RU2756884C1

RU2756884C1 - Apparatus for measuring the hardness of soil

Info

Publication number: RU2756884C1
Application number: RU2020133746A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Вытовтов; Анастасия Викторовна Прущик
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Курский федеральный аграрный научный центр"
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2021-10-06

Abstract

FIELD: measuring.

SUBSTANCE: invention relates to tools for measuring the physical properties of soils, in particular, for determining the hardness of over-compacted soil with fixation of the data on paper tape. The apparatus is comprised of upper and lower support plates with stiffness units, guiding bars with a moving plate, a rail for paper with a spring clamp, an outer pipe with a central rod of a telescopic bar, a cylindrical spring, a carriage, a handle, a stopper unit containing a locking screw, and a recording mechanism with a rotary unit, fixed between the plates. A bushing is fixed on the central rod of the telescopic bar, wherein a spring spoke with a calibrated tip is installed on the thread inside the bushing, and a lower support seat for the cylindrical spring and a second moving plate with a nut are installed on the thread outside. A smooth cylindrical section is made in the inner lower part of the bushing before the thread, with a diameter equal to the diameter of the spring spoke.

EFFECT: facilitating the obtaining of reliable information on hardness during operation on over-compacted soil.

1 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к инструментам для определения твердости почвы с фиксацией результатов на бумажной ленте на глубину до 50 см.The proposed device refers to instruments for determining soil hardness with fixing the results on a paper tape to a depth of 50 cm.

Одной из важнейших физических характеристик почвы является твердость, т.е. ее способность сопротивляться сдавливанию и расклиниванию при работе на ней рабочих органов почвообрабатывающих машин.One of the most important physical characteristics of the soil is its hardness, i.e. its ability to resist squeezing and wedging when working on it with the working bodies of tillage machines.

Наибольшее распространение для измерения твердости почвы получили твердомеры, составными частями которых являются пружины с заранее известным усилием сжатия, плунжеры и механизмы записи, фиксирующие соотношения усилия сжатия пружины при перемещении плунжера в почве.The most widespread for measuring soil hardness are hardness testers, the components of which are springs with a predetermined compression force, plungers and recording mechanisms that fix the ratio of the spring compression force when the plunger moves in the soil.

Известен полевой почвенный твердомер конструкции Тарасенко-Бабицкого [UA 25914, 2007 г.], состоящий из стойки с рукоятками, штока с плунжером и защитной трубкой, тяги, пружины, опорного башмака и записывающего устройства. В известном твердомере сделана попытка разделить усилия раздавливания почвы торцом плунжера и усилия трения боковых стенок плунжера о грунт. Однако в большинстве твердомеров диаметр плунжера значительно превышает диаметр штока. Шток перемешается в образованном плунжером цилиндре и поэтому его боковое трение незначительно. А наличие направляющей трубки снижает надежность работы устройства, вследствие возможного забивания зазора между трубкой и штоком сырой почвой.Known field soil hardness tester design Tarasenko-Babitsky [UA 25914, 2007], consisting of a rack with handles, a rod with a plunger and a protective tube, a rod, a spring, a support shoe and a recording device. In the known hardness tester, an attempt was made to separate the forces of crushing the soil by the end of the plunger and the forces of friction of the side walls of the plunger against the ground. However, in most hardness testers, the plunger diameter is much larger than the stem diameter. The piston rod is mixed in the cylinder formed by the plunger and therefore its lateral friction is negligible. And the presence of a guide tube reduces the reliability of the device, due to the possible clogging of the gap between the tube and the rod with wet soil.

Известен твердомер Ревякина [Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 141 с.], который вследствие простоты и надежности конструкции получил широкое распространение. Твердомер включает сменный наконечник, навинченный на нижний конец телескопической штанги, который через пружину связан с нажимной рукояткой. Деформация пружины через систему тяг и рычагов передается на пружинную скобу и формирует карандашом диаграмму на бумажной ленте. Однако при работе на твердых почвах, вследствие недостаточной жесткости конструкции наблюдается недостоверная фиксация данных на бумажной ленте.Known hardness tester Revyakin [Vadyunina AF, Korchagin Z.A. Methods for studying the physical properties of soils. - M .: Agropromizdat, 1986. - 141 p.], Which, due to the simplicity and reliability of the design, has become widespread. The hardness tester includes a replaceable tip screwed onto the lower end of the telescopic rod, which is connected through a spring to the lever handle. The deformation of the spring is transmitted through a system of rods and levers to the spring clip and forms a pencil diagram on a paper tape. However, when working on hard soils, due to insufficient rigidity of the structure, there is an unreliable fixation of data on a paper tape.

Известно устройство для измерения твердости почвы [RU 2717169, 2020 г.], выполненное на основе твердомера Ревякина. Составной частью известного твердомера являются сменный наконечник, навинченный на нижний конец телескопической штанги, который установлен между направляющими штангами с верхней и нижней опорными пластинами и стопорным узлом. Через цилиндрическую пружину телескопическая штанга связана с нажимной рукояткой. Деформация цилиндрической пружины через систему тяг и рычагов передается на пружинную скобу с поворотным узлом и формирует карандашом диаграмму на бумажной ленте, удерживаемой на съемной пластине пружинным зажимом.Known device for measuring soil hardness [RU 2717169, 2020], made on the basis of the Revyakin hardness tester. A part of the known hardness tester is a replaceable tip screwed onto the lower end of the telescopic rod, which is installed between the guide rods with upper and lower support plates and a stopper assembly. The telescopic rod is connected to the push handle through a coil spring. The deformation of the coil spring is transmitted through a system of rods and levers to the spring bracket with a pivot assembly and forms a pencil diagram on a paper tape held on a removable plate by a spring clip.

Известное устройство использовалось для определения твердости на слабо- и среднеуплотненных почвах. При этом вследствие широкого распространения технологий выращивания сельскохозяйственных культур с минимальными обработками, почва на глубине свыше 12 см постепенно уплотнилась и при работе с твердомером даже с минимальным диаметром наконечника пружина полностью сжималась. Витки цилиндрической пружины сходились, и твердомер чертил прямую линию, не соответствующую реальной твердости почвы. Для устранения этого недостаткав конструкция устройства была усовершенствована.The known device was used to determine the hardness on weak and medium compacted soils. At the same time, due to the widespread use of technologies for growing crops with minimal tillage, the soil at a depth of more than 12 cm gradually compressed and when working with a hardness tester, even with a minimum tip diameter, the spring was completely compressed. The coils of the coil spring converged, and the hardness tester drew a straight line that did not correspond to the real hardness of the soil. To eliminate this drawback, the design of the device has been improved.

Цель изобретения - обеспечение достоверной работы с твердомером на переуплотненных почвах.The purpose of the invention is to ensure reliable work with a hardness tester on over-compacted soils.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для измерения твердости почвы (твердомер), состоящее из двух направляющих штанг, зафиксированных между собой верхней и нижней опорными пластинами. На направляющих штангах установлены две подвижные пластины с рукояткой, телескопическими штангами, большой цилиндрической пружиной и сменным наконечником. Телескопические штанги охватывает каретка с тягами, пружинной скобой и карандашом. На одной из направляющих штанг закреплена базовая плоская пластина с верхним П-образным захватом для съемной пластины и с нижним загнутым в трубочку окончанием, в центре которого установлен пружинный зажим. Съемная пластина для бумаги имеет с обеих сторон пазы для фиксации от перемещений в поперечных направлениях. Причем в верхней части она удерживается относительно заклепки в П-образном захвате, а внизу центрируется относительно диска и прижимается пружинным зажимом.To solve this problem, a device for measuring soil hardness (hardness tester) is proposed, consisting of two guide rods, fixed between each other by the upper and lower support plates. On the guide rods, there are two movable plates with a handle, telescopic rods, a large coil spring and a replaceable tip. Telescopic rods are enclosed by a carriage with rods, spring clip and pencil. On one of the guide rods, a basic flat plate is fixed with an upper U-shaped grip for a removable plate and with a lower end bent into a tube, in the center of which a spring clip is installed. The removable paper plate has grooves on both sides for fixing against movements in the transverse directions. Moreover, in the upper part, it is held relative to the rivet in a U-shaped grip, and at the bottom it is centered relative to the disk and pressed with a spring clip.

Кроме этого в твердомере под верхней опорной пластиной дополнительно установлены стопорные узлы, состоящие из связанных цилиндрических зажимов с болтами, между которыми в центре выполнено отверстие под фиксирующий винт.In addition, in the hardness tester under the upper support plate, there are additionally installed locking assemblies, consisting of connected cylindrical clamps with bolts, between which a hole for a locking screw is made in the center.

На фиг. 1 показано устройство для измерения твердости почвы (твердомер) вид сбоку, на фиг. 2 - вид спереди, на фиг. 3 - увеличенное сечение узла крепления внутреннего стержня телескопической штанги и спицы, на фиг. 4 - увеличенное сечение наконечника спицы в центральном отверстии нижней опорной площадки.FIG. 1 shows a device for measuring soil hardness (hardness tester) side view, FIG. 2 is a front view, FIG. 3 is an enlarged section of the attachment point for the inner rod of the telescopic rod and the spoke; FIG. 4 is an enlarged section of the spoke tip in the center hole of the lower support pad.

Твердомер содержит две направляющие штанги 1 (фиг. 1), на одной из которых закреплена нижняя базовая пластина 2 и с возможностью перемещения вдоль них подвижная пластина 3. Направляющие штанги 1 жестко зафиксированы между собой стопорным узлом 4 и верхней опорной пластиной 5 с запорным винтом 6. Между направляющими штангами 1 через подвижную пластину 3 рукоятка 7 закреплена на наружной трубе телескопической штанги 8. К ней шарнирно прикреплены пластинчатые тяги 9 (фиг. 2) с поворотным узлом 10. Дополнительно пластинчатые тяги 9 шарнирно соединены с кареткой 11, надетой на наружную трубу телескопической штанги 8 и через продольный паз связанной штифтом с ее внутренней частью. На наружной трубе телескопической штанги 8 на резьбовом соединении закреплена опорная тарелка 12 (фиг. 1) для цилиндрической пружины 13 внутри которой на центральном стержне телескопической штанги 14 жестко установлена цилиндрическая удлиненная втулка 15 (фиг. 3). Цилиндрическая удлиненная втулка 15 выполнена с внутренней и наружной резьбами. На наружной резьбе закреплены нижнее опорное седло 16 для цилиндрической пружины 13 и нижняя подвижная пластина 17, удерживаемая гайкой 18. Во внутренней резьбе цилиндрической удлиненной втулки 15 пружинная спица 19 закреплена одним концом, а вторым - вместе с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 установлены в центральном отверстии нижней опорной пластины 21 (фиг. 4), прикрепленной к направляющим штангам 1 (фиг. 1). При этом в нижней части цилиндрической удлиненной втулки 15 (фиг. 3) перед внутренней резьбой выполнен небольшой цилиндрический участок с диаметром, равным диаметру пружинной спицы 19. В нижней части базовой пластины 2 (фиг. 1) на направляющей штанге 1 установлен пружинный зажим 22, удерживающий съемную пластину для бумаги 23 с бумажной лентой 24.The hardness tester contains two guide rods 1 (Fig. 1), on one of which the lower base plate 2 is fixed and the movable plate 3 can be moved along them. The guide rods 1 are rigidly fixed between each other by a locking unit 4 and an upper support plate 5 with a locking screw 6 Between the guide rods 1, through the movable plate 3, the handle 7 is fixed on the outer tube of the telescopic rod 8. To it are hingedly attached plate rods 9 (Fig. 2) with a pivot assembly 10. Additionally, the plate rods 9 are hingedly connected to the carriage 11 put on the outer tube telescopic rod 8 and through a longitudinal groove connected by a pin with its inner part. On the outer tube of the telescopic rod 8, a support plate 12 (Fig. 1) is fixed on a threaded connection for a cylindrical spring 13, inside of which a cylindrical elongated sleeve 15 is rigidly mounted on the central rod of the telescopic rod 14 (Fig. 3). The cylindrical elongated sleeve 15 is made with internal and external threads. The lower support saddle 16 for the cylindrical spring 13 and the lower movable plate 17 held by the nut 18 are fixed on the external thread. a base plate 21 (Fig. 4) attached to the guide rods 1 (Fig. 1). In this case, in the lower part of the cylindrical elongated sleeve 15 (Fig. 3), in front of the internal thread, a small cylindrical section is made with a diameter equal to the diameter of the spring spoke 19. In the lower part of the base plate 2 (Fig. 1), a spring clip 22 is installed on the guide rod 1, holding a removable paper plate 23 with a paper tape 24.

Дополнительную фиксацию съемной пластины для бумаги 23 с бумажной лентой 24 от поперечных смещений обеспечивают центральные пазы в торцах съемной пластины для бумаги 23. Верхний паз удерживается центральной заклепкой в П-образном изгибе базовой пластины 2, а нижний охватывает диск (на фигурах не показано), закрепленный штифтом в центре нижнего цилиндрического отворота базовой пластины 2 внутри пружинного зажима 22. Кроме этого, над базовой пластиной 2 и съемной пластиной для бумаги 23 на поворотном узле 10 с пружинной скобой 25 установлен карандаш 26.Additional fixation of the removable paper plate 23 with the paper tape 24 against lateral displacements is provided by the central grooves in the ends of the removable paper plate 23. The upper groove is held by a central rivet in the U-shaped bend of the base plate 2, and the lower one covers the disk (not shown in the figures), fixed with a pin in the center of the lower cylindrical flap of the base plate 2 inside the spring clip 22. In addition, a pencil 26 is installed above the base plate 2 and the removable paper plate 23 on the pivot assembly 10 with the spring clip 25.

Устройство для измерения твердости почвы (твердомер) работает следующим образом. Перед работой твердомер тарируется. Для этого к рукоятке 7 (фиг. 1) вертикально установленного твердомера дается определенное измеренное усилие. Цилиндрическая пружина 13 сжимается, и пишущий механизм отклоняет карандаш 26 (фиг. 2) в горизонтальном направлении. Соотношение усилия и отклонения измеряются и используются для дальнейших расчетов. Первоначально в твердомере закрепляется бумажная лента 24. Для этого, сжимая скобы, разводят пружинный зажим 22 и выводят из-под него нижнюю часть, а затем и всю съемную пластину для бумаги 23. Накладывают на нее бумажную ленту 24, заворачивают ее концы и вставляют сначала в П-образный верхний изгиб базовой пластины 2, а затем и в разжатый нажимной скобой пружинный зажим 22. Затем пружинный зажим 22 отпускают, и он вдавливает бумажную ленту 24 и центрирует нижнюю часть съемной пластины для бумаги 23 относительно диска, закрепленного штифтом в центре нижнего цилиндрического загиба базовой пластины 2. Далее карандаш 26 (фиг. 2) вкручивается в держатель на пружинной скобе 25 до соприкосновения его стержня с бумажной лентой 24, и, открутив запорный винт 6, перемещают за рукоятку 7 подвижную часть твердомера и прочерчивают на бумаге нулевую линию. Затем проворачивают вместе с поворотным узлом 10 вокруг горизонтальной оси на 90 градусов пружинную скобу 25, отводя карандаш 26 от бумажной ленты 24. Твердомер возвращают в первоначальное положение.A device for measuring soil hardness (hardness tester) works as follows. Before work, the hardness tester is calibrated. For this, a certain measured force is given to the handle 7 (Fig. 1) of the vertically installed hardness tester. The coil spring 13 is compressed and the writing mechanism deflects the pencil 26 (FIG. 2) in the horizontal direction. The force-to-deflection ratio is measured and used for further calculations. Initially, a paper tape 24 is fixed in the hardness tester. To do this, squeezing the staples, spread the spring clip 22 and remove the lower part from under it, and then the entire removable paper plate 23. Apply the paper tape 24 to it, wrap its ends and insert first into the U-shaped upper bend of the base plate 2, and then into the spring clip 22 released by the pressure bracket. Then the spring clip 22 is released, and it presses the paper strip 24 and centers the lower part of the removable paper plate 23 relative to the disk fixed with a pin in the center of the lower the cylindrical bend of the base plate 2. Next, the pencil 26 (Fig. 2) is screwed into the holder on the spring clip 25 until its rod touches the paper tape 24, and, by unscrewing the locking screw 6, move the movable part of the hardness tester by the handle 7 and draw a zero line on the paper ... Then, together with the pivot assembly 10, the spring clip 25 is rotated around the horizontal axis by 90 degrees, removing the pencil 26 from the paper tape 24. The hardness tester is returned to its original position.

В месте определения твердости ставят твердомер нижней опорной пластиной 21 (фиг. 2) на почву в вертикальное положение, возвращают поворотный узел 10 с пружинной скобой 25 и карандашом 26 в рабочее положение и за рукоятку 7 вдавливают пружинную спицу 19 (фиг. 1) с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 в почву. При этом верхняя и нижняя подвижные пластины 3 и 17 перемещаются по направляющим штангам 1 и карандаш 26 (фиг. 2), опускаясь, чертит на бумаге кривую вертикального перемещения. Усилие сопротивления внедрению калиброванного цилиндрического наконечника 20 (фиг. 1) в почву передается через пружинную спицу 19, цилиндрическую удлиненную втулку 15 и нижнее опорное седло 16, закрепленное гайкой 18, на цилиндрическую пружину 13, верхним концом опирающуюся на опорную тарелку 12. Цилиндрическая пружина 13, сжимаясь, перемещает центральный стержень телескопической штанги 14 внутри ее наружной трубы 8. Расстояние между рукояткой 7 и кареткой 11 уменьшается и это передается через пластинчатые тяги 9 и двуплечий рычаг на поворотный узел 10 с пружинной скобой 25 (фиг. 2) и карандашом 26, которые перемещаются в поперечном направлении. Карандаш 26 перемещаясь по бумажной ленте 24 в продольном и поперечном направлениях, чертит на ней кривую линию, соответствующую твердости почвы на глубине прохождения калиброванного цилиндрического наконечника 20 (фиг. 1).At the place of determining the hardness, put the hardness tester with the lower support plate 21 (Fig. 2) on the soil in a vertical position, return the rotary assembly 10 with the spring bracket 25 and the pencil 26 to the working position and press the spring spoke 19 (Fig. 1) with the calibrated cylindrical tip 20 into the soil. In this case, the upper and lower movable plates 3 and 17 move along the guide rods 1 and the pencil 26 (Fig. 2), going down, draws a vertical displacement curve on the paper. The force of resistance to the penetration of the calibrated cylindrical tip 20 (Fig. 1) into the soil is transmitted through the spring spoke 19, the cylindrical elongated sleeve 15 and the lower support saddle 16, secured by the nut 18, to the cylindrical spring 13, the upper end resting on the support plate 12. The cylindrical spring 13 , contracting, moves the central rod of the telescopic rod 14 inside its outer tube 8. The distance between the handle 7 and the carriage 11 decreases and this is transmitted through the plate rods 9 and the two-armed lever to the pivot assembly 10 with a spring clip 25 (Fig. 2) and a pencil 26, which move in the lateral direction. The pencil 26, moving along the paper tape 24 in the longitudinal and transverse directions, draws on it a curved line corresponding to the hardness of the soil at the depth of passage of the calibrated cylindrical tip 20 (Fig. 1).

При измерении твердости на сильно уплотненной почве к рукоятке 7 твердомера прикладывают большие усилия для заглубления пружинной спицы 19 с калиброванным цилиндрическим наконечником 20. На твердомер возрастают скручивающие нагрузки, которые расшатывают узлы крепления направляющих штанг 1 с верхней и нижней опорными пластинами 5 и 21. Для увеличения общей жесткости конструкции под верхней опорной пластиной 5 твердомера установлен стопорный узел 4, который цилиндрическими зажимами дополнительно фиксирует между собой направляющие штанги 1. При максимальном вдавливании пружинной спицы 19 с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 в уплотненную почву, на место соединения их с цилиндрической удлиненной втулкой 15 действует, кроме силы сжатия, и изгибающая сила, которая способна по ослабленному резьбой месту переломить пружинную спицу 19. Во избежание этого в нижней части цилиндрической удлиненной втулки 15 выполнен небольшой участок цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру пружинной спицы 19, в котором, не ослабленная резьбой, пружинная спица 19 удерживается от поломки.When measuring the hardness on highly compacted soil, great efforts are applied to the handle 7 of the hardness tester to deepen the spring spoke 19 with a calibrated cylindrical tip 20. Torsional loads increase on the hardness tester, which loosen the attachment points of the guide rods 1 with the upper and lower base plates 5 and 21. To increase of the general rigidity of the structure under the upper support plate 5 of the hardness tester, a locking unit 4 is installed, which with cylindrical clamps additionally fixes the guide rods 1 to each other. , in addition to the compressive force, and the bending force, which is capable of breaking the spring spoke 19 at the place weakened by the thread. To avoid this, a small section of the cylindrical surface with a diameter equal to the diameter is made in the lower part of the cylindrical elongated sleeve 15 at the spring spoke 19, in which, not loosened by the thread, the spring spoke 19 is kept from breaking.

После заглубления в почву карандаш 26 (фиг. 2) за рычаг поворотного узла 10 проворачивают в холостое положение (отводят от бумаги) и за рукоятку 7 пружинную спицу 19 (фиг. 1) с калиброванным цилиндрическим наконечником 20 извлекают из почвы. Установив твердомер на новое место и вернув пишущий узел в рабочее положение, повторяют нужное количество измерений с фиксацией каждой кривой. При нажатии на нажимную скобу пружинного зажима 22, быстро снимается съемная пластина для бумаги 23 с возможностью замены бумажной ленты 24 и возвращением их под пружинный зажим 22.After penetration into the soil, the pencil 26 (Fig. 2) is turned into the idle position by the lever of the pivot assembly 10 (removed from the paper) and the spring spoke 19 (Fig. 1) with a calibrated cylindrical tip 20 is removed from the soil by the handle 7. After installing the hardness tester in a new place and returning the writing unit to the working position, repeat the required number of measurements with fixing each curve. By pressing the pressure bracket of the spring clip 22, the removable paper plate 23 is quickly removed with the possibility of replacing the paper tape 24 and returning them under the spring clip 22.

После завершения измерений снимают величины отклонения диаграмм на каждой глубине, определяют их средние значения и, используя ранее полученный тарировочный переводной коэффициент (индивидуальный для каждого твердомера), определяют среднее значение твердости на разной глубине.After the completion of the measurements, the deviation values of the diagrams are taken at each depth, their average values are determined and, using the previously obtained calibration conversion factor (individual for each hardness tester), the average hardness value is determined at different depths.

Предлагаемое устройство успешно использовалось при определении твердости уплотненной почвы в полевых условиях при возделывании сельскохозяйственных культур с минимальными обработками.The proposed device has been successfully used to determine the hardness of compacted soil in the field during the cultivation of crops with minimal treatments.

Claims

A device for measuring soil hardness, including an upper and lower support plates with stiffeners fixed between them, guide rods with a movable plate, a paper strip with a spring clip, an outer tube with a central rod of a telescopic rod, a coil spring, a carriage, a handle, a stopper assembly, containing a locking screw, and a writing mechanism with a rotary unit, characterized in that a bushing is fixed on the central rod of the telescopic rod, inside of which a spring spoke with a calibrated tip is installed on the thread, and outside on the thread is a lower support saddle for a coil spring and a second movable plate with a nut , moreover, a smooth cylindrical section with a diameter equal to the diameter of the spring spoke is made in the inner lower part of the sleeve before the thread.