RU142743U1 - Устройство для определения деформационных характеристик снежного покрова - Google Patents

Abstract

Устройство для определения деформационных характеристик снежного покрова, содержащее смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений, средство нагружения, отличающееся тем, что привод вертикального штока выполнен в виде параллельно ему расположенной цепной передачи, одно из звеньев которой соединено со штоком, ведущая звездочка цепной передачи установлена на выходном валу мотор-редуктора, а ведомая - на раме, средство регистрации вертикальных перемещений штока выполнено в виде установленного на направляющей штока датчика перемещений, а средство регистрации нагрузки - в виде встроенного в цепь передачи динамометра, при этом выходы датчика перемещений и динамометра соединены с входом прибора, регистрирующего и обрабатывающего зарегистрированные данные.

Description

Полезная модель относится к области испытаний при инженерных изысканиях в транспортно-технологическом машиностроении, в частности, к устройству для определения деформационных характеристик снежного покрова в полевых условиях. Эти данные используются для определения проходимости машин.

Известен ряд устройств для исследования деформационных характеристик грунтов или снега, называемых пенетрометрами. В частности, известно изобретение [1], предназначенное для испытания снежного покрова при строительстве снежных дорог, взлетно-посадочных полос, строений на поверхности снега. Поверхность снега нагружается штампами различной конфигурации через шток при помощи электромотора. Проводимые эксперименты позволяют определить модуль упругости, угол внутреннего трения и коэффициент уплотнения снега.

К достоинствам данного устройства можно отнести возможность непрерывного перемещения штампа с постоянной скоростью, а также высокую точность фиксации данных за счет применения электронных датчиков.

К недостаткам данного устройства и пенетрометров можно отнести высокую техническую сложность механизма, в частности, его штампов. Более того, конусная форма штампов, присущая пенетрометрам, не обеспечивает необходимую точность фиксации данных, необходимых для определения коэффициента жесткости и построения деформационной характеристики для снега.

Известен также способ испытания грунта стержневым штампом и устройство для его осуществления [2]. Данное устройство выполнено в виде стержня постоянного сечения с мерной шкалой, рукояткой, предназначенной для вдавливания стержня в грунт, динамометром, расположенным между рукояткой и стержнем. При данном способе устройство вдавливается усилием, развиваемым от рук испытателя, попутно снимаются показания динамометра, отображающие силу давления стержня на грунт, а также величину погружения по мерной шкале. Согласно заявленной методике [2] можно определить модуль деформации глинистых грунтов и песков.

К достоинствам данного метода можно отнести простоту его реализации, а также компактность устройства. Однако существенным недостатком является низкая точность измерений. Помимо того, площадь сечения стержня весьма мала и, как в случае метода [1], не подходит для определения коэффициента жесткости снега.

Согласно [3] при определении деформационных характеристик снега для расчетов проходимости транспортных систем целесообразно применять плоские штампы, так как контактная поверхность движителя со снегом близка к плоскости с определенной площадью.

Наиболее близким к заявленному устройству можно считать устройство для определения реологических свойств снежного покрова [4], выбранное в качестве прототипа.

Устройство содержит смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений, средство погружения.

Устройство состоит из рычага с опорой, на одной стороне которого крепится на шарнире жесткий штамп с регулируемым посредством винтовой пары по длине штоков, а на другой стороне подвешен противовес. По концам рычага сверху закреплены два ролика, через которые переброшен канат, соединенный концами с двух сторон с нагружающими грузами, представляющими собой, например, тележку с грузами. На рычаге установлен также электромотор, через вал которого переброшен в виде подвижной петли канат. Таким образом, ролики, канат и электромотор представляют собой в совокупности механизм перемещения нагружающих грузов.

Рычаг через стойку опоры закреплен на раме с четырьмя выносными опорами, на котором дополнительно размещены упор, фиксирующий рычаг со штампом в изначальном положении, когда давление со стороны штампа на снежный покров не передается, а также регистратор вертикальной деформации снежного покрова, который снабжен лентозаписывающим устройством, состоящим из мотора и ленты на вращающемся барабане, подвижным самописцем, которые установлены на салазках с направляющими, с одной стороны соединенным с возвратным в начальное положение упругим элементом, а с другой - с подвижной частью рычага через нерастяжимую нить и систему направляющих роликов.

Достоинствами данного устройства и метода являются следующие. Перемещение груза и, как следствие, погружение штампа, происходит постепенно и непрерывно, что обеспечивает деформацию снега, максимально схожую с процессом взаимодействия движителя транспортно-технологических машин со снежным полотном. Штамп является плоским с площадью достаточной для определения деформационных характеристик снега с высокой точностью. Регистрация данных эксперимента осуществляется в автоматическом режиме, что обеспечивает высокую точность измерений.

К недостаткам указанного устройства можно отнести.

Техническую сложность механизма, вызванную: наличием рычажной системы, обеспечивающей преобразование горизонтального перемещения груза в вертикальное движение штампа, необходимостью применять дополнительные уравновешивающие грузы, наличием сложной системы блоков, обеспечивающей передачу крутящего момента от приводного двигателя к подвижному грузу. Помимо того, рычажный принцип нагрузки не обеспечивает большого усилия и достаточной высоты погружения штампа, что ограничивает диапазон исследований. В противном случае эксплуатация устройства, способного измерять снег большой глубины, была бы затруднена в силу больших габаритов установки. Увеличение удельного давления штампа на снег могло бы быть достигнуто за счет уменьшения площади штампа, что неизбежно повлекло бы возникновение недостатков, присущих способам [1, 2], либо увеличение нагружающего груза и противовеса, что, в свою очередь, затрудняет эксплуатацию установки. Кроме того известное устройство обеспечивает лишь регистрацию вертикальной деформации снежного покрова, поставленную в зависимость от горизонтального перемещения тележки с грузом, не приведенную к конкретным значениям нагрузки на штамп. Таким образом, характеристики, получаемые при использовании данного устройства, являются относительными.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Задачей заявленного способа является создание максимально простого по конструкции и в использовании устройства при снижении его материалоемкости.

Технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в повышении эффективности испытаний за счет возможности регистрации не только значений вертикальной деформации снега, но и величины нагружающей силы в максимальном диапазоне глубин залегания при упрощении конструкции устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для определения деформационных характеристик снежного покрова содержащем смонтированные на раме штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений, средство нагружения, привод штока выполнен в виде параллельно ему расположенной цепной передачи, одно из звеньев которой соединено со штоком, ведущая звездочка цепной передачи установлена на выходном валу мотор-редуктора, а ведомая - на раме, средство регистрации вертикальных перемещений штока выполнено в виде установленного на направляющей штока датчика перемещений, а средство регистрации нагрузки - в виде встроенного в цепь передачи динамометра, при этом выходы датчика перемещений и динамометра соединены с входом прибора, регистрирующего и обрабатывающего зарегистрированные данные.

Регистрация величины нагружающей силы обеспечивается динамометром, значение вертикальной деформации снега через смещение штампа - датчиком перемещений. Места их установки выбраны оптимальными, они встроены в кинематическую схему устройства, которая обеспечивает максимальные значения нагружающей силы, а следовательно, и более глубокое проникновение штампа в слой снега. Расположение элементов привода и штока, несущего штамп, компактно, что технологично, особенно для работы в полевых условиях. Кроме того, при монтаже устройства использованы прутки и трубки, что значительно снижает материалоемкость, габариты и массу устройства.

Заявленное устройство представлено на фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 - кинематическая схема устройства, на фиг. 2 - модель устройства, на фиг. 3 - устройство во время полевых испытаний, на фиг. 4-деформационная характеристика снежного покрова глубиной 400 мм.

Устройство состоит из рамы 1, на которой расположен мотор-редуктор 2, направляющая 3 вертикального штока 4, ведущая звездочка 5 на выходном валу мотор-редуктора 2. Штамп 6, закрепленный на штоке 4, совершающем прямолинейное вертикальное перемещение в направляющей 3 и скрепленном со звеном цепи 7 цепной передачи, которая приводит шток 4 в движение. Цепь 7 вращается на ведущей звездочке 5, вращаемой мотор-редуктором 2, и на ведомой звездочке 8, закрепленной на раме 1. Для регистрации величины нагружающей силы в цепь 7 встроен динамометр 9, а для измерения перемещения штока 4 применяется датчик перемещений 10, установленный на направляющей 3. Данные, регистрируемые динамометром 9 и датчиком перемещений 10, обрабатываются, при этом их выходы соединены с входом прибора 11, регистрирующего и обрабатывающего зарегистрированные данные, например, компьютера.

Устройство работает следующим образом.

Вращение выходного вала мотор-редуктора 2, соединенного с ведущей звездочкой 5, обеспечивает линейное перемещение участка цепи 7, которая имеет фиксацию со штоком 4, на котором расположен штамп 6. Штамп 6, перемещаясь вниз, деформирует снежное полотно, которое создает ответную реакцию, противоположную по направлению движению штока 4 и равную по значению силе действия штампа 6. Реакция снега передается через шток 4 на цепь 7, в которую встроен динамометр 9, регистрирующий величину сопротивления снега или величину нагружающей силы.

Перед началом эксперимента раму устройства устанавливают на твердую, подстилающую снежному полотну поверхность, а штамп 6 устанавливают на поверхность снега, таким образом, чтоб в начальный момент испытаний он не деформировал снежное полотно. Штамп 6, приводимый в движение от мотор-редуктора 2, погружается в снег, а регистрирующая аппаратура фиксирует перемещения штока (деформацию снега), величины погружения и нагружающей силы.

Таким образом, зная величины нагружающей силы на штамп F(H) и значения деформаций снега h, можно определить деформационную характеристику снега:

h=f(q), где q - величина нормального давления штампа на снега.

q=F/S_шт., где S_шт. - площадь штампа, F - величина нагружающей силы.

Проведенный анализ аналогов свидетельствует о том, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», а проведенные испытания в полевых условиях подтверждают его промышленную применимость.

Источники информации:

1. „Snow strength penetrometer” / U.S. Patent No. 5,831,161, G01N 3/42, 33/18, опубл. 03.11.1998.

2. «Способ испытания грунта стержневым штампом и устройство для его осуществления» / патент на изобретение №2310039 Е02Д 1/00, опубл. 10.11.2007.

3. Барахтанов Л.В. «Снегоходные машины» / Ершов В.И., Куляшов А.П., Рукавишников С.В. / Горький: Волго-Вятское кН. Изд-во 1986 - 191 с.

4. «Устройство для определения реологических свойств снежного покрова». Патент РФ 2396539 G01N 3/00, опубл. 10.08.2010.

Claims (1)

1. Устройство для определения деформационных характеристик снежного покрова, содержащее смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений, средство нагружения, отличающееся тем, что привод вертикального штока выполнен в виде параллельно ему расположенной цепной передачи, одно из звеньев которой соединено со штоком, ведущая звездочка цепной передачи установлена на выходном валу мотор-редуктора, а ведомая - на раме, средство регистрации вертикальных перемещений штока выполнено в виде установленного на направляющей штока датчика перемещений, а средство регистрации нагрузки - в виде встроенного в цепь передачи динамометра, при этом выходы датчика перемещений и динамометра соединены с входом прибора, регистрирующего и обрабатывающего зарегистрированные данные.