摘要:土壤成分影響著農(nóng)作物的質(zhì)量與產(chǎn)量，因而對(duì)于土壤破壞的研究與修復(fù)，是一項(xiàng)重要的工作。土壤的取樣，有時(shí)需在土壤表面取土，有時(shí)需要在地面下某深處取樣，需要一種專用取土器進(jìn)行取樣。為此，著重研究了機(jī)動(dòng)取土器取土部分，設(shè)計(jì)了一種新的取土桿結(jié)構(gòu)，使得在只需更換取土結(jié)構(gòu)的情況下，滿足不同規(guī)格的取土要求，以便于方便、快捷取土。同時(shí)，應(yīng)用Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，確保所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性。設(shè)計(jì)的取土器能滿足不同規(guī)格土壤取土要求，為取土器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

　　關(guān)鍵詞:取土器;取土筒;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元分析

　　0引言

　　人類的生存離不開(kāi)土壤，土壤是我們種植農(nóng)作物、水果等不可或缺的基本條件[1]。從某種角度來(lái)說(shuō)土壤也是有生命的，其質(zhì)量的好壞，與我們所種農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量緊密相連。隨著我國(guó)人口的增加，糧食的產(chǎn)量就必須加大以滿足人口需求，這就促使農(nóng)民大量地使用化肥，雖然能夠增加農(nóng)作物產(chǎn)量但也破壞了土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤的營(yíng)養(yǎng)不均衡甚至匱乏、土壤板結(jié)等現(xiàn)象[2-3]。

　　隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家越來(lái)越重視土壤的保護(hù)和修復(fù)，以增加其動(dòng)力和活力，對(duì)土壤的研究有利于對(duì)土壤的保護(hù)及合理運(yùn)用，對(duì)環(huán)境保護(hù)也至關(guān)重要[4]。土壤的研究有時(shí)在土地表面取樣，但大多數(shù)是在土地某深度進(jìn)行取樣[5]，而不管是在土地表面還是在地表某深度，土壤取樣都需要用到取土器。目前，所用取土器取土筒的直徑大多在100mm以下[6]，不同情況下對(duì)取土的直徑要求不一樣。以往換用不同直徑取土的方法是換不同的取土器[7]，需要做出不同規(guī)格的取土器。本文擬設(shè)計(jì)一種取土器，適用于不同取土直徑要求下的土壤取樣。

　　1設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)

　　1.1設(shè)計(jì)思路

　　以農(nóng)用機(jī)動(dòng)取土器為基礎(chǔ)，將取土桿取土部分做成可拆卸的不同直徑的取土筒，這樣在用不同直徑取土器取土?xí)r就不用換整個(gè)取土器，直接換入土端取土筒即可。該方法不僅節(jié)省了材料，降低了成本，且在實(shí)地使用時(shí)不必帶多個(gè)取土器，只需帶上所需取土筒即可，節(jié)省了人力的搬運(yùn)，降低了勞動(dòng)程度。

　　1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　將取土桿的一端做成連接座，與變速箱的錘擊結(jié)構(gòu)相連;另一端加工成內(nèi)螺紋孔，螺紋直徑為20mm，孔深為25mm。取土筒為長(zhǎng)度為300mm，直徑為30、40、60、80mm，一端開(kāi)刃，另一端加工成帶有螺栓的端面，螺栓直徑為20mm，長(zhǎng)為25mm，且在端面上加工3個(gè)直徑為2mm的圓孔，以防止取土筒在入土工程中，壓縮里面空氣對(duì)入土造成阻力。同時(shí)，在取土筒的側(cè)面開(kāi)一個(gè)適當(dāng)?shù)腢型槽，以便于取土后收集土樣。取土?xí)r，先將取土筒和取土桿連接，以直徑為40mm的取土筒為例，將取土桿連接座部分與動(dòng)力機(jī)構(gòu)相連，然后發(fā)動(dòng)汽油機(jī)，進(jìn)行取土即可。

　　2受力分析及載荷計(jì)算

　　2.1取土筒的受力分析與力學(xué)建模

　　取土筒實(shí)際是一段開(kāi)口的鋼管，入土?xí)r所受外力一直向下，方向不變，因此在貫入土中時(shí)可以按照開(kāi)口鋼管樁豎向承載力的計(jì)算方法計(jì)算[8]。其所受的力有:豎直向下的錘擊力F，取土筒內(nèi)壁與土壤的摩擦力f1，取土筒外壁摩擦力f2。

　　其土壤同金屬接觸面之間的附著力幾乎完全因水膜張力所造成，附著力也與土壤的質(zhì)地、含水量、接觸面材料和光潔度等因素有關(guān)。附著力在有水分時(shí)才有，但隨土壤含水量的增加其值先增加后減少，其最大值與摩擦力相比小得很多，故可忽略不計(jì)。因取土桿與取土筒是空心的，力的傳遞都是通過(guò)桿壁傳到筒壁上，忽略傳遞過(guò)程中力的損失，得到簡(jiǎn)化的取土筒入土?xí)r所受力的簡(jiǎn)化圖。

　　2.2動(dòng)力載荷分析計(jì)算

　　在實(shí)際情況下，因電鎬做功比汽油機(jī)輸出動(dòng)力穩(wěn)定，取土桿受到?jīng)_擊力更大，以電鎬為例進(jìn)行分析。采用高速?zèng)_擊鎬作為動(dòng)力源，電鎬的輸入功率為1580W，錘擊頻率為2980次/min。取土?xí)r，電機(jī)帶著其軸前端的一體式斜齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳動(dòng)斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，斜齒輪又將圓周轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給曲軸，使由曲軸和連桿組成的曲軸連桿機(jī)構(gòu)做偏心運(yùn)動(dòng)，然后連接在曲軸連桿上的活塞做直線往返運(yùn)動(dòng);因活塞與撞錘之間為密封的空間，活塞壓縮空氣到一定程度時(shí)，撞錘也就跟著一起向后運(yùn)動(dòng)，直到撞擊到?jīng)_擊桿。如此這樣循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊桿的做功。取土桿前端的沖擊座受沖擊桿的周期性沖擊力，其方向不變，大小在一定區(qū)間內(nèi)，所受應(yīng)力屬于脈動(dòng)循環(huán)。

　　3結(jié)論

　　1)根據(jù)取土器的自身特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)了其取土桿的結(jié)構(gòu)，將取土部分改為可拆卸的取土筒，可通過(guò)更換取土筒滿足不同取土規(guī)格的條件，避免了更換整個(gè)取土器的麻煩。

　　2)通過(guò)對(duì)取土筒受力分析與建模，利用Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，得到相應(yīng)條件下的總變形、應(yīng)力等云圖，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度等滿足各條件。分析了該結(jié)構(gòu)的前6階振型，驗(yàn)證所選用汽油機(jī)的頻率不會(huì)與取土筒結(jié)構(gòu)形成共振，避免了因共振對(duì)取土筒造成的破壞。

　　3)試驗(yàn)表明:所設(shè)計(jì)的取土桿結(jié)構(gòu)能夠滿足順利入土，且深度越深，取樣速度及土樣原狀性保持越好，能夠滿足取土性能的基本要求。

　　參考文獻(xiàn):

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　　[3]胡月明，宋英強(qiáng)，劉軼倫，等.土壤有機(jī)質(zhì)的預(yù)測(cè)方法和設(shè)備:中國(guó)，CN107860889A[P].2018-03-30.

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