CN108051244B - 一种低扰动土壤取样装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
针对现有技术中土壤采样过程中对土层扰动较大的问题，本发明提供一种低扰动土壤取样装置及其使用方法，包括双层支撑架、设置在双层支撑架上的升降组件、能够通过升降组件进行升降的钻土组件以及驱动组件；其中，所述的钻土组件用于切土和排土并将待取样土壤从上到下切削成柱状土壤样本；所述的升降组件用于带动钻土组件上下运动并将钻土组件取得的土壤样本存放在土样容器中；所述的驱动组件用于驱动钻土组件绕自身轴线旋转。本发明采用打开螺旋切土刀对土样进行修整，最后形成柱状土壤样本，并将该柱状土壤样本存储在不转动的土样容器中，通过闭合螺旋切土刀将柱状土壤样本切断，减小了对土样的扰动，最终获得的土样完整。
Description
技术领域
本发明属于农业工程机械领域，具体地说，本发明涉及一种低扰动土壤取样装置及其使用方法。
背景技术
在农业生产中，土壤条件对作物生长起到至关重要的作用。在播种之前，常常采用深松、旋耕等手段对土壤条件进行改善，以达到作物最佳生长条件。经过深松、旋耕等作业之后，土壤常呈现出松软、蓬松、多孔隙、低粘结的状态。
土壤表面的情况是能够直观看得见的，然而与作物生长息息相关的土壤表面之下的状况通常是不能够直接获得。传统手段是采用土钻获得土壤样品，其结构都是由手柄和钻筒的组成，在进行采样时，由一到两人对手柄施加力使得钻筒垂直向下切入土壤，达到预定深度后，将土壤随钻筒一块带出。普通土钻依赖土壤对钻筒壁的摩擦力，只适合获取黏性较大的土壤样品，且劳动强度大，不适用于深度较大的土壤取样。一种外部带螺旋的土钻，一定程度上能够解决劳动强度的问题，然而依然不能实现快速高效地获取土样。一种适用于沙土的取样器，能够解决松软土壤不脱落问题，但是对土壤扰动过大，不适用于测量土壤孔隙度以及颗粒度等关键参数。还有一种原状土的提取装置，该装置需要做预挖掘才能提取原状土，获得的原状土虽然精确，但费时费力，且不适用于农业生产中的土壤取样。
因此，为了进一步精确测量农业生产中的土壤特性，迫切需要一种快速高效且对土壤低扰动的取样装置。
发明内容
针对现有技术中土壤采样装置劳动强度大、采样过程中对土层扰动较大的问题，本发明提供一种低扰动土壤取样装置及其使用方法，其结构简单，可以快速省力的对土壤进行采样，同时保证采样过程中对土壤无扰动。
为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案是：所述的一种低扰动土壤取样装置，包括双层支撑架、设置在双层支撑架远离地面的上层上的升降组件、能够通过升降组件进行升降的钻土组件、以及驱动组件；其中，所述的钻土组件用于切土和排土并将待取样土壤从上到下切削成柱状土壤样本；该钻土组件穿过双层支撑架中放置在地面上的下层后与待取样的地表接触；所述的升降组件用于带动钻土组件上下运动并将钻土组件取得的土壤样本存放在土样容器中；所述的驱动组件用于驱动钻土组件绕自身轴线旋转；其技术方案在于：
所述的钻土组件包括一端与驱动组件可拆卸连接的向下钻土并排土的外螺旋筒、同轴设置在外螺旋筒内的薄壁筒、用于锁定外螺旋筒与薄壁筒相对位置的限位部件以及利用外螺旋筒与薄壁筒产生相对转动从而实现开合的用于打开旋转切土和闭合切断柱状土壤样本的螺旋切土刀；
其中，所述的薄壁筒的底部设置有轴向凸起的凸沿；其中，所述的螺旋切土刀打开时其切土内径小于等于薄壁筒轴向凸沿的内径；其中，所述的外螺旋筒与薄壁筒的接触面上设置有用于防止薄壁筒上下窜动的台阶。
进一步的，所述的螺旋切土刀包括沿外螺旋筒轴线均布的用于向下切土的多个切刀和连杆； 其中，所述的多个切刀以外螺旋筒的轴线阵列后得到；其中，所述的切刀包括板状刀柄和刀身；其中，所述的板状刀柄与地面水平且该切刀的刀身与水平地面的夹角为15~25°；其中，所述的板状刀柄上均设置有两个通孔，其中一个通孔与薄壁筒凸沿靠近地面的一端铰接；板状刀柄上的另一个通孔与连杆的一端铰接；该连杆的另一端与外螺旋筒靠近地面的一端铰接。
进一步的，所述的切刀的尖端向外螺旋筒轴线方向弯曲；该切刀的尖端以及靠近外螺旋筒轴线方向一端的刀身转动形成切土内径。
进一步的，所述的限位部件包括设置在外螺旋筒上的螺纹通孔和配合该螺纹通孔设置的用于限制外螺旋筒与薄壁筒发生相对转动的手动螺栓。
进一步的，所述的驱动组件包括用于与外螺旋筒连接的凸缘法兰座、设置在凸缘法兰座凸缘段圆柱面外侧的环形齿条、设置在凸缘法兰座与外螺旋筒相对侧设置的步进电机、步进电机输出轴上设置的与环形齿条配合的齿轮；
所述的升降组件包括设置在双层支撑架的上层上的液压缸座、设置在液压缸座上的液压缸、用于为液压缸活塞杆导向的导向杆、铰接在液压缸活塞杆输出端的固定板以及固定板远离外螺旋筒一侧可拆卸设置的多个步进电机座；
其中，所述的液压缸座上设置有用于通过导向杆和液压缸活塞杆的通孔；
其中，所述的凸缘法兰座嵌套在固定板外侧并轴向旋转；
其中， 所述的步进电机设置在步进电机座上；步进电机的数量与步进电机座对应；
所述的土样容器设置在固定板远离液压缸的一侧，该土样容器包括轴向对称设置的第一弧形板和第二弧形板；其中，所述的第一弧形板和第二弧形板的轴向边通过铰链连接，第一弧形板和第二弧形板闭合时形成圆柱体；该第一弧形板和第二弧形板中的任意一个固定设置在固定板上；所述的第一弧形板和第二弧形板靠近地面的一端与薄壁筒的凸沿接触用于防止升降组件向下窜动。
进一步的，所述的外螺旋筒的端部设置有法兰盘该法兰盘与凸缘法兰座可拆卸连接。
进一步的，所述的步进电机对称在连接座的两侧。
进一步的，所述的第一弧形板和第二弧形板上还设置有用于闭合第一弧形板和第二弧形板的搭扣。
进一步的，所述的液压缸座上设置的用于通过导向杆的通孔上设置有滑套。
进一步的，所述的固定板的外圈上设置有第一凸台；所述的凸缘法兰座凸缘段的顶端设置有轴向凸台；该固定板的第一凸台与凸缘法兰座的轴向凸台相互配合用于防止固定板向上窜动。
一种低扰动土壤取样装置的使用方法，包括以下步骤：
a. 双层支撑架的下层放置在待取样地表，并使其牢靠固定，不发生转动；
b.手动旋转外螺旋筒，使外螺旋筒与薄壁筒之间转动一定的角度，带动螺旋切土刀张开，再通过限位部件将外螺旋筒与薄壁筒固定成为一个整体，准备切土取样；
c.启动驱动组件驱动外螺旋筒与薄壁筒绕自身轴线转动；
d.启动升降组件推动外螺旋筒、薄壁筒以及螺旋切土刀一起向地表深度运动；所述的外螺旋筒用于钻土、排土；所述的螺旋切土刀用于将待取样土壤从上到下切削成柱状土壤样本；该柱状土壤样本随着螺旋切土刀的下移逐渐进入土样容器中；
e.当到达制定深度时，人工松开限位部件，旋转外螺旋筒，使外螺旋筒与薄壁筒回到初始状态，螺旋切土刀闭合，并将柱状土壤样本从根部切断，再次将限位部件锁紧，将外螺旋筒与薄壁筒固定为一个整体；
f. 驱动组件反转，使外螺旋筒带动薄壁筒和螺旋切土刀回到地表；
g.将双层支撑架水平地面放置，此时外螺旋筒的轴线与地表平行；人工将钻土组件与驱动组件拆卸后，将外螺旋筒和薄壁筒取下，在土样容器中获得柱状土壤样本。
本发明的有益效果是：本发明采用打开螺旋切土刀对土样进行修整，外螺旋筒向下运动并排出多余土壤，最后形成柱状土壤样本，并将该柱状土壤样本存储在不转动的土样容器中，通过闭合螺旋切土刀将柱状土壤样本切断， 减小了对土样的扰动，最终获得的土样完整。本发明具有操作简便，适用性好的优点。
附图说明
图1为本发明立体示意图。
图2为图1主视图。
图3为图2的局部剖视图。
图4为本发明中螺旋切土刀的结构示意图。
图5为图4的仰视图。
图6为切刀结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1~6，所述的一种低扰动土壤取样装置，包括双层支撑架1、设置在双层支撑架1远离地面的上层101上的升降组件4、能够通过升降组件4进行升降的钻土组件2、驱动钻土组件2的驱动组件3以及用于盛装土样样本的土样容器5；其中，所述的钻土组件2用于将待取样土壤从上到下切削成柱状土壤样本；该钻土组件2穿过双层支撑架1中放置在地面上的下层102后与待取样的地表接触；所述的升降组件4用于带动钻土组件2上下运动使钻土组件2取得的土壤样本存放在土样容器5中；所述的驱动组件3用于驱动钻土组件2绕自身轴线旋转；所述的土样容器5同轴设置在钻土组件2内部并与升降组件4连接；其技术方案在于：所述的钻土组件2包括一端与驱动组件3可拆卸连接的向下钻土并排土的外螺旋筒201、同轴设置在外螺旋筒201内的薄壁筒202、用于锁定外螺旋筒201与薄壁筒202相对位置的限位部件204以及利用外螺旋筒201与薄壁筒202产生相对转动从而实现开合的用于打开旋转切土、闭合切断柱状土壤样本的螺旋切土刀203；其中，所述的薄壁筒202的底部设置有轴向凸起的凸沿；其中，所述的螺旋切土刀203打开时其切土内径小于等于薄壁筒202轴向凸沿的内径；其中，所述的外螺旋筒201与薄壁筒202的接触面上设置有用于防止薄壁筒202上下窜动的台阶。
需要明确的是：所述的柱状土壤样本更加易于观察土壤。
需要明确的是：所述的升降组件4可以是液压驱动也可以是电机驱动，不论是液压驱动还是电机驱动都是现有技术中常见的结构。
需要明确的是：所述的土样容器5同轴设置在钻土组件2内部并与升降组件4连接，保证了钻土组件2在绕自身轴线旋转时，土样容器5不跟随旋转，保证不扰动土壤样本。
需要明确的是：所述的外螺旋筒201与薄壁筒202的接触面上设置有用于防止薄壁筒202上下窜动的台阶，是现有技术中保证嵌套结构不窜动的常规方式。
需要明确的是：所述的待取样土壤均为柔软的土壤不存在石块和硬质土块。
进一步的，所述的螺旋切土刀203包括沿外螺旋筒201轴线均布的用于向下切土的多个切刀2031和连杆2032； 其中，所述的多个切刀2031以外螺旋筒201的轴线阵列后得到；其中，所述的切刀2031包括板状刀柄203A和刀身203B；其中，所述的板状刀柄203A与地面水平且该切刀2031的刀身203B与水平地面的夹角为15~25°；其中，所述的板状刀柄203A上均设置有两个通孔，其中一个通孔与薄壁筒202凸沿靠近地面的一端铰接；板状刀柄203A上的另一个通孔与连杆2032的一端铰接；该连杆2032的另一端与外螺旋筒201靠近地面的一端铰接。
需要明确的是：优选的，刀身203B与水平地面的夹角为20°。此时，可以起到切削土壤的同时又保证切刀2031具有一定的强度可以进行切土作业。
进一步的，所述的切刀2031的尖端向外螺旋筒201轴线方向弯曲；该切刀2031的尖端以及靠近外螺旋筒轴线方向一端的刀身转动形成切土内径。
需要明确的是：优选的，所述的切刀2031的形状为牛角状，该切刀2031的牛角状的尖端向外螺旋筒201轴线方向弯曲。这样的结构可以更好的完成切土作业，同时使切面光滑，方便柱状土壤样本进入土样容器5。
进一步的，所述的限位部件204包括设置在外螺旋筒201上的螺纹通孔和配合该螺纹通孔设置的用于限制外螺旋筒201与薄壁筒202发生相对转动的手动螺栓。
需要明确的是：所述的手动螺栓旋入外螺旋筒201上的螺纹通孔后，顶紧薄壁筒202，保证外螺旋筒201与薄壁筒202的整体性。
进一步的，所述的驱动组件3包括用于与外螺旋筒201连接的凸缘法兰座301、设置在凸缘法兰座301凸缘段圆柱面外侧的环形齿条302、设置在凸缘法兰座301与外螺旋筒201相对侧设置的步进电机303、步进电机303输出轴上设置的与环形齿条302配合的齿轮304；
所述的升降组件4包括设置在双层支撑架1的上层101上的液压缸座401、设置在液压缸座401上的液压缸402、用于为液压缸402活塞杆导向的导向杆403、铰接在液压缸402活塞杆输出端的固定板404以及固定板404远离外螺旋筒201一侧可拆卸设置的多个步进电机座405；
其中，所述的液压缸座401上设置有用于通过导向杆403和液压缸402活塞杆的通孔；
其中，所述的凸缘法兰座301嵌套在固定板404外侧并轴向旋转；
其中， 所述的步进电机303设置在步进电机座405上；步进电机303的数量与步进电机座405对应；
所述的土样容器5设置在固定板404远离液压缸402的一侧，该土样容器5包括轴向对称设置的第一弧形板2031和第二弧形板2032；其中，所述的第一弧形板2031和第二弧形板2032的轴向边通过铰链连接，第一弧形板2031和第二弧形板2032闭合时形成圆柱体；该第一弧形板2031和第二弧形板2032中的任意一个固定设置在固定板404上；所述的第一弧形板2031和第二弧形板2032靠近地面的一端与薄壁筒202的凸沿接触用于防止升降组件4向下窜动。
需要明确的是：所述的液压缸402通过液压缸驱动组件进行驱动，是现有技术中常见的驱动方式，本文不做赘述。
需要明确的是：所述的液压缸402活塞杆设置导向杆403为现有技术中常见的技术方案。
需要明确的是：所述的凸缘法兰座301是现有技术中常见的连接件，本领域人员可以知悉。
需要明确的是：步进电机303的控制方式，不论是正转还是反转都是现有技术中常见的控制手段，本文不做赘述。
需要明确的是：所述的凸缘法兰座301与固定板404的接触面为自润滑材质制成，保证凸缘法兰座301嵌套在固定板404外侧并轴向旋转，类似自润滑轴承。
需要明确的是：所述的土样容器5的内壁光滑，便于柱状土壤样本进入。
进一步的，所述的外螺旋筒201的端部设置有法兰盘该法兰盘与凸缘法兰座301可拆卸连接。
进一步的，所述的第一弧形板2031和第二弧形板2032上还设置有用于闭合第一弧形板2031和第二弧形板2032的可开合搭扣。
需要明确的是：所述的可开合搭扣如旅行箱上使用的搭扣。
进一步的，所述的液压缸座401上设置的用于通过导向杆403的通孔上设置有滑套。
进一步的，所述的固定板404的外圈上设置有第一凸台；所述的凸缘法兰座301凸缘段的顶端设置有轴向凸台；该固定板404的第一凸台与凸缘法兰座301的轴向凸台相互配合用于防止固定板404向上窜动。
一种低扰动土壤取样装置的使用方法，其技术方案在于：包括以下步骤：
a. 双层支撑架1的下层102放置在待取样地表；
b.手动旋转外螺旋筒201，使外螺旋筒201与薄壁筒202之间转动一定的角度，带动螺旋切土刀203张开，再通过限位部件204将外螺旋筒201与薄壁筒202固定成为一个整体，准备切土取样；
c.启动驱动组件3驱动外螺旋筒201与薄壁筒202绕自身轴线转动；
d.启动升降组件4推动外螺旋筒201、薄壁筒202以及螺旋切土刀203一起向地表深度运动；所述的外螺旋筒201用于钻土、排土；所述的螺旋切土刀203用于将将待取样土壤从上到下切削成柱状土壤样本；该柱状土壤样本随着螺旋切土刀203的下移逐渐进入土样容器5中；
e.当到达制定深度时，人工松开限位部件204，旋转外螺旋筒201，使外螺旋筒201与薄壁筒202回到初始状态，螺旋切土刀203闭合，并将柱状土壤样本从根部切断，再次将限位部件204锁紧，将外螺旋筒201与薄壁筒202固定为一个整体；
f. 驱动组件3反转，使外螺旋筒201带动薄壁筒202和螺旋切土刀203回到地表；
g.将双层支撑架1水平地面放置，此时外螺旋筒201的轴线与地表平行；人工将钻土组件2与驱动组件3拆卸后，将外螺旋筒201和薄壁筒202取下，在土样容器5中获得柱状土壤样本。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低扰动土壤取样装置，包括双层支撑架（1）、设置在双层支撑架（1）远离地面的上层（101）上的升降组件（4）、能够通过升降组件（4）进行升降的钻土组件（2）、驱动钻土组件（2）的驱动组件（3）以及用于盛装土样样本的土样容器（5）；其中，所述的钻土组件（2）用于将待取样土壤从上到下切削成柱状土壤样本；该钻土组件（2）穿过双层支撑架（1）中放置在地面上的下层（102）后与待取样的地表接触；所述的升降组件（4）用于带动钻土组件（2）上下运动使钻土组件（2）取得的土壤样本存放在土样容器（5）中；所述的驱动组件（3）用于驱动钻土组件（2）绕自身轴线旋转；所述的土样容器（5）同轴设置在钻土组件（2）内部并与升降组件（4）连接；
其特征在于：所述的钻土组件（2）包括一端与驱动组件（3）可拆卸连接的向下钻土并排土的外螺旋筒（201）、同轴设置在外螺旋筒（201）内的薄壁筒（202）、用于锁定外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）相对位置的限位部件（204）以及利用外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）产生相对转动从而实现开合的用于打开旋转切土、闭合切断柱状土壤样本的螺旋切土刀（203）；
其中，所述的薄壁筒（202）的底部设置有轴向凸起的凸沿；
其中，所述的螺旋切土刀（203）打开时其切土内径小于等于薄壁筒（202）轴向凸沿的内径；
其中，所述的外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）的接触面上设置有用于防止薄壁筒（202）上下窜动的台阶；
所述的螺旋切土刀（203）包括沿外螺旋筒（201）轴线均布的用于向下切土的多个切刀（2031）和连杆（2032）；
其中，所述的多个切刀（2031）以外螺旋筒（201）的轴线阵列后得到；
其中，所述的切刀（2031）包括板状刀柄（203A）和刀身（203B）；其中，所述的板状刀柄（203A）与地面水平且该切刀（2031）的刀身（203B）与水平地面的夹角为15~25°；
其中，所述的板状刀柄（203A）上均设置有两个通孔，其中一个通孔与薄壁筒（202）凸沿靠近地面的一端铰接；板状刀柄（203A）上的另一个通孔与连杆（2032）的一端铰接；该连杆（2032）的另一端与外螺旋筒（201）靠近地面的一端铰接；
所述的驱动组件（3）包括用于与外螺旋筒（201）连接的凸缘法兰座（301）、设置在凸缘法兰座（301）凸缘段圆柱面外侧的环形齿条（302）、设置在凸缘法兰座（301）与外螺旋筒（201）相对侧设置的步进电机（303）、步进电机（303）输出轴上设置的与环形齿条（302）配合的齿轮（304）；
所述的升降组件（4）包括设置在双层支撑架（1）的上层（101）上的液压缸座（401）、设置在液压缸座（401）上的液压缸（402）、用于为液压缸（402）活塞杆导向的导向杆（403）、铰接在液压缸（402）活塞杆输出端的固定板（404）以及固定板（404）远离外螺旋筒（201）一侧可拆卸设置的多个步进电机座（405）；
其中，所述的液压缸座（401）上设置有用于通过导向杆（403）和液压缸（402）活塞杆的通孔；
其中，所述的凸缘法兰座（301）嵌套在固定板（404）外侧并轴向旋转；
其中， 所述的步进电机（303）设置在步进电机座（405）上；步进电机（303）的数量与步进电机座（405）对应；
所述的土样容器（5）设置在固定板（404）远离液压缸（402）的一侧，该土样容器（5）包括轴向对称设置的第一弧形板（2031）和第二弧形板（2032）；其中，所述的第一弧形板（2031）和第二弧形板（2032）的轴向边通过铰链连接，第一弧形板（2031）和第二弧形板（2032）闭合时形成圆柱体；该第一弧形板（2031）和第二弧形板（2032）中的任意一个固定设置在固定板（404）上；所述的第一弧形板（2031）和第二弧形板（2032）靠近地面的一端与薄壁筒（202）的凸沿接触用于防止升降组件（4）向下窜动。
2.根据权利要求1所述的一种低扰动土壤取样装置，其特征在于：所述的切刀（2031）的尖端向外螺旋筒（201）轴线方向弯曲；该切刀（2031）的尖端以及靠近外螺旋筒轴线方向一端的刀身转动形成切土内径。
3.根据权利要求1所述的一种低扰动土壤取样装置，其特征在于：所述的限位部件（204）包括设置在外螺旋筒（201）上的螺纹通孔和配合该螺纹通孔设置的用于限制外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）发生相对转动的手动螺栓。
4.根据权利要求1所述的一种低扰动土壤取样装置，其特征在于：所述的外螺旋筒（201）的端部设置有法兰盘该法兰盘与凸缘法兰座（301）可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述的一种低扰动土壤取样装置，其特征在于：所述的第一弧形板（2031）和第二弧形板（2032）上还设置有用于闭合第一弧形板（2031）和第二弧形板（2032）的可开合搭扣。
6.根据权利要求1所述的一种低扰动土壤取样装置，其特征在于：所述的液压缸座（401）上设置的用于通过导向杆（403）的通孔上设置有滑套。
7.根据权利要求1所述的一种低扰动土壤取样装置，其特征在于：所述的固定板（404）的外圈上设置有第一凸台；所述的凸缘法兰座（301）凸缘段的顶端设置有轴向凸台；该固定板（404）的第一凸台与凸缘法兰座（301）的轴向凸台相互配合用于防止固定板（404）向上窜动。
8.一种如权利要求1所述的低扰动土壤取样装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
a. 双层支撑架（1）的下层（102）放置在待取样地表，使其牢靠固定，不发生转动；
b.手动旋转外螺旋筒（201），使外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）之间转动一定的角度，带动螺旋切土刀（203）张开，再通过限位部件（204）将外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）固定成为一个整体，准备切土取样；
c.启动驱动组件（3）驱动外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）绕自身轴线转动；
d.启动升降组件（4）推动外螺旋筒（201）、薄壁筒（202）以及螺旋切土刀（203）一起向地表深度运动；所述的外螺旋筒（201）用于钻土、排土；所述的螺旋切土刀（203）用于将将待取样土壤从上到下切削成柱状土壤样本；该柱状土壤样本随着螺旋切土刀（203）的下移逐渐进入土样容器（5）中；
e.当到达制定深度时，人工松开限位部件（204），旋转外螺旋筒（201），使外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）回到初始状态，螺旋切土刀（203）闭合，并将柱状土壤样本从根部切断，再次将限位部件（204）锁紧，将外螺旋筒（201）与薄壁筒（202）固定为一个整体；
f. 驱动组件（3）反转，使外螺旋筒（201）带动薄壁筒（202）和螺旋切土刀（203）回到地表；
g.将双层支撑架（1）水平地面放置，此时外螺旋筒（201）的轴线与地表平行；人工将钻土组件（2）与驱动组件（3）拆卸后，将外螺旋筒（201）和薄壁筒（202）取下，在土样容器（5）中获得柱状土壤样本。
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