CN114136685B - 一种草甸植被根系取样及表土剥离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种草甸植被根系取样及表土剥离装置，包括底部为敞口的外桶和设置在外桶内部的取样桶，外桶底部安装有竖直向下的定位柱和向外侧延伸的护沿，外桶外壁设置有伸缩架，伸缩架上安装有万向轮，取样桶顶部轴接有纵向设置的取样电机，取样电机外壁固接有滑动升降筒，滑动升降筒从外桶的顶部穿出并在顶端连接控制台；取样桶包括上部的烘干分离区和下部的取样区。本发明用于牧区草原植被根系研究工作，能够完整获取样地植株根系，而且根据试验需求能够快速烘干并分离根系表层土壤，为牧区草甸植被生态学及生态修复植株选育研究提供便利，为牧区抗旱减灾、农牧业可持续发展提供重要研究资料，自动化程度高，获取速度快。

Description

一种草甸植被根系取样及表土剥离装置
技术领域
本发明涉及一种草甸植被根系取样及表土剥离装置。
背景技术
根系作为大气、土壤、植株间物质循环过程的重要环节，具有吸收土壤水分和肥料、抵抗自然灾害等重要功能，亦是生态系统结构功能的重要组成部分。植被根系的深浅、形态及生物量等参数受物种类型及水文气候条件等多方面影响，尤其与土壤含水量密切相关，而土壤含水量又是表征农牧业干旱的重要指标，气候变暖水患灾害频发背景下，探究植被根系生态学及其与干旱、碳循环等关系具有重要意义。但因根系生长于地下，根系分支复杂，原位完整采样的研究手段一直存在困难，使得研究结果与实际情况存在偏差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种草甸植被根系取样及表土剥离装置。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种草甸植被根系取样及表土剥离装置，包括底部为敞口的外桶和设置在外桶内部的取样桶，外桶底部安装有竖直向下的定位柱和向外侧延伸且尾端上翘的护沿，外桶外壁设置有伸缩架，伸缩架上安装有万向轮，取样桶顶部轴接有纵向设置的取样电机，取样电机外壁固接有滑动升降筒，滑动升降筒从外桶的顶部穿出并在滑动升降筒的顶端连接控制台，滑动升降筒外部套设复位弹簧，复位弹簧的上端和下端分别抵接至控制台和外桶的上表面，滑动升降筒由至少三个竖直设置的面板拼合而成；取样桶包括上部的烘干分离区和下部的取样区；所述外桶包括两个半桶，两个半桶之间通过锁扣固定连接；外桶内壁设置土壤收集盒。
作为本发明的一种优选技术方案，所述烘干分离区的侧壁均匀开设漏孔，烘干分离区配设烘干系统，烘干系统包括风机、风道和设置在风道内的电热丝，风道连通至烘干分离区。
作为本发明的一种优选技术方案，所述风道的出风口开设在取样桶内壁且高于漏孔，出风口排出干热气流的方向与水平面的夹角为0°-90°，出风口排出干热气流的方向与出风口所在位置的烘干分离区侧壁的夹角为0°-90°。
作为本发明的一种优选技术方案，所述取样桶的内壁在同一水平面上削薄形成安装槽，并在安装槽内通过铰接轴铰接有翻转装置，铰接轴位于烘干分离区与取样区的分界线，翻转装置沿取样桶的内壁呈均匀圆周排布，翻转装置包括连接在铰接轴上的闭合板和拉力板，闭合板和拉力板之间的夹角为90°-135°，拉力板的背面连接有钢丝，钢丝穿出烘干分离区的侧壁并通过取样桶外壁上的定滑轮变向后连接至翻转驱动器，铰接轴上轴接从动齿轮，从动齿轮由翻转驱动器驱动；取样区的侧壁底端为切割刀片。
作为本发明的一种优选技术方案，所述闭合板和拉力板分别位于铰接轴的下方和上方，闭合板为倒三角形，拉力板为三角形或长条形或倒T形。
作为本发明的一种优选技术方案，所述从动齿轮的轴心到钢丝与拉力板连接点的距离等于从动齿轮的轴心到烘干分离区的侧壁上钢丝穿出点的距离；所述翻转驱动器嵌设在所述取样桶的侧壁上，翻转驱动器包括用于卷动钢丝的卷轮、与从动齿轮啮合连接的驱动齿轮，卷轮和驱动齿轮分别由牵引电机和辅助电机驱动，牵引电机和辅助电机均为变频电机且由变频控制器控制，牵引电机和辅助电机的转动方向相反，牵引电机和辅助电机的工作过程满足公式(1)如下
式中，R为从动齿轮的轴心到钢丝与拉力板连接点的距离，也是从动齿轮的轴心到烘干分离区的侧壁上钢丝穿出点的距离；r1是从动齿轮的半径；r2是驱动齿轮的半径；r3是卷轮的半径；ω1是牵引电机的转动角速度；ω2是辅助电机的转动角速度；α是拉力板与取样桶内壁切面的夹角，该切面是铰接轴位置对应的取样桶内壁切面；通过变频控制器调节牵引电机和辅助电机的转动角速度，来控制钢丝对拉力板的拉动翻转速度与从动齿轮对铰接轴的转动速度同步运行。
作为本发明的一种优选技术方案，所述翻转驱动器嵌设在所述取样区的侧壁上，翻转驱动器包括用于卷动钢丝的卷轮、与从动齿轮啮合连接的转接齿轮以及用于驱动转接齿轮转动的驱动齿轮，所述卷轮和驱动齿轮由同一个驱动电机驱动，卷轮和驱动齿轮依线性排列的方式安装在该驱动电机的驱动轴上；转接齿轮为空心齿轮，转接齿轮的内圈和外圈分别为棘齿和直齿，转接齿轮内部套接副齿轮，副齿轮上安装有棘爪，棘爪与棘齿配合，驱动齿轮与副齿轮啮合，棘爪由拨叉控制从而切换与棘齿的结合或分离状态；通过转接齿轮，使翻转装置向上翻转时仅由钢丝牵引，翻转装置向下翻转时仅由从动齿轮带动。
作为本发明的一种优选技术方案，所述闭合板与拉力板的背面均连接有钢丝，翻转驱动器包括活动设置在取样桶外围的升降环和用于控制升降环升降的升降机构，该升降环水平布置，升降机构包括固定在取样桶外壁的安装座以及至少三个设置在安装座上并与升降环连接的电动推杆；闭合板与拉力板背面的钢丝穿出取样桶侧壁并通过弹性张紧轮变向后固定连接至升降环；通过升降环的升降来牵引钢丝，使各翻转装置同步翻转。
作为本发明的一种优选技术方案，所述切割刀片为双排锯齿形或单排锯齿且相邻锯齿向相反方向偏斜的结构。切割刀片的特殊构造能够防止样地土壤粘在切割刀片上，影响切割效率。
作为本发明的一种优选技术方案，所述土壤收集盒边缘配设挂钩，外桶内壁开设挂槽，挂钩包括平板，平板的末端向上伸出挂板，挂钩为L形，挂槽包括横槽和竖槽，横槽下表面为弧形，挂板卡在竖槽内。
作为本发明的一种优选技术方案，土壤收集盒也可以为环形，土壤收集盒通过螺纹连接在外桶的内壁。
作为本发明的一种优选技术方案，土壤收集盒的位置低于铰接轴的高度。
(三)有益效果
本发明用于牧区草原植被根系研究工作，能够完整获取样地植株根系，而且根据试验需求能够快速烘干并分离根系表层土壤，为牧区草甸植被生态学及生态修复植株选育研究提供便利，为牧区抗旱减灾、农牧业可持续发展提供重要研究资料，自动化程度高，获取速度快。
本发明的翻转驱动器能够避免对翻转装置的阻挡，而且通过钢丝与拉力板能够加大力臂，进而加大力矩，为翻转装置提供足够大的翻转力，提高了本发明单次采样量的上限。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的纵剖结构图；
图2为本发明第一种具体实施例中翻转装置的立体图；
图3为本发明第二种具体实施例中翻转装置的立体图；
图4为本发明第三种具体实施例中翻转装置的立体图；
图5为本发明第四种具体实施例中翻转装置和翻转驱动器的联动关系图；
图6为本发明第五种具体实施例中翻转装置和翻转驱动器的联动关系图；
图7为本发明图6中各齿轮间传动关系的放大图；
图8为本发明本发明第六种具体实施例中翻转装置和翻转驱动器的联动关系图。
图9位本发明土壤收集盒的安装结构示意图。
附图中的附图标记依次为：
1、外桶 2、取样桶 3、定位柱 4、护沿 5、伸缩架 6、万向轮 7、取样电机 8、滑动升降筒 9、控制台 10、复位弹簧 11、烘干分离区 12、取样区 13、漏孔 14、风机 15、出风口16、安装槽 17、翻转装置 18、钢丝 19、定滑轮 20、翻转驱动器 21、切割刀片 22、升降环23、安装座 24、电动推杆 25、弹性张紧轮 26、土壤收集盒 171、铰接轴 172、闭合板 173、拉力板 174、从动齿轮 201、卷轮 202、驱动齿轮 203、转接齿轮 204、副齿轮 205、棘爪206、拨叉 207、棘齿 208、直齿 261、挂钩 262、挂槽。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的草甸植被根系取样及表土剥离装置，包括底部为敞口的外桶1和外桶1内部的取样桶2，外桶1底部安装有竖直向下的定位柱3和向外侧延伸且尾端上翘的护沿4，定位柱3用于固定外桶1，护沿4能够防止工作人员的脚离外桶1太近，进而避免外桶1压伤或者定位柱3刺伤脚部；外桶1外壁设置有伸缩架5，伸缩架5上安装有万向轮6，通过伸缩架5和万向轮6便于移动设备；取样桶2顶部轴接有纵向设置的取样电机7，取样电机7带动取样桶2在外桶1内转动，为切割草甸和分离根系携带的土壤提供动力；取样电机7外壁固接有滑动升降筒8，滑动升降筒8从外桶1的顶部穿出并在滑动升降筒8的顶端连接控制台9，滑动升降筒8外部套设复位弹簧10，复位弹簧10的上端和下端分别抵接至控制台9和外桶1的上表面，滑动升降筒8由四个竖直设置的面板拼合而成，即滑动升降筒8为四方桶，使滑动升降筒8在外桶1顶部只能上下滑动，而不能转动；取样桶2包括上部的烘干分离区11和下部的取样区12，取样区12将根系和土壤从样地进行采集，烘干分离区11对根系和土壤烘干和分离，最终得到根系样品；所述外桶1包括两个半桶，两个半桶之间通过锁扣固定连接；外桶1内壁设置土壤收集盒26，外桶1能够打开，便于清理外桶1与取样桶2之间滞留的土壤颗粒，土壤收集盒26能够将土壤样品收集，用于测定土壤养分。
所述烘干分离区11的侧壁均匀开设漏孔13，烘干分离区11配设烘干系统，烘干系统包括风机14、风道和设置在风道内的电热丝，风道连通至烘干分离区11。
所述风道的出风口开设在取样桶内壁且15高于漏孔13，出风口15排出干热气流的方向与水平面的夹角为30°，出风口15排出干热气流的方向与出风口15所在位置的烘干分离区11侧壁的夹角为30°。烘干系统为烘干分离区11输送干热气流，使土壤失去水分变得松散，最终在取样桶2的旋转离心力作用下从漏孔13甩出。出风口15排出干热气流的方向为斜向下，多个出风口15排出的气流在烘干分离区11形成旋转气流，对样品进行烘干。
所述取样桶2的内壁在同一水平面上削薄形成安装槽16，并在安装槽16内通过铰接轴171铰接有翻转装置17，铰接轴171位于烘干分离区11与取样区12的分界线，翻转装置17沿取样桶2的内壁呈均匀圆周排布，翻转装置17包括连接在铰接轴171上的闭合板172和拉力板173，闭合板172和拉力板173之间的夹角为120°，拉力板173的背面连接有钢丝18，钢丝18穿出烘干分离区11的侧壁并通过取样桶2外壁上的定滑轮19变向后连接至翻转驱动器20，铰接轴171上轴接从动齿轮174，从动齿轮174由翻转驱动器20驱动；取样区12的侧壁底端为切割刀片21，所述切割刀片21为双排锯齿形或单排锯齿且相邻锯齿向相反方向偏斜的结构。切割刀片21能够切开草甸，使取样桶2底部插入草甸的土层中，切割过程中，翻转装置17的闭合板172竖直向下，切割到所需深度后，翻转装置17向上翻转，闭合板172将包括根系和土壤的植被样方向上翻到取样桶2的烘干分离区11内，切割刀片21的特殊构造能够防止样地土壤粘在切割刀片21上，影响切割效率。
参看图9，所述土壤收集盒26边缘配设挂钩261，外桶1内壁开设挂槽262，挂钩261包括平板，平板的末端向上伸出挂板，挂钩261为L形，挂槽262包括横槽和竖槽，横槽下表面为弧形，挂板卡在竖槽内。土壤收集盒26能够将漏孔13甩出的土壤收集，用于土壤养分的测定。
土壤收集盒26也可以为环形，土壤收集盒26通过螺纹连接在外桶1的内壁。
土壤收集盒26的位置低于铰接轴171的高度。
参看图2所示的第一种具体实施例，本实施例的闭合板172和拉力板173分别位于铰接轴171的下方和上方，闭合板172为倒三角形。
参看图3所示的第二种具体实施例，本实施例的拉力板173为三角形或长条形。
参看图4所示的第三种具体实施例，本实施例的拉力板173为倒T形。
参看图5所示的第四种具体实施例，本实施例中，所述从动齿轮174的轴心到钢丝18与拉力板173连接点的距离等于从动齿轮174的轴心到烘干分离区11的侧壁上钢丝18穿出点的距离；所述翻转驱动器20嵌设在所述取样桶2的侧壁上，翻转驱动器20包括用于卷动钢丝18的卷轮201、与从动齿轮174啮合连接的驱动齿轮202，卷轮201和驱动齿轮202分别由牵引电机和辅助电机驱动，牵引电机和辅助电机均为变频电机且由变频控制器控制，牵引电机和辅助电机的转动方向相反，牵引电机和辅助电机的工作过程满足公式(1)如下
式中，R为从动齿轮174的轴心到钢丝18与拉力板173连接点的距离，也是从动齿轮174的轴心到烘干分离区11的侧壁上钢丝18穿出点的距离；r1是从动齿轮174的半径；r2是驱动齿轮202的半径；r3是卷轮201的半径；ω1是牵引电机的转动角速度；ω2是辅助电机的转动角速度；α是拉力板173与取样桶2内壁切面的夹角，该切面是铰接轴171位置对应的取样桶2内壁切面。通过变频控制器调节牵引电机和辅助电机的转动角速度，来控制钢丝18对拉力板173的拉动翻转速度与从动齿轮174对铰接轴171的转动速度同步运行。
为便于理解，以下为公式(1)的推算过程。
翻转装置17上下翻转过程中，α是自变量，ω1和ω2是因变量。
首先，从钢丝18与拉力板173的连接点到侧壁上钢丝18穿出点之间的钢丝18长度是该数值的微分除以时间的微分可得出钢丝18上点的运动速度，由于钢丝18由卷轮201牵引，所以上述微分的商也等于卷轮201边缘的转动线速度，据此列公式(2)：
其次，驱动齿轮202与从动齿轮174的边缘的转动线速度相等，即ω2·r2，该转动线速度除以从动齿轮174的半径r1r1可得出从动齿轮174的角速度，该角速度值等于α的微分除以时间的微分，据此列公式(3)：
最后将公式(3)代入公式(2)，得出公式(1)。
通过变频控制器调节牵引电机和辅助电机的转动角速度，来控制钢丝18对拉力板173的拉动翻转速度与从动齿轮174对铰接轴171的转动速度同步运行。基于此，翻转装置17向上翻转时，翻转装置17携带样方的根系和土壤，需要较大的力，钢丝18的拉力起主要作用；向下翻转时，翻转装置17空载，虽需要较小的力(主要应对拉力板173被黏土粘在取样桶2内壁以及控制翻转装置17缓慢向下翻转)，钢丝18无法施力，从动齿轮174通过转接轴来控制翻转装置17。
参看图6和7所示的第五种具体实施例，所述翻转驱动器20嵌设在所述取样区12的侧壁上，翻转驱动器20包括用于卷动钢丝18的卷轮201、与从动齿轮174啮合连接的转接齿轮203以及用于驱动转接齿轮203转动的驱动齿轮202，所述卷轮201和驱动齿轮202由同一个驱动电机驱动，卷轮201和驱动齿轮202依线性排列的方式安装在该驱动电机的驱动轴上；转接齿轮203为空心齿轮，转接齿轮203的内圈和外圈分别为棘齿207和直齿208，转接齿轮203内部套接副齿轮204，副齿轮204上安装有棘爪205，棘爪205与棘齿207配合，驱动齿轮202与副齿轮204啮合，棘爪205由拨叉206控制从而切换与棘齿207的结合或分离状态；通过转接齿轮203，使翻转装置17向上翻转时，拨叉206将棘爪205与棘齿207分离开，无法将转动传至从动齿轮174，所以，翻转力仅由钢丝18提供；翻转装置17向下翻转时，钢丝18不起作用，拨叉206将棘爪205与棘齿207分扣合，翻转力仅由从动齿轮174提供。
参看图8所示的第六种具体实施例，所述闭合板172与拉力板173的背面均连接有钢丝18，翻转驱动器20包括活动设置在取样桶2外围的升降环22和用于控制升降环22升降的升降机构，该升降环22水平布置，升降机构包括固定在取样桶2外壁的安装座23以及四个设置在安装座23上并与升降环22连接的电动推杆24；闭合板172与拉力板173背面的钢丝18穿出取样桶2侧壁并通过弹性张紧轮25变向后固定连接至升降环22；通过升降环22的升降来牵引钢丝18，使各翻转装置17同步翻转。本实施例由升降环22统一控制钢丝18来拉动翻转装置17，能够有效避免各个翻转装置17之间动作的不一致问题。
以上仅为本实用的较佳实施例而已，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，均应包含在本实用的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：包括底部为敞口的外桶和设置在外桶内部的取样桶，外桶底部安装有竖直向下的定位柱和向外侧延伸且尾端上翘的护沿，外桶外壁设置有伸缩架，伸缩架上安装有万向轮，取样桶顶部轴接有纵向设置的取样电机，取样电机带动取样桶在外桶内转动，为切割草甸和分离根系携带的土壤提供动力，取样电机外壁固接有滑动升降筒，滑动升降筒从外桶的顶部穿出并在滑动升降筒的顶端连接控制台，滑动升降筒外部套设复位弹簧，复位弹簧的上端和下端分别抵接至控制台和外桶的上表面，滑动升降筒由至少三个竖直设置的面板拼合而成；取样桶包括上部的烘干分离区和下部的取样区；所述外桶包括两个半桶，两个半桶之间通过锁扣固定连接；外桶内壁设置土壤收集盒；
所述取样桶的内壁在同一水平面上削薄形成安装槽，并在安装槽内通过铰接轴铰接有翻转装置，铰接轴位于烘干分离区与取样区的分界线，翻转装置沿取样桶的内壁呈均匀圆周排布，翻转装置包括连接在铰接轴上的闭合板和拉力板，闭合板和拉力板之间的夹角为90°-135°，拉力板的背面连接有钢丝，钢丝穿出烘干分离区的侧壁并通过取样桶外壁上的定滑轮变向后连接至翻转驱动器，铰接轴上轴接从动齿轮，从动齿轮由翻转驱动器驱动；取样区的侧壁底端为切割刀片；
所述烘干分离区的侧壁均匀开设漏孔，烘干分离区配设烘干系统，烘干系统为烘干分离区输送干热气流，使土壤失去水分变得松散，最终在取样桶的旋转离心力作用下从漏孔甩出。
2.根据权利要求1所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述烘干系统包括风机、风道和设置在风道内的电热丝，风道连通至烘干分离区。
3.根据权利要求2所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述风道的出风口开设在取样桶内壁且高于漏孔，出风口排出干热气流的方向与水平面的夹角为0°-90°，出风口排出干热气流的方向与出风口所在位置的烘干分离区侧壁的夹角为0°-90°。
4.根据权利要求1所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述闭合板和拉力板分别位于铰接轴的下方和上方，闭合板为倒三角形，拉力板为三角形或长条形或倒T形。
5.根据权利要求4所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述从动齿轮的轴心到钢丝与拉力板连接点的距离等于从动齿轮的轴心到烘干分离区的侧壁上钢丝穿出点的距离；所述翻转驱动器嵌设在所述取样桶的侧壁上，翻转驱动器包括用于卷动钢丝的卷轮、与从动齿轮啮合连接的驱动齿轮，卷轮和驱动齿轮分别由牵引电机和辅助电机驱动，牵引电机和辅助电机均为变频电机且由变频控制器控制，牵引电机和辅助电机的转动方向相反，牵引电机和辅助电机的工作过程满足公式(1)如下
式中，R为从动齿轮的轴心到钢丝与拉力板连接点的距离，也是从动齿轮的轴心到烘干分离区的侧壁上钢丝穿出点的距离；r1是从动齿轮的半径；r2是驱动齿轮的半径；r3是卷轮的半径；ω1是牵引电机的转动角速度；ω2是辅助电机的转动角速度；α是拉力板与取样桶内壁切面的夹角，该切面是铰接轴位置对应的取样桶内壁切面；通过变频控制器调节牵引电机和辅助电机的转动角速度，来控制钢丝对拉力板的拉动翻转速度与从动齿轮对铰接轴的转动速度同步运行。
6.根据权利要求4所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述翻转驱动器嵌设在所述取样区的侧壁上，翻转驱动器包括用于卷动钢丝的卷轮、与从动齿轮啮合连接的转接齿轮以及用于驱动转接齿轮转动的驱动齿轮，所述卷轮和驱动齿轮由同一个驱动电机驱动，卷轮和驱动齿轮依线性排列的方式安装在该驱动电机的驱动轴上；转接齿轮为空心齿轮，转接齿轮的内圈和外圈分别为棘齿和直齿，转接齿轮内部套接副齿轮，副齿轮上安装有棘爪，棘爪与棘齿配合，驱动齿轮与副齿轮啮合，棘爪由拨叉控制从而切换与棘齿的结合或分离状态；通过转接齿轮，使翻转装置向上翻转时仅由钢丝牵引，翻转装置向下翻转时仅由从动齿轮带动。
7.根据权利要求4所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述闭合板与拉力板的背面均连接有钢丝，翻转驱动器包括活动设置在取样桶外围的升降环和用于控制升降环升降的升降机构，该升降环水平布置，升降机构包括固定在取样桶外壁的安装座以及至少三个设置在安装座上并与升降环连接的电动推杆；闭合板与拉力板背面的钢丝穿出取样桶侧壁并通过弹性张紧轮变向后固定连接至升降环；通过升降环的升降，牵引钢丝，使各翻转装置同步翻转。
8.根据权利要求4-7任一项所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述切割刀片为双排锯齿形或单排锯齿且相邻锯齿向相反方向偏斜的结构。
9.根据权利要求4-7任一项所述的草甸植被根系取样及表土剥离装置，其特征在于：所述土壤收集盒边缘配设挂钩，外桶内壁开设挂槽，挂钩包括平板，平板的末端向上伸出挂板，挂钩为L形，挂槽包括横槽和竖槽，横槽下表面为弧形，挂板卡在竖槽内。
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