корпуса 18 размещен кронштейн 8 для установки электронного блока 9. Для снижения вредных ударных воздействий на электронный блок 9 предусмотрена защита от вибраций.
Кабель 19, связывающий измерительный блок 2 и электронный блок 9 размещен внутри направляющей стойки 3, при этом для обеспечения беспрепятственного подъема верхней части 17 направляющей стойки с кабелем 19 нижняя часть кабеля 19 выполнена витой.
Маршевая пружина 10, ударник 5 и упругий элемент 4 закрыты кожухом, при этом кожух выполнен составным, нижняя часть 20 кожуха неподвижно закреплена относительно измерительного блока 2, а верхняя часть 21 жестко связана с корпусом 18, при этом верхняя часть 21 установлена с возможностью перемещения по наружной поверхности неподвижной части 20 кожуха.
Система управления прибора включает механизм 11 фиксации ударника 5, совмещенный с узлом взведения маршевой пружины 10, и механизм 12 сброса ударника 5. С корпусом 18 связаны ручки 22.
Механизмы 11 и 12 фиксации и сброса ударника 5 могут быть выполнены в виде цанговых захватов и/или в виде поворотных крючков.
Принцип действия прибора и подготовка к работе аналогичны вариантам 1 и 2.
Порядок работы с прибором близок порядку работы с прибором по варианту 2. Во время подготовки прибора к удару оператор должен, нажимая на ручки 22, опустить механизмы 11 и 12 фиксации и сброса ударника 5 до упора, пока не будет полностью сжата маршевая пружина 10 (до исчезновения сопротивления пружины 10) и зафиксирован ударник. После зацепления ударника 5 оператор должен поднять за ручки 22 механизм 11 фиксации вместе с ударником 5 и сжатой пружиной 10 вверх вместе с верхней частью 17 направляющей стойки и корпусом 18 до фиксации в верхнем положении механизма 12 сброса.
Прибор готов к работе.
Для выполнения сброса ударника 5 оператор должен надавить вниз на ручки 22 с усилием порядка 30-35 кг, выводя из зацепления фиксаторы механизма 12 сброса. При этом ударник 5 под действием собственной массы и пружины 10 ускорителя устремляется вниз, ударяясь об упругий элемент 4, погружая штамп 1 в грунт. Данные от датчиков по кабелю 16 передаются на электронный блок, обрабатывающий полученные результаты и отображающий полученные результаты на графическом дисплее.
После выполнения удара следует немного приподнять рукоятки 22 прибора, чтобы механизмы 11 и 12 фиксации и сброса ударника 5 под действием пружины 10 вернулись в первоначальное состояние. После этого можно будет повторить все операции для выполнения следующего удара.
Заявляемые варианты прибора более компактны и имеет меньшую массу, чем прибор-прототип. Масса каждого из приборов не превышает 15 кг.
Кроме того, наличие защитных кожухов, охватывающих подвижные части прибора (вариант 2 и 3), обеспечивает необходимую безопасность в эксплуатации.
За счет использования секционного ударника в варианте 1 повышена эффективность динамического воздействия на грунт.
В приборах по вариантам 2 и 3 эффективность динамического воздействия на грунт значительно повышена за счет использования дополнительного ускорителя ударника в виде пружины сжатия.
Все варианты прибора более удобны в эксплуатации, поскольку не требуется постоянная переустановка направляющей стойки с выверкой ее положения по пузырьковому уровню, а электронный блок размещен непосредственно на приборе.