專利名稱：土壤粘附力測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地面機(jī)械中的一種小型測量儀器。
地面機(jī)械，無論是以土壤為工作介質(zhì)的各種陸用車輛，還是以土壤為工作對象的各種農(nóng)業(yè)機(jī)具與土方工程機(jī)械，都會不同程度地受到土壤的粘附，輕者增大阻力，增加能耗，影響作業(yè)質(zhì)量，降低生產(chǎn)率，重者無法行走或作業(yè)。為研究和開發(fā)地面機(jī)械降阻減粘的技術(shù)，如何有效地測量各種土壤條件下粘附力的大小是一個關(guān)鍵問題。
現(xiàn)有的各種土壤粘附力測量儀，無論室內(nèi)固定式，還是室外便攜式，主要是由測盤，加載裝置和測力元件組成，測盤均采用整體式，它僅能測量土壤外附力小于內(nèi)聚力條件下的粘附力。由江蘇工學(xué)院研制、南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SF-1型水田土壤外附力/內(nèi)聚力測量儀，就是采用整體式測盤，雖然可更換不同材料的測盤，但在土壤外附力大于內(nèi)聚力的條件下，由于測盤粘附，測不出真實的土壤粘附力。而在外附力大于內(nèi)聚力的土壤條件下，正是地面機(jī)械降阻減粘研究具有實際意義的主要研究內(nèi)容，現(xiàn)有的這種土壤粘附力測量儀還存在無隨遇調(diào)節(jié)裝置，加載不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的，是要克服現(xiàn)有土壤粘附力測量儀中存在的上述缺點(diǎn)，提供一種在保證受壓時測盤與土壤接觸界面狀態(tài)基本不變的條件下，能有效地測量各種土壤條件(包括外附力大于內(nèi)聚力)下的粘附力;同時使加載連續(xù)穩(wěn)定，并能隨遇調(diào)整測盤的傾斜度，以保證其與被測土壤表面平行的新型土壤粘附力測量儀。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是土壤粘附力測量儀，主要是由測頭，加載裝置和測力元件組成，其特殊之處是測頭采用外測盤(4)和內(nèi)測盤(5)的兩體組合式測盤，外測盤(4)套裝在內(nèi)測盤(5)上，并按一定錐度裝配，用組合壓板(22)固定，加載裝置主要由氣缸體(14)，活塞(13)和活塞導(dǎo)桿(17)組成，活塞(13)將氣缸體(14)的內(nèi)腔分為上下兩腔，其內(nèi)分別裝有氣缸上腔氣囊(11)和氣缸下腔氣囊(10)，在氣缸上腔氣囊(11)和氣缸下腔氣囊(10)上分別設(shè)有進(jìn)排氣口(12)、(15)，活塞導(dǎo)桿(17)上裝有隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它是由活動球?qū)?16)和與其球頭端動配合裝配的支承臺(7)，以及限制兩者相對位置的鎖緊壓板(8)所組成，組合式測盤裝在固定套(19)上，固定套(19)與活塞導(dǎo)桿(17)固定，其間裝有拉壓傳感器(18)，支承臺(7)上設(shè)有支架桿(6)。
以上所說的組合式測盤的外測盤(4)為具有內(nèi)外側(cè)錐面的環(huán)形錐體，內(nèi)測盤(5)為與外測盤(4)內(nèi)側(cè)錐面相配合的錐體。
以上所說的隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上的活動球?qū)?16)可繞支承臺(7)上的球窩中心自由活動，活塞導(dǎo)桿(17)可在活動球?qū)?16)內(nèi)自由滑動。
結(jié)合附圖對上述方案詳述如下該測量儀主要是由組合式測盤，測力系統(tǒng)，加載裝置和隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，組合測盤主要采用內(nèi)測盤(5)，外套裝外測盤(4)，并以一定的配合錐度通過組合壓板(22)將內(nèi)外測盤組合為一體。內(nèi)外測盤分別為錐體和環(huán)形錐體結(jié)構(gòu)。當(dāng)施力壓土?xí)r，將組合壓板(22)對正，通過鎖緊機(jī)構(gòu)將內(nèi)外測盤固定為一整體，如同整體測盤。當(dāng)提起測盤測粘附力時，將鎖緊機(jī)構(gòu)打開，兩測盤自行分離，僅內(nèi)測盤(5)提起，外測盤(4)不動，拉脫力與內(nèi)測盤(5)面積之商即為欲測的粘附力。由于內(nèi)測盤(5)不會粘土，組合測盤下壓時為一整體剛性盤，盤與土壤接觸界面狀態(tài)與整體測盤無異，剛性測盤下壓應(yīng)力均布，故用內(nèi)測盤(5)測出的粘附力，與用整體測盤測出的粘附力是一致的。
采用組合式測盤是本發(fā)明技術(shù)方案中最關(guān)鍵部分。它從根本上解決了整體式測盤不能有效地測量a＞c(a為外附力，c為內(nèi)聚力)條件下的粘附力和由于接地比壓的增大，測盤隨土壤流變下陷造成測盤外緣摩擦效應(yīng)且粘土嚴(yán)重而不能真空地測定粘附力的問題。
根據(jù)理論分析和實驗得到，不論測盤下土壤處于何種狀態(tài)，靠近測盤處的土壤承受的壓力較大，密度增加，抗拉強(qiáng)度提高。相應(yīng)地，這一區(qū)域，尤其是靠近測盤中心處的土壤，在測盤提離時，更難于粘起或斷裂。當(dāng)含水量較高的土壤在受壓后，土發(fā)生粘閉，土壤孔隙中多余的土壤水向四周流動，這時受壓部位的含水量減小，而邊緣和下層土壤含水量增加，致使靠近測盤中心處土壤抗拉強(qiáng)度增加，而測盤周圍和下層土壤抗拉強(qiáng)度減小。通常情況下，當(dāng)a＞c時，土壤粘附條件Aa＞F′+vp(A為測盤受壓面積，F(xiàn)′為粘附土體斷裂曲向上抗拉強(qiáng)度在垂直方向的分量和，V為粘附土體的體積，p為粘附土體的容重)成立，則這一等壓應(yīng)力面所包含的土體就將粘附在測盤表面上。這就是整體測盤在a＞c的條件下，無法測出a的真實值的關(guān)鍵所在。本發(fā)明采用內(nèi)外測盤組合的形式，在加載時，組合測盤與整體測盤條件一致，而卸載將內(nèi)測盤(5)提起時，便有A′a＜F′+vp(A′為內(nèi)測盤受壓面積)，由于內(nèi)測盤(5)處于抗拉強(qiáng)度最大，土體最難于被粘起的中心部位，故內(nèi)測盤上不含粘土。此處由于剛性盤上壓應(yīng)力均布，故用內(nèi)測盤(5)測出的粘附力a即為所要求測出的粘附力。
為了保證加載系統(tǒng)的載荷連續(xù)，平穩(wěn)且便于操作，以及適合于實測等要求，本發(fā)明采用雙向氣囊式氣缸加載裝置進(jìn)行氣動式氣力加載，它主要是由氣缸體(14)、活塞(13)和活塞導(dǎo)桿(17)組成，氣缸體(14)內(nèi)由活塞分成的上下腔內(nèi)分別裝有氣缸上腔氣囊(11)和氣缸下腔氣囊(10)，這種雙向氣囊可以在軸向大變形而徑向小變形，氣缸上腔進(jìn)氣，下腔排氣，可推動活塞向下運(yùn)動，反之活塞向上運(yùn)動，并通過活塞導(dǎo)桿(17)將所要求的作用力傳遞給組合式測盤，活塞往復(fù)運(yùn)動，即可進(jìn)行加載、卸載并拉脫內(nèi)測盤(5)。
氣動加載控制，可以采用二位三通電磁閥氣壓控制回路，它主要是由二位三通電磁閥A、B、C、D，流量調(diào)節(jié)開關(guān)E、F、G和單向閥H、I、J、K，以及氣壓表、儲氣袋、手氣球組成。加載時，電磁閥A和D通電導(dǎo)通。氣缸上腔通氣，下腔排氣;保持壓力時，電磁閥A斷電，D繼續(xù)導(dǎo)通，保證下腔處于排氣狀態(tài);此時，由于土壤在組合測盤的作用下，發(fā)生流變下陷現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸內(nèi)上腔氣壓降低，還可采用氣量調(diào)節(jié)開關(guān)，靠連續(xù)補(bǔ)氣的方式實現(xiàn)保壓工況，開關(guān)量大小可以根據(jù)不同土壤下陷程度確定，這樣保證連續(xù)平穩(wěn)，無沖擊現(xiàn)象;卸載和脫拉時，電磁閥C和B通電導(dǎo)電，D斷電截止，氣缸下腔進(jìn)氣，上腔排氣，其速率由流量開關(guān)預(yù)先設(shè)定;氣壓回路的單項閥，是防止壓縮空氣自泄的。
氣動加載系統(tǒng)的壓縮空氣來自蓄能器，該蓄能器可以采用一種簡易儲氣袋，充以一定壓力的空氣?；芈分辛髁看笮∪Q于儲氣袋壓力，采用可氣動充氣，氣壓可達(dá)0.1MPa。
在土壤粘附力測定中，保證測盤與被測土壤表面平行加載，對于測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度具有決定性意義，尤其在田間野外實測時就更為重要。因此本發(fā)明采用了在活塞導(dǎo)桿(17)上加裝了隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用套裝在活塞導(dǎo)桿(17)上的活動球臺(7)上的球窩內(nèi)，用鎖緊壓板(8)將活動球?qū)?16)限制在支承臺(7)上的球窩內(nèi)，但活動球?qū)?16)可繞球窩中心全方位任意旋轉(zhuǎn)，活塞導(dǎo)桿(17)可在活動球?qū)?16)內(nèi)滑動，活塞導(dǎo)桿(17)通過其端部裝有的固定套(19)組合式測盤固定，這樣就充分保證了測盤表面與被測土壤表面均勻接觸，并可施加垂直土壤表面的作用載荷和將被測盤從土壤表面垂直拉開。
本發(fā)明的測力系統(tǒng)是通過裝在活塞導(dǎo)桿(17)與固定套之間的拉壓傳感器(18)將拉壓力信號傳出，采用單片機(jī)控制測試系進(jìn)行土壤粘附力測定，并通過磁帶機(jī)和微處理機(jī)進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的儲存、處理和結(jié)果的分析。
本發(fā)明所提供的技術(shù)方案具有以下積極效果由于采用組合測盤，可以有效的測量各種條件下的土壤粘附力，特別是解決測量外附力(a)大于內(nèi)聚力(c)的技術(shù)問題，由于采用氣動加載裝置，使加卸載連續(xù)穩(wěn)定，保壓效果好，工作可靠，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，由于該測量儀上設(shè)有隨遇導(dǎo)向調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以合理調(diào)整測盤與被測土壤表面的平行關(guān)系，保證載荷垂直測盤，從而提高了測量精度。


圖1為土壤粘附力測量儀結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為活動球?qū)?16)零件圖;
圖3為支承臺(7)零件圖;
圖4為鎖緊壓板(8)零件圖;
圖5為組合壓板(22)零件圖;
圖6為圖5的剖視圖;
圖7為二位三通電磁閥氣壓控制回路示意圖。
圖中(1)為環(huán)形底座，(2)為固定螺帽，(3)為土樣盒，(4)為外測盤，(5)為內(nèi)測盤，(6)為支架桿，(7)為支承臺，(8)為鎖緊壓板，(9)為鎖緊螺帽，(10)為氣缸下腔氣囊，(11)為氣缸上腔氣囊，(12)為氣缸上腔進(jìn)排氣口，(13)為活塞，(14)為氣缸體，(15)為氣缸下腔排氣口，(16)為活動球?qū)祝?17)為活塞導(dǎo)桿，(18)為拉壓傳感器，(19)為固定套，(20)為固定螺帽，(21)為組合螺母，(22)為組合壓板A、B、C、D為二位三通電磁閥，E、F、G為流量調(diào)節(jié)開關(guān)，H、I、J、K為單向閥。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述技術(shù)方案，下面僅舉其中一例說明。
由氣動加載裝置，隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，傳感器和組合測盤組成的一種土壤粘附力測量儀，加載裝置主要是由氣缸體(15)、活塞(13)、活塞導(dǎo)桿(17)組成，活塞(13)將氣缸體(15)內(nèi)腔分為上下兩個空腔，其上腔裝有氣缸上腔氣囊(11)，下腔裝有環(huán)形氣缸下腔氣囊(10)，上下氣囊上分別開有進(jìn)排氣口(12)、(15)，其內(nèi)的氣壓氣量由二位三通電磁閥氣壓控制回路控制。在套裝活塞導(dǎo)桿(17)導(dǎo)上的活動球?qū)?16)，其下端為圓球狀，支承臺(7)上帶有與活動球?qū)?16)的球頭相配合的球窩，活動球?qū)?16)用帶有圓孔的鎖緊壓板(8)限位于支承臺(7)的球窩內(nèi)，并可以繞球窩中心全方位旋轉(zhuǎn)，其配合間隙應(yīng)在保證自由轉(zhuǎn)動的前題下盡量小。活塞導(dǎo)桿(17)用固定套(19)與組合測盤連接，在活塞導(dǎo)桿(17)的端部裝有拉壓傳感器，其輸出的拉壓力信號通過單板機(jī)，磁帶機(jī)和微處理機(jī)進(jìn)行測試、數(shù)據(jù)存儲和處理。組合式測盤是由環(huán)形錐體的外測盤(4)和與其具有一定錐度配合的內(nèi)測盤(5)組成，內(nèi)測盤(5)是通過組合壓板(22)用組合螺母(21)固定在外測盤(4)上，組合測盤的材料可視測量不同材料對土壤的粘附情況而定，一般用45＃鋼或不繡鋼。內(nèi)外測盤的組合角度可取90°。整個測量儀是通過固定在支承臺(7)上的支架桿(6)支承，支架桿(6)的下端裝有環(huán)形底座(1)，裝有被測土壤的土樣盒(3)放在環(huán)形底座(1)上，即組合式測盤下面進(jìn)行測量。
權(quán)利要求
1.一種土壤粘附力測量儀，主要是由測頭，加載裝置和測力元件組成，其特征是測頭采用外測盤(4)和內(nèi)測盤(5)的兩體組合式測盤，外測盤(4)套裝在內(nèi)測盤(5)上，并按一定錐度裝配，用組合壓板(22)固定，加載裝置主要由氣缸體(14)，活塞(13)和活塞導(dǎo)桿(17)組成，活塞(13)將氣缸體(14)的內(nèi)腔分為上下兩腔，其內(nèi)分別裝有氣缸上腔氣囊(11)和氣缸下腔氣囊(10)，在氣缸上腔氣囊(11)和氣缸下腔氣囊(10)上分別設(shè)有進(jìn)排氣口(12)、(15)，活塞導(dǎo)桿(17)上裝有隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它有由活動球?qū)?16)和與其球頭端動配合裝配的支承臺(7)，以及限制兩者相對位置的鎖緊壓板(8)所組成，組合式測盤裝在固定套(19)上，固定套(19)與活塞導(dǎo)桿(17)固定，其間裝有拉壓傳感器(18)，支承臺(7)上設(shè)有支架桿(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤粘附力測量儀，其特征是所說的組合式測盤的外測盤(4)為具有內(nèi)外側(cè)錐面的環(huán)形錐體，內(nèi)測盤(5)為與外測盤(4)內(nèi)側(cè)錐錐面相配合裝配的錐體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的土壤粘附力測量儀，其特征是所說的隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上的活動球?qū)?16)可繞支承臺(7)上的球窩中心自由活動，活塞導(dǎo)桿(17)可在活動球?qū)?16)內(nèi)自由滑動。
全文摘要
一種用于測量土壤粘附力的小型土壤粘附力測量儀，具有由內(nèi)外兩個測盤組成的組合式測盤，帶有雙向氣囊式氣缸的氣動加載系統(tǒng)和隨遇導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以及測力元件。該儀器具有加載卸載連續(xù)穩(wěn)定，保證測盤與被測土壤表面平行，特別是行之有效的測量各種土壤條件(包括外附力大于內(nèi)聚力)下的土壤外附力。
文檔編號E02D1/00GK1051978SQ89108689
公開日1991年6月5日 申請日期1989年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月18日
發(fā)明者任露泉, 陳秉聰, 陳德興, 吳連奎, 張書軍, 楊文志 申請人:吉林工業(yè)大學(xué)