CN115096643A - 一种岩土工程土壤智能取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及取样设备领域，特别涉及一种岩土工程土壤智能取样装置。包括钻头和钻杆，所述钻头和钻杆的下端可拆卸连接，所述钻杆内开设有第一空腔和第二空腔；还包括活塞头，所述活塞头和与第二空腔滑动连接，活塞头尾部与第二空腔底部之间设置有活塞复位弹簧和推台，所述推台上端与活塞头尾部固定连接，所述活塞复位弹簧一端与推台下端固定连接，另一端与第二空腔底部固定连接；所述钻杆上侧壁还开有取料孔，取料孔内设置有取料箱，所述取料箱与取料孔滑动连接，所述推台用于推动取料箱从取料孔内滑出，所述取料箱顶部开有收集孔；所述第二空腔内壁还设有用于取料箱复位的取料复位弹簧。能够不使用水且解决了取样过程中的取样部件的散热问题。

Description

一种岩土工程土壤智能取样装置

技术领域

本发明涉及取样设备领域，特别涉及一种岩土工程土壤智能取样装置。

背景技术

岩土工程中往往利用到土壤取样器来对施工位置的土地进行取样，土壤取样装置能真正满足土壤取样全层、等量、便捷的要求，为测土、土壤监测等岩土工程工作解决了难以实现的准确采集土壤样品的难题。

公开号为CN113865916A的发明专利公开了一种公路工程用土壤取样装置及取样方法，其中的一种公路工程用土壤取样装置包括固定板，所述固定板的底部两侧均固定安装有支撑板，两个支撑板的底部均固定安装有两个万向轮，固定板的顶部转动安装有套杆和两个螺纹杆，套杆的顶端和两个螺纹杆的顶端分别固定安装有第一皮带轮和第二皮带轮，第一皮带轮与两个第二皮带轮上传动连接有同一个皮带，固定板的顶部固定安装有电机和控制面板，电机的输出轴与第一皮带轮固定连接，控制面板内设有控制模块，控制模块与电机电性连接。本发明结构设计合理，自动化程度较高，操作简捷智能，便于进行取样操作，解决了需要人工敲击取样筒劳动强度大且费时费力的问题。

上述技术能够有效完成土工程土壤的取样工作；但是实际取样过程中由于需要给取样装置降温，在取样时会给土壤同步浇水，这会大大影响到取样土壤的样品精度，特别是湿度、pH酸碱度、有机质和全盐量等，这些数据均会因为采样时加水，从而影响到真实检测数据，导致精度不稳；而且土壤中含有大量微生物，如果不用水降温，取样装置便会过热，会杀死众多微生物，从而导致土壤微生物含量的测定不准确。所以现急需一种取样装置，能够不使用水且能解决取样过程中的取样部件的散热问题，也能提升取样土壤精度。

发明内容

本发明提供了一种取样装置，能解决取样过程中的取样部件的散热问题。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：一种岩土工程土壤智能取样装置，包括钻头和钻杆，所述钻头和钻杆的下端可拆卸连接，所述钻杆内开设有第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔连通，第一空腔位于第二空腔的上方；

还包括活塞头，所述活塞头和与第二空腔滑动连接，活塞头尾部与第二空腔底部之间设置有活塞复位弹簧和推台，所述推台上端与活塞头尾部固定连接，所述活塞复位弹簧一端与推台下端固定连接，另一端与第二空腔底部固定连接；

所述钻杆上侧壁还开有取料孔，取料孔位于第二空腔高度位置处，所述取料孔内设置有取料箱，所述取料箱与取料孔滑动连接，所述推台用于推动取料箱从取料孔内滑出，所述取料箱顶部开有收集孔；所述第二空腔内壁还设有用于取料箱复位的取料复位弹簧，所述取料复位弹簧一端与第二空腔内壁固定连接，另一端固定有复位板，复位板一端与取料箱固定连接；

其中，活塞头上端与第一空腔形成密闭空间，所述第一空腔与第二空腔的连接处为缩口。

本方案的工作原理：在工作前，第一空腔内填满冰块，冰块为整体，若冰块完全融化成水后，在钻头静止状态时，融化后的水利用自身的重力刚好能推动活塞头传力给推台，最终将取料箱推出取料孔。

第一空腔在第二空腔上方，第一空腔与第二空腔连接处缩口由大到小，保证了冰块不会因为重力因素整体从第一空腔掉落至第二空腔；工作时，钻杆带动钻头一起转动，钻头与取土底面开始接触，不断摩擦产生热量，经钻头传递至钻杆，钻杆内的第二空腔率先升温，活塞头和第一空腔之间形成的交换空间，交换空间上方的空气因冰块因素成为了冷空气，具备下沉趋势，交换空间下方部分因钻头传递出来的热量影响形成了热空气，具备上升趋势。冷空气下降，热空气上升，其中的气态水放热凝结成液态水，落在活塞头上方。活塞头下方的活塞复位弹簧起着抵消冰水重力的作用，抵消冰水重力的最大值为初始交换空间等体积的水，防止活塞头最开始因为冰水重力原因下沉。因冷热空气对冲凝结成的液态水积攒在活塞头上方的交换空间里，并随着钻杆一起转动，受到离心力的影响，不断往上爬升，由于这些液态水直接与第二空腔的内壁接触，进行直接的热传递，此时水携带了大量的热，并通过向上爬升不断与第一空腔内的冰块产生接触，从而进行热交换将来自钻头的热量通过冰融化吸热的方式给消耗掉，完成降温。当冰完全融化成水时，水推动活塞向下运动，此时由于钻头仍在随着转杆在一起转动，第一空腔内的水和第二空腔里的水受到离心力的影响，实际对活塞头的作用力是小于水的重力，即在钻杆旋转时，取料箱不会因融化后水对其的作用力滑出取料孔，到达取样位置后，停止转动钻杆，在水的重力作用下推台将取料箱推出取料孔，通过取料箱上方的收集孔完成取样。取料复位弹簧，防止取料箱因为转动产生的离心力甩出钻杆，同时在取料完成后将取料箱拉回原位。

本方案的有益效果：

1.冰融化成水可以带走钻头大量的热，避免了钻头升温过高损伤零部件。

2.在钻取过程中没有在取样土壤中加水给钻头降温，所以取得的土壤样本并未经过湿润处理，所以取得的样品精度更高，湿度等数据更贴近于真实的状态，以及各种微生物状态和数据都更为真实。

3.变害为利：将钻动不可避免产生的热量通过本方案进行消耗，并实现了在特定温度（此处为0℃）下的取样。

进一步，还包括斜台，所述斜台设置于第一空腔底部，第二空腔顶部。

有益效果：斜台的设立方便了水更快的爬升，使得未与第二空腔内已经进行了热传递的热水快速与上方的冷空气或冰块接触，从而提升了整体的降温效率。

进一步，还包括流水槽，所述流水槽分布于第一空腔内壁。

有益效果：流水槽的设立，方便了热水更快地与更高层的冰块接触，提升了热传递的接触表面积，再次提升了降温效率。

进一步，还包括记忆合金，所述记忆合金设置于第一空腔顶端。

有益效果：记忆合金在特定温度下会产生形变，针对此特性，通过合理设置推台的高度，在第一空腔内所有冰融化后仅能将活塞头推至未到取料箱的特定位置，然后水不断吸热升温，两个空腔内的温度也随之变热，记忆金属开始形变，压缩空气，推动活塞头继续向下运动，提升取样效率。

进一步，还包括滤网，所述滤网设置于第二空腔上端。

有益效果：防止了大块冰块碎渣掉落砸伤活塞，同时也有效将冰块拦截在了第一空腔，防止因冰块重力原因影响活塞头向下运动的速率。有效减缓了第一空腔内冰块的融化速度。

进一步，所述滤网下端，活塞头上端设置有上止点限位块。

有益效果：防止活塞头冲出第二空腔，损伤滤网，保护整体装置的正常运行，

进一步，所述活塞复位弹簧内部设有限位杆，所述限位杆下端固定在第二空腔底部，限位杆上端高度低于取料孔高度。

有益效果：活塞下行下止点位置处设置了限位杆，当活塞运行到该位置时，取料箱刚好在取料孔内滑出最大行程，限位杆也起着活塞复位弹簧伸缩时的导向作用。

进一步，还包括电机，所述电机输出轴与钻杆上端可拆卸连接。

有益效果：可以通过选择不同型号的电机，完成不同环境下的加工需求，利用更换，简单实用。

附图说明

图1为一种岩土工程土壤智能取样装置实施例一的立体图；

图2为一种岩土工程土壤智能取样装置实施例一的正式图；

图3为一种岩土工程土壤智能取样装置实施例一的A部的放大图；

图4为一种岩土工程土壤智能取样装置实施例一的工作状态图；

图5为一种岩土工程土壤智能取样装置实施例一的B部的放大图；

图6为一种岩土工程土壤智能取样装置实施例一的斜台与第一空腔的仰视图；

图7为一种岩土工程土壤智能取样装置实施例一的取料箱的立体图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的标记包括：1、钻头；11、第一空腔；111、流水槽；12、第二空腔；13、推台；14、活塞头；2、钻杆；3、电机；4、滤网；51、取料复位弹簧；52、活塞复位弹簧；6、取料箱；61、收集孔；7、斜台。

实施例一

如附图1所示

一种岩土工程土壤智能取样装置，包括钻头1和钻杆2，所述钻头1和钻杆2的下端可拆卸连接，还包括电机3，所述电机3输出轴与钻杆2上端可拆卸连接。工作时，钻头1顶端与钻杆2下端固定，电机3输出轴与钻杆2上端铰接；电机3、钻杆2和钻头1形成一个整体，电机3通电转动，电机3输出轴带动钻杆2转动，钻杆2带动钻头1同步转动。钻头1外形呈螺旋状，钻头1上还开有一个螺旋滑槽，钻头1在向下转动的过程中可以破开取样区域的泥土，持续往下钻取，螺旋滑槽的设立让下方的泥土可以通过滑槽向上移动，减缓了转动的阻力，更高效率地完成钻取工作。

如附图2和附图3所示，所述钻杆2内开设有第一空腔11和第二空腔12，所述第一空腔11和第二空腔12连通；第一空腔11位于第二空腔12上端，且第一空腔11腔体横截面积大于第二空腔12腔体的横截面积。还包括斜台7，所述斜台7设置于第一空腔11底部，第二空腔12顶部。斜台7连接了第一空腔11和第二空腔12，斜台7的斜度选择30°（本领域的技术人员可以根据实际应用选择其他适用的斜度值），所述第一空腔11内壁上固定了隔温层，可以选择硬硅钙石型硅酸钙保温材料，保证第一空腔11内免受外界温度的影响，且活塞头与第一空腔形成的是密闭空间，保温效果很好，可以保证冰在第一空腔内不易融化。第二空腔12为圆柱形空腔，内壁光滑。

还包括活塞头14，所述活塞头14和与第二空腔12滑动连接，活塞头14尾部与第二空腔12底部之间设置有活塞复位弹簧52和推台13，所述推台13上端与活塞头14尾部固定连接，所述活塞复位弹簧52一端与推台13下端固定连接，另一端与第二空腔12底部固定连接。活塞头14上端与第一空腔11形成密闭空间，活塞头14顶部做防水处理，使得第一空腔11和活塞头14形成的密闭空间防漏水，防漏气，避免水流或气流通过活塞头14的缝隙进入到第二空腔12内部。

所述钻杆2上侧壁还开有取料孔，取料孔位于第二空腔12高度位置处，所述取料孔内设置有取料箱6，所述取料箱6与取料孔滑动连接，所述推台13用于推动取料箱6从取料孔内滑出；所述第二空腔12内壁还设有用于取料箱6复位的取料复位弹簧51，所述取料复位弹簧51一端与第二空腔12内壁固定连接，另一端固定有复位板，复位板一端与取料箱6固定连接；本实施例中，在第二空腔12靠近底部的位置对立开设了两个取料孔，取料孔内设置了取料箱6，取料箱6形状如附图7所示，取料箱6在第二空腔12内的部分存在斜度，形成了一个倾斜平面，该倾斜平面与推台13形状匹配，在活塞受力向下运动过程中，推动推台13向下运动，推台13通过倾斜平面与取料箱6接触并对取料箱6施加推力，使取料箱6在推力作用下能够滑出取料孔，如附图4和附图5所示，在推台13的推动下，取料箱6滑出了取料孔，取料箱6在工作时侧壁密封，在其顶部开有收集孔61，在取料箱6未被推出取料孔时，取料箱6相对于外界密封，在取料箱6被推出取料孔时，取料箱6通过取料孔和外界接触，并完成土壤取样工作。在取料完成后，活塞头14回移，取料复位弹簧51推动复位板，带动取料箱6回至原位。

如附图6所示，还包括流水槽111，所述流水槽111分布于第一空腔11内壁。流水槽111分为4条，均布且贯穿整个第一空腔11内壁，水流可以经过流水槽111流动。

还包括滤网4，所述滤网4设置于第二空腔12上端。所述滤网4下端，活塞头14上端设置有上止点限位块。滤网4是防止第一空腔11内设置的冰块大块残渣掉落到第二空腔12，滤网4选用材质较为坚硬的金属滤网4，如铁滤网4、钢滤网4等，均需做防锈处理。滤网4的滤孔大小以水流能快速通过为准。滤网4下端的上止点限位块，是为了防止活塞冲出第二空腔12，到达第一空腔11，破坏滤网4。

所述活塞复位弹簧52内部设有限位杆，所述限位杆下端固定在第二空腔12底部，限位杆上端高度低于取料孔高度。活塞下行下止点位置处设置了限位杆，当活塞运行到该位置时，取料箱6刚好在取料孔内滑出最大行程，限位杆也起着活塞复位弹簧52伸缩时的导向作用。

还包括记忆合金，所述记忆合金设置于第一空腔11顶端。变形温度在80℃的记忆合金（本领域的技术人员可以根据实际应用，选择合适变形温度的记忆合金），在第一空腔11内温度达到80℃时，记忆合金开始变形，压缩第一空腔11内的空气，从而推动活塞头14开始向下运动。

在取土工作开始前，给第一空腔11内填满冰块，由于有隔热层的保护，冰块融化效率大大降低，仅受少量环境温度的影响。滤网4的设置隔离了冰块与第二空腔12的直接接触，也防止了冰块掉落损伤活塞头14。在取土工作开始时，电机3启动，带动钻杆2与钻头1同步转动，钻头1与取土底面开始接触，不断摩擦产生热量，经钻头1传递至钻杆2，钻杆2内的第二空腔12率先升温，活塞头14和第一空腔11之间形成的交换空间，交换空间上方的空气因冰块因素成为冷空气，具备下沉趋势，交换空间下方部分因钻头1传递来的热量影响形成了热空气，具备上升趋势。冷空气下降，热空气上升，其中的气态水放热凝结成液态水，从而通过滤网4掉落在活塞头14上方。活塞头14下方的活塞复位弹簧52起着抵消冰水重力的作用，抵消冰水重力的最大值为初始交换空间等体积的水，防止活塞头14最开始因为冰水重力原因下沉。

钻杆2随着电机3一起转动，因冷热空气对冲凝结成的液态水积攒在活塞头14上方的交换空间里，并随着钻杆2一起转动，受到离心力的影响，不断往上爬升，由于这些液态水直接与第二空腔12的内壁接触，进行直接的热传递，且在爬升到斜台7处时，由于坡度的原因，将会更快的爬升，由于斜台7上和第一空腔11内壁设置有流水槽111，爬升的水在离心力的作用下继续沿着流水槽111往上走，从而将来自钻头1的热量传递到了第一空腔11内，并与第一空腔11内的并进行热传导，以冰融化吸热的特性，吸收掉钻头1传递来的热量，从而抑制钻杆2以及钻头1温度的上升。冰在此情况下不断融化成水，集满初始交换空间后，便开始挤压活塞向下运动，当冰完全融化后会刚好将活塞推至一特定位置；若钻杆2处于静止状态，此时的水利用自身重力刚好可以将取料箱6推出取料孔；若钻杆2处于正常的工作状态，在转动时，冰融化后的水还受到离心力的作用，水对活塞头的作用力小于水的自身重力，即在转动过程中，取料箱6不会因为水的作用力被推出取料孔。

水持续吸收热量，第一空腔11和第二空腔12内的空气温度逐渐与水温平衡，当温度升至80℃时，温度由记忆合金的变形温度一致，记忆合金的选择，本领域的技术人员由取样要求的温度灵活选择；记忆合金受热开始变形，压缩空气，推动活塞头14，从而推动推台13与取料箱6接触并下移，到达取样位置后，停止转动转杆2，冰融化后的水重力直接作用在活塞头上，将取料箱6从取料孔推出，环境土壤从收集孔61进入取料箱6内，完成取样。记忆合金的加入，提供了辅助推力，更高效率的取样。取样完成后，电机3启动带动钻杆2和钻头1返回地面，带动钻杆2转动，水受离心力影响，减少了对活塞头14的作用力，且停机取样时，钻头1温度也会降低，记忆合金的温度降低至变形温度以下，恢复至原状，降低了对活塞头14的压力。即此时活塞头14向上移动，取料复位弹簧51推动复位板，带动取料箱6恢复至原位。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种岩土工程土壤智能取样装置，包括钻头和钻杆，所述钻头和钻杆的下端可拆卸连接，其特征在于：所述钻杆内开设有第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔连通，第一空腔位于第二空腔的上方；

还包括活塞头，所述活塞头和与第二空腔滑动连接，活塞头尾部与第二空腔底部之间设置有活塞复位弹簧和推台，所述推台上端与活塞头尾部固定连接，所述活塞复位弹簧一端与推台下端固定连接，另一端与第二空腔底部固定连接；

所述钻杆上侧壁还开有取料孔，取料孔位于第二空腔高度位置处，所述取料孔内设置有取料箱，所述取料箱与取料孔滑动连接，所述推台用于推动取料箱从取料孔内滑出，所述取料箱顶部开有收集孔；所述第二空腔内壁还设有用于取料箱复位的取料复位弹簧，所述取料复位弹簧一端与第二空腔内壁固定连接，另一端固定有复位板，复位板一端与取料箱固定连接；

其中，活塞头上端与第一空腔形成密闭空间，所述第一空腔与第二空腔的连接处为缩口。

2.根据权利要求1所述的岩土工程土壤智能取样装置，其特征在于：还包括斜台，所述斜台设置于第一空腔底部，第二空腔顶部。

3.根据权利要求1所述的岩土工程土壤智能取样装置，其特征在于：还包括流水槽，所述流水槽分布于第一空腔内壁。

4.根据权利要求1所述的岩土工程土壤智能取样装置，其特征在于：还包括记忆合金，所述记忆合金设置于第一空腔顶端。

5.根据权利要求1所述的岩土工程土壤智能取样装置，其特征在于：还包括滤网，所述滤网设置于第二空腔上端。

6.根据权利要求5所述的岩土工程土壤智能取样装置，其特征在于：所述滤网下端，活塞头上端设置有上止点限位块。

7.根据权利要求5所述的岩土工程土壤智能取样装置，其特征在于：所述活塞复位弹簧内部设有限位杆，所述限位杆下端固定在第二空腔底部，限位杆上端高度低于取料孔高度。

8.根据权利要求1所述的岩土工程土壤智能取样装置，其特征在于：还包括电机，所述电机输出轴与钻杆上端可拆卸连接。

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