CN110243657A - 一种用于装填试验土柱的装置及其装填方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于装填试验土柱的装置，包括工作平台，工作平台上设置有可拆卸的土柱，工作平台还固接有竖直的支撑柱，支撑柱外壁设置有红外限位传感器，支撑柱的顶端固定有输送模组、夯实模组、刮毛模组，输送模组、夯实模组、刮毛模组与支撑柱同向；同时还公开了一种使用该装置的装填方法。本发明通过三组模组配合使用，高效完成土柱填装作业，省时省力，节省了人为劳动力的投入；通过机械作用消除了人为操作的误差，提高土柱实验的精度，为批量次土壤水分运动分析试验的开展提供有力支持，且装置结构简单，容易操作，适用于各类试验环境。
Description
技术领域
本发明属于土壤水分运动测量仪器技术领域，涉及一种用于装填试验土柱的装置，本发明还涉及一种用于装填试验土柱的装置的装填方法。
背景技术
目前，在开展土壤水分运动的试验研究中，土柱试验是观测土壤水运动过程及分析水力参数的有效手段，广泛应用于农、林、地质、水利、土木和环境等行业中。一般土柱的材质为有机玻璃，透过透明的柱体可以实时观测湿润锋的推进及土壤水环境的变化。另外，土柱实验可以和野外土壤模拟实验互补，系统探讨分析水分、盐分等物质迁移的动态变化规律，可以较为精确地计算出土壤环境中水、盐、肥及污染物等物质的输入和输出，进而分析小区域生态环境的变化过程。
土柱实验可根据试验规模选取不同尺寸的土柱，柱体基本为有机玻璃圆筒，柱底固定以法兰式透气底板，供水装置采用马利奥特瓶。目前，土柱的填装过程基本靠人为操作，通过将计算定量的土壤样品填装到土柱内，使用铁锤均匀发力夯实土体，以满足试验设计的土壤容重。但是，在实际操作过程中，土柱中的土壤样品的填装对于实验结果的影响很大，往往因土壤样品填装不均匀导致试验失败。系统分析原因后，人为填装土柱存在以下问题：①由于不同地区土壤容重不一致，遇到较大容重的土壤进行土柱填装时，人为夯实土体过程费时费力，工作效率较低；②填装土壤样品时，由于土柱内部空间较长，直接将土壤样品倒入土柱中，容易因土壤颗粒重力不一致而导致土壤颗粒分布不均匀，无法精确模拟自然土壤状态；③人为夯实土体的过程中，铁锤用力完全靠人为感知判断，无法满足系列对比实验中土壤结构的一致性，进而直接影响实验结果的有效性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于装填试验土柱的装置，解决了现有技术中存在人工装填土壤容重及颗粒分布不均匀的问题。
本发明所采用的技术方案是一种用于装填试验土柱的装置，包括工作平台，工作平台上设置有可拆卸的土柱，工作平台还固接有竖直的支撑柱，支撑柱外壁设置有红外限位传感器，支撑柱的顶端设置有主控电机，主控电机的输出轴固定有套管，套管可绕支撑柱作周向运动，套管固定有输送模组、夯实模组、刮毛模组，输送模组、夯实模组、刮毛模组与支撑柱同向；输送模组包括电缸A，电缸A与支撑柱同向，电缸A包括本体和运动体，电缸A的本体固定于支撑柱，电缸A的运动体上固定有连接平台A，连接平台上固定电机A及与支撑柱同向的套筒，套筒内设置有输送杆，输送杆与电机A的输出轴相连；夯实模组包括电缸B，电缸B与支撑柱同向，电缸B包括本体和运动体，电缸B的本体固定于支撑柱，电缸B的运动体上固定有连接平台B，连接平台B上固定电机B及与支撑柱同向的夯实动力杆，夯实动力杆的一端固定有夯实锤，夯实动力杆的另一端与电机B的输出轴相连；刮毛模组包括电缸C，电缸C与支撑柱同向，电缸C包括本体和运动体，电缸C的本体固定于支撑柱，电缸C的运动体上固定有连接平台C，连接平台C上固定电机C及与支撑柱同向的刮毛动力杆，刮毛动力杆的一端固定有刮毛刷，刮毛动力杆的另一端与电机C的输出轴相连；主控电机、电缸A、电机A、电缸B、电机B、电缸C、电机C电性连接。
本发明的特点还在于：
红外限位传感器沿支撑杆外壁轴向等距设置。
夯实锤与土柱、刮毛刷与土柱为间隙配合。
工作平台上设置有土柱固定卡槽，土柱安置在土柱固定卡槽内
输送杆为螺旋形杆件。
支撑柱与工作平台之间通过分度盘连接，分度盘型号为TS160A，支撑柱可随分度盘回转体在工作平台的环槽内转动，以实现各工作模组精准定位进入土柱进行内部作业。
本发明的有益效果是通过三组模组的协同作用，消除了因土壤颗粒大小不一而导致土壤输送不均匀、夯实用力不均匀而带来的试验误差的问题，同时夯实土体表层颗粒松散，与上层土体自然连接。
本发明的另一目的是提供一种用于装填试验土柱的装置的装填方法，解决了现有技术中存在的费时费力，投入人工劳动力多的问题。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种用于装填试验土柱的装置的装填方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将称重好的的土壤样品，送入输送模组中的套筒，通过电机A和输送杆的配合作用，将土壤样品缓慢均匀输送到土柱的底部；
步骤2：夯实模组中夯实锤通过电机B提供动力，垂向振动夯实土体，红外限位传感器实时监测土体高度，达到预先设定高度后，停止夯土作业；
步骤3：刮毛模组中刮毛刷通过电机C的驱动作用伸入到土体表层以下0.5cm处，横向缓慢旋转，使得夯实土体表层颗粒松散，方便与上层土体自然连接；
步骤4：重复循环步骤1-3，直至土柱装填完毕。
本发明的特点还在于：
本发明的有益效果是，通过三组模组配合使用，高效完成土柱填装作业，省时省力，节省了人工劳动力的投入。同时，通过机械作用消除了人为操作的误差，提高土柱实验的精度，为批量次土壤水分运动分析试验的开展提供有力支持，且装置结构简单，容易操作，适用于各类试验环境。
附图说明
图1是本发明一种用于装填试验土柱的装置的结构示意图；
图2是本发明一种用于装填试验土柱的装置的输送模组的结构示意图；
图3是本发明一种用于装填试验土柱的装置的夯实模组的结构示意图；
图4是本发明一种用于装填试验土柱的装置的刮毛模组的结构示意图；
图5是本发明一种用于装填试验土柱的装置的工作平台的结构示意图。
图中，1.工作平台，2.土柱，3.支撑柱，4.红外限位传感器，5.主控电机，6.套管，7.输送模组，7-1.电缸A，7-2.连接平台A，7-3.电机A，7-4.套筒，7-5.输送杆，8.夯实模组，8-1.电缸B，8-2.连接平台B，8-3.电机B，8-4.夯实动力杆，8-5.夯实锤，9.刮毛模组，9-1.电缸C，9-2.连接平台C，9-3.电机C，9-4.刮毛动力杆，9-5.刮毛刷，10.分度盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于装填试验土柱的装置，如图1所示，包括工作平台1，工作平台1上设置有可拆卸的土柱2，工作平台1还固接有竖直的支撑柱3，支撑柱3外壁设置有红外限位传感器4，支撑柱4的顶端设置有主控电机5，主控电机5的输出轴固定有套管6，套管6可绕支撑柱3作周向运动，套管6上固定有输送模组7、夯实模组8、刮毛模组9，输送模组7、夯实模组8、刮毛模组9与支撑柱3同向；工作平台1上设置有土柱固定卡槽，土柱2安置在土柱固定卡槽内；
如图2所示，输送模组7包括电缸A7-1，电缸A7-1与支撑柱3同向，电缸A7-1包括本体和运动体，电缸A7-1的本体固定于支撑柱3，电缸A7-1的运动体上固定有连接平台A7-2，连接平台A7-2上固定有电机A7-3及与支撑柱3同向的套筒7-4，套筒7-4内设置有输送杆7-5，输送杆7-5与电机A7-3的输出轴相连；
如图3所示，夯实模组8包括电缸B8-1，电缸B8-1与支撑柱3同向，电缸B8-1包括本体和运动体，电缸B8-1的本体固定于支撑柱3，电缸B8-1的运动体上固定有连接平台B8-2，连接平台B8-2上固定电机B8-3及与支撑柱3同向的夯实动力杆8-4，夯实动力杆8-4的一端固定有夯实锤8-5，夯实动力杆8-4的另一端与电机B8-3的输出轴相连；
如图4所示，刮毛模组9包括电缸C9-1，电缸C9-1与支撑柱3同向，电缸C9-1包括本体和运动体，电缸C9-1的本体固定于支撑柱3，电缸C9-1的运动体上固定有连接平台9-2C，连接平台C9-2上固定电机C9-3及与支撑柱3同向的刮毛动力杆9-4，刮毛动力杆9-4的一端固定有刮毛刷9-5，刮毛动力杆9-4的另一端与电机C9-3的输出轴相连；
主控电机5、电缸A7-1、电机A7-3、电缸B8-1、电机B8-3、电缸C9-1、电机C9-3电性连接。
红外限位传感器4沿支撑杆3外壁轴向等距设置。
夯实锤8-5与土柱2、刮毛刷9-5与土柱2为间隙配合。
如图5所示，工作平台1为环状工作流水线，依次完成土柱内单层土样输送、土体夯实及土体表层刮毛三步流程，从土柱底部往上循环工作，直至土柱试验土体填装完成。
输送杆7-5为螺旋形杆件，采用螺旋式往土柱内部输送土壤样品，防止输送土样过程中，因土壤颗粒重力不一致而导致土壤颗粒分布不均匀，进而影响土壤水分运动试验的精确性，减少试验误差。
采用垂向移动的电缸A7-1与红外限位传感器4的配合，可实现土柱2内部分层填装土壤样品，尽量使得整体试验土体内部受力均匀，接近于自然土体结构；另外，通过分层填装土样，可用于模拟层状土结构土壤水分运动试验。
采用同一功率的夯实锤8-5，可提高单一因素变动下的系列土柱实验的土体结构相似度，减少因夯土而导致的试验误差；另外，通过控制电机B8-3的功率，进而改变夯实锤8-5夯土的力度，可实现控制土体的不同土壤容重。
通过支撑柱3外壁上的外红限位传感器4的实时工作，可控制输送模组7、夯实模组8、刮毛模组9的作业面高度，当输送模组7、夯实模组8、刮毛模组9的作业面达到预先设定的土体填装位置，即可停止该模组工作，进而转向下一流程。
采用电缸A7-1、电缸B8-1、电缸C9-1控制相应模组的作业高度，可实现不同尺寸土柱2内不同高度的输送、夯实及刮毛作业。
采用刮毛刷9-5可刮毛夯实后的单层土体表面，与覆盖填装土样自然过渡，减少分层填装土样带来的层间误差；
采用分度盘10连接支撑柱3与工作平台1，支撑柱3可随分度盘10内回转体在工作平台1的环槽内转动。
本发明另一个技术方案是，一种用于装填试验土柱的装置的装填方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将称重好的的土壤样品，送入输送模组中7的套筒7-4，通过电机A7-3和输送杆7-5的配合作用，将土壤样品缓慢均匀输送到土柱2的底部；
步骤2：夯实模组8中夯实锤8-5通过电机B8-3提供动力，垂向振动夯实土体，红外限位传感器4实时监测土体高度，达到预先设定高度后，停止夯土作业；
步骤3：刮毛模组9中刮毛刷9-5通过电机C9-3的驱动作用伸入到土体表层以下0.5cm处，横向缓慢旋转，使得夯实土体表层颗粒松散，方便与上层土体自然连接；
步骤4：重复循环步骤1-3，直至土柱装填完毕。
具体装置实施方式为：将已经计算称重好的土壤样品，送入套筒7-4，螺旋式的输送杆7-5开始工作，通过电缸A7-1垂向移动螺旋式的输送杆7-5伸入土柱2的内部，输送杆7-5通过电机A7-3的驱动开始旋转，缓慢将土壤样品送入土柱2的底部，输送土样过程时间根据经验预先已设定。输送土样工作结束后，输送杆7-5通过输送模组7的电缸A7-1带动上升，离开土柱2的内部；主控电机5开始工作，带动套管6旋转，其上固接的夯实模组8也随之旋转，并对准土柱2作业面，同时夯实模组8的电缸B8-1工作，将夯实锤8-5向下移动到土层作业高度，通过预先设定振动夯实锤8-5工作功率，夯实锤8-5不断垂向振动来夯实土体，支撑柱3上的红外限位传感器4实时监测土体高度，当夯土作业面达到预先设定土层高度时，夯土作业停止，夯实锤8-5通过夯实模组8的电缸B8-1带动上升，离开土柱2的内部。套管6继续旋转，将刮毛模组9对准土柱2作业面，刮毛模组9的电缸C9-1工作，将刮毛刷9-5向下移动到土层作业面向下5cm处，刮毛刷9-5横向旋转，将作业面表层紧实土壤颗粒刮成自然松散状态，刮毛过程时间根据经验预先已设定；刮毛工作结束后，刮毛刷9-5通过刮毛模组9的电缸C9-1带动上升，离开土柱2内部；套管6继续旋转，，将输送模组7对准新的土柱2作业面，循环开始下一层土体填装作业，直至土柱2内部土体整体填装结束。
本发明包括一组土柱填装工作平台和三组工作模组，工作模组通过机械接口与工作平台上连接台侧面的机械借口从而固定，支撑柱3通过横向旋转为工作模组提供工位切换，三组工作模组包括输送模组7、夯实模组8及刮毛模组9。三者呈等距环状分布在土柱填装工作平台，为土柱分层土体填装提供循环流水线作业。
使用本装置进行装填的方法，输送模组7采用螺旋式的输送杆7-5，巧妙消除因土壤颗粒大小不一而导致土壤输送不均匀的问题；夯实模组8通过控制电机B8-3提供动力，夯实锤8-5垂向振动夯实土体结构，通过红外限位传感器4确定土层夯实高度，消除了因夯实用力不均匀而带来的试验误差；刮毛模组9通过刮毛刷9-5横向旋转使得夯实土体表层颗粒松散，与上层土体自然连接。
该装置结构布置合理，通过三组模组配合使用，高效完成土柱填装作业，省时省力，节省了人为劳动力的投入。同时，通过机械作用消除了人为操作的误差，提高土柱实验的精度，为批量次土壤水分运动分析试验的开展提供有力支持，且装置结构简单，容易操作，适用于各类试验环境。
Claims (8)
1.一种用于装填试验土柱的装置，其特征在于，包括工作平台(1)，所述工作平台(1)上设置有土柱(2)，所述工作平台(1)上设置有土柱固定卡槽，所述土柱(2)安置在土柱固定卡槽内，所述工作平台(1)还固接有竖直的支撑柱(3)，所述支撑柱(3)的外壁设置有红外限位传感器(4)，所述支撑柱(3)的顶端设置有主控电机(5)，所述主控电机(5)的输出轴固定有套管(6)，所述套管(6)可绕支撑柱(3)作周向运动，所述套管(6)上固定有输送模组(7)、夯实模组(8)、刮毛模组(9)，所述输送模组(7)、夯实模组(8)、刮毛模组(9)与支撑柱(3)同向；
所述输送模组(7)包括电缸A(7-1)，所述电缸A(7-1)与支撑柱(3)同向，所述电缸A(7-1)包括本体和运动体，所述电缸A(7-1)的本体固定于支撑柱(3)，所述电缸A(7-1)的运动体上固定有连接平台A(7-2)，所述连接平台A(7-2)上固定电机A(7-3)及与支撑柱(3)同向的套筒(7-4)，所述套筒(7-4)内设置有输送杆(7-5)，所述输送杆(7-5)与电机A(7-3)的输出轴相连；
所述夯实模组(8)包括电缸B(8-1)，所述电缸B(8-1)与支撑柱(3)同向，所述电缸B(8-1)包括本体和运动体，所述电缸B(8-1)的本体固定于支撑柱(3)，所述电缸B(8-1)的运动体上固定有连接平台B(8-2)，所述连接平台B(8-2)上固定电机B(8-3)及与支撑柱(3)同向的夯实动力杆(8-4)，所述夯实动力杆(8-4)的一端固定有夯实锤(8-5)，所述夯实动力杆(8-4)的另一端与电机B(8-3)的输出轴相连；
所述刮毛模组(9)包括电缸C(9-1)，所述电缸C(9-1)与支撑柱(3)同向，所述电缸C(9-1)包括本体和运动体，所述电缸C(9-1)的本体固定于支撑柱(3)，所述电缸C(9-1)的运动体上固定有连接平台C(9-2)，所述连接平台C(9-2)上固定电机C(9-3)及与支撑柱(3)同向的刮毛动力杆(9-4)，所述刮毛动力杆(9-4)的一端固定有刮毛刷(9-5)，所述刮毛动力杆(9-5)的另一端与电机C(9-3)的输出轴相连；
所述主控电机(5)、电缸A、电机A、电缸B、电机B、电缸C、电机C电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于装填试验土柱的装置，其特征在于，所述红外限位传感器(4)沿支撑杆(3)外壁轴向等距设置。
3.根据权利要求1所述的一种用于装填试验土柱的装置，其特征在于，所述夯实锤(8-5)与土柱(2)、刮毛刷(9-5)与土柱(2)为间隙配合。
4.根据权利要求1所述的一种用于装填试验土柱的装置，其特征在于，所述输送杆(7-5)为螺旋形杆件。
5.根据权利要求1所述的一种用于装填试验土柱的装置，其特征在于，所述支撑杆(3)与工作平台之间连接有分度盘(10)。
6.根据权利要求1所述的一种用于装填试验土柱的装置，其特征在于，所述分度盘(10)型号为TS160A。
7.根据权利要求1所述的一种用于装填试验土柱的装置的装填方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将称重好的的土壤样品，送入输送模组(1)中的套筒(7-4)内，通过电机A(7-3)和输送杆(7-5)的配合作用，将土壤样品缓慢均匀输送到土柱(2)的底部；
步骤2：所述夯实模组(8)中的夯实锤(8-5)通过电机B(8-3)提供动力，垂向振动夯实土体，所述红外限位传感器(4)实时监测土体高度，达到预先设定高度后，停止夯土作业；
步骤3：所述刮毛模组(9)中的刮毛刷(9-5)通过电机C(9-3)的驱动作用伸入到土体表层，横向缓慢旋转，使得夯实土体表层颗粒松散，方便与上层土体自然连接；
步骤4：重复循环步骤1-3，直至土柱装填完毕。
8.根据权利要求7所述的一种用于装填试验土柱的装置的装填方法，其特征在于，步骤3中所述刮毛刷(9-5)伸入到土体表层以下0.5cm。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190917 |