一种离心式土壤切向粘附摩擦力测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种农业机械技术领域，特别涉及一种离心式土壤切向粘附摩擦力测试装置。

背景技术：

在日常生活与工作中，特别是在农业生产与工程施工过程中，当土壤与地面机械触土部件间沿接触面切线方向发生相对移动时，即土壤沿着机具触土部件表面移动时，如土壤沿犁壁、推土板、挖掘机铲斗、铲运机货斗等触土面移动；或机具触土部件表面沿土壤移动时，如开沟器、犁底、锄、铁锹等沿土壤移动，土壤对机具触土部件的粘附阻力即为土壤对机具的切向粘附摩擦力。在土壤粘附的影响下，地面机械通过性能降低，工作阻力增大，能耗增大，生产效率降低，同时也加重了触土部件工作表面的磨损，降低部件的寿命，因此很有必要开发有效的减粘脱附技术及方法及其粘附摩擦力的测试与分析方法，特别是切向粘附摩擦力的测试与分析方法。

由于土壤粘附的复杂性与多变性，目前国内外对土壤与触土固体材料之间的粘附力测试装置主要集中在法向粘附力的测试；

比如专利号CN202735231U，CN205352913U，CN1051978A涉及的三种土壤粘附力测试装置均为法向方向的粘附力测试，而对于切向方向的土壤粘附摩擦力测试装置及其实用的测试方法暂无。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要解决上述现有的土壤粘附力测试装置均为法向方向的粘附力测试，缺少对切向方向的粘附摩擦力测试装置及其实用的分析方法等问题，而提供一种离心式土壤切向粘附摩擦力测试装置。

本实用新型是由均质旋转圆盘、最小单片机系统、连接键、调速电机、电机固定架和固定螺栓组成，最小单片机系统固定设置在均质旋转圆盘上，均质旋转圆盘通过连接键固定设置在调速电机上端，调速电机固定设置在电机固定架上，固定架通过固定螺栓固定在工作台面上；

所述均质旋转圆盘上具有两根漆包导线、触土试件安放槽和单片机安放槽组成，一根漆包导线的一端连接最小单片机系统的输出端，另一端连接在触土试件上端，另一根漆包导线的一端连接在最小单片机系统的输入端，另一端连接在被测土壤上端，单片机安放槽设置在圆盘中心处，触土试件安放槽设置在均质旋转圆盘边缘处，触土试件安放槽的厚度小于均质旋转圆盘厚度；

所述均质旋转圆盘的材料为有机玻璃或者钢制品；

所述单片机安放槽设置在调速电机轴杆与均质旋转圆盘中心孔的固定处，所述单片机安放槽为矩形；

所述的调速电机的转速范围上限为10000r/min；

本实用新型的测试计算方法，具体步骤如下：

一、设定均质旋转圆盘的半径为R₀，其中0.1m＜R₀＜1m，厚度为h₀，其中0＜h₀＜0.05m，单片机安放槽长宽范围为l₁＜0.04m,b₁＜0.04m，深度h₁＜0.01m；

将触土试件安放槽设置在均质旋转圆盘边缘距均质旋转圆盘中心为R_i的距离处，其中0＜R_i＜R₀，触土试件安放槽的长宽尺寸范围分别为l₂≤0.05m,b₂≤0.05m，深度h₂＜0.01m；

二、利用调速电机带动均质旋转圆盘以大于30r/min的转速作匀速旋转运动，在距离均质旋转圆盘中心位置R_i处的位置以一定的方式在均质旋转圆盘上固定一触土试件，触土试件安放槽的厚度小于触土试件的厚度，让被测土壤以自然或者压实的状态按可计算接触面积的形状均匀铺展在触土试件上表面，启动调速电机，则土壤在触土试件表面随均质旋转圆盘一起作匀速旋转运动，通过控制调速电机的转速，让调速电机以一定增速的方式旋转，当转速达到n_i r/min的时，其中n_i＞30r/min，土壤从触土试件上沿着圆周运动的切向方向脱离触土试件瞬间，记录调速电机的转速，则被测土壤与其对应的触土试件之间的切向粘附摩擦力可由公式：计算得到，式中：

F_τf为被测土壤与触土试件之间的切向粘附摩擦力，单位：N；

M为被测土壤的测量，可由电子秤精量测定，单位：kg；

R_i为触土试件的中心与圆盘中心之间的距离，单位：m；

n_i为电机的转速，单位：r/min；

本实用新型的有益效果：

本实用新型装置结构简单，使用方便，该装置的测试计算方法可以实现对不同性质与参数的土壤与不同的固体触土材料之间的切向粘附摩擦力的测试与定量分析。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图。

图2是本实用新型的主视图。

图3是本实用新型的俯视图。

图4是图3的局部示意图。

具体实施方式

本实用新型主要针对测试粘重土壤的切向粘附摩擦力而设计，涉及的测试计算方法的基本思路是基于水平放置的圆盘在转动过程中，圆盘边缘处的物体随着圆盘一起做匀速转动，如若忽略空气的阻力，此时圆盘上的土壤M所受的里主要由重力G，圆盘对土壤的法向支持力F_N，向心力F_ω和切向粘附摩擦力F_τf，若土壤M处于平衡状态，则其所受的重力G与圆盘对其的法向支持力F_N是一对大小相等，方向相反的力，而在水平方向上，土壤M受向心力F_ω和切向粘附摩擦力F_τf，此二力也是大小相等方向相反的，用公式表达即为：

法向方向：∑F＝0，即

水平方向：∑F＝0，即

而当圆盘的旋转速度达到某一临界转速n_i时，被测土壤M会沿着圆盘切向速度的方向脱离圆盘，记此时的圆盘的角速度度为ω，要使被测土壤M脱离圆盘表面，则原来的平衡状态被打破，即在水平方向上，在数值上F_τf＞F_ω，此时记脱离瞬间的土壤的离心力为F′_ω，显然在数值上F′_ω＝F_ω，由此可得，在土壤脱离的瞬间，土壤M所受的切向粘附摩擦力F_τf＝F′_ω。即此即为电机在转速n时，土壤切向粘附摩擦力的计算公式，式中：

F_τf为被测土壤与触土试件之间的切向粘附摩擦力，单位：牛顿，N；

M为被测土壤的测量，可由电子秤精量测定，单位：kg；

R_i为触土试件的中心与圆盘中心之间的距离，单位：m；

n_i为电机的转速，单位：r/min；

ω为电机的角速度，单位：rad/s；

如图1、图2所示，本实用新型是由均质旋转圆盘1、最小单片机系统2、连接键3、调速电机4、电机固定架5和固定螺栓6组成，最小单片机系统2固定设置在均质旋转圆盘1上，均质旋转圆盘1通过连接键3固定设置在调速电机4上端，调速电机4固定设置在电机固定架5上，固定架5通过固定螺栓6固定在工作台面上；

所述均质旋转圆盘1上具有两根漆包导线7、触土试件安放槽10和单片机安放槽11组成，一根漆包导线7的一端连接最小单片机系统2的输出端，另一端连接在触土试件9上端，另一根漆包导线7的一端连接在最小单片机系统2的输入端，另一端连接在被测土壤8上端，这样可使通电的漆包导线7构成一个闭合回路；

进一步，如图3和图4所示，最小单片机系统通过粘结胶水安放槽11设置在圆盘中心处，触土试件可通过粘结胶水安放槽10设置在均质旋转圆盘1边缘处，触土试件安放槽10的厚度小于均质旋转圆盘1厚度；

进一步，所述的旋转圆盘1材质均匀，圆盘的半径为R₀，其中0.1m＜R₀＜1m，厚度为h₀，其中0＜h₀＜0.05m，圆盘1的材料可为有机玻璃或者钢制品；

本实用新型的测试计算方法如下：

最小单片机系统安放槽2布置在圆盘的旋转中心处，即在电机轴与圆盘旋转中心孔的结合处，关于旋转中心对称布置，根据最小单片机系统的形状，设置为矩形，其长宽范围为l₁＜0.04m,b₁＜0.04m，深度h₁＜0.01m，具体可根据实际尺寸而定，安放槽11可由激光加工或者数控铣得到；

进一步，所述的触土试件安放槽10布置在圆盘边缘距旋转中心为R_i的距离处，其中0＜R_i＜R₀；

进一步，安放槽10的长宽尺寸范围分别为l₂≤0.05m,b₂≤0.05m，深度h₂＜0.01m，具体尺寸可根据实际尺寸而定。安放槽10可由激光加工或者数控铣得到；

进一步，所述的电机3要求为转速可精准控制，转速范围上限为10000r/min；

进一步，所述的离心式土壤切向粘附摩擦力测试原理其特征在于此方法基于离心力计算方法，利用电机带动圆盘以某一转速作匀速旋转运动，在距离圆盘中心位置R_i处的位置以一定的方式在圆盘上固定一触土试件9，让被测土壤8以自然或者压实的状态按可计算接触面积的形状均匀铺展在触土试件9的上表面，启动电机4，则被测土壤8在触土试件9表面随圆盘一起作匀速旋转运动，通过控制电机4的转速，让电机以一定增速的方式作旋转运动，当转速达到临界转速n_i时，被测土壤8从触土试件9上沿着圆周运动的切向方向脱离瞬间，记录电机4的转速，则被测土壤8与其对应的触土试件9之间的切向粘附摩擦力可由公式：计算得到，式中：

F_τf为被测土壤与触土试件之间的切向粘附摩擦力，单位：牛顿，N；

M为被测土壤的测量，可由电子秤精量测定，单位：kg；

R_i为触土试件的中心与圆盘中心之间的距离，单位：m；

n_i为被测土壤脱离触土试件时电机的转速，单位：r/min；

进一步，所述的离心式土壤切向粘附力测试装置，实现记录土壤从触土试件上沿着圆周运动的切向方向脱离触土试件状态的方法是利用最小单片机系统2通过测量湿粘土上下两端之间由漆包导线7构成的闭合回路中的电流来判断被测土壤8是否脱离触土试件9上表面，如果电流为零，则说明被测土壤8已从触土试件9上表面脱离，此方法均简单切实可行，通过记录土壤8从触土试件9脱离时电机的转速n_i，就可依据切向粘附摩擦力计算公式计算出被测土壤8与触土试件9之间的切向粘附摩擦力；

进一步，所述的土壤切向粘附摩擦力测试装置，可以实现定量分析被测土壤8与触土试件9之间的切向粘附摩擦力，可以在已知土壤参数(如含水量、容重、紧实度、土壤种类等)的条件下对给定材料的触土试件9之间的切向粘附摩擦力实现动态测试；通过自制最小单片机系统实时测量土壤上下表面之间的电流的动态变化过程，即可知被测土壤与给定触土试件之间切向粘附摩擦力的动态变化过程；

所述的土壤切向粘附摩擦力测试装置，可以实现对不同性质与参数的土壤与不同触土材料之间的切向粘附摩擦力的测试，此方法简单可行，且能实现定量分析。