一種原狀土壤樣品採集裝置及採集方法
2023-05-20 09:07:51
專利名稱：一種原狀土壤樣品採集裝置及採集方法
技術領域：
本發明涉及土壤樣品採集領域，尤其是一種原狀土壤樣品採集裝置及採集方法。
背景技術：
在地球科學、農學、土壤學、生態學等多學科研究領域，通過採集土壤樣品，並直接分析理化性質或通過模擬實驗測其理化指標，已成為獲取科學數據的必要手段。傳統方法有人工土鑽法、衝壓法(如GeoProbe)、分層取土回填法和混勻等容重回填法等。人工地鑽法因由人工來完成與土鑽本身的限制，效率低下且僅能得到20-30cm厚、直徑< 15cm的土柱；衝壓法(如GeoPiObe)可以得到I米左右厚的土柱，但由於是機械衝壓方式取土，所得土柱土壤容重與物理結構發生較大變化，在測定土壤化學指標如有機質含量等影響不大，但如 測土壤密度、土壤導水性指標且誤差甚大；分層取土回填法和混勻等容也同樣類似問題，分層取土回填法一般能保證每一層土壤原狀，但層與層之間土壤擾動對土壤水鹽運移模擬等實驗影響很大。總之，傳統土壤樣品採集方法與採集裝置，或存在效率問題，或對原土壤性擾動較大，對科學實驗研究結果的科學性與準確性存在影響。本專利主要解決上述傳統土壤樣品因土壤採集方法與裝置的問題原因，提高取樣效率，獲取更大厚度與直徑的柱形原狀土壤樣品，為土壤導水率測定實驗、土壤肥料淋失實驗、土壤毛細管蒸發實驗等多學科科學實驗提供更優良的土壤樣品。
發明內容
本發明的目的是提供一種定位精準、操作簡便、提高採集效率且降低勞動強度的原狀土壤樣品採集裝置及採集方法。為了完成上述目的，本發明採用的技術方案是
一種原狀土壤樣品採集裝置，包括升降架、液壓缸、環形槽形成部件和柱狀土壤取出部件，所述的液壓缸的下端豎直固定在升降架的底部，液壓缸的上端固定有升降臺，所述的環形槽形成部件在工作狀態時裝配在升降臺上，環形槽形成部件在非工作狀態時裝配在升降架上；所述的柱狀土壤取出部件在工作狀態時裝配在升降臺上，環形槽形成部件在非工作狀態時裝配在升降架上。所述的升降架整體為士字形，包括豎直設置的凹槽形的機架、設置在機架上端兩側的左旋轉臺和右旋轉臺、在機架底部設置的液壓缸固定座，在左旋轉臺與機架和右旋轉臺與機架之間設有分別通過銷軸聯接的旋轉三腳架，所述的左旋轉臺、右旋轉臺和旋轉三腳架可繞銷軸在水平面轉動，在機架的左右側壁上設有導軌。所述的升降臺包括相對設置的兩個L形的滑塊，在滑塊上端固定有液壓缸連接架，在滑塊下部前側固定有整體為簸箕形的載物臺，載物臺的底板在開口處設有同心的半圓形卡孔和卡槽，在載物臺的開口處相對設置有輔助臺，載物臺和輔助臺通過左右兩側的固定板聯接，在輔助臺的底部與載物臺的底部結合處設有同心的半圓形卡孔和卡槽，輔助臺和載物臺的卡孔和卡槽相對設置並組合成圓形。
所述的環形槽形成部件包括圓盤形的箱體支架和裝配在箱體支架上方的成槽液壓馬達，成槽液壓馬達的輸出軸穿過箱體支架的軸心處，在箱體支架的下方固定有同心的筒形齒輪架，齒輪架的內壁上固定有內齒圈，在齒輪架內設有一個太陽齒輪和三個以太陽齒輪為中心對稱設置的行星齒輪，太陽齒輪的輪軸固定在成槽液壓馬達的輸出軸上，行星齒輪分別於太陽齒輪和內齒圈相互嚙合構成行星齒輪系，三個行星齒輪的輪軸分別固定在三個豎向設置的傳動軸的頂端，傳動軸的底部裝配有桶形的散土存儲桶，散土存儲桶的底部設有三個中心對稱的軸孔且傳動軸的底端穿過軸孔並固定有銑刀，散土存儲桶的側壁上設有三個對稱的卸土門，與卸土門相對的散土存儲桶的底部設有開口，在開口處設置進口活扇。所述的柱狀土壤取出部件包括齒輪箱體和固定在齒輪箱體頂部上端的取土液壓馬達，取土液壓馬達的輸出軸從齒輪箱體的頂部軸心處穿過，所述的齒輪箱體內設置有一個中心齒輪固定在取土液壓馬達的輸出軸上，在齒輪箱體內還有四個以中心齒輪為中心對稱設置的從動齒輪並與中心齒輪相互嚙合，四個豎向設置的傳動軸的頂端分別固定在四個從動齒輪的輪軸處，傳動軸穿過設置在齒輪箱體的軸孔且可在軸孔內轉動，四個傳動軸的下部通過一個圓環形的託盤固定在一起，傳動軸在穿過託盤底部的下端固定有切刀，在四個傳動軸圍成的內側設有筒形的儲存筒，儲存筒的上端與齒輪箱體的底部連接，儲存筒的 下端安裝在託盤上。所述的環形槽形成部件在齒輪架與散土存儲桶之間固定有三個豎向設置且中心對稱的連接杆，連接杆與傳動軸順序排列成圓環形並依次相間設置。所述的升降架的導軌與升降臺的滑塊組成導軌-滑塊運動副並引導升降臺沿升降架做上下運動。所述的銑刀內沿到太陽齒輪輪軸的垂直長度小於存儲筒內徑尺寸的一半長度。採集方法包含以下步驟
A、通過原狀土壤樣品採集裝置挖環形槽並形成原狀柱形土壤，將整個裝置垂直固定在地面上，將環形槽形成部件和柱狀土壤取出部件分別裝配在升降架的右旋轉臺和左旋轉臺上，轉動右旋轉臺至升降臺處，載物臺和輔助臺的卡孔和卡槽將環形槽形成部件固定在升降臺上，啟動液壓缸，液壓缸驅動升降臺帶動環形槽形成部件向下運動，同時成槽液壓馬達帶動銑刀轉動，銑刀將土壤打碎並將散土裝進散土存儲筒內，當散土存儲筒內存滿散土時，升降臺停止向下運動並開始向上運動，當升至地面時升降臺停止運動，打開散土儲存筒的卸土門將散土取出，然後升降臺繼續向下運動，重複取土工作直到環形槽深度達到要求；
B、更換工作部件，當環形槽深度達到要求後，升降臺將環形槽形成部件帶到地面上，打開載物臺和輔助臺，將右旋轉臺轉動帶動環形槽形成部件脫離升降臺，然後將左旋轉臺轉動至升降臺處，載物臺和輔助臺的卡孔和卡槽將柱狀土壤取出部件固定在升降臺上；
C、取出原狀柱形土壤，啟動液壓缸，液壓缸驅動升降臺帶動柱狀土壤取出部件向下運動，當柱狀土壤取出部件下降到要求深度時，儲存筒緊密套裝在原狀柱形土壤的外側，啟動取土液壓馬達，通過齒輪傳動驅動四個切刀旋轉切削土壤的下部，當停止取土液壓馬達後，切刀停留在土壤內部用於支撐土壤，升降臺將柱狀土壤取出部件和土壤提升到地面上，將一根傳動軸及其固定的切刀拆下，將存儲筒和土壤一起取下，完成一次原狀土壤柱狀樣品採集。
本發明的有益效果是縮短了土壤樣品的採集時間，大大提高了採集的效率；最大限度地降低了採集工人的勞動強度，實現了挖槽和取土的自動進行；儘可能減少採集過程對柱狀土壤原狀的破壞，土壤樣品的質量得到了很大的改善，這給土壤研究提供了可靠的樣品供應保障。
圖I是本發明的結構示意圖。圖2是圖I中升降架的結構示意圖。圖3是圖I中升降臺的結構示意圖。圖4是圖I中環形槽形成部件的結構示意圖。 圖5是圖4中的A-A剖視圖。圖6是圖4中的B-B剖視圖。圖7是圖4中的C-C剖視圖。圖8是圖4中環形槽形成部件底部的D向視圖。圖9是圖I中的柱狀土壤取出部件的結構示意圖。圖10是圖9中的E-E剖視圖。圖11是圖9中的F-F剖視圖。圖12是圖9中柱狀土壤取出部件底部的G向視圖。圖中，I、升降架，2、液壓缸，3、環形槽形成部件，4、柱狀土壤取出部件，5、升降臺，
6、機架，7、右旋轉臺，8、左旋轉臺，9、液壓缸固定座，10、導軌，11、滑塊，12、液壓缸連接架，13、載物臺，14、輔助臺，15、固定板，16、成槽液壓馬達，17、齒輪架，18、內齒圈，19、太陽齒輪，20、行星齒輪，21、傳動軸，22、散土存儲桶，23、銑刀，24、卸土門，25、進口活扇，26、齒輪箱體，27、取土液壓馬達，28、中心齒輪，29、從動齒輪，30、傳動軸，31、託盤，32、切刀，33、儲存筒，34、旋轉三腳架，35、箱體支架，36、連接杆。
具體實施例方式本發明為一種原狀土壤樣品採集裝置及採集方法，縮短了土壤樣品的採集時間，大大提高了採集的效率；最大限度地降低了採集工人的勞動強度，實現了挖槽和取土的自動進行；儘可能減少採集過程對柱狀土壤原狀的破壞，土壤樣品的質量得到了很大的改善，這給土壤研究提供了可靠的樣品供應保障。下面結合附圖對本發明做進一步說明。具體實施例，如圖I至圖12所示，一種原狀土壤樣品採集裝置，包括升降架I、液壓缸2、環形槽形成部件3和柱狀土壤取出部件4，液壓缸2的下端豎直固定在升降架I的底部，液壓缸2的上端固定有升降臺5，環形槽形成部件3在工作狀態時裝配在升降臺5上，環形槽形成部件3在非工作狀態時裝配在升降架I上；柱狀土壤取出部件4在工作狀態時裝配在升降臺5上，環形槽形成部件4在非工作狀態時裝配在升降架I上。升降架I整體為士字形，包括豎直設置的凹槽形的機架6、設置在機架6上端兩側的左旋轉臺8和右旋轉臺7、在機架6底部設置的液壓缸固定座9，在左旋轉臺8與機架6和右旋轉臺7與機架6之間設有分別通過銷軸聯接的旋轉三腳架34，左旋轉臺8、右旋轉臺7和旋轉三腳架34可繞銷軸在水平面轉動，在機架6的左右側壁上設有導軌10。升降臺5包括相對設置的兩個L形的滑塊11，升降架I的導軌10與升降臺5的滑塊11組成導軌-滑塊運動副並引導升降臺5沿升降架I做上下運動，在滑塊11上端固定有液壓缸連接架12，在滑塊11下部前側固定有整體為簸箕形的載物臺13，載物臺13的底板在開口處設有同心的半圓形卡孔和卡槽，在載物臺13的開口處相對設置有輔助臺14，載物臺13和輔助臺14通過左右兩側的固定板15聯接，在輔助臺14的底部與載物臺13的底部結合處設有同心的半圓形卡孔和卡槽，輔助臺14和載物臺13的卡孔和卡槽相對設置並組合成圓形。環形槽形成部件3包括圓盤形的箱體支架35和裝配在箱體支架35上方的成槽液壓馬達16，成槽液壓馬達16的輸出軸穿過箱體支架35的軸心處，在箱體支架35的下方固定有同心的筒形齒輪架17且齒輪架17可繞軸心旋轉，齒輪架17的內壁上固定有內齒圈18，在齒輪架17內設有一個太陽齒輪19和三個以太陽齒輪19為中心對稱設置的行星齒輪20，太陽齒輪19的輪軸固定在成槽液壓馬達16的輸出軸上，行星齒輪20分別於太陽齒輪19和內齒圈18相互嚙合構成行星齒輪系，三個行星齒輪20的輪軸分別固定在三個豎向設置的傳動軸21的頂端，傳動軸21的底部裝配有桶形的散土存儲桶22，散土存儲桶22的底 部設有三個中心對稱的軸孔且傳動軸21的底端穿過軸孔並固定有銑刀23，散土存儲桶22的側壁上設有三個對稱的卸土門24，與卸土門24相對的散土存儲桶22的底部設有開口，在開口處設置進口活扇25，在齒輪架17與散土存儲桶22之間固定有三個豎向設置且中心對稱的連接杆36，連接杆36與傳動軸21順序排列成圓環形並依次相間設置。柱狀土壤取出部件4包括齒輪箱體26和固定在齒輪箱體26頂部上端的取土液壓馬達27，取土液壓馬達27的輸出軸從齒輪箱體26的頂部軸心處穿過，齒輪箱體26內設置有一個中心齒輪28固定在取土液壓馬達27的輸出軸上，在齒輪箱體26內還有四個以中心齒輪28為中心對稱設置的從動齒輪29並與中心齒輪28相互嚙合，四個豎向設置的傳動軸30的頂端分別固定在四個從動齒輪29的輪軸處，傳動軸30穿過設置在齒輪箱體26的軸孔且可在軸孔內轉動，四個傳動軸30的下部通過一個圓環形的託盤31固定在一起，傳動軸30在穿過託盤31底部的下端固定有切刀32，在四個傳動軸30圍成的內側設有筒形的儲存筒33，儲存筒33的上端與齒輪箱體26的底部連接，儲存筒33的下端安裝在託盤31上，將環形槽形成部件3中的銑刀23內沿到太陽齒輪19輪軸的垂直長度設計成小於存儲筒33內徑尺寸的一半長度，可以使存儲筒33緊緊的套在柱形土壤外。採用本採集裝置的原狀土壤樣品採集方法，包含以下步驟
A、通過原狀土壤樣品採集裝置挖環形槽並形成原狀柱形土壤，將整個裝置垂直固定在地面上，將環形槽形成部件3和柱狀土壤取出部件4分別裝配在升降架I的右旋轉臺7和左旋轉臺8上,轉動右旋轉臺7至升降臺5處,載物臺13和輔助臺14的卡孔和卡槽將環形槽形成部件3固定在升降臺5上，啟動液壓缸2，液壓缸2驅動升降臺5帶動環形槽形成部件3向下運動，同時成槽液壓馬達16帶動銑刀23轉動，銑刀23將土壤打碎並將散土裝進散土存儲筒22內，當散土存儲筒22內存滿散土時，升降臺5停止向下運動並開始向上運動，當升至地面時升降臺5停止運動，打開散土儲存筒22的卸土門24將散土取出，然後升降臺5繼續向下運動，重複取土工作直到環形槽深度達到要求；
B、更換工作部件，當環形槽深度達到要求後，升降臺5將環形槽形成部件3帶到地面上，打開載物臺13和輔助臺14，將右旋轉臺7轉動帶動環形槽形成部件3脫離升降臺5，然後將左旋轉臺8轉動至升降臺5處,載物臺13和輔助臺14的卡孔和卡槽將柱狀土壤取出部件4固定在升降臺5上；
C、取出原狀柱形土壤，啟動液壓缸2，液壓缸2驅動升降臺5帶動柱狀土壤取出部件4向下運動，當柱狀土壤取出部件4下降到要求深度時，儲存筒33緊密套裝在原狀柱形土壤的外側，啟動取土液壓馬達27，通過齒輪傳動驅動四個切刀32旋轉切削土壤的下部，當停止取土液壓馬達27後，切刀32停留在土壤內部用於支撐土壤，升降臺5將柱狀土壤取出部件4和土壤提升到地面上，將一根傳動軸30及其固定的切刀32拆下，將存儲筒33和土壤一起取下，完成一次原狀土壤柱狀樣品採集。
本發明具有以下優點1、縮短了土壤樣品的採集時間，大大提高了採集的效率；
2、最大限度地降低了採集工人的勞動強度，實現了挖槽和取土的自動進行；3、儘可能減少採集過程對柱狀土壤原狀的破壞，土壤樣品的質量得到了很大的改善，這給土壤研究提供了可靠的樣品供應保障。
權利要求
1.一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於包括升降架(I)、液壓缸(2)、環形槽形成部件(3)和柱狀土壤取出部件(4)，所述的液壓缸(2)的下端豎直固定在升降架(I)的底部，液壓缸(2)的上端固定有升降臺(5)，所述的環形槽形成部件(3)在工作狀態時裝配在升降臺(5)上，環形槽形成部件(3)在非工作狀態時裝配在升降架(I)上；所述的柱狀土壤取出部件(4)在工作狀態時裝配在升降臺(5)上，環形槽形成部件(4)在非工作狀態時裝配在升降架(I)上。
2.根據權利要求I所述的一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於所述的升降架(I)整體為士字形，包括豎直設置的凹槽形的機架(6)、設置在機架(6)上端兩側的左旋轉臺(8)和右旋轉臺(7)、在機架(6)底部設置的液壓缸固定座(9)，在左旋轉臺(8)與機架(6)和右旋轉臺(7)與機架(6)之間設有分別通過銷軸聯接的旋轉三腳架(34)，所述的左旋轉臺(8 )、右旋轉臺(7 )和旋轉三腳架(34 )可繞銷軸在水平面轉動，在機架(6 )的左右側壁上設有導軌(10)。
3.根據權利要求I所述的一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於所述的升降臺(5)包括相對設置的兩個L形的滑塊(11)，在滑塊(11)上端固定有液壓缸連接架(12)，在滑塊(11)下部前側固定有整體為簸箕形的載物臺(13)，載物臺(13)的底板在開口處設有同心的半圓形卡孔和卡槽，在載物臺(13)的開口處相對設置有輔助臺(14),載物臺(13)和輔助臺(14)通過左右兩側的固定板(15)聯接，在輔助臺(14)的底部與載物臺(13)的底部結合處設有同心的半圓形卡孔和卡槽，輔助臺(14)和載物臺(13)的卡孔和卡槽相對設置並組合成圓形。
4.根據權利要求I所述的一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於所述的環形槽形成部件(3)包括圓盤形的箱體支架(35)和裝配在箱體支架(35)上方的成槽液壓馬達(16)，成槽液壓馬達(16)的輸出軸穿過箱體支架(35)的軸心處，在箱體支架(35)的下方固定有同心的筒形齒輪架(17)，齒輪架(17)的內壁上固定有內齒圈(18)，在齒輪架(17)內設有一個太陽齒輪(19)和三個以太陽齒輪(19)為中心對稱設置的行星齒輪(20)，太陽齒輪(19)的輪軸固定在成槽液壓馬達(16)的輸出軸上，行星齒輪(20)分別於太陽齒輪(19)和內齒圈(18)相互嚙合構成行星齒輪系，三個行星齒輪(20)的輪軸分別固定在三個豎向設置的傳動軸(21)的頂端，傳動軸(21)的底部裝配有桶形的散土存儲桶(22 )，散土存儲桶(22 )的底部設有三個中心對稱的軸孔且傳動軸(21)的底端穿過軸孔並固定有銑刀(23)，散土存儲桶(22)的側壁上設有三個對稱的卸土門(24)，與卸土門(24)相對的散土存儲桶(22)的底部設有開口，在開口處設置進口活扇(25)。
5.根據權利要求I所述的一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於所述的柱狀土壤取出部件(4)包括齒輪箱體(26)和固定在齒輪箱體(26)頂部上端的取土液壓馬達(27)，取土液壓馬達(27)的輸出軸從齒輪箱體(26)的頂部軸心處穿過，所述的齒輪箱體(26)內設置有一個中心齒輪(28)固定在取土液壓馬達(27)的輸出軸上，在齒輪箱體(26)內還有四個以中心齒輪(28)為中心對稱設置的從動齒輪(29)並與中心齒輪(28)相互嚙合，四個豎向設置的傳動軸(30)的頂端分別固定在四個從動齒輪(29)的輪軸處，傳動軸(30)穿過設置在齒輪箱體(26)的軸孔且可在軸孔內轉動，四個傳動軸(30)的下部通過一個圓環形的託盤(31)固定在一起，傳動軸(30)在穿過託盤(31)底部的下端固定有切刀(32)，在四個傳動軸(30)圍成的內側設有筒形的儲存筒(33)，儲存筒(33)的上端與齒輪箱體(26)的底部連接，儲存筒(33)的下端安裝在託盤(31)上。
6.根據權利要求4所述的一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於所述的環形槽形成部件(3 )在齒輪架(17 )與散土存儲桶(22 )之間固定有三個豎向設置且中心對稱的連接杆(34)，連接杆(34)與傳動軸(21)順序排列成圓環形並依次相間設置。
7.根據權利要求2或3所述的一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於所述的升降架(I)的導軌(10)與升降臺(5)的滑塊(11)組成導軌-滑塊運動副並引導升降臺(5)沿升降架(I)做上下運動。
8.根據權利要求4或5所述的一種原狀土壤樣品採集裝置，其特徵在於所述的銑刀(23)內沿到太陽齒輪(19)輪軸的垂直長度小於存儲筒(33)內徑尺寸的一半長度。
9.一種原狀土壤樣品採集方法，其特徵在於包含以下步驟 A、通過原狀土壤樣品採集裝置挖環形槽並形成原狀柱形土壤，將整個裝置垂直固定在地面上，將環形槽形成部件(3)和柱狀土壤取出部件(4)分別裝配在升降架(I)的右旋轉臺(7)和左旋轉臺(8)上，轉動右旋轉臺(7)至升降臺(5)處，載物臺(13)和輔助臺(14)的卡孔和卡槽將環形槽形成部件(3)固定在升降臺(5)上，啟動液壓缸(2)，液壓缸(2)驅動升降臺(5)帶動環形槽形成部件(3)向下運動，同時成槽液壓馬達(16)帶動銑刀(23)轉動，銑刀(23)將土壤打碎並將散土裝進散土存儲筒(22)內，當散土存儲筒(22)內存滿散土時，升降臺(5)停止向下運動並開始向上運動，當升至地面時升降臺(5)停止運動，打開散土儲存筒(22)的卸土門(24)將散土取出，然後升降臺(5)繼續向下運動，重複取土工作直到環形槽深度達到要求； B、更換工作部件，當環形槽深度達到要求後，升降臺(5)將環形槽形成部件(3)帶到地面上，打開載物臺(13)和輔助臺(14)，將右旋轉臺(7)轉動帶動環形槽形成部件(3)脫離升降臺(5)，然後將左旋轉臺(8)轉動至升降臺(5)處，載物臺(13)和輔助臺(14)的卡孔和卡槽將柱狀土壤取出部件(4)固定在升降臺(5)上； C、取出原狀柱形土壤，啟動液壓缸(2)，液壓缸(2)驅動升降臺(5)帶動柱狀土壤取出部件(4)向下運動，當柱狀土壤取出部件(4)下降到要求深度時，儲存筒(33)緊密套裝在原狀柱形土壤的外側，啟動取土液壓馬達(27)，通過齒輪傳動驅動四個切刀(32)旋轉切削土壤的下部，當停止取土液壓馬達(27)後，切刀(32)停留在土壤內部用於支撐土壤，升降臺(5)將柱狀土壤取出部件(4)和土壤提升到地面上，將一根傳動軸(30)及其固定的切刀(32 )拆下，將存儲筒(33 )和土壤一起取下，完成一次原狀土壤柱狀樣品採集。
全文摘要
本發明涉及一種原狀土壤樣品採集裝置及採集方法，其特徵在於包括升降架、液壓缸、環形槽形成部件和柱狀土壤取出部件，所述的液壓缸的下端豎直固定在升降架的底部，液壓缸的上端固定有升降臺，所述的環形槽形成部件在工作狀態時裝配在升降臺上，環形槽形成部件在非工作狀態時裝配在升降架上；所述的柱狀土壤取出部件在工作狀態時裝配在升降臺上，環形槽形成部件在非工作狀態時裝配在升降架上。方法包括挖環形槽形成柱形土壤，更換工作部件，取出原狀柱形土壤。本發明的有益效果是縮短土壤樣品採集時間，提高採集效率；降低工人勞動強度，實現挖槽和取土的自動進行；減少採集過程對柱狀土壤原狀的破壞，樣品質量得到改善，可提供可靠樣品。
文檔編號G01N1/08GK102768130SQ20121027560
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月3日 優先權日2012年8月3日
發明者於淑會, 劉宏娟, 劉慧濤, 劉金銅, 譚莉梅, 韓立樸 申請人:中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心