CN1051978A - 土壤粘附力测量仪 - Google Patents

Abstract

一种用于测量土壤粘附力的小型土壤粘附力测 量仪，具有由内外两个测盘组成的组合式测盘，带有 双向气囊式气缸的气动加载系统和随遇导向调节机 构，以及测力元件。该仪器具有加载卸载连续稳定， 保证测盘与被测土壤表面平行，特别是行之有效的测 量各种土壤条件(包括外附力大于内聚力)下的土壤 外附力。

Description

本发明属于地面机械中的一种小型测量仪器。

地面机械，无论是以土壤为工作介质的各种陆用车辆，还是以土壤为工作对象的各种农业机具与土方工程机械，都会不同程度地受到土壤的粘附，轻者增大阻力，增加能耗，影响作业质量，降低生产率，重者无法行走或作业。为研究和开发地面机械降阻减粘的技术，如何有效地测量各种土壤条件下粘附力的大小是一个关键问题。

现有的各种土壤粘附力测量仪，无论室内固定式，还是室外便携式，主要是由测盘，加载装置和测力元件组成，测盘均采用整体式，它仅能测量土壤外附力小于内聚力条件下的粘附力。由江苏工学院研制、南京土壤仪器厂生产的SF-1型水田土壤外附力/内聚力测量仪，就是采用整体式测盘，虽然可更换不同材料的测盘，但在土壤外附力大于内聚力的条件下，由于测盘粘附，测不出真实的土壤粘附力。而在外附力大于内聚力的土壤条件下，正是地面机械降阻减粘研究具有实际意义的主要研究内容，现有的这种土壤粘附力测量仪还存在无随遇调节装置，加载不稳定等缺点。

本发明的目的，是要克服现有土壤粘附力测量仪中存在的上述缺点，提供一种在保证受压时测盘与土壤接触界面状态基本不变的条件下，能有效地测量各种土壤条件（包括外附力大于内聚力）下的粘附力;同时使加载连续稳定，并能随遇调整测盘的倾斜度，以保证其与被测土壤表面平行的新型土壤粘附力测量仪。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：土壤粘附力测量仪，主要是由测头，加载装置和测力元件组成，其特殊之处是测头采用外测盘（4）和内测盘（5）的两体组合式测盘，外测盘（4）套装在内测盘（5）上，并按一定锥度装配，用组合压板（22）固定，加载装置主要由气缸体（14），活塞（13）和活塞导杆（17）组成，活塞（13）将气缸体（14）的内腔分为上下两腔，其内分别装有气缸上腔气囊（11）和气缸下腔气囊（10），在气缸上腔气囊（11）和气缸下腔气囊（10）上分别设有进排气口（12）、（15），活塞导杆（17）上装有随遇导向调节机构，它是由活动球导套（16）和与其球头端动配合装配的支承台（7），以及限制两者相对位置的锁紧压板（8）所组成，组合式测盘装在固定套（19）上，固定套（19）与活塞导杆（17）固定，其间装有拉压传感器（18），支承台（7）上设有支架杆（6）。

以上所说的组合式测盘的外测盘（4）为具有内外侧锥面的环形锥体，内测盘（5）为与外测盘（4）内侧锥面相配合的锥体。

以上所说的随遇导向调节机构上的活动球导套（16）可绕支承台（7）上的球窝中心自由活动，活塞导杆（17）可在活动球导套（16）内自由滑动。

结合附图对上述方案详述如下：该测量仪主要是由组合式测盘，测力系统，加载装置和随遇导向调节机构组成，组合测盘主要采用内测盘（5），外套装外测盘（4），并以一定的配合锥度通过组合压板（22）将内外测盘组合为一体。内外测盘分别为锥体和环形锥体结构。当施力压土时，将组合压板（22）对正，通过锁紧机构将内外测盘固定为一整体，如同整体测盘。当提起测盘测粘附力时，将锁紧机构打开，两测盘自行分离，仅内测盘（5）提起，外测盘（4）不动，拉脱力与内测盘（5）面积之商即为欲测的粘附力。由于内测盘（5）不会粘土，组合测盘下压时为一整体刚性盘，盘与土壤接触界面状态与整体测盘无异，刚性测盘下压应力均布，故用内测盘（5）测出的粘附力，与用整体测盘测出的粘附力是一致的。

采用组合式测盘是本发明技术方案中最关键部分。它从根本上解决了整体式测盘不能有效地测量a＞c（a为外附力，c为内聚力）条件下的粘附力和由于接地比压的增大，测盘随土壤流变下陷造成测盘外缘摩擦效应且粘土严重而不能真空地测定粘附力的问题。

根据理论分析和实验得到，不论测盘下土壤处于何种状态，靠近测盘处的土壤承受的压力较大，密度增加，抗拉强度提高。相应地，这一区域，尤其是靠近测盘中心处的土壤，在测盘提离时，更难于粘起或断裂。当含水量较高的土壤在受压后，土发生粘闭，土壤孔隙中多余的土壤水向四周流动，这时受压部位的含水量减小，而边缘和下层土壤含水量增加，致使靠近测盘中心处土壤抗拉强度增加，而测盘周围和下层土壤抗拉强度减小。通常情况下，当a＞c时，土壤粘附条件Aa＞F′+vp（A为测盘受压面积，F′为粘附土体断裂曲向上抗拉强度在垂直方向的分量和，V为粘附土体的体积，p为粘附土体的容重）成立，则这一等压应力面所包含的土体就将粘附在测盘表面上。这就是整体测盘在a＞c的条件下，无法测出a的真实值的关键所在。本发明采用内外测盘组合的形式，在加载时，组合测盘与整体测盘条件一致，而卸载将内测盘（5）提起时，便有A′a＜F′+vp（A′为内测盘受压面积），由于内测盘（5）处于抗拉强度最大，土体最难于被粘起的中心部位，故内测盘上不含粘土。此处由于刚性盘上压应力均布，故用内测盘（5）测出的粘附力a即为所要求测出的粘附力。

为了保证加载系统的载荷连续，平稳且便于操作，以及适合于实测等要求，本发明采用双向气囊式气缸加载装置进行气动式气力加载，它主要是由气缸体（14）、活塞（13）和活塞导杆（17）组成，气缸体（14）内由活塞分成的上下腔内分别装有气缸上腔气囊（11）和气缸下腔气囊（10），这种双向气囊可以在轴向大变形而径向小变形，气缸上腔进气，下腔排气，可推动活塞向下运动，反之活塞向上运动，并通过活塞导杆（17）将所要求的作用力传递给组合式测盘，活塞往复运动，即可进行加载、卸载并拉脱内测盘（5）。

气动加载控制，可以采用二位三通电磁阀气压控制回路，它主要是由二位三通电磁阀A、B、C、D，流量调节开关E、F、G和单向阀H、I、J、K，以及气压表、储气袋、手气球组成。加载时，电磁阀A和D通电导通。气缸上腔通气，下腔排气;保持压力时，电磁阀A断电，D继续导通，保证下腔处于排气状态;此时，由于土壤在组合测盘的作用下，发生流变下陷现象，导致气缸内上腔气压降低，还可采用气量调节开关，靠连续补气的方式实现保压工况，开关量大小可以根据不同土壤下陷程度确定，这样保证连续平稳，无冲击现象;卸载和脱拉时，电磁阀C和B通电导电，D断电截止，气缸下腔进气，上腔排气，其速率由流量开关预先设定;气压回路的单项阀，是防止压缩空气自泄的。

气动加载系统的压缩空气来自蓄能器，该蓄能器可以采用一种简易储气袋，充以一定压力的空气。回路中流量大小取决于储气袋压力，采用可气动充气，气压可达0.1MPa。

在土壤粘附力测定中，保证测盘与被测土壤表面平行加载，对于测量结果的准确性和可信度具有决定性意义，尤其在田间野外实测时就更为重要。因此本发明采用了在活塞导杆（17）上加装了随遇导向调节机构。该机构采用套装在活塞导杆（17）上的活动球台（7）上的球窝内，用锁紧压板（8）将活动球导套（16）限制在支承台（7）上的球窝内，但活动球导套（16）可绕球窝中心全方位任意旋转，活塞导杆（17）可在活动球导套（16）内滑动，活塞导杆（17）通过其端部装有的固定套（19）组合式测盘固定，这样就充分保证了测盘表面与被测土壤表面均匀接触，并可施加垂直土壤表面的作用载荷和将被测盘从土壤表面垂直拉开。

本发明的测力系统是通过装在活塞导杆（17）与固定套之间的拉压传感器（18）将拉压力信号传出，采用单片机控制测试系进行土壤粘附力测定，并通过磁带机和微处理机进行实验数据的储存、处理和结果的分析。

本发明所提供的技术方案具有以下积极效果：由于采用组合测盘，可以有效的测量各种条件下的土壤粘附力，特别是解决测量外附力（a）大于内聚力（c）的技术问题，由于采用气动加载装置，使加卸载连续稳定，保压效果好，工作可靠，其结构简单，操作方便，由于该测量仪上设有随遇导向调整机构，可以合理调整测盘与被测土壤表面的平行关系，保证载荷垂直测盘，从而提高了测量精度。

附图说明：

图1为土壤粘附力测量仪结构示意图;

图2为活动球导套（16）零件图;

图3为支承台（7）零件图;

图4为锁紧压板（8）零件图;

图5为组合压板（22）零件图;

图6为图5的剖视图;

图7为二位三通电磁阀气压控制回路示意图。

图中（1）为环形底座，（2）为固定螺帽，（3）为土样盒，（4）为外测盘，（5）为内测盘，（6）为支架杆，（7）为支承台，（8）为锁紧压板，（9）为锁紧螺帽，（10）为气缸下腔气囊，（11）为气缸上腔气囊，（12）为气缸上腔进排气口，（13）为活塞，（14）为气缸体，（15）为气缸下腔排气口，（16）为活动球导套，（17）为活塞导杆，（18）为拉压传感器，（19）为固定套，（20）为固定螺帽，（21）为组合螺母，（22）为组合压板A、B、C、D为二位三通电磁阀，E、F、G为流量调节开关，H、I、J、K为单向阀。

为了实现本发明的上述技术方案，下面仅举其中一例说明。

由气动加载装置，随遇导向调节机构，传感器和组合测盘组成的一种土壤粘附力测量仪，加载装置主要是由气缸体（15）、活塞（13）、活塞导杆（17）组成，活塞（13）将气缸体（15）内腔分为上下两个空腔，其上腔装有气缸上腔气囊（11），下腔装有环形气缸下腔气囊（10），上下气囊上分别开有进排气口（12）、（15），其内的气压气量由二位三通电磁阀气压控制回路控制。在套装活塞导杆（17）导上的活动球导套（16），其下端为圆球状，支承台（7）上带有与活动球导套（16）的球头相配合的球窝，活动球导套（16）用带有圆孔的锁紧压板（8）限位于支承台（7）的球窝内，并可以绕球窝中心全方位旋转，其配合间隙应在保证自由转动的前题下尽量小。活塞导杆（17）用固定套（19）与组合测盘连接，在活塞导杆（17）的端部装有拉压传感器，其输出的拉压力信号通过单板机，磁带机和微处理机进行测试、数据存储和处理。组合式测盘是由环形锥体的外测盘（4）和与其具有一定锥度配合的内测盘（5）组成，内测盘（5）是通过组合压板（22）用组合螺母（21）固定在外测盘（4）上，组合测盘的材料可视测量不同材料对土壤的粘附情况而定，一般用45＃钢或不绣钢。内外测盘的组合角度可取90°。整个测量仪是通过固定在支承台（7）上的支架杆（6）支承，支架杆（6）的下端装有环形底座（1），装有被测土壤的土样盒（3）放在环形底座（1）上，即组合式测盘下面进行测量。

Claims (3)

1、一种土壤粘附力测量仪，主要是由测头，加载装置和测力元件组成，其特征是测头采用外测盘(4)和内测盘(5)的两体组合式测盘，外测盘(4)套装在内测盘(5)上，并按一定锥度装配，用组合压板(22)固定，加载装置主要由气缸体(14)，活塞(13)和活塞导杆(17)组成，活塞(13)将气缸体(14)的内腔分为上下两腔，其内分别装有气缸上腔气囊(11)和气缸下腔气囊(10)，在气缸上腔气囊(11)和气缸下腔气囊(10)上分别设有进排气口(12)、(15)，活塞导杆(17)上装有随遇导向调节机构，它有由活动球导套(16)和与其球头端动配合装配的支承台(7)，以及限制两者相对位置的锁紧压板(8)所组成，组合式测盘装在固定套(19)上，固定套(19)与活塞导杆(17)固定，其间装有拉压传感器(18)，支承台(7)上设有支架杆(6)。

2、根据权利要求1所述的土壤粘附力测量仪，其特征是所说的组合式测盘的外测盘（4）为具有内外侧锥面的环形锥体，内测盘（5）为与外测盘（4）内侧锥锥面相配合装配的锥体。

3、根据权利要求1或2所述的土壤粘附力测量仪，其特征是所说的随遇导向调节机构上的活动球导套（16）可绕支承台（7）上的球窝中心自由活动，活塞导杆（17）可在活动球导套（16）内自由滑动。

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