摘要:土壤成分影響著農作物的質量與產量，因而對于土壤破壞的研究與修復，是一項重要的工作。土壤的取樣，有時需在土壤表面取土，有時需要在地面下某深處取樣，需要一種專用取土器進行取樣。為此，著重研究了機動取土器取土部分，設計了一種新的取土桿結構，使得在只需更換取土結構的情況下，滿足不同規格的取土要求，以便于方便、快捷取土。同時，應用Ansys軟件對其進行有限元分析，確保所設計結構的可行性。設計的取土器能滿足不同規格土壤取土要求，為取土器結構設計提供了一種新思路。

　　關鍵詞:取土器;取土筒;結構設計;有限元分析

　　0引言

　　人類的生存離不開土壤，土壤是我們種植農作物、水果等不可或缺的基本條件[1]。從某種角度來說土壤也是有生命的，其質量的好壞，與我們所種農作物的質量和產量緊密相連。隨著我國人口的增加，糧食的產量就必須加大以滿足人口需求，這就促使農民大量地使用化肥，雖然能夠增加農作物產量但也破壞了土壤結構，造成土壤的營養不均衡甚至匱乏、土壤板結等現象[2-3]。

　　隨著農業科學的發展，科學家越來越重視土壤的保護和修復，以增加其動力和活力，對土壤的研究有利于對土壤的保護及合理運用，對環境保護也至關重要[4]。土壤的研究有時在土地表面取樣，但大多數是在土地某深度進行取樣[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]，需要做出不同規格的取土器。本文擬設計一種取土器，適用于不同取土直徑要求下的土壤取樣。

　　1設計原理與結構

　　1.1設計思路

　　以農用機動取土器為基礎，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時就不用換整個取土器，直接換入土端取土筒即可。該方法不僅節省了材料，降低了成本，且在實地使用時不必帶多個取土器，只需帶上所需取土筒即可，節省了人力的搬運，降低了勞動程度。

　　1.2結構設計

　　將取土桿的一端做成連接座，與變速箱的錘擊結構相連;另一端加工成內螺紋孔，螺紋直徑為20mm，孔深為25mm。取土筒為長度為300mm，直徑為30、40、60、80mm，一端開刃，另一端加工成帶有螺栓的端面，螺栓直徑為20mm，長為25mm，且在端面上加工3個直徑為2mm的圓孔，以防止取土筒在入土工程中，壓縮里面空氣對入土造成阻力。同時，在取土筒的側面開一個適當的U型槽，以便于取土后收集土樣。取土時，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力機構相連，然后發動汽油機，進行取土即可。

　　2受力分析及載荷計算

　　2.1取土筒的受力分析與力學建模

　　取土筒實際是一段開口的鋼管，入土時所受外力一直向下，方向不變，因此在貫入土中時可以按照開口鋼管樁豎向承載力的計算方法計算[8]。其所受的力有:豎直向下的錘擊力F，取土筒內壁與土壤的摩擦力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地、含水量、接觸面材料和光潔度等因素有關。附著力在有水分時才有，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。因取土桿與取土筒是空心的，力的傳遞都是通過桿壁傳到筒壁上，忽略傳遞過程中力的損失，得到簡化的取土筒入土時所受力的簡化圖。

　　2.2動力載荷分析計算

　　在實際情況下，因電鎬做功比汽油機輸出動力穩定，取土桿受到沖擊力更大，以電鎬為例進行分析。采用高速沖擊鎬作為動力源，電鎬的輸入功率為1580W，錘擊頻率為2980次/min。取土時，電機帶著其軸前端的一體式斜齒輪一起轉動，使傳動斜齒輪轉動，斜齒輪又將圓周轉動傳遞給曲軸，使由曲軸和連桿組成的曲軸連桿機構做偏心運動，然后連接在曲軸連桿上的活塞做直線往返運動;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，撞錘也就跟著一起向后運動，直到撞擊到沖擊桿。如此這樣循環實現對沖擊桿的做功。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，大小在一定區間內，所受應力屬于脈動循環。

　　3結論

　　1)根據取土器的自身特點，重新設計了其取土桿的結構，將取土部分改為可拆卸的取土筒，可通過更換取土筒滿足不同取土規格的條件，避免了更換整個取土器的麻煩。

　　2)通過對取土筒受力分析與建模，利用Ansys軟件對其進行有限元分析，得到相應條件下的總變形、應力等云圖，發現其強度等滿足各條件。分析了該結構的前6階振型，驗證所選用汽油機的頻率不會與取土筒結構形成共振，避免了因共振對取土筒造成的破壞。

　　3)試驗表明:所設計的取土桿結構能夠滿足順利入土，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:

　　[1]李麗，張興，李軍宏，等.土壤污染現狀與土壤修復產業進展及發展前景研究[J].環境科學與管理，2016，41(3):45-48.

　　[2]聶晨輝.土壤肥料在農業可持續發展中的地位和作用[J].南方農業，2017，11(5):125，128.

　　[3]胡月明，宋英強，劉軼倫，等.土壤有機質的預測方法和設備:中國，CN107860889A[P].2018-03-30.

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

　　[5]姜安龍，高大釗.取土器直徑對取樣擾動的影響分析[J].工程勘察，2002(4):13-14，38.

　　[6]卞昭慶.國外取土器綜述[J].勘察科學技術，1986(3):24-32.

　　[7]王亞東.介紹一種靈敏土取土器[J].勘察科學技術，1984(5):61.

　　[8]陳新奎，戴國亮，龔維明.開口鋼管樁豎向承載力計算方法[J].水運工程，2016(3):137-144.

　　水利方向刊物推薦：《水運工程》月刊是經國家新聞出版署批準，由交通部主管中交水運規劃設計院主辦，面向全國水運工程行業，在國內外公開發行的科技刊物，本刊及時報道國家在水運工程行業方面的方針、政策;重點報道港口、航道與航電樞紐、橋梁、修造船廠、市政建設等勘察、設計、科研、施工、水運經濟及管理方面的新技術、新材料、新工藝新方法及技術發行方面的成果和主要經驗教訓。