機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化畢業(yè)論文開題報(bào)告-深層土壤樣品采集裝置設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　理工學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p>　　題 目： 深層土壤樣品采集裝置設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)生姓名： 王志軍 學(xué) 號(hào)： 08L0501321 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制

2、造及其自動(dòng)化 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 李文忠（副教授） </p><p>　　2012年03月20日</p><p><b>　　1 文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　土壤是農(nóng)

3、業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基本要素之一，是國(guó)家最重要的自然資源之一，也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤環(huán)境狀況不僅直接影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康。土壤污染問(wèn)題己經(jīng)成為影響群眾身體健康、損害群眾利益的重要因素[1]。</p><p>　　為了滿足普查各類地質(zhì)的需要，需要研制一種采集更深土壤的裝置，采集土壤樣品，進(jìn)行土壤分析，了解土壤中的元素組成，從而添加某些元素，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。<

4、/p><p>　　1.2 土壤取樣裝置發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在早期，土壤探測(cè)器是用手動(dòng)按到土壤里的，土壤被收集在這個(gè)探測(cè)裝置內(nèi)部的核心位置。顯然，這種手動(dòng)的操作是勞力密集的，并且很難插入地面[2]。</p><p>　　現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)土壤采樣裝置主要是沿用國(guó)外上世紀(jì)中期的技術(shù)，沒(méi)有專業(yè)從事土壤采樣裝置的研究生產(chǎn)單位.通過(guò)和歐美著名品牌公司合作生產(chǎn)，開發(fā)了適合不同地

5、質(zhì)地(沉積物、泥炭土、沙土、壤土、粘土、凍土、冰)、不同采樣要求(有機(jī)物分析采樣、重金屬分析采樣、泥炭采樣、容重采樣、表層采樣、深層采樣、剖ICI采樣、手動(dòng)采樣、動(dòng)力采樣等)一系列的土壤采樣裝置[3]。</p><p>　　但是目前我國(guó)對(duì)于對(duì)特定土層的深層土壤的采集并沒(méi)有達(dá)到一定的高度，有的裝置對(duì)土壤樣品的采集還停留在插入土壤，取得樣品，或者是插入更深的土壤，采集樣品。這樣并不能對(duì)土壤的機(jī)構(gòu)有更深的了解，而且，目

6、前的采集裝置人工取土效率低，質(zhì)量差，某些裝置還需大量勞動(dòng)力。</p><p>　　1.2.1輕便土壤層取樣鉆機(jī)</p><p>　　該裝置是早期加拿大一家公司研制的一種用于覆蓋層取樣的輕便鉆機(jī)，取樣效率高。</p><p>　　這種鉆機(jī)并不是像一般鉆機(jī)一樣使用金剛石鉆頭，它的鉆頭是一種采用表面硬化的缸套管靴。鉆機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，不需要用水和壓縮空氣，連鉆桿都不轉(zhuǎn)動(dòng)，其靠

7、聲波振動(dòng)來(lái)工作。鉆頭產(chǎn)生的振動(dòng)能直接傳給鉆桿，鉆桿又把振動(dòng)傳送給土壤層，從而使鉆桿自由推進(jìn)。在鉆進(jìn)過(guò)程中土壤樣自動(dòng)進(jìn)人鉆桿中，形成完整的、不受污染的樣品。在潮濕層或湖底取樣時(shí)，鉆桿中的樣品變得密實(shí)，因?yàn)樗直徽鸪觥Ｔ撗b置當(dāng)時(shí)在加拿大和南美去的了令人滿意的成績(jī)[4][5]。</p><p>　　1.2.2ETC-300E土壤取樣裝置</p><p>　　ETC-300E是由江蘇省金壇市億通電

8、子有限公司研制的輕便取樣裝置。</p><p>　　該裝置能夠采集河流、湖泊等地下沉積物（底泥、底質(zhì)、污泥）、沼澤土、泥灰土。采樣管是采用透明有機(jī)玻璃制成，采集到的樣品清晰可見(jiàn)，便于觀察[6]。裝置整體在一個(gè)鋁箱內(nèi)，所以攜帶輕便，取樣簡(jiǎn)單快捷。樣品在被采集完后，基本保持原樣，并且采樣管可迅速更換清洗。</p><p>　　這是一種手動(dòng)裝置，取樣配置上也大都是是一些小型器材，如：T型手柄、擊

9、打手柄、不銹鋼土壤鉆頭、備用活塞等。</p><p>　　1.2.3車載液壓振動(dòng)式土壤采集裝置</p><p>　　車載液壓振動(dòng)式土壤采集裝置是通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)控制各個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成土壤的采集。運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法，初步構(gòu)建了土壤采集信息處理系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)和開發(fā)框架，并在此基礎(chǔ)上，利用組件技術(shù)開發(fā)了車載土壤采集信息處理系統(tǒng)[7]。</p><p>　　裝置的動(dòng)力由柴油

10、機(jī)提供，該柴油機(jī)是由中液液壓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的CBN-E3齒輪泵。車載裝置必然是安裝在機(jī)動(dòng)車上，并由機(jī)動(dòng)車帶動(dòng)為整個(gè)系統(tǒng)供油。裝置配置方面，車上需安裝支撐油缸來(lái)支撐導(dǎo)向支撐架，導(dǎo)向支撐架上安裝減壓閥、壓力表，液壓沖擊器、取樣管、升降油缸等等。</p><p>　　在裝置總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是液壓系統(tǒng)管路優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了車載土壤采集裝置整體性能與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。</p><p

11、>　　該裝置的采樣頭是有內(nèi)凸和外凸特征，這種結(jié)構(gòu)能夠減小摩擦力。目前有一種龍門式采樣頭，可直接采樣并收回，性能良好[8]。</p><p>　　1.2.4土壤樣品的采集方法</p><p>　　土壤樣品的采集和處理是土壤分析工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采集有代表性的樣品，是測(cè)定結(jié)果能如實(shí)反映土壤環(huán)境狀況的先決條件。實(shí)驗(yàn)室工作者只能對(duì)來(lái)樣的分析結(jié)果負(fù)責(zé)，如果送來(lái)的樣品不符合要求，那么任何精密儀

12、器和熟練的分析技術(shù)都將毫無(wú)意義[9]。因此，分析結(jié)果能否說(shuō)明問(wèn)題，關(guān)鍵在于樣品的采集和處理。一個(gè)土壤樣品的化驗(yàn)結(jié)果，代表采樣單元面積的土壤情況，如果采集的樣品沒(méi)有代表性，實(shí)驗(yàn)做的再好也是沒(méi)用的[10]。在供試條件下(沉積物母質(zhì)，平原地區(qū))，用土鉆采取30個(gè)點(diǎn)的土壤混合組成一個(gè)代表性樣品的做法，可以在很大程度上克服空間變異性對(duì)土壤水化學(xué)的干擾[11]?，F(xiàn)在的采樣方法基本是對(duì)角線，棋盤式，蛇形三種方法，可根據(jù)土壤面積的大小來(lái)確定。取樣田面積

13、較小，采用對(duì)角線方法；面積中等則采用棋盤式采樣法，面積較大則采用蛇形采樣法[12]。</p><p>　　另外要控制人為帶來(lái)的誤差，土壤樣品的質(zhì)量有事也與采樣的工具有關(guān)，比如：采集測(cè)定金屬含量的土壤，就不能使用金屬制采樣工具[13]。</p><p>　　所以，土壤樣品的采集方法，樣品的保護(hù)和制備也是現(xiàn)在需要注意的重要問(wèn)題，一個(gè)好的土壤樣品是各個(gè)環(huán)節(jié)謹(jǐn)慎完成的結(jié)果。</p>

14、<p><b>　　1.3 結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　土壤采集裝置的研發(fā)是目前國(guó)內(nèi)的一個(gè)弱項(xiàng)，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有特定的研發(fā)中心，而土壤采集裝置的機(jī)械化程度也需改善。目前大多的裝置是土壤取樣裝置直接插入地面采集樣品，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)某一個(gè)土層的采集。還有，目前裝置采集土壤時(shí)，要求取土深度和采樣量要均勻一致，土層的上層與下層的比例要相同[14]。這樣既不能保證土壤樣品的質(zhì)量，又對(duì)裝置的要

15、求很高。對(duì)于中國(guó)這樣農(nóng)業(yè)大國(guó)，土壤對(duì)農(nóng)業(yè)的重要性顯而易見(jiàn)，所以對(duì)于土壤的研究必須得到加強(qiáng)，而目前的土壤取樣裝置大都目的在于土壤取樣，對(duì)裝置的研究還需上升一個(gè)檔次，如：上文提到的土壤層取樣鉆機(jī)，雖然效率高，但裝置重達(dá)400磅，也就是150公斤，若想一個(gè)人獨(dú)立完成，勞力密集程度可想而知，所以一個(gè)人仿佛不太現(xiàn)實(shí)。液壓車載裝置的采集技術(shù)很好，但由于是車輛帶動(dòng)，所以一些地理?xiàng)l件差的位置并不能夠進(jìn)行采集。而ETC-300E裝置對(duì)土壤樣品的保護(hù)不夠完

16、善，那么先前的一切努力都是白費(fèi)的。因此，針對(duì)目前的裝置有太多局限性，樣品的質(zhì)量也并不能夠有所保證，有必要對(duì)土壤采集裝置進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下土壤的挖掘、運(yùn)送到地面，解決目前人工取土效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，樣品質(zhì)量差等問(wèn)題，提高采集質(zhì)量</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1、鄧曉慶, 張妍. 云南省土壤污染狀況調(diào)查中土壤樣品制

17、備. 環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊, 2007,26(5).</p><p>　　2、SOIL SAMPLING DEVICE. Units States Patent. US006360829B1.Mar.26,2002.</p><p>　　3、張凱, 劉成良. 車載液壓振動(dòng)式土壤采集裝置研究. 南京信息工程大學(xué)學(xué)自然科學(xué)版, 2010, 2(4): 297-301.</p><

18、;p>　　4、賈書剛, 王淑平, 姚玉霞, 徐冰. 土壤鉆取采樣器類型的研究. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1995, 18(1): 51-55.</p><p>　　5、于銘強(qiáng). 輕便土壤層取樣鉆機(jī). 國(guó)外鈾質(zhì)地質(zhì): 科技簡(jiǎn)訊. 譯自《The Northern Miner》April 21, 1983: 120.</p><p>　　6、http://www.eltong.com/Prod

19、ucts/T61/279.html</p><p>　　7、陳云坪, 王秀, 趙春江. 基于3S技術(shù)的土壤采集信息處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2007, 24 (6) . </p><p>　　8、陳惠賢, 趙天成. 采樣機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 液壓與氣動(dòng), 2011(1)：66-68.</p><p>　　9、李春明. 土壤樣品的采集與處理. 西北民

20、族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2003, 24(50): 74-75.</p><p>　　10、唐雅萍, 李敏. 關(guān)于土壤樣品規(guī)范化管理的探討. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù), 2008, 20(5): 65-66.</p><p>　　11、陳同斌, 陳世慶. 土壤水壓榨取樣技術(shù)及其土壤樣品采集與保存的研究. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 1997, 3(1): 60-64.</p><

21、;p>　　12、奚廷孔, 張艷新. 土壤樣品的采集與處理技術(shù). 廣西農(nóng)學(xué)報(bào), 2007, 22(3): 36-38.</p><p>　　13、劉玉英. 淺談土壤測(cè)定中的土壤取樣. 農(nóng)業(yè)科技與信息, 2007, (11): 32-33.</p><p>　　14、張義. 淺談土壤樣品采集的方法及有關(guān)注意事項(xiàng). 黑龍江科技信息: 農(nóng)林論壇, 108.</p><p&

22、gt;　　2 本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段及途徑</p><p><b>　　2.1 任務(wù)分析</b></p><p>　　深層土壤的采集是某一土層的采集，在這一領(lǐng)域，采集裝置的研發(fā)是比較欠缺的，優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯，而這些劣勢(shì)基本上是人工取土效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，樣品質(zhì)量差，所以本次裝置的設(shè)計(jì)要盡量解決這些人為的問(wèn)題，即設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地下土壤的挖掘并

23、運(yùn)送到地面并能很好解決這些基本問(wèn)題。這次裝置開始的工作便是基本的工作，挖掘。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是挖一個(gè)坑，坑的直徑大概在30公分左右，因?yàn)槭怯糜诳蒲?，所以采集的土壤質(zhì)量必然要好，不能存在雜質(zhì)，所以對(duì)這個(gè)前期的挖掘工作要做到整體挖掘，不能破壞土層的結(jié)構(gòu)，使側(cè)壁光滑整潔，然后土壤取樣的過(guò)程如下文所述。</p><p><b>　　2.2 技術(shù)方案</b></p><p>　　由

24、于要保持側(cè)壁的光滑整潔，所以鉆頭不可取，可采用切刀進(jìn)行前期挖掘，切刀的表面應(yīng)是光滑的。驅(qū)動(dòng)裝置可采用發(fā)電機(jī)，或是液壓系統(tǒng)。目前很多裝置都采用液壓系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生震動(dòng)，所以也就不會(huì)是切刀在挖掘中破壞土層結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)切刀挖掘到給定深度（大于0.5m），然后用切刀壁夾緊帶出土壤，即使坑中有殘留土壤碎塊，也不影響側(cè)壁取樣，然后換上土壤探頭進(jìn)行取樣。土壤探頭是土壤取樣的關(guān)鍵部位，探頭的材料結(jié)構(gòu)對(duì)樣品的采集有重要影響。探頭要光滑尖銳，就像做

25、某件事，不能拖拖拉拉，要一擊即中，土壤的采集要保證深層土壤的整體性，上下層之間不能混淆，所以探頭如果不好，深層土壤的結(jié)構(gòu)容易破壞。</p><p>　　2.2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)支撐桿的運(yùn)動(dòng)，支撐桿上有軸承和導(dǎo)軌，一端連接切刀切刀與支撐桿之間通過(guò)軸承連接，并且能夠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌上的滑塊通過(guò)一個(gè)鋼管與驅(qū)動(dòng)端連接，滑塊與鋼管可通過(guò)滾動(dòng)軸連接，當(dāng)支撐桿

26、進(jìn)行挖掘和采集時(shí)，滑塊是在支撐桿上做豎直方向的運(yùn)動(dòng)的，采集工作完成后，滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將支撐桿移動(dòng)到水平位置，以方便去的土樣。驅(qū)動(dòng)切刀進(jìn)行挖掘時(shí)，切刀運(yùn)動(dòng)切入是旋轉(zhuǎn)進(jìn)行的。如果采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)的話會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，并且電壓不穩(wěn)定的話，可能破壞切刀，最主要的是可能破壞深層土層的結(jié)構(gòu)，所以，最好采用液壓系統(tǒng)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)，以保證采集工作的平穩(wěn)進(jìn)行，這樣整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是比較完善的。</p><p>　　2.2.2 夾緊系統(tǒng)<

27、/p><p>　　由于土壤取樣取的是側(cè)壁土層，所以對(duì)挖掘的松土沒(méi)有特定的要求，如果縮回支撐桿，再換上一種特定的手機(jī)松土裝置，操作不當(dāng)?shù)脑捒赡軙?huì)破壞土層，所以，可在切刀尾端與支撐桿連接的部分設(shè)計(jì)一個(gè)橫軸，這樣，挖掘結(jié)束后，收緊切刀把松土帶出。這時(shí)，切刀不必旋轉(zhuǎn)，只需在豎直方向運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.2.3 深層土壤取樣</p><p>　　挖掘工作完成后，卸下切