机动取土器取土杆结构的设计

　　摘要:土壤成分影响着农作物的质量与产量，因而对于土壤破坏的研究与修复，是一项重要的工作。土壤的取样，有时需在土壤表面取土，有时需要在地面下某深处取样，需要一种专用取土器进行取样。为此，着重研究了机动取土器取土部分，设计了一种新的取土杆结构，使得在只需更换取土结构的情况下，满足不同规格的取土要求，以便于方便、快捷取土。同时，应用Ansys软件对其进行有限元分析，确保所设计结构的可行性。设计的取土器能满足不同规格土壤取土要求，为取土器结构设计提供了一种新思路。

　　关键词:取土器;取土筒;结构设计;有限元分析

　　0引言

　　人类的生存离不开土壤，土壤是我们种植农作物、水果等不可或缺的基本条件[1]。从某种角度来说土壤也是有生命的，其质量的好坏，与我们所种农作物的质量和产量紧密相连。随着我国人口的增加，粮食的产量就必须加大以满足人口需求，这就促使农民大量地使用化肥，虽然能够增加农作物产量但也破坏了土壤结构，造成土壤的营养不均衡甚至匮乏、土壤板结等现象[2-3]。

　　随着农业科学的发展，科学家越来越重视土壤的保护和修复，以增加其动力和活力，对土壤的研究有利于对土壤的保护及合理运用，对环境保护也至关重要[4]。土壤的研究有时在土地表面取样，但大多数是在土地某深度进行取样[5]，而不管是在土地表面还是在地表某深度，土壤取样都需要用到取土器。目前，所用取土器取土筒的直径大多在100mm以下[6]，不同情况下对取土的直径要求不一样。以往换用不同直径取土的方法是换不同的取土器[7]，需要做出不同规格的取土器。本文拟设计一种取土器，适用于不同取土直径要求下的土壤取样。

　　1设计原理与结构

　　1.1设计思路

　　以农用机动取土器为基础，将取土杆取土部分做成可拆卸的不同直径的取土筒，这样在用不同直径取土器取土时就不用换整个取土器，直接换入土端取土筒即可。该方法不仅节省了材料，降低了成本，且在实地使用时不必带多个取土器，只需带上所需取土筒即可，节省了人力的搬运，降低了劳动程度。

　　1.2结构设计

　　将取土杆的一端做成连接座，与变速箱的锤击结构相连;另一端加工成内螺纹孔，螺纹直径为20mm，孔深为25mm。取土筒为长度为300mm，直径为30、40、60、80mm，一端开刃，另一端加工成带有螺栓的端面，螺栓直径为20mm，长为25mm，且在端面上加工3个直径为2mm的圆孔，以防止取土筒在入土工程中，压缩里面空气对入土造成阻力。同时，在取土筒的侧面开一个适当的U型槽，以便于取土后收集土样。取土时，先将取土筒和取土杆连接，以直径为40mm的取土筒为例，将取土杆连接座部分与动力机构相连，然后发动汽油机，进行取土即可。

　　2受力分析及载荷计算

　　2.1取土筒的受力分析与力学建模

　　取土筒实际是一段开口的钢管，入土时所受外力一直向下，方向不变，因此在贯入土中时可以按照开口钢管桩竖向承载力的计算方法计算[8]。其所受的力有:竖直向下的锤击力F，取土筒内壁与土壤的摩擦力f1，取土筒外壁摩擦力f2。

　　其土壤同金属接触面之间的附着力几乎完全因水膜张力所造成，附着力也与土壤的质地、含水量、接触面材料和光洁度等因素有关。附着力在有水分时才有，但随土壤含水量的增加其值先增加后减少，其最大值与摩擦力相比小得很多，故可忽略不计。因取土杆与取土筒是空心的，力的传递都是通过杆壁传到筒壁上，忽略传递过程中力的损失，得到简化的取土筒入土时所受力的简化图。

　　2.2动力载荷分析计算

　　在实际情况下，因电镐做功比汽油机输出动力稳定，取土杆受到冲击力更大，以电镐为例进行分析。采用高速冲击镐作为动力源，电镐的输入功率为1580W，锤击频率为2980次/min。取土时，电机带着其轴前端的一体式斜齿轮一起转动，使传动斜齿轮转动，斜齿轮又将圆周转动传递给曲轴，使由曲轴和连杆组成的曲轴连杆机构做偏心运动，然后连接在曲轴连杆上的活塞做直线往返运动;因活塞与撞锤之间为密封的空间，活塞压缩空气到一定程度时，撞锤也就跟着一起向后运动，直到撞击到冲击杆。如此这样循环实现对冲击杆的做功。取土杆前端的冲击座受冲击杆的周期性冲击力，其方向不变，大小在一定区间内，所受应力属于脉动循环。

　　3结论

　　1)根据取土器的自身特点，重新设计了其取土杆的结构，将取土部分改为可拆卸的取土筒，可通过更换取土筒满足不同取土规格的条件，避免了更换整个取土器的麻烦。

　　2)通过对取土筒受力分析与建模，利用Ansys软件对其进行有限元分析，得到相应条件下的总变形、应力等云图，发现其强度等满足各条件。分析了该结构的前6阶振型，验证所选用汽油机的频率不会与取土筒结构形成共振，避免了因共振对取土筒造成的破坏。

　　3)试验表明:所设计的取土杆结构能够满足顺利入土，且深度越深，取样速度及土样原状性保持越好，能够满足取土性能的基本要求。

　　参考文献:

　　[1]李丽，张兴，李军宏，等.土壤污染现状与土壤修复产业进展及发展前景研究[J].环境科学与管理，2016，41(3):45-48.

　　[2]聂晨辉.土壤肥料在农业可持续发展中的地位和作用[J].南方农业，2017，11(5):125，128.

　　[3]胡月明，宋英强，刘轶伦，等.土壤有机质的预测方法和设备:中国，CN107860889A[P].2018-03-30.

　　[4]环境污染及其防治土壤污染及其防治[J].环境科学文摘，2008(2):43-49.

　　[5]姜安龙，高大钊.取土器直径对取样扰动的影响分析[J].工程勘察，2002(4):13-14，38.

　　[6]卞昭庆.国外取土器综述[J].勘察科学技术，1986(3):24-32.

　　[7]王亚东.介绍一种灵敏土取土器[J].勘察科学技术，1984(5):61.

　　[8]陈新奎，戴国亮，龚维明.开口钢管桩竖向承载力计算方法[J].水运工程，2016(3):137-144.

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