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专利名称：一种原状土壤样品采集装置及采集方法
技术领域：
本发明涉及土壤样品采集领域，尤其是一种原状土壤样品采集装置及采集方法。
背景技术：
在地球科学、农学、土壤学、生态学等多学科研究领域，通过采集土壤样品，并直接分析理化性质或通过模拟实验测其理化指标，已成为获取科学数据的必要手段。传统方法有人工土钻法、冲压法(如GeoProbe)、分层取土回填法和混匀等容重回填法等。人工地钻法因由人工来完成与土钻本身的限制，效率低下且仅能得到20-30cm厚、直径< 15cm的土柱；冲压法(如GeoPiObe)可以得到I米左右厚的土柱，但由于是机械冲压方式取土，所得土柱土壤容重与物理结构发生较大变化，在测定土壤化学指标如有机质含量等影响不大，但如 测土壤密度、土壤导水性指标且误差甚大；分层取土回填法和混匀等容也同样类似问题，分层取土回填法一般能保证每一层土壤原状，但层与层之间土壤扰动对土壤水盐运移模拟等实验影响很大。总之，传统土壤样品采集方法与采集装置，或存在效率问题，或对原土壤性扰动较大，对科学实验研究结果的科学性与准确性存在影响。本专利主要解决上述传统土壤样品因土壤采集方法与装置的问题原因，提高取样效率，获取更大厚度与直径的柱形原状土壤样品，为土壤导水率测定实验、土壤肥料淋失实验、土壤毛细管蒸发实验等多学科科学实验提供更优良的土壤样品。

发明内容
本发明的目的是提供一种定位精准、操作简便、提高采集效率且降低劳动强度的原状土壤样品采集装置及采集方法。为了完成上述目的，本发明采用的技术方案是
一种原状土壤样品采集装置，包括升降架、液压缸、环形槽形成部件和柱状土壤取出部件，所述的液压缸的下端竖直固定在升降架的底部，液压缸的上端固定有升降台，所述的环形槽形成部件在工作状态时装配在升降台上，环形槽形成部件在非工作状态时装配在升降架上；所述的柱状土壤取出部件在工作状态时装配在升降台上，环形槽形成部件在非工作状态时装配在升降架上。所述的升降架整体为士字形，包括竖直设置的凹槽形的机架、设置在机架上端两侧的左旋转台和右旋转台、在机架底部设置的液压缸固定座，在左旋转台与机架和右旋转台与机架之间设有分别通过销轴联接的旋转三脚架，所述的左旋转台、右旋转台和旋转三脚架可绕销轴在水平面转动，在机架的左右侧壁上设有导轨。所述的升降台包括相对设置的两个L形的滑块，在滑块上端固定有液压缸连接架，在滑块下部前侧固定有整体为簸箕形的载物台，载物台的底板在开口处设有同心的半圆形卡孔和卡槽，在载物台的开口处相对设置有辅助台，载物台和辅助台通过左右两侧的固定板联接，在辅助台的底部与载物台的底部结合处设有同心的半圆形卡孔和卡槽，辅助台和载物台的卡孔和卡槽相对设置并组合成圆形。
所述的环形槽形成部件包括圆盘形的箱体支架和装配在箱体支架上方的成槽液压马达，成槽液压马达的输出轴穿过箱体支架的轴心处，在箱体支架的下方固定有同心的筒形齿轮架，齿轮架的内壁上固定有内齿圈，在齿轮架内设有一个太阳齿轮和三个以太阳齿轮为中心对称设置的行星齿轮，太阳齿轮的轮轴固定在成槽液压马达的输出轴上，行星齿轮分别于太阳齿轮和内齿圈相互啮合构成行星齿轮系，三个行星齿轮的轮轴分别固定在三个竖向设置的传动轴的顶端，传动轴的底部装配有桶形的散土存储桶，散土存储桶的底部设有三个中心对称的轴孔且传动轴的底端穿过轴孔并固定有铣刀，散土存储桶的侧壁上设有三个对称的卸土门，与卸土门相对的散土存储桶的底部设有开口，在开口处设置进口活扇。所述的柱状土壤取出部件包括齿轮箱体和固定在齿轮箱体顶部上端的取土液压马达，取土液压马达的输出轴从齿轮箱体的顶部轴心处穿过，所述的齿轮箱体内设置有一个中心齿轮固定在取土液压马达的输出轴上，在齿轮箱体内还有四个以中心齿轮为中心对称设置的从动齿轮并与中心齿轮相互啮合，四个竖向设置的传动轴的顶端分别固定在四个从动齿轮的轮轴处，传动轴穿过设置在齿轮箱体的轴孔且可在轴孔内转动，四个传动轴的下部通过一个圆环形的托盘固定在一起，传动轴在穿过托盘底部的下端固定有切刀，在四个传动轴围成的内侧设有筒形的储存筒，储存筒的上端与齿轮箱体的底部连接，储存筒的 下端安装在托盘上。所述的环形槽形成部件在齿轮架与散土存储桶之间固定有三个竖向设置且中心对称的连接杆，连接杆与传动轴顺序排列成圆环形并依次相间设置。所述的升降架的导轨与升降台的滑块组成导轨-滑块运动副并引导升降台沿升降架做上下运动。所述的铣刀内沿到太阳齿轮轮轴的垂直长度小于存储筒内径尺寸的一半长度。采集方法包含以下步骤
A、通过原状土壤样品采集装置挖环形槽并形成原状柱形土壤，将整个装置垂直固定在地面上，将环形槽形成部件和柱状土壤取出部件分别装配在升降架的右旋转台和左旋转台上，转动右旋转台至升降台处，载物台和辅助台的卡孔和卡槽将环形槽形成部件固定在升降台上，启动液压缸，液压缸驱动升降台带动环形槽形成部件向下运动，同时成槽液压马达带动铣刀转动，铣刀将土壤打碎并将散土装进散土存储筒内，当散土存储筒内存满散土时，升降台停止向下运动并开始向上运动，当升至地面时升降台停止运动，打开散土储存筒的卸土门将散土取出，然后升降台继续向下运动，重复取土工作直到环形槽深度达到要求；
B、更换工作部件，当环形槽深度达到要求后，升降台将环形槽形成部件带到地面上，打开载物台和辅助台，将右旋转台转动带动环形槽形成部件脱离升降台，然后将左旋转台转动至升降台处，载物台和辅助台的卡孔和卡槽将柱状土壤取出部件固定在升降台上；
C、取出原状柱形土壤，启动液压缸，液压缸驱动升降台带动柱状土壤取出部件向下运动，当柱状土壤取出部件下降到要求深度时，储存筒紧密套装在原状柱形土壤的外侧，启动取土液压马达，通过齿轮传动驱动四个切刀旋转切削土壤的下部，当停止取土液压马达后，切刀停留在土壤内部用于支撑土壤，升降台将柱状土壤取出部件和土壤提升到地面上，将一根传动轴及其固定的切刀拆下，将存储筒和土壤一起取下，完成一次原状土壤柱状样品采集。
本发明的有益效果是缩短了土壤样品的采集时间，大大提高了采集的效率；最大限度地降低了采集工人的劳动强度，实现了挖槽和取土的自动进行；尽可能减少采集过程对柱状土壤原状的破坏，土壤样品的质量得到了很大的改善，这给土壤研究提供了可靠的样品供应保障。


图I是本发明的结构示意图。图2是图I中升降架的结构示意图。图3是图I中升降台的结构示意图。图4是图I中环形槽形成部件的结构示意图。 图5是图4中的A-A剖视图。图6是图4中的B-B剖视图。图7是图4中的C-C剖视图。图8是图4中环形槽形成部件底部的D向视图。图9是图I中的柱状土壤取出部件的结构示意图。图10是图9中的E-E剖视图。图11是图9中的F-F剖视图。图12是图9中柱状土壤取出部件底部的G向视图。图中，I、升降架，2、液压缸，3、环形槽形成部件，4、柱状土壤取出部件，5、升降台，
6、机架，7、右旋转台，8、左旋转台，9、液压缸固定座，10、导轨，11、滑块，12、液压缸连接架，13、载物台，14、辅助台，15、固定板，16、成槽液压马达，17、齿轮架，18、内齿圈，19、太阳齿轮，20、行星齿轮，21、传动轴，22、散土存储桶，23、铣刀，24、卸土门，25、进口活扇，26、齿轮箱体，27、取土液压马达，28、中心齿轮，29、从动齿轮，30、传动轴，31、托盘，32、切刀，33、储存筒，34、旋转三脚架，35、箱体支架，36、连接杆。
具体实施例方式本发明为一种原状土壤样品采集装置及采集方法，缩短了土壤样品的采集时间，大大提高了采集的效率；最大限度地降低了采集工人的劳动强度，实现了挖槽和取土的自动进行；尽可能减少采集过程对柱状土壤原状的破坏，土壤样品的质量得到了很大的改善，这给土壤研究提供了可靠的样品供应保障。下面结合附图对本发明做进一步说明。具体实施例，如图I至图12所示，一种原状土壤样品采集装置，包括升降架I、液压缸2、环形槽形成部件3和柱状土壤取出部件4，液压缸2的下端竖直固定在升降架I的底部，液压缸2的上端固定有升降台5，环形槽形成部件3在工作状态时装配在升降台5上，环形槽形成部件3在非工作状态时装配在升降架I上；柱状土壤取出部件4在工作状态时装配在升降台5上，环形槽形成部件4在非工作状态时装配在升降架I上。升降架I整体为士字形，包括竖直设置的凹槽形的机架6、设置在机架6上端两侧的左旋转台8和右旋转台7、在机架6底部设置的液压缸固定座9，在左旋转台8与机架6和右旋转台7与机架6之间设有分别通过销轴联接的旋转三脚架34，左旋转台8、右旋转台7和旋转三脚架34可绕销轴在水平面转动，在机架6的左右侧壁上设有导轨10。升降台5包括相对设置的两个L形的滑块11，升降架I的导轨10与升降台5的滑块11组成导轨-滑块运动副并引导升降台5沿升降架I做上下运动，在滑块11上端固定有液压缸连接架12，在滑块11下部前侧固定有整体为簸箕形的载物台13，载物台13的底板在开口处设有同心的半圆形卡孔和卡槽，在载物台13的开口处相对设置有辅助台14，载物台13和辅助台14通过左右两侧的固定板15联接，在辅助台14的底部与载物台13的底部结合处设有同心的半圆形卡孔和卡槽，辅助台14和载物台13的卡孔和卡槽相对设置并组合成圆形。环形槽形成部件3包括圆盘形的箱体支架35和装配在箱体支架35上方的成槽液压马达16，成槽液压马达16的输出轴穿过箱体支架35的轴心处，在箱体支架35的下方固定有同心的筒形齿轮架17且齿轮架17可绕轴心旋转，齿轮架17的内壁上固定有内齿圈18，在齿轮架17内设有一个太阳齿轮19和三个以太阳齿轮19为中心对称设置的行星齿轮20，太阳齿轮19的轮轴固定在成槽液压马达16的输出轴上，行星齿轮20分别于太阳齿轮19和内齿圈18相互啮合构成行星齿轮系，三个行星齿轮20的轮轴分别固定在三个竖向设置的传动轴21的顶端，传动轴21的底部装配有桶形的散土存储桶22，散土存储桶22的底 部设有三个中心对称的轴孔且传动轴21的底端穿过轴孔并固定有铣刀23，散土存储桶22的侧壁上设有三个对称的卸土门24，与卸土门24相对的散土存储桶22的底部设有开口，在开口处设置进口活扇25，在齿轮架17与散土存储桶22之间固定有三个竖向设置且中心对称的连接杆36，连接杆36与传动轴21顺序排列成圆环形并依次相间设置。柱状土壤取出部件4包括齿轮箱体26和固定在齿轮箱体26顶部上端的取土液压马达27，取土液压马达27的输出轴从齿轮箱体26的顶部轴心处穿过，齿轮箱体26内设置有一个中心齿轮28固定在取土液压马达27的输出轴上，在齿轮箱体26内还有四个以中心齿轮28为中心对称设置的从动齿轮29并与中心齿轮28相互啮合，四个竖向设置的传动轴30的顶端分别固定在四个从动齿轮29的轮轴处，传动轴30穿过设置在齿轮箱体26的轴孔且可在轴孔内转动，四个传动轴30的下部通过一个圆环形的托盘31固定在一起，传动轴30在穿过托盘31底部的下端固定有切刀32，在四个传动轴30围成的内侧设有筒形的储存筒33，储存筒33的上端与齿轮箱体26的底部连接，储存筒33的下端安装在托盘31上，将环形槽形成部件3中的铣刀23内沿到太阳齿轮19轮轴的垂直长度设计成小于存储筒33内径尺寸的一半长度，可以使存储筒33紧紧的套在柱形土壤外。采用本采集装置的原状土壤样品采集方法，包含以下步骤
A、通过原状土壤样品采集装置挖环形槽并形成原状柱形土壤，将整个装置垂直固定在地面上，将环形槽形成部件3和柱状土壤取出部件4分别装配在升降架I的右旋转台7和左旋转台8上,转动右旋转台7至升降台5处,载物台13和辅助台14的卡孔和卡槽将环形槽形成部件3固定在升降台5上，启动液压缸2，液压缸2驱动升降台5带动环形槽形成部件3向下运动，同时成槽液压马达16带动铣刀23转动，铣刀23将土壤打碎并将散土装进散土存储筒22内，当散土存储筒22内存满散土时，升降台5停止向下运动并开始向上运动，当升至地面时升降台5停止运动，打开散土储存筒22的卸土门24将散土取出，然后升降台5继续向下运动，重复取土工作直到环形槽深度达到要求；
B、更换工作部件，当环形槽深度达到要求后，升降台5将环形槽形成部件3带到地面上，打开载物台13和辅助台14，将右旋转台7转动带动环形槽形成部件3脱离升降台5，然后将左旋转台8转动至升降台5处,载物台13和辅助台14的卡孔和卡槽将柱状土壤取出部件4固定在升降台5上；
C、取出原状柱形土壤，启动液压缸2，液压缸2驱动升降台5带动柱状土壤取出部件4向下运动，当柱状土壤取出部件4下降到要求深度时，储存筒33紧密套装在原状柱形土壤的外侧，启动取土液压马达27，通过齿轮传动驱动四个切刀32旋转切削土壤的下部，当停止取土液压马达27后，切刀32停留在土壤内部用于支撑土壤，升降台5将柱状土壤取出部件4和土壤提升到地面上，将一根传动轴30及其固定的切刀32拆下，将存储筒33和土壤一起取下，完成一次原状土壤柱状样品采集。

本发明具有以下优点1、缩短了土壤样品的采集时间，大大提高了采集的效率；
2、最大限度地降低了采集工人的劳动强度，实现了挖槽和取土的自动进行；3、尽可能减少采集过程对柱状土壤原状的破坏，土壤样品的质量得到了很大的改善，这给土壤研究提供了可靠的样品供应保障。
权利要求
1.一种原状土壤样品采集装置，其特征在于包括升降架(I)、液压缸(2)、环形槽形成部件(3)和柱状土壤取出部件(4)，所述的液压缸(2)的下端竖直固定在升降架(I)的底部，液压缸(2)的上端固定有升降台(5)，所述的环形槽形成部件(3)在工作状态时装配在升降台(5)上，环形槽形成部件(3)在非工作状态时装配在升降架(I)上；所述的柱状土壤取出部件(4)在工作状态时装配在升降台(5)上，环形槽形成部件(4)在非工作状态时装配在升降架(I)上。
2.根据权利要求I所述的一种原状土壤样品采集装置，其特征在于所述的升降架(I)整体为士字形，包括竖直设置的凹槽形的机架(6)、设置在机架(6)上端两侧的左旋转台(8)和右旋转台(7)、在机架(6)底部设置的液压缸固定座(9)，在左旋转台(8)与机架(6)和右旋转台(7)与机架(6)之间设有分别通过销轴联接的旋转三脚架(34)，所述的左旋转台(8 )、右旋转台(7 )和旋转三脚架(34 )可绕销轴在水平面转动，在机架(6 )的左右侧壁上设有导轨(10)。
3.根据权利要求I所述的一种原状土壤样品采集装置，其特征在于所述的升降台(5)包括相对设置的两个L形的滑块(11)，在滑块(11)上端固定有液压缸连接架(12)，在滑块(11)下部前侧固定有整体为簸箕形的载物台(13)，载物台(13)的底板在开口处设有同心的半圆形卡孔和卡槽，在载物台(13)的开口处相对设置有辅助台(14),载物台(13)和辅助台(14)通过左右两侧的固定板(15)联接，在辅助台(14)的底部与载物台(13)的底部结合处设有同心的半圆形卡孔和卡槽，辅助台(14)和载物台(13)的卡孔和卡槽相对设置并组合成圆形。
4.根据权利要求I所述的一种原状土壤样品采集装置，其特征在于所述的环形槽形成部件(3)包括圆盘形的箱体支架(35)和装配在箱体支架(35)上方的成槽液压马达(16)，成槽液压马达(16)的输出轴穿过箱体支架(35)的轴心处，在箱体支架(35)的下方固定有同心的筒形齿轮架(17)，齿轮架(17)的内壁上固定有内齿圈(18)，在齿轮架(17)内设有一个太阳齿轮(19)和三个以太阳齿轮(19)为中心对称设置的行星齿轮(20)，太阳齿轮(19)的轮轴固定在成槽液压马达(16)的输出轴上，行星齿轮(20)分别于太阳齿轮(19)和内齿圈(18)相互啮合构成行星齿轮系，三个行星齿轮(20)的轮轴分别固定在三个竖向设置的传动轴(21)的顶端，传动轴(21)的底部装配有桶形的散土存储桶(22 )，散土存储桶(22 )的底部设有三个中心对称的轴孔且传动轴(21)的底端穿过轴孔并固定有铣刀(23)，散土存储桶(22)的侧壁上设有三个对称的卸土门(24)，与卸土门(24)相对的散土存储桶(22)的底部设有开口，在开口处设置进口活扇(25)。
5.根据权利要求I所述的一种原状土壤样品采集装置，其特征在于所述的柱状土壤取出部件(4)包括齿轮箱体(26)和固定在齿轮箱体(26)顶部上端的取土液压马达(27)，取土液压马达(27)的输出轴从齿轮箱体(26)的顶部轴心处穿过，所述的齿轮箱体(26)内设置有一个中心齿轮(28)固定在取土液压马达(27)的输出轴上，在齿轮箱体(26)内还有四个以中心齿轮(28)为中心对称设置的从动齿轮(29)并与中心齿轮(28)相互啮合，四个竖向设置的传动轴(30)的顶端分别固定在四个从动齿轮(29)的轮轴处，传动轴(30)穿过设置在齿轮箱体(26)的轴孔且可在轴孔内转动，四个传动轴(30)的下部通过一个圆环形的托盘(31)固定在一起，传动轴(30)在穿过托盘(31)底部的下端固定有切刀(32)，在四个传动轴(30)围成的内侧设有筒形的储存筒(33)，储存筒(33)的上端与齿轮箱体(26)的底部连接，储存筒(33)的下端安装在托盘(31)上。
6.根据权利要求4所述的一种原状土壤样品采集装置，其特征在于所述的环形槽形成部件(3 )在齿轮架(17 )与散土存储桶(22 )之间固定有三个竖向设置且中心对称的连接杆(34)，连接杆(34)与传动轴(21)顺序排列成圆环形并依次相间设置。
7.根据权利要求2或3所述的一种原状土壤样品采集装置，其特征在于所述的升降架(I)的导轨(10)与升降台(5)的滑块(11)组成导轨-滑块运动副并引导升降台(5)沿升降架(I)做上下运动。
8.根据权利要求4或5所述的一种原状土壤样品采集装置，其特征在于所述的铣刀(23)内沿到太阳齿轮(19)轮轴的垂直长度小于存储筒(33)内径尺寸的一半长度。
9.一种原状土壤样品采集方法，其特征在于包含以下步骤 A、通过原状土壤样品采集装置挖环形槽并形成原状柱形土壤，将整个装置垂直固定在地面上，将环形槽形成部件(3)和柱状土壤取出部件(4)分别装配在升降架(I)的右旋转台(7)和左旋转台(8)上，转动右旋转台(7)至升降台(5)处，载物台(13)和辅助台(14)的卡孔和卡槽将环形槽形成部件(3)固定在升降台(5)上，启动液压缸(2)，液压缸(2)驱动升降台(5)带动环形槽形成部件(3)向下运动，同时成槽液压马达(16)带动铣刀(23)转动，铣刀(23)将土壤打碎并将散土装进散土存储筒(22)内，当散土存储筒(22)内存满散土时，升降台(5)停止向下运动并开始向上运动，当升至地面时升降台(5)停止运动，打开散土储存筒(22)的卸土门(24)将散土取出，然后升降台(5)继续向下运动，重复取土工作直到环形槽深度达到要求； B、更换工作部件，当环形槽深度达到要求后，升降台(5)将环形槽形成部件(3)带到地面上，打开载物台(13)和辅助台(14)，将右旋转台(7)转动带动环形槽形成部件(3)脱离升降台(5)，然后将左旋转台(8)转动至升降台(5)处，载物台(13)和辅助台(14)的卡孔和卡槽将柱状土壤取出部件(4)固定在升降台(5)上； C、取出原状柱形土壤，启动液压缸(2)，液压缸(2)驱动升降台(5)带动柱状土壤取出部件(4)向下运动，当柱状土壤取出部件(4)下降到要求深度时，储存筒(33)紧密套装在原状柱形土壤的外侧，启动取土液压马达(27)，通过齿轮传动驱动四个切刀(32)旋转切削土壤的下部，当停止取土液压马达(27)后，切刀(32)停留在土壤内部用于支撑土壤，升降台(5)将柱状土壤取出部件(4)和土壤提升到地面上，将一根传动轴(30)及其固定的切刀(32 )拆下，将存储筒(33 )和土壤一起取下，完成一次原状土壤柱状样品采集。
全文摘要
本发明涉及一种原状土壤样品采集装置及采集方法，其特征在于包括升降架、液压缸、环形槽形成部件和柱状土壤取出部件，所述的液压缸的下端竖直固定在升降架的底部，液压缸的上端固定有升降台，所述的环形槽形成部件在工作状态时装配在升降台上，环形槽形成部件在非工作状态时装配在升降架上；所述的柱状土壤取出部件在工作状态时装配在升降台上，环形槽形成部件在非工作状态时装配在升降架上。方法包括挖环形槽形成柱形土壤，更换工作部件，取出原状柱形土壤。本发明的有益效果是缩短土壤样品采集时间，提高采集效率；降低工人劳动强度，实现挖槽和取土的自动进行；减少采集过程对柱状土壤原状的破坏，样品质量得到改善，可提供可靠样品。
文档编号G01N1/08GK102768130SQ20121027560
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者于淑会, 刘宏娟, 刘慧涛, 刘金铜, 谭莉梅, 韩立朴 申请人:中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心