RU130710U1

RU130710U1 - DEVICE FOR MEASURING THE HARDNESS OF SOILS BY ROTARY SHEAR

Info

Publication number: RU130710U1
Application number: RU2013112521/28U
Authority: RU
Inventors: Евгений Эдуардович Головинов; Дмитрий Андреевич Аминев; Владимир Пантелеевич Максименко; Станислав Петрович Филяев; Галина Владимировна Агапова; Андрей Александрович Демянков
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-07-27

Abstract

1. Устройство для измерения твердости почвогрунтов вращательным срезом, включающее штангу с рукояткой, измерительную головку, пружинную муфту, размещенную на штанге с возможностью свободного вдоль нее перемещения, и режущий механизм в виде лопастей, который содержит закрепляемый на штанге стальной цилиндр с установленной на нем цилиндрической центровочной муфтой, нижний торец которого имеет глубокое резьбовое отверстие под установочный винт, которым фиксируется пара режущих лопастей-клиньев в виде пропеллера, закрепленных на его плоской головке с возможностью свободного поворота в вертикальной плоскости и принятия V-образного и A-образного положения, а в фиксированном состоянии - положения под углом 90° к оси штанги, отличающееся тем, что оно снабжено регистрирующим модулем, включающим датчик давления, ультразвуковой или лазерный дальномер, GPS приемник, микроконтроллер, карту памяти и блок автономного электропитания.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регистрирующий модуль снабжен GSM/GPRS модемом для передачи зарегистрированных на карту памяти данных на удаленный терминал.1. A device for measuring the hardness of soils by a rotary cut, including a rod with a handle, a measuring head, a spring clutch placed on the rod with the possibility of free movement along it, and a cutting mechanism in the form of blades, which contains a steel cylinder fixed to the rod with a cylindrical cylinder mounted on it centering sleeve, the lower end of which has a deep threaded hole for the set screw, which fixes a pair of cutting wedges-blades in the form of a propeller mounted on its plane head with the possibility of free rotation in the vertical plane and the adoption of a V-shaped and A-shaped position, and in a fixed state - position at an angle of 90 ° to the axis of the rod, characterized in that it is equipped with a recording module, including a pressure sensor, ultrasonic or laser rangefinder, GPS receiver, microcontroller, memory card and self-contained power supply. 2. The device according to claim 1, characterized in that the recording module is equipped with a GSM / GPRS modem for transmitting the data recorded on the memory card to the remote terminal.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к почвоведению, грунтоведению и может быть использована при проведении масштабных измерений для определения физико-механических свойств почв и грунтов, характеристики которых используются в агрономии, мелиорации, при расчетах технологических параметров глубокого рыхления почв, при оценке экологического состояния почв агро- и фитоценозов, а также в гидротехнике и дорожном строительстве для оценки степени уплотнения насыпей и грунтовых плотин.The proposed utility model relates to soil science, soil science and can be used in large-scale measurements to determine the physicomechanical properties of soils and soils, the characteristics of which are used in agronomy, land reclamation, in the calculation of technological parameters of deep loosening of soils, and in assessing the ecological state of soils agro- and phytocenoses, as well as in hydraulic engineering and road construction to assess the degree of compaction of embankments and soil dams.

Известно устройство для испытания грунтов вращательным срезом, включающее штангу с рукояткой, режущий механизм в виде четырех лопастей, попарно размещенных в одной плоскости, и измерительную головку (Ав. св. СССР №380981, G01N 3/42, 1966).A device for testing soils by rotary shear, including a rod with a handle, a cutting mechanism in the form of four blades, pairwise placed in the same plane, and a measuring head (Av. St. USSR No. 380981, G01N 3/42, 1966).

Недостатком этого устройства является низкая точность, особенно при испытании слабых грунтов, так как при задавливании лопастей структура грунта нарушается.The disadvantage of this device is the low accuracy, especially when testing soft soils, since when crushing the blades the soil structure is violated.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения твердости почво-грунтов вращательным срезом, которое снабжено пружинной муфтой, размещенной на штанге с возможностью свободного перемещения вдоль нее, режущий механизм содержит закрепляемый на штанге стальной цилиндр с установленной на нем цилиндрической центровочной муфтой, нижний торец которого имеет глубокое резьбовое отверстие под установочный винт, фиксирующий пару режущих лопастей-клиньев в виде пропеллера, закрепленных на его плоской головке с возможностью их свободного поворота в вертикальной плоскости и принятия V-образного и А-образного положения, а в фиксированном состоянии - положения под углом 90° к оси штанги (Патент РФ №96250, G01N 3/42, 2010).Closest to the claimed is a device for measuring the hardness of soils by a rotary cut, which is equipped with a spring clutch placed on the rod with the possibility of free movement along it, the cutting mechanism contains a steel cylinder fixed to the rod with a cylindrical center clutch mounted on it, the lower end of which has deep threaded hole for the set screw, fixing a pair of cutting wedge blades in the form of a propeller, mounted on its flat head with the possibility of their vobodnogo rotation in a vertical plane and making V-shaped and the A-shaped position, and in a fixed state - position at 90 ° to the axis of the rod (RF Patent №96250, G01N 3/42, 2010).

Недостатком этого устройства является низкая эргономичность, особенно при проведении масштабных измерений, так как процедуры фиксации места измерения, твердости почво-грунтов, и определение соответствующей этой твердости глубины являются весьма трудоемкими и занимают значительное время.The disadvantage of this device is the low ergonomics, especially when conducting large-scale measurements, since the procedures for fixing the measurement location, soil hardness, and determining the depth corresponding to this hardness are very time-consuming and take considerable time.

Целью предлагаемого технического решения является получение в полевых условиях достоверной и точной информации о твердости почвы и грунта по всему профилю до глубины 2,5-3 м. с автоматической регистрацией физических параметров (давления, глубины) и географических координат ГЛОНАСС/GPS места измерения при сокращении временных и трудовых затрат.The aim of the proposed technical solution is to obtain in the field reliable and accurate information about the hardness of the soil and soil throughout the profile to a depth of 2.5-3 m. With automatic registration of physical parameters (pressure, depth) and geographical coordinates of the GLONASS / GPS measurement site when reducing time and labor costs.

Достичь поставленной цели позволяет предлагаемое устройство для измерения твердости почво-грунтов вращательным срезом, включающее штангу с рукояткой, измерительную головку, пружинную муфту, размещенную на штанге с возможностью свободного вдоль нее перемещения, и режущий механизм, содержащий пару режущих лопастей-клиньев в виде пропеллера, закрепленных с возможностью свободного поворота в вертикальной плоскости и принятия V-образного и А-образного положения, а в фиксированном состоянии - положения под углом 90° к оси штанги, отличающееся тем, что оно снабжено регистрирующим модулем, включающим датчик давления, ультразвуковой или лазерный дальномер, GPS приемник, микроконтроллер, карту памяти и блок автономного электропитания.To achieve this goal, the proposed device for measuring the hardness of soils by rotary cutting, including a rod with a handle, a measuring head, a spring coupling placed on the rod with the possibility of free movement along it, and a cutting mechanism containing a pair of cutting wedges in the form of a propeller, fixed with the possibility of free rotation in a vertical plane and adoption of a V-shaped and A-shaped position, and in a fixed state - position at an angle of 90 ° to the axis of the rod, different I mean that it is equipped with a recording module, including a pressure sensor, an ultrasonic or laser range finder, a GPS receiver, a microcontroller, a memory card and an autonomous power supply unit.

Кроме того, регистрирующий модуль устройства может быть снабжен GSM/GPRS модемом для передачи зарегистрированных на карту памяти данных на удаленный терминал.In addition, the recording module of the device can be equipped with a GSM / GPRS modem for transferring the data recorded on the memory card to the remote terminal.

Устройство может быть смонтировано на разборной штанге почвенного бура.The device can be mounted on a folding bar of soil drill.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами и фотографией, где на фото 1 - представлен вид устройства в натуре; на фиг.1 - общий вид устройства, режущие клинья в V-образном положении для погружения в скважину; на фиг.2 - общий вид устройства с режущими клиньями в рабочем положении; на фиг.3 - структурная схема регистрирующего модуля.The proposed technical solution is illustrated by drawings and photographs, where in photo 1 - shows a view of the device in kind; figure 1 - General view of the device, cutting wedges in a V-shaped position for immersion in the well; figure 2 - General view of the device with cutting wedges in the working position; figure 3 is a structural diagram of a recording module.

Устройство, общий вид которого при минимальной длине штанги приведен на фото 1 и фиг.1, включает штангу почвенного бура 1 с рукояткой, пружинную муфту 2, измерительную головку 3 с регистрирующим модулем 4 и режущий механизм.The device, a general view of which with a minimum length of the rod is shown in photo 1 and figure 1, includes a rod of soil drill 1 with a handle, a spring coupling 2, a measuring head 3 with a recording module 4 and a cutting mechanism.

Режущий механизм устройства содержит стальной цилиндр 5, на который насажена цилиндрическая центровочная муфта 6. Нижний конец цилиндра имеет глубокое резьбовое отверстие под установочный винт 7, на плоской головке которого с помощью крепежного винта закреплены два режущих лопасти-клина 8 в виде пропеллера с возможностью свободного поворота в вертикальной плоскости. Величина угла между режущими гранями клина зависит от плотности испрытуемых грунтов и составляет 15-35°.The cutting mechanism of the device contains a steel cylinder 5, on which a cylindrical centering sleeve is mounted 6. The lower end of the cylinder has a deep threaded hole for the set screw 7, on the flat head of which two cutting wedge blades 8 are fixed in the form of a propeller with the possibility of free rotation in the vertical plane. The angle between the cutting faces of the wedge depends on the density of the soil being sprayed and is 15-35 °.

Пружинная муфта 2 (фиг.1) состоит из опорного диска 9 с закрепленной на нем центровочной муфтой 10, пружины 11 и шайбы-фиксатора 12. Все части пружинной муфты могут свободно перемещаться вдоль штанги так, что в зависимости от глубины погружения режущего механизма в скважину опорный диск 9 ложится на поверхность почвы, обеспечивая возможность сжатия пружины и ее фиксацию в этом состоянии с помощью шайбы-фиксатора 12 и резьбового штифта 13.The spring coupling 2 (Fig. 1) consists of a support disk 9 with a centering coupling 10 fixed thereon, a spring 11 and a lock washer 12. All parts of the spring coupling can freely move along the rod so that, depending on the immersion depth of the cutting mechanism in the well the support disk 9 lies on the surface of the soil, providing the possibility of compression of the spring and its fixation in this state using the washer-retainer 12 and the threaded pin 13.

Регистрирующий модуль 4 (фиг.3) устройства закрепляется на стержне динамометрического ключа измерительной головки 3 и содержит датчик давления 14 в качестве средства для измерения сопротивления почво-грунта, ультразвуковой или лазерный дальномер 15 для измерения глубины исследуемого почвенного горизонта, GPS приемник 16 для определения пространственных координат, микроконтроллер 17, карту памяти 18 и блок автономного электропитания 19.The registering module 4 (Fig. 3) of the device is mounted on the shaft of the dynamometer key of the measuring head 3 and contains a pressure sensor 14 as a means for measuring the resistance of the soil, an ultrasonic or laser range finder 15 for measuring the depth of the studied soil horizon, a GPS receiver 16 for determining spatial coordinates, microcontroller 17, a memory card 18 and an autonomous power supply unit 19.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

Заранее подготавливают с помощью почвенного бура скважину заданного диаметра и глубины. После этого бур переоборудуют в устройство для измерения твердости почво-грунта, для чего на штангу 1 бура насаживают пружинную муфту 2, к верхнему концу штанги присоединяют измерительную головку (динамомертический ключ) 3 со штоком 20 и регистрирующим модулем, при этом датчик давления 14 размещен между стержнем и стрелкой шкального динамометрического ключа измерительной головки 3 для регистрации момента затяжки, а ультразвуковой (лазерный) дальномер 15 направлен на земную поверхность. К нижнему концу штанги крепят режущий механизм, имеющий для этого спил и две шпильки на верхнем конце цилиндра 5, при этом цилиндрическая центровочная муфта 6 имеет диаметр, равный диаметру скважины. Режущий механизм опускают до упора в скважину.A well of a given diameter and depth is prepared in advance using a soil drill. After that, the drill is converted into a device for measuring soil hardness, for which a spring sleeve 2 is mounted on the drill rod 1, a measuring head (dynamometer key) 3 with a rod 20 and a recording module is attached to the upper end of the rod, while the pressure sensor 14 is located between the rod and arrow of the scale dynamometer key of the measuring head 3 for recording the tightening torque, and the ultrasonic (laser) range finder 15 is directed to the earth's surface. A cutting mechanism is attached to the lower end of the rod, having a saw cut and two studs for this at the upper end of the cylinder 5, while the cylindrical centering sleeve 6 has a diameter equal to the diameter of the well. The cutting mechanism is lowered all the way into the well.

Чтобы не разрушить структуры грунта стенок скважины перед погружением режущие лопасти-клинья 8 приводят в V-образное положение, выкручивая установочный винт 7 из цилиндра 5. Приведение режущих лопастей-клиньев в рабочее состояние (перпендикулярное стенкам скважины) достигается вращением штанги по часовой стрелке при упоре режущего механизма в дно скважины, в результате чего установочный винт 7 входит по резьбе в цилиндр 5, раздвигает режущие лопасти-клинья и фиксирует неподвижно относительно штанги 1. Их размах в рабочем состоянии в зависимости от физико-механических свойств почво-грунта на 4 - 12 см. больше диаметра измерительной скважины. При этом режущие лопасти-клинья 8 ориентированы симметрично штанги 1 и перпендикулярно ей, образуя пропеллер так, что за каждый полный оборот штанга поднимается вверх на 5-10 см в зависимости от шага нарезаемой клиньями винтовой канавки.In order not to destroy the soil structure of the walls of the well before immersion, the cutting wedges 8 are brought into a V-shape by unscrewing the set screw 7 from the cylinder 5. The cutting wedges-wedges are brought into working condition (perpendicular to the walls of the well) by rotating the rod clockwise while stop the cutting mechanism into the bottom of the well, as a result of which the set screw 7 enters into the cylinder 5 by thread, spreads the cutting wedges and fixes motionless relative to the rod 1. Their span in working condition depends the bridges from the physicomechanical properties of the soil are 4-12 cm larger than the diameter of the measuring well. In this case, the cutting wedges-blades 8 are oriented symmetrically to the rod 1 and perpendicular to it, forming a propeller so that for each complete revolution the rod rises up to 5-10 cm depending on the step of the helical groove cut by the wedges.

Перед началом каждого измерения необходимо провести уравновешивание с тем, чтобы вертикальная нагрузка веса устройства на режущие клинья была минимальной. Это достигается с помощью пружинной муфты 2, обеспечивающей подъемную силу, равную весу устройства при сжатии пружины 11 на заранее определенную величину, зависящую от числа присоединенных к штанге секций, т.е. от глубины скважины.Before each measurement, balancing must be performed so that the vertical load of the weight of the device on the cutting wedges is minimized. This is achieved using a spring clutch 2, which provides a lifting force equal to the weight of the device when compressing the spring 11 by a predetermined amount, depending on the number of sections connected to the rod, i.e. from the depth of the well.

Глубину почвенного горизонта, в котором проводится измерение, определяют ультразвуковым (лазерным) дальномером 15.The depth of the soil horizon in which the measurement is carried out is determined by the ultrasonic (laser) range finder 15.

Измерение выполняют путем постепенного наращивания усилия на ручку динамометрического ключа 3 до возникновения вращательно-поступательного (вверх) движения штанги 1. Показание максимального напряжения, фиксируемое датчиком давления 14, является искомым параметром. Глубина горизонта, максимальная величина усилия и географические координаты GPS приемника 16 сохраняют через микроконтроллер 17 на карту памяти 18. Зарегистрированные на карту памяти данные могут передаваться на удаленный терминал с помощью GSM/GPRS модема под управлением микроконтроллера 17.The measurement is carried out by gradually increasing the force on the handle of the torque wrench 3 until the rotational-translational (up) movement of the rod 1 occurs. The maximum voltage reading detected by the pressure sensor 14 is the desired parameter. The depth of the horizon, the maximum magnitude of the effort and the geographical coordinates of the GPS receiver 16 are stored through the microcontroller 17 to the memory card 18. The data registered on the memory card can be transmitted to a remote terminal using a GSM / GPRS modem under the control of the microcontroller 17.

Для каждого комплекта режущих лопастей-клиньев и динамометрического ключа выполняют предварительную калибровку, обеспечивающую пересчет показаний в искомые единицы твердости, кг/см.For each set of cutting blades, wedges and a torque wrench, a preliminary calibration is performed to ensure that the readings are converted to the desired hardness units, kg / cm.

После проведения измерений на заданном почвенном горизонте при необходимости извлечения устройства, не повреждая ни самого устройства, ни стенок скважины, штангу 1 устройства вращают против часовой стрелки, при этом установочный винт 7 за счет упора лопастей-клиньев 8 в стенки скважины выкручивается из цилиндра 5, освобождает лопасти-клинья, и они принимают А-образное положение, что способствует беспрепятственному извлечению устройства из скважины.After taking measurements on a given soil horizon, if it is necessary to remove the device without damaging either the device itself or the well walls, the device rod 1 is rotated counterclockwise, while the set screw 7 is unscrewed from the cylinder 5 due to the stop of the wedges-8 in the well walls, releases wedges, and they take an A-shaped position, which contributes to the smooth removal of the device from the well.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет при проведении масштабных измерений в полевых условиях получать при минимальных трудозатратах достоверную и точную информацию о твердости почвы и грунта по всему профилю до глубины 2,5-3 м. с автоматической регистрацией физических параметров (давления, глубины) и географических координат ГЛОНАСС/GPS и при необходимости их последующей передачей на удаленный терминал.Thus, the proposed utility model allows one to obtain reliable and accurate information on the hardness of soil and soil throughout the profile to a depth of 2.5-3 m with automatic recording of physical parameters (pressure, depth) and, when carrying out large-scale measurements in the field, with minimal labor costs GLONASS / GPS geographical coordinates and, if necessary, their subsequent transfer to a remote terminal.

Claims

1. A device for measuring the hardness of soils by a rotary cut, including a rod with a handle, a measuring head, a spring clutch placed on the rod with the possibility of free movement along it, and a cutting mechanism in the form of blades, which contains a steel cylinder fixed to the rod with a cylindrical cylinder mounted on it centering sleeve, the lower end of which has a deep threaded hole for the set screw, which fixes a pair of cutting wedges-blades in the form of a propeller mounted on its plane each head with the possibility of free rotation in the vertical plane and the adoption of a V-shaped and A-shaped position, and in a fixed state - position at an angle of 90 ° to the axis of the rod, characterized in that it is equipped with a recording module, including a pressure sensor, ultrasonic or laser rangefinder, GPS receiver, microcontroller, memory card and self-contained power supply unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that the recording module is equipped with a GSM / GPRS modem for transmitting the data recorded on the memory card to the remote terminal.