土壤剪切扭矩測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種土壤剪切扭矩測量裝置，包括十字剪切板、傳動箱、連接桿、安裝在傳動箱上的GPS定位裝置、通過連接桿與傳動箱相連的電動機、安裝在電動機上的蓄電池、兩端分別與傳動箱和十字剪切板相連的傳動桿、安裝在傳動箱上的單片機以及多個安裝在傳動箱上支架。該裝置采用電力對田間土壤的剪切扭矩進行快速測量，可以避免人為操作帶來的誤差，所獲結果準確，可為田間作業機具的選擇和設計提供可靠依據。
【專利說明】土壤剪切扭矩測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及農業土壤力學性能檢測【技術領域】，具體為一種土壤剪切扭矩測量裝置。
【背景技術】
[0002]土壤耕整是保證農業生產過程順利進行的基礎，是農業耕作機械的主要作業內容。土壤耕整的目的是對農田土壤進行機械處理使之適合農作物生長，其實質是一種復雜的土壤遷移、變形及破碎過程。在此過程中，土壤結構、耕作部件形狀、土壤與耕作部件間相互作用等均對其產生重要影響，在這一過程中能源消耗也最多。為估算土壤耕整機械作業功率消耗、開展土壤力學特性研究以及對各種田間土壤耕作部件進行結構優化設計，需要快速測量并獲取土壤剪切強度，但是現有獲取這些土壤力學特性參數的方案主要依靠人工操作剪切裝置完成，存在剪切速度不穩定、測量效率低、測量誤差大等問題。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是為了克服上述不足而提供一種結構簡單且能快速準確測定土壤剪切強度的土壤剪切扭矩測量裝置。
[0004]本發明一種土壤剪切扭矩測量裝置，包括十字剪切板、傳動箱、連接桿、通過連接桿與傳動箱相連的電動機、安裝在電動機上的蓄電池、兩端分別與傳動箱和十字剪切板相連的傳動桿、安裝在傳動箱上的單片機以及多個安裝在傳動箱上的支架。
[0005]所述傳動箱包括主動齒輪、從動齒輪、與從動齒輪嚙合的從動齒條、與主動齒輪嚙合的主動齒條、兩端分別與主動齒條和從動齒條相連的拉壓力傳感器、兩個對稱設置在傳動箱兩側內壁的直線導軌以及兩個用于控制主動齒條和從動齒條移動行程的螺紋桿，所述傳動箱兩端分別設有螺孔，所述螺紋桿位于螺孔內。
[0006]所述直線導軌內側設有V型槽，所述主動齒條和從動齒條兩側均有兩個與V型槽配合的半球型凹坑，所述V型槽和半球型凹坑之間鑲嵌有鋼球。
[0007]所述剪切十字板包括兩塊形狀相同的矩形板，所述兩塊矩形板呈十字相交設置，所述剪切十字板一端設有伸縮桿，所述伸縮桿上設有多個均勻分布的第一徑向通孔，所述傳動桿的一端設有花鍵軸，所述傳動桿的另一端為薄壁圓筒；所述薄壁圓筒上設有多個均勻分布的第二徑向通孔，所述花鍵軸與從動齒輪相連接，所述伸縮桿位于薄壁圓筒內，所述第一徑向通孔和第二徑向通孔通過銷釘定位。
[0008]所述傳動箱上安裝有GPS定位裝置。
[0009]所述支架共3個且互成夾角120°安裝于傳動箱的底部。
[0010]本發明具有以下有益效果:
[0011]1、該裝置結構簡單，操作方便，采用電力對田間土壤的剪切扭矩進行快速測量，可以避免人為操作帶來的誤差，所獲結果準確，可為田間作業機具的選擇和設計提供可靠依據。
[0012]2、拉力傳感器將測得的數據采集和儲存到單片機中，由單片機對數據進行處理，并進行存儲。通過單片機的存儲功能，可以連續地對田間多個點位進行測量，并可對不同點位數據進行分析比較。
[0013]3、GPS定位裝置在工作中可以輔助確定測量點的空間位置，從而獲得對應田塊的空間地理位置上的土壤信息數據。
[0014]4、本土壤剪切扭矩測量裝置可通過調節驅動桿與剪切板伸縮桿間的連接長度，從而測定水田土壤中不同深度處的土壤剪切值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明結構示意圖。
[0016]圖2為傳動箱內部結構示意圖。
[0017]圖3為主動齒條側視圖。
[0018]圖4為從動齒條側視圖。
[0019]圖5為直線導軌結構示意圖。
[0020]圖6為十字剪切板結構示意圖。
[0021]圖7為傳動桿結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及實施例進一步說明本發明。
[0023]實施例:本發明所述的土壤剪切扭矩測量裝置，包括十字剪切板8，還包括傳動箱
2、連接桿15、安裝在傳動箱2上的GPS定位裝置1、通過連接桿15與傳動箱2相連的電動機5、安裝在電動機5上的蓄電池7、兩端分別與傳動箱2和十字剪切板8相連的傳動桿4、安裝在傳動箱2上的單片機3以及多個安裝在傳動箱上支架6，拉壓力傳感器17的信號輸出端與單片機3的信號輸入引腳相連。所述傳動箱2包括主動齒輪11、從動齒輪13、與從動齒輪13嚙合的從動齒條12、與主動齒輪11嚙合的主動齒條10、兩端分別與主動齒條10和從動齒條12相連的拉壓力傳感器17、兩個對稱設置在傳動箱2兩側內壁的直線導軌9以及兩個螺紋桿14，所述傳動箱2兩端的分別設有螺孔2a，所述螺紋桿14位于螺孔2a內，兩個所述螺紋桿14通過調節在傳動箱2內的伸縮長度從而分別控制主動齒條10和從動齒條12的移動行程。所述直線導軌9內側設有V型槽9a，所述主動齒條10和從動齒條12兩側均有兩個與V型槽9a配合的半球型凹坑22，所述V型槽9a和半球型凹坑22之間鑲嵌有鋼球16。從動齒條12和主動齒條10通過鋼球16與V型槽9a相配合，可在兩直線導軌9之間沿箱體橫向軸線方向左右滑動。直線導軌9背部與傳動箱體側壁相貼、對稱于傳動箱箱體橫向軸線安裝于傳動箱前后側壁；直線導軌9由螺栓安裝在傳動箱中，導軌背部裝有緊固螺釘，用來調整導軌的松緊度。拉壓力傳感器17通過兩端的螺紋桿分別與主從齒條上的螺紋孔相連接，安裝于兩齒條之間，用于采集兩齒條間的拉壓力。GPS定位裝置安裝在傳動箱2的上方，在工作中可以輔助確定測量點的空間位置，從而獲得對應田塊的空間地理位置上的土壤力學特性信息數據。
[0024]本發明中的單片機3選用51單片機，安裝于傳動箱2底部，控制電動機5正反轉、存儲和處理拉力傳感器17所采集的數據。所述剪切十字板8包括兩塊形狀相同的矩形板8a，所述兩塊矩形板8a呈十字相交，所述兩塊相交的矩形板8a —端設有伸縮桿18，所述伸縮桿18上設有多個均勻分布的第一徑向通孔18a，所述傳動桿4的一端設有花鍵軸19，所述傳動桿4的另一端為薄壁圓筒20 ;所述薄壁圓筒20上設有多個均勻分布的第二徑向通孔20a，所述花鍵軸19與從動齒輪13相連接，所述伸縮桿18位于薄壁圓筒20內，還包括銷釘21，所述銷釘21位于第一徑向通孔18a和第二徑向通孔20a內。伸縮桿18下端開有十字交叉的槽，兩矩形板8a分別穿過伸縮桿18下端的槽，互成90°夾角呈十字狀嵌裝伸縮桿18下端；所述支架6的數量為3個且互成夾角120°安裝于傳動箱2的底部，支承傳動箱并保證本測量裝置穩定放置于泥土表面。
[0025]本發明的工作原理為:蓄電池7安置于電動機5下方為電動機5提供電力，電動機5為整個裝置提供動力；傳動箱2通過連接桿15與電動機5相連接；電動機5通過連接桿15帶動傳動箱2中的齒輪齒條驅動傳動桿4帶動十字剪切板8旋轉切削土壤；十字剪切板8與從動齒輪13同軸同轉速回轉，因此，拉壓力傳感器17上測定的拉壓力與從動齒條12和從動齒輪13之間中心距的乘積，即為本裝置所測定的土壤剪切扭矩。拉壓力傳感器17采集主從動齒條間的拉壓力信號并存儲在單片機3中，測試結束后將采集到的數據輸送到計算機進行處理。
[0026]本裝置工作時，首先將裝置的十字剪切板8插入預定深度土壤中，然后調節支架6使本測量裝置平穩放置于田間地表；也通過調節銷釘21來調節十字剪切板的插入深度；將蓄電池7與電動機5接通，打開電動機5使電動機5回轉，通過連接桿15帶動主動齒輪11轉動，主動齒輪11與主動齒條10嚙合，主動齒條10驅動從動齒條12在直線導軌9內滑動；從動齒條12與從動齒輪13嚙合，帶動從動齒輪13轉動，從動齒輪13將動力輸出帶動傳動桿4回轉；拉壓力傳感器17其通過兩端的螺紋桿分別與主從動齒條上的螺紋孔相連接，安裝于主從動齒條之間；傳動桿4回轉從而驅動剪切十字板8在土壤中旋轉，剪切扭矩轉換為拉壓力被拉壓力傳感器17采集，拉壓力傳感器17將采集的數據存儲在單片機3中；單片機3根據剪切過程需要控制電動機5的正反轉與停止。當剪切板旋轉90°后，測試結束，此時單片機3將所存儲的數據導入到計算機中，由專門設計的分析程序對數據進行處理，從而獲得土壤剪切扭矩。
[0027]本裝置測量土壤剪切扭矩的理論計算公式如下:
[0028]十字剪切板由兩塊矩形板8a相交分成四部分,每一部分的長為Imm,寬為dmm。假設水田中的平均應力為FN/mm2，則每塊剪切板上受到的扭矩大小為:
[0029]?,,4 = f" f Fxdxdv
JO Jo^
[0030]上式中X為剪切板上任一點到剪切板伸縮桿中心線間的距離，由此得到4塊十字剪切板上受到的扭矩總大小為:
[0031 ] T = 4^-1,4 [■ Fxdxdy
[0032]拉壓力傳感器所測得的拉壓力為F1N,從動齒條和從動齒輪之間垂直的中心距為Lmm，則十字剪切板上所受的剪切扭矩為:
[0033]T = F1X L
[0034]上述測定的扭矩T與全部剪切面積的比值即可用來評價所測量土壤抵抗外部剪切力的能力即剪切強度。
[0035]本發明屬于自主開發與設計，成本低廉，適用性強，且該裝置重量輕巧，結構簡單，操作方便，可以對田間土壤的剪切扭矩進行快速的測量，所獲結果可為田間作業機具的選擇和設計提供可靠的依據。
[0036]以上【具體實施方式】描述了本發明的基本原理和主要特征，闡明本發明的優點。本發明不受上述實施方式的限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種土壤剪切扭矩測量裝置，包括十字剪切板(8)，其特征在于:還包括傳動箱(2)、連接桿(15)、通過連接桿(15)與傳動箱(2)相連的電動機(5)、安裝在電動機(5)上的蓄電池(7)、兩端分別與傳動箱(2)和十字剪切板(8)相連的傳動桿(4)、安裝在傳動箱(2)上的單片機(3)以及多個安裝在傳動箱上的支架(6)。
2.根據權利要求1所述的土壤剪切扭矩測量裝置，其特征在于所述傳動箱(2)包括主動齒輪(11)、從動齒輪(13)、與從動齒輪(13)嚙合的從動齒條(12)、與主動齒輪(11)嚙合的主動齒條(10)、兩端分別與主動齒條(10)和從動齒條(12)相連的拉壓力傳感器(17)、兩個對稱設置在傳動箱(2)兩側內壁的直線導軌(9)以及兩個用于控制主動齒條(10)和從動齒條(12)移動行程的螺紋桿(14)，所述傳動箱(2)兩端分別設有螺孔(2a)，所述螺紋桿(14)位于螺孔(2a)內。
3.根據權利要求2所述的土壤剪切扭矩測量裝置，其特征在于所述直線導軌(9)內側設有V型槽(9a)，所述主動齒條(10)和從動齒條(12)兩側均有兩個與V型槽(9a)配合的半球型凹坑(22)，所述V型槽(9a)和半球型凹坑(22)之間鑲嵌有鋼球(16)。
4.根據權利要求2或3所述的土壤剪切扭矩測量裝置，其特征在于所述剪切十字板(8)包括兩塊形狀相同的矩形板(8a)，所述兩塊矩形板(8a)呈十字相交設置，所述剪切十字板(8) —端設有伸縮桿(18)，所述伸縮桿(18)上設有多個均勻分布的第一徑向通孔(18a)，所述傳動桿(4)的一端設有花鍵軸(19)，所述傳動桿(4)的另一端為薄壁圓筒(20);所述薄壁圓筒(20)上設有多個均勻分布的第二徑向通孔(20a)，所述花鍵軸(19)與從動齒輪(13)相連接，所述伸縮桿(18)位于薄壁圓筒(20)內，所述第一徑向通孔(18a)和第二徑向通孔(20a)通過銷釘(21)定位。
5.根據權利要求2或3所述的土壤剪切扭矩測量裝置，其特征在于所述傳動箱(2)上安裝有GPS定位裝置(I)。
6.根據權利要求5所述的土壤剪切扭矩測量裝置，其特征在于所述支架(6)共3個且互成夾角120°安裝于傳動箱(2)的底部。
【文檔編號】G01N3/24GK104237027SQ201410429068
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】張國忠, 周勇, 黃海東, 劉青, 翟康毅, 向云鵬, 張沙沙, 張強, 楊文平, 盧康, 雷志強 申請人:華中農業大學