CN104237027A - 土壤剪切扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤剪切扭矩测量装置，包括十字剪切板、传动箱、连接杆、安装在传动箱上的GPS定位装置、通过连接杆与传动箱相连的电动机、安装在电动机上的蓄电池、两端分别与传动箱和十字剪切板相连的传动杆、安装在传动箱上的单片机以及多个安装在传动箱上支架。该装置采用电力对田间土壤的剪切扭矩进行快速测量，可以避免人为操作带来的误差，所获结果准确，可为田间作业机具的选择和设计提供可靠依据。

Description

土壤剪切扭矩测量装置

技术领域

本发明涉及农业土壤力学性能检测技术领域，具体为一种土壤剪切扭矩测量装置。

背景技术

土壤耕整是保证农业生产过程顺利进行的基础，是农业耕作机械的主要作业内容。土壤耕整的目的是对农田土壤进行机械处理使之适合农作物生长，其实质是一种复杂的土壤迁移、变形及破碎过程。在此过程中，土壤结构、耕作部件形状、土壤与耕作部件间相互作用等均对其产生重要影响，在这一过程中能源消耗也最多。为估算土壤耕整机械作业功率消耗、开展土壤力学特性研究以及对各种田间土壤耕作部件进行结构优化设计，需要快速测量并获取土壤剪切强度，但是现有获取这些土壤力学特性参数的方案主要依靠人工操作剪切装置完成，存在剪切速度不稳定、测量效率低、测量误差大等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足而提供一种结构简单且能快速准确测定土壤剪切强度的土壤剪切扭矩测量装置。

本发明一种土壤剪切扭矩测量装置，包括十字剪切板、传动箱、连接杆、通过连接杆与传动箱相连的电动机、安装在电动机上的蓄电池、两端分别与传动箱和十字剪切板相连的传动杆、安装在传动箱上的单片机以及多个安装在传动箱上的支架。

所述传动箱包括主动齿轮、从动齿轮、与从动齿轮啮合的从动齿条、与主动齿轮啮合的主动齿条、两端分别与主动齿条和从动齿条相连的拉压力传感器、两个对称设置在传动箱两侧内壁的直线导轨以及两个用于控制主动齿条和从动齿条移动行程的螺纹杆，所述传动箱两端分别设有螺孔，所述螺纹杆位于螺孔内。

所述直线导轨内侧设有V型槽，所述主动齿条和从动齿条两侧均有两个与V型槽配合的半球型凹坑，所述V型槽和半球型凹坑之间镶嵌有钢球。

所述剪切十字板包括两块形状相同的矩形板，所述两块矩形板呈十字相交设置，所述剪切十字板一端设有伸缩杆，所述伸缩杆上设有多个均匀分布的第一径向通孔，所述传动杆的一端设有花键轴，所述传动杆的另一端为薄壁圆筒；所述薄壁圆筒上设有多个均匀分布的第二径向通孔，所述花键轴与从动齿轮相连接，所述伸缩杆位于薄壁圆筒内，所述第一径向通孔和第二径向通孔通过销钉定位。

所述传动箱上安装有GPS定位装置。

所述支架共3个且互成夹角120°安装于传动箱的底部。

本发明具有以下有益效果：

1、该装置结构简单，操作方便，采用电力对田间土壤的剪切扭矩进行快速测量，可以避免人为操作带来的误差，所获结果准确，可为田间作业机具的选择和设计提供可靠依据。

2、拉力传感器将测得的数据采集和储存到单片机中，由单片机对数据进行处理，并进行存储。通过单片机的存储功能，可以连续地对田间多个点位进行测量，并可对不同点位数据进行分析比较。

3、GPS定位装置在工作中可以辅助确定测量点的空间位置，从而获得对应田块的空间地理位置上的土壤信息数据。

4、本土壤剪切扭矩测量装置可通过调节驱动杆与剪切板伸缩杆间的连接长度，从而测定水田土壤中不同深度处的土壤剪切值。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为传动箱内部结构示意图。

图3为主动齿条侧视图。

图4为从动齿条侧视图。

图5为直线导轨结构示意图。

图6为十字剪切板结构示意图。

图7为传动杆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明。

实施例：本发明所述的土壤剪切扭矩测量装置，包括十字剪切板8，还包括传动箱2、连接杆15、安装在传动箱2上的GPS定位装置1、通过连接杆15与传动箱2相连的电动机5、安装在电动机5上的蓄电池7、两端分别与传动箱2和十字剪切板8相连的传动杆4、安装在传动箱2上的单片机3以及多个安装在传动箱上支架6，拉压力传感器17的信号输出端与单片机3的信号输入引脚相连。所述传动箱2包括主动齿轮11、从动齿轮13、与从动齿轮13啮合的从动齿条12、与主动齿轮11啮合的主动齿条10、两端分别与主动齿条10和从动齿条12相连的拉压力传感器17、两个对称设置在传动箱2两侧内壁的直线导轨9以及两个螺纹杆14，所述传动箱2两端的分别设有螺孔2a，所述螺纹杆14位于螺孔2a内，两个所述螺纹杆14通过调节在传动箱2内的伸缩长度从而分别控制主动齿条10和从动齿条12的移动行程。所述直线导轨9内侧设有V型槽9a，所述主动齿条10和从动齿条12两侧均有两个与V型槽9a配合的半球型凹坑22，所述V型槽9a和半球型凹坑22之间镶嵌有钢球16。从动齿条12和主动齿条10通过钢球16与V型槽9a相配合，可在两直线导轨9之间沿箱体横向轴线方向左右滑动。直线导轨9背部与传动箱体侧壁相贴、对称于传动箱箱体横向轴线安装于传动箱前后侧壁；直线导轨9由螺栓安装在传动箱中，导轨背部装有紧固螺钉，用来调整导轨的松紧度。拉压力传感器17通过两端的螺纹杆分别与主从齿条上的螺纹孔相连接，安装于两齿条之间，用于采集两齿条间的拉压力。GPS定位装置安装在传动箱2的上方，在工作中可以辅助确定测量点的空间位置，从而获得对应田块的空间地理位置上的土壤力学特性信息数据。

本发明中的单片机3选用51单片机，安装于传动箱2底部，控制电动机5正反转、存储和处理拉力传感器17所采集的数据。所述剪切十字板8包括两块形状相同的矩形板8a，所述两块矩形板8a呈十字相交，所述两块相交的矩形板8a一端设有伸缩杆18，所述伸缩杆18上设有多个均匀分布的第一径向通孔18a，所述传动杆4的一端设有花键轴19，所述传动杆4的另一端为薄壁圆筒20；所述薄壁圆筒20上设有多个均匀分布的第二径向通孔20a，所述花键轴19与从动齿轮13相连接，所述伸缩杆18位于薄壁圆筒20内，还包括销钉21，所述销钉21位于第一径向通孔18a和第二径向通孔20a内。伸缩杆18下端开有十字交叉的槽，两矩形板8a分别穿过伸缩杆18下端的槽，互成90°夹角呈十字状嵌装伸缩杆18下端；所述支架6的数量为3个且互成夹角120°安装于传动箱2的底部，支承传动箱并保证本测量装置稳定放置于泥土表面。

本发明的工作原理为：蓄电池7安置于电动机5下方为电动机5提供电力，电动机5为整个装置提供动力；传动箱2通过连接杆15与电动机5相连接；电动机5通过连接杆15带动传动箱2中的齿轮齿条驱动传动杆4带动十字剪切板8旋转切削土壤；十字剪切板8与从动齿轮13同轴同转速回转，因此，拉压力传感器17上测定的拉压力与从动齿条12和从动齿轮13之间中心距的乘积，即为本装置所测定的土壤剪切扭矩。拉压力传感器17采集主从动齿条间的拉压力信号并存储在单片机3中，测试结束后将采集到的数据输送到计算机进行处理。

本装置工作时，首先将装置的十字剪切板8插入预定深度土壤中，然后调节支架6使本测量装置平稳放置于田间地表；也通过调节销钉21来调节十字剪切板的插入深度；将蓄电池7与电动机5接通，打开电动机5使电动机5回转，通过连接杆15带动主动齿轮11转动，主动齿轮11与主动齿条10啮合，主动齿条10驱动从动齿条12在直线导轨9内滑动；从动齿条12与从动齿轮13啮合，带动从动齿轮13转动，从动齿轮13将动力输出带动传动杆4回转；拉压力传感器17其通过两端的螺纹杆分别与主从动齿条上的螺纹孔相连接，安装于主从动齿条之间；传动杆4回转从而驱动剪切十字板8在土壤中旋转，剪切扭矩转换为拉压力被拉压力传感器17采集，拉压力传感器17将采集的数据存储在单片机3中；单片机3根据剪切过程需要控制电动机5的正反转与停止。当剪切板旋转90°后，测试结束，此时单片机3将所存储的数据导入到计算机中，由专门设计的分析程序对数据进行处理，从而获得土壤剪切扭矩。

本装置测量土壤剪切扭矩的理论计算公式如下：

十字剪切板由两块矩形板8a相交分成四部分，每一部分的长为lmm，宽为dmm。假设水田中的平均应力为FN/mm²，则每块剪切板上受到的扭矩大小为：

$T_{1/4}={\∫}_0^d{\∫}_0^l\mathrm{Fxdxdy}$

上式中x为剪切板上任一点到剪切板伸缩杆中心线间的距离，由此得到4块十字剪切板上受到的扭矩总大小为：

$T={4\×T}_{1/4}=4{\∫}_0^d{\∫}_0^l\mathrm{Fxdxdy}$

拉压力传感器所测得的拉压力为F₁N，从动齿条和从动齿轮之间垂直的中心距为Lmm，则十字剪切板上所受的剪切扭矩为：

T＝F₁×L

上述测定的扭矩T与全部剪切面积的比值即可用来评价所测量土壤抵抗外部剪切力的能力即剪切强度。

本发明属于自主开发与设计，成本低廉，适用性强，且该装置重量轻巧，结构简单，操作方便，可以对田间土壤的剪切扭矩进行快速的测量，所获结果可为田间作业机具的选择和设计提供可靠的依据。

以上具体实施方式描述了本发明的基本原理和主要特征，阐明本发明的优点。本发明不受上述实施方式的限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种土壤剪切扭矩测量装置，包括十字剪切板(8)，其特征在于：还包括传动箱(2)、连接杆(15)、通过连接杆(15)与传动箱(2)相连的电动机(5)、安装在电动机(5)上的蓄电池(7)、两端分别与传动箱(2)和十字剪切板(8)相连的传动杆(4)、安装在传动箱(2)上的单片机(3)以及多个安装在传动箱上的支架(6)。

2.根据权利要求1所述的土壤剪切扭矩测量装置，其特征在于所述传动箱(2)包括主动齿轮(11)、从动齿轮(13)、与从动齿轮(13)啮合的从动齿条(12)、与主动齿轮(11)啮合的主动齿条(10)、两端分别与主动齿条(10)和从动齿条(12)相连的拉压力传感器(17)、两个对称设置在传动箱(2)两侧内壁的直线导轨(9)以及两个用于控制主动齿条(10)和从动齿条(12)移动行程的螺纹杆(14)，所述传动箱(2)两端分别设有螺孔(2a)，所述螺纹杆(14)位于螺孔(2a)内。

3.根据权利要求2所述的土壤剪切扭矩测量装置，其特征在于所述直线导轨(9)内侧设有V型槽(9a)，所述主动齿条(10)和从动齿条(12)两侧均有两个与V型槽(9a)配合的半球型凹坑(22)，所述V型槽(9a)和半球型凹坑(22)之间镶嵌有钢球(16)。

4.根据权利要求2或3所述的土壤剪切扭矩测量装置，其特征在于所述剪切十字板(8)包括两块形状相同的矩形板(8a)，所述两块矩形板(8a)呈十字相交设置，所述剪切十字板(8)一端设有伸缩杆(18)，所述伸缩杆(18)上设有多个均匀分布的第一径向通孔(18a)，所述传动杆(4)的一端设有花键轴(19)，所述传动杆(4)的另一端为薄壁圆筒(20)；所述薄壁圆筒(20)上设有多个均匀分布的第二径向通孔(20a)，所述花键轴(19)与从动齿轮(13)相连接，所述伸缩杆(18)位于薄壁圆筒(20)内，所述第一径向通孔(18a)和第二径向通孔(20a)通过销钉(21)定位。

5.根据权利要求2或3所述的土壤剪切扭矩测量装置，其特征在于所述传动箱(2)上安装有GPS定位装置(1)。

6.根据权利要求5所述的土壤剪切扭矩测量装置，其特征在于所述支架(6)共3个且互成夹角120°安装于传动箱(2)的底部。