土壤样品制样设备及其自清洁方法与流程

本发明涉及土壤样品前处理，具体涉及一种土壤样品制样设备及其自清洁方法。

背景技术：

1、在土壤环境监测、农业土壤肥力检测、地质矿产勘查等领域，采集的土壤样品需经过破碎、混合、分装等前处理工序，才能满足后续化学分析或物理测试的要求。

2、目前，土壤样品的前处理工作仍以手工操作为主，面临着效率低、质量可控性差、标准化程度低等突出矛盾。为解决上述问题，行业内已开始研发土壤样品自动化制样设备。现有设备通常集成有破碎研磨机构、筛分机构、分装机构等模块，能够在一定程度上实现土壤样品的自动化处理。

3、然而，现有的土壤样品自动化制样设备仍存在以下不足：

4、第一， 交叉污染风险高。现有设备的破碎混合腔在使用后，土壤残留物容易粘附于腔体内壁及刀片、转轴等部件上。若不能有效清洁，残留的土壤会混入下一批样品中，造成交叉污染，严重影响检测结果的准确性。

5、第二， 清洁操作复杂、效率低。现有设备多为停机后由操作人员手动拆卸腔体进行清洁，或采用喷淋水洗的方式。手动拆卸费时费力，且难以保证清洁的彻底性；喷淋水洗则需要引入水源和烘干设备，增加了设备的复杂性和占地面积，且清洗后的污水排放也是问题。

6、第三，现有自清洁方案依赖于增设辅助结构。部分现有技术尝试通过在破碎腔内增设清扫板、刮刀或清洁刷等结构来实现自清洁。例如，通过在旋转杆上固定连接清扫板，使清扫板与研磨罐内侧壁贴合，在旋转杆转动时刮除粘附的土壤。然而，这种方案需要额外增加清扫部件，增加了设备的成本和故障率，且清扫板与腔壁的接触压力难以精确控制，长期使用会导致腔壁磨损。

7、因此，亟需一种能够在完成土壤样品破碎混合后自动进行有效清洁、无需增设辅助清洁部件的土壤样品制样设备及其自清洁方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种土壤样品制样设备及其自清洁方法，以针对现有土壤样品制样设备存在的交叉污染风险高、清洁操作复杂、依赖增设辅助清洁部件等技术问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种土壤样品制样设备，包括：

4、定子，所述定子具有上大下小的锥筒形状的破碎混合腔；

5、盖板，设置于所述定子的上端，所述盖板上开设有投料孔和若干进气孔；

6、底板，设置于所述定子的下端，所述底板上开设有出料口；

7、第一启闭结构，设置于所述盖板上，用于打开或封闭所述投料孔；

8、第二启闭结构，设置于所述盖板上，用于打开或封闭所述进气孔；

9、第三启闭结构，设置于所述底板上，用于打开或封闭所述出料口；

10、转子，设置于所述破碎混合腔内，所述转子的轴线偏离所述定子的轴线；

11、驱动机构，与所述转子传动连接，用于驱动所述转子沿第一转动方向或与所述第一转动方向相反的第二转动方向旋转，并驱动所述转子在自转的同时绕所述定子的轴线公转；

12、所述第一转动方向用于驱动所述转子对所述破碎混合腔内的土壤样品进行破碎混合；所述第二转动方向用于驱动所述转子在公转与自转的复合运动下使所述破碎混合腔内壁附近的气流形成周期性摆线紊流，以清洁所述破碎混合腔的内壁；

13、接料管，连接于所述底板下方且与所述出料口连通；

14、叶轮，通过轴与所述转子传动连接且设置于所述接料管内，所述叶轮在所述转子沿所述第二转动方向旋转时由所述转子通过所述轴驱动转动，在所述接料管内产生抽吸气流，将剥离的残留物经所述出料口吸入所述接料管并排出；

15、控制系统，与所述驱动机构电连接，用于按预设时序控制所述驱动机构的旋转方向、转速及启停动作。

16、进一步限定，所述驱动机构包括设置于所述定子上端的第一行星齿轮机构和设置于所述定子下端的第二行星齿轮机构，所述第一行星齿轮机构和所述第二行星齿轮机构结构相同，均包括内齿圈、至少一个行星轮和太阳轮；

17、所述转子的上端与所述第一行星齿轮机构的行星轮连接，所述转子的下端与所述第二行星齿轮机构的行星轮连接；

18、所述第一行星齿轮机构的太阳轮用于与驱动电机的输出轴连接，作为动力输入端。

19、进一步限定，所述第二行星齿轮机构的太阳轮上固定连接有向下延伸的轴，所述叶轮连接于所述轴的下端。

20、进一步限定，所述进气孔开设于所述盖板边缘且与所述破碎混合腔的上端内沿相对，由所述进气孔进入的空气沿所述破碎混合腔的腔壁向下吹扫。

21、进一步限定，所述叶轮包括中心块和多个叶板，各所述叶板的上端通过销轴与所述中心块边缘铰接；

22、所述叶板在转动过程中受离心力作用下端向外分散，且分散角度与转动速度成正比；

23、所述叶板上端外侧设置有向上凸出的限位块，所述限位块用于限制所述叶板向上转动时的最大角度。

24、进一步限定，还包括平衡重，所述平衡重设置于所述第二行星齿轮机构上，且所述平衡重与所述轴分别位于所述第二行星齿轮机构的太阳轮回转中心的相对两侧，用于抵消所述转子公转产生的离心惯性力。

25、一种采用上述土壤样品制样设备的自清洁方法，包括以下步骤：

26、s1：打开所述投料孔，通过所述投料孔向所述破碎混合腔内投入土壤样品，封闭所述投料孔，驱动所述转子沿第一转动方向旋转，对土壤样品进行破碎混合处理；

27、s2：打开所述出料口，驱动所述转子沿所述第一转动方向以第三转速n3持续旋转，通过所述转子推动破碎混合后的土壤样品向所述出料口移动并排出；

28、s3：封闭所述出料口，驱动所述转子沿与所述第一转动方向相反的第二转动方向旋转，所述转子在公转与自转的复合运动下使所述定子内壁附近的气流形成周期性摆线紊流，对粘附于所述定子内壁的土壤残留物施加交变剪切力，将其剥离并随气流排出；

29、所述步骤s1中，所述转子以第一转速n1沿所述第一转动方向旋转；所述步骤s2中，所述第三转速n3小于所述第一转速n1；所述步骤s3中，所述转子以第二转速n2沿所述第二转动方向旋转，且n2≥2×n1，所述转子沿所述第二转动方向旋转的持续时间为10秒～30秒；

30、在驱动所述转子沿所述第二转动方向旋转之前，先执行至少一次急加速与急刹停的脉冲动作。

31、进一步限定，所述步骤s3中，所述投料孔保持封闭，打开所述进气孔，外部空气经所述进气孔进入所述定子内部，由所述破碎混合腔的上端沿腔壁向下吹扫，参与所述气流扰动。

32、进一步限定，所述步骤s1、s2、s3由所述控制系统按预设时序自动控制执行；

33、所述控制系统输出第一控制信号，控制所述转子以所述第一转速n1沿所述第一转动方向旋转并维持第一设定时长；

34、所述控制系统输出排料控制信号，控制所述转子以所述第三转速n3沿所述第一转动方向旋转并维持第三设定时长；

35、所述控制系统输出第二控制信号，控制所述转子以所述第二转速n2沿所述第二转动方向旋转并维持第二设定时长；

36、所述控制系统在输出所述第二控制信号之前，先输出脉冲控制信号，控制所述驱动机构执行至少一次急加速与急刹停的脉冲动作。

37、进一步限定，所述步骤s3中，所述转子沿所述第二转动方向旋转时，通过所述轴带动所述叶轮转动，所述叶轮在所述接料管内产生抽吸气流，将剥离后的土壤残留物经所述出料口吸入所述接料管并排出。

38、本发明的有益效果在于：

39、本发明利用转子偏心设置及公转与自转的复合运动特性，当转子沿第二转动方向（反向）高速旋转时，转子的偏心公转运动使破碎混合腔内的气流形成周期性摆线紊流。这种特殊的紊流状态对粘附于腔体内壁的土壤残留物施加交变剪切力，使其从壁面剥离并随气流排出。整个过程无需增设任何清扫板、刮刀或清洁刷等辅助清洁部件，完全依靠设备自身的运动状态切换实现自清洁，既降低了设备成本，又避免了辅助部件磨损带来的二次污染。

40、本发明在驱动转子反向旋转之前，先执行至少一次急加速与急刹停的脉冲动作，利用惯性滞后效应，使粘附的湿土产生剥离效应，主动脱开壁面。随后转子以不低于破碎转速两倍的速度（n2≥2×n1）反向旋转持续10～30秒，产生的高速摆线紊流将已松动的残留物彻底吹离。两步协同作用，对湿度较大的粘性土壤同样具有良好的清洁效果。

41、本发明的驱动机构同时承担破碎混合和自清洁两种功能，第一转动方向用于破碎混合，第二转动方向用于产生清洁气流。同一套行星齿轮机构在正向旋转时驱动转子进行破碎，在反向旋转时驱动转子产生清洁气流。此外，第二行星齿轮机构的太阳轮同时作为传动中间件将动力传递至轴和叶轮，在清洁阶段产生抽吸气流将剥离的残留物主动吸走排出。

42、本发明的盖板上开设有若干进气孔，清洁时进气孔开启，外部空气由破碎混合腔的上端沿锥筒形腔壁向下吹扫，与转子反向旋转产生的摆线紊流形成自上而下的定向气流，确保剥离的残留物顺利经底部的出料口排出，避免残留物在腔体内二次沉积。

43、本发明的设备可与双舱或多舱样品容器配合使用，土壤样品经破碎混合后直接均匀落入各独立舱室，一次性获得平行样品，保证了平行样品之间的一致性和代表性。

44、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。