一种水平取样土壤钻机及控制方法

1.本发明属于土壤取样设备技术领域，特别是涉及一种水平取样土壤钻机及控制方法。


背景技术：

2.我国黄土地区地形地貌复杂，沟壑纵深，黄土是具有湿陷性、大孔隙、浸水后力学强度变低等特点的特殊土质，因此黄土边坡破坏时常发生，常见的黄土边坡工程问题有湿陷变形、滑坡、崩塌、泥流及坡面冲刷等，归根到底都属于稳定性问题。因而，黄土边坡上进行土壤取样，对土壤样品进行元素含量和同位素分析，研究黄土的化学风化程度，从而深入了解黄土结构组成和稳定机理，为预防黄土边坡坍塌和滑坡提供科学依据。
3.然而，现有的土壤取样设备大多只能竖直取样，需要研究水平方向的土壤变化情况，竖直土壤取样设备不适用，由于水平取样更加容易坍塌，取样难度更大，虽然目前市场上的手持手动取样设备也能进行水平取样，但只适合浅层土壤取样，并且比较费力，效率极低。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种水平取样土壤钻机及控制方法，用于解决现有技术中土壤取样装置水平取样困难，只能进行浅层土壤取样的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种水平取样土壤钻机，包括：机架、连接组件、驱动机构、螺旋钻杆和取样器，所述机架上平行设有花键轴和丝杆，其中，所述丝杆和所述机架螺纹连接，所述丝杆和所述花键轴之间通过第一传动组件传动连接；所述连接组件包括第一连接板和第二连接板，所述第一连接板和所述第二连接板分别设置在所述丝杆的两端，所述丝杆和所述花键轴均与所述第一连接板转动连接，所述丝杆和所述花键轴均与所述第二连接板转动连接。
[0006] 所述驱动机构包括旋转驱动器、第二传动组件和花键轴套，所述旋转驱动器和所述机架固定连接，所述花键轴套和所述机架转动连接，所述花键轴套和所述花键轴互相啮合， 所述旋转驱动器通过所述第二传动组件和所述花键轴套传动连接。
[0007]
所述螺旋钻杆的一端通过第一接头和所述丝杆固定连接，所述螺旋钻杆的另一端设有开合钻头，其中所述螺旋钻杆为中空结构，所述取样器设置在所述螺旋钻杆内部，所述取样器可以通过第二接头和所述丝杆固定连接，所述取样器也可以通过第二接头和所述第一连接板固定连接。
[0008]
可选地，所述第一传动组件包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和所述花键轴同轴固定连接，所述第二齿轮和所述丝杆同轴固定连接，所述第一齿轮和所述第二齿轮互相啮合。
[0009]
可选地，所述第二传动组件包括第三齿轮和第四齿轮，所述第三齿轮和所述旋转
驱动器的输出轴同轴固定连接，所述第四齿轮和所述花键轴套同轴固定连接，所述第三齿轮和所述第四齿轮互相啮合。
[0010]
可选地，所述开合钻头包括若干开合部件，若干所述开合部件沿所述开合钻头中线组合成锥体，所述开合部件上设置有螺旋刀片，所述开合部件和所述螺旋钻杆铰接，所述螺旋钻杆和所述开合部件的铰接处设置有扭簧。
[0011]
可选地，所述水平取样土壤钻机还包括支撑组件，所述支撑组件包括若干支撑脚，所述支撑脚和所述机架固定连接，所述支撑脚包括伸缩杆和固定底座，所述固定底座和地面固定连接，所述伸缩杆的一端和所述固定底座固定连接，所述伸缩杆的另一端和所述机架固定连接。
[0012]
可选地，所述第一接头和所述第二接头均包括螺纹段和快拆段，所述快拆段上开有连接孔，所述丝杆的端部设有凸出段，所述连接孔和所述凸出段配合，所述第一接头的螺纹段和所述螺旋钻杆螺纹连接，所述第二接头的螺纹段和所述取样器螺纹连接。
[0013]
可选地，所述螺旋钻杆包括若干螺杆段，所述螺杆段沿轴向固定拼接，所述螺杆段上设置有螺旋叶片。
[0014]
可选地，所述第一连接板上固定安装有固定连接头，所述固定连接头和所述连接孔配合。
[0015]
可选地，所述取样器包括取样段和若干连接段，所述取样段为一端开口的筒状结构，所述取样段和所述连接段固定连接，若干连接段沿轴向固定拼接，所述取样段的开口处设置有环形切刀。
[0016]
一种水平取样土壤钻机的控制方法，包括如下步骤：浅层旋转式取样步骤：将所述取样器通过所述第二接头和所述丝杆固定连接，启动所述旋转驱动器，所述旋转驱动器带动所述丝杆旋转，所述丝杆带动所述取样器旋转钻入土壤中，所述取样器旋转将土壤切开，土壤沿着所述取样器的开口进入到所述取样器中，通过所述旋转驱动器控制所述丝杆反向旋转，所述丝杆带动所述取样器脱离土壤完成土壤取样；浅层推入式取样步骤：将所述取样器通过所述第二接头和所述第一连接板固定连接，启动所述旋转驱动器，所述旋转驱动器带动所述丝杆旋转，所述丝杆推动所述第一连接板做直线运动，所述第一连接板强行将所述取样器顶推进土壤中，土壤沿着所述取样器的开口进入到所述取样器中，通过所述旋转驱动器控制所述丝杆反向旋转，所述丝杆带动第一连接板和所述取样器脱离土壤完成土壤取样；深层土壤取样步骤：将所述螺旋钻杆通过第一接头和所述丝杆固定连接，启动所述旋转驱动器，所述丝杆带动所述螺旋钻杆运动，所述螺旋钻杆钻入土壤中取样深度后，拆掉所述第一接头，通过所述旋转驱动器控制所述丝杆反向旋转，所述丝杆沿着钻进的相反方向运动，所述丝杆和所述螺旋钻杆远离，此时在所述螺旋钻杆中插入所述取样器，所述取样器通过所述第二接头和所述丝杆固定连接，所述丝杆驱动所述取样器沿着钻进方向运动，所述取样器顶开所述开合钻头，所述取样器穿过所述开合钻头进行取样，取样完成后所述丝杆反向旋转，所述丝杆带动所述取样器反向运动，直到取出土壤样品后，将所述丝杆再次和所述螺旋钻杆连接，此时所述开合钻头在取样器脱离后自动闭合，所述螺旋钻杆继续钻进，直到到达下一个取样点。
[0017]
如上所述，本发明的一种水平取样土壤钻机及控制方法，至少具有以下有益效果：1.所述旋转驱动器通过所述第二传动组件带动所述花键轴套旋转，所述花键轴套带动所述花键轴旋转，所述花键轴通过第一传动组件带动所述丝杆旋转，由于所述丝杆和所述机架螺纹配合，且所述机架固定不动，故所述丝杆在旋转过程中同时沿着轴线方向运动，此时存在至少如下3种土壤取样模式：、将所述取样器通过所述第二接头和所述丝杆固定连接，所述丝杆带动所述取样器旋转钻进取样；、将所述取样器通过所述第二接头和所述第一连接板固定连接，所述丝杆推动所述第一连接板做直线运动，所述第一连接板推动所述取样器进行推入式取样；、将所述螺旋钻杆通过第一接头和所述丝杆固定连接，所述丝杆带动所述螺旋钻杆运动，所述螺旋钻杆钻入土壤中取样深度后，所述丝杆反向旋转，所述丝杆沿着钻进的相反方向运动，所述丝杆和所述螺旋钻杆分离，此时在所述螺旋钻杆中插入所述取样器，所述取样器通过所述第二接头和所述丝杆固定连接，所述丝杆驱动所述取样器沿着钻进方向运动，所述取样器顶开所述开合钻头，所述取样器穿过所述开合钻头进行取样，取样完成后所述丝杆反向旋转，所述丝杆带动所述取样器反向运动，取出土壤样品后，所述丝杆再次和所述螺旋钻杆连接，此时所述开合钻头在取样器脱离后自动闭合，所述螺旋钻杆继续钻进，直到到达下一个取样点。
[0018]
2．由于螺旋钻杆和所述开合部件的铰接处设置有扭簧，当所述取样器从所述开合钻头离开后，所述开合部件在所述扭簧的作用下往所述开合钻头的中心线合拢。
[0019]
3.由于所述螺旋钻杆由若干螺杆段沿轴向固定拼接，增加所述螺杆段的数量可以增加所述螺旋钻杆钻进的深度。
附图说明
[0020]
图1显示为本发明中水平取样土壤钻机的立体结构示意图；图2显示为本发明中水平取样土壤钻机的深层土壤取样状态的立体结构图；图3显示为本发明中水平取样土壤钻机的推进式取样状态的立体结构图；图4显示为本发明的图1中局部d的放大图；图5显示为本发明的图2中局部e的放大图；图6显示为本发明的图2中局部f的放大图；图7显示为本发明的图3中局部g的放大图；图8显示为本发明中开合钻头的张开状态的立体结构示意图；图9显示为本发明中开合钻头的剖视图；图10显示为本发明中水平取样土壤钻机手持模式的立体结构示意图。
[0021]
元件标记说明1、机架；2、丝杆；201、凸出段；3、花键轴；4、第一传动组件；401、第一齿轮；402、第二齿轮；501、第二连接板；502、第一连接板；5011、齿轮罩；5021、固定连接头；601、旋转驱动器；602、第二传动组件；603、花键轴套；6021、第三齿轮；6022、第四齿轮；
7、第一接头；8、第二接头；9、螺旋钻杆；901、螺旋叶片；902、导向筒；10、开合钻头；101、开合部件；1011、螺旋刀片；11、取样器；111、取样段；112、连接段；12、支撑脚；121、伸缩杆；122、固定底座；13、插销；14、手持柄。
具体实施方式
[0022]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0023]
请参阅图1至图10知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0024]
以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。
[0025]
请参阅图1-图3本发明提供一种水平取样土壤钻机，所述水平取样土壤钻机包括：机架1、连接组件、驱动机构、螺旋钻杆9和取样器11，所述机架1上平行设有花键轴3和丝杆2，其中，所述丝杆2和所述机架1螺纹连接，可以在所述机架1上固定安装丝杆螺母，所述丝杆2和所述丝杆螺母相匹配，所述丝杆2从所述丝杆螺母中穿过，所述丝杆2和所述花键轴3通过第一传动组件传动4连接，所述第一传动组件4可以是齿轮组、链轮组或皮带轮组件等；所述连接组件包括第一连接板502和第二连接板501，所述第一连接板502和所述第二连接板501分别设置在所述丝杆2的两端，所述丝杆2和所述花键轴3均与所述第一连接板502转动连接，所述丝杆2和所述花键轴3均与所述第二连接板501转动连接，其中所述丝杆2和所述第一连接板502和所述第二连接板501可以通过轴承转动连接，所述花键轴3和所述第一连接板502和所述第二连接板501可以通过轴承转动连接。
[0026]
所述驱动机构包括旋转驱动器601、第二传动组件602和花键轴套603，所述旋转驱动器601和所述机架1固定连接，可以采用螺栓连接，所述旋转驱动器601可以是电机、气动马达或者液压马达，也可以是汽油发动机或者柴油发动机，所述花键轴套603和所述机架1之间可以通过轴承转动连接，所述花键轴套603和所述花键轴3互相啮合，同时所述花键轴3可以在所述花键轴套603中自由滑动，所述旋转驱动器601通过所述第二传动组件602和所述花键轴套603传动连接，所述第二传动组件602可以是齿轮组、链轮组或皮带轮组件等。
[0027]
所述螺旋钻杆9的一端通过第一接头7和所述丝杆2固定连接，所述螺旋钻杆9的另一端设有开合钻头10，其中所述螺旋钻杆9为中空结构，所述取样器11设置在所述螺旋钻杆
9内部，所述取样器11可以通过第二接头8和所述丝杆2固定连接，所述取样器11可以通过第二接头8和所述第一连接板502固定连接。
[0028]
所述旋转驱动器601通过所述第二传动组件602带动所述花键轴套603旋转，所述花键轴套603带动所述花键轴3旋转，所述花键轴3通过所述第一传动组件4带动所述丝杆2旋转，由于所述丝杆2和所述机架1螺纹配合，且所述机架1固定不动，故所述丝杆2在旋转过程中同时沿着轴线方向运动，此时存在至少如下3种土壤取样模式：i、将所述取样器11通过所述第二接头8和所述丝杆2固定连接，所述丝杆2带动所述取样器11旋转钻进取样；ii、将所述取样器11通过所述第二接头8和所述第一连接板502固定连接，所述丝杆2推动所述第一连接板502做直线运动，所述第一连接板502推动所述取样器11进行推入式取样；iii、将所述螺旋钻杆9通过第一接头7和所述丝杆2固定连接，所述丝杆2带动所述螺旋钻杆9运动，所述螺旋钻杆9钻入土壤中取样深度后，所述丝杆2反向旋转，所述丝杆2沿着钻进的相反方向运动，所述丝杆2和所述螺旋钻杆9分离，此时在所述螺旋钻杆9中插入所述取样器11，所述取样器11通过所述第二接头8和所述丝杆2固定连接，所述丝杆2驱动所述取样器11沿着钻进方向运动，所述取样器11顶开所述开合钻头10，所述取样器11穿过所述开合钻头10进行取样，取样完成后所述丝杆2反向旋转，所述丝杆2带动所述取样器11反向运动，取出土壤样品后，所述丝杆2再次和所述螺旋钻杆9连接，此时所述开合钻头10在取样器11脱离后自动闭合，所述螺旋钻杆9继续钻进，直到到达下一个取样点。
[0029]
本实施例中，请参阅图1-图9，所述第一传动组件4包括第一齿轮401和第二齿轮402，所述第一齿轮401和所述花键轴3同轴固定连接，所述第二齿轮402和所述丝杆2同轴固定连接，所述第一齿轮401和所述第二齿轮402互相啮合，所述花键轴3带动所述第一齿轮401旋转，所述第一齿轮401驱动所述第二齿轮402旋转，所述第二齿轮402带动所述丝杆2旋转，所述第一齿轮401和所述第二齿轮402外面可以设置齿轮罩5011，防止灰尘进入。
[0030]
本实施例中，请参阅图1-图4，述第二传动组件602包括第三齿轮6021和第四齿轮6022，所述第三齿轮6021和所述旋转驱动器601的输出轴同轴固定连接，所述第四齿轮6022和所述花键轴套603同轴固定连接，所述第三齿轮6021和所述第四齿轮6022互相啮合，所述旋转驱动器601带动所述第三齿轮6021旋转，所述第三齿轮6021驱动所述第四齿轮6022旋转，所述第四齿轮6022带动所述花键轴套603旋转，所述花键轴套603带动所述花键轴3旋转。
[0031]
本实施例中，请参阅图5、图8和图9，所述开合钻头10包括若干开合部件101，若干所述开合部件101沿所述开合钻头10中线组合成锥体，所述开合部件101上设置有螺旋刀片1011，所述开合部件101和所述螺旋钻杆9铰接，所述螺旋钻杆9和所述开合部件101的铰接处设置有扭簧。通过所述扭簧控制所述开合部件101往所述开合钻头10中心聚拢。所述开合部件101连接处的螺旋钻杆9内部设置有导向筒902，所述导向筒902为所述取样器11导向，防止所述取样器11伸进钻头时碰到铰接部位。
[0032]
本实施例中，请参阅图1-图3，所述水平取样土壤钻机还包括支撑组件，所述支撑组件包括若干支撑脚12，所述支撑脚12和所述机架1固定连接，所述支撑脚12包括伸缩杆121和固定底座122，所述固定底座122和地面固定连接，所述固定底座122上开设有通孔，可以将长螺钉或者锚杆等穿过所述通孔并将所述固定底座122固定在地面，所述伸缩杆121的一端和所述固定底座122固定连接，所述伸缩杆121的另一端和所述机架1固定连接，通过所
述伸缩杆121可以调节所述机架1的高度。
[0033]
本实施例中，请参阅图1、图2和图7，所述第一接头7的一端和所述丝杆2固定连接，可以通过将所述第一接头7套在所述丝杆2的端头，再通过螺栓或者插销13将其固定连接，所述第一接头7另一端和所述螺旋钻杆9固定连接，可以采用螺栓或者插销13固定，所述第二接头8一端和所述丝杆2固定连接，可以将所述第二接头8套在所述丝杆2端头，再通过螺栓或者插销13固定连接，方便拆卸，所述第二接头8另一端和所述螺旋钻杆9固定连接，可以采用螺栓或者插销13固定。
[0034]
本实施例中，请参阅图1、图2和图7，所述第一接头7和所述第二接头8均包括快拆段和螺纹段，所述快拆段上开有连接孔，所述丝杆2的端部设有凸出段201，所述凸出段201的形状和尺寸和所述连接孔相匹配，所述连接孔可以轻松的套在所述凸出段201上，并且所述连接孔和凸出段201之间的间隙很小，保证相互之间不发生晃动，所述凸出段201插入所述连接孔中并用螺栓或者插销13固定，所述第一接头7的螺纹段和所述螺旋钻杆9螺纹连接，所述第二接头8的螺纹段和所述取样器11螺纹连接，结构简单，连接方便。
[0035]
本实施例中，请参阅图1-图3，所述螺旋钻杆9包括若干螺杆段，所述螺杆段沿轴向固定拼接，相邻的所述螺杆段可以采用互相榫接在一起后用螺栓固定，所述螺杆段上设置有螺旋叶片901，可以根据实际取样深度增加所述螺杆段的数量从而达到增加钻孔深度的目的。
[0036]
本实施例中，请参阅图2-图6，所述第一连接板502上固定安装有固定连接头5021，所述固定连接头5021和所述连接孔配合，所述连接孔可以轻松的套在所述固定连接头5021上，并且所述连接孔和所述固定连接头5021之间的间隙很小，保证相互之间不发生晃动，所述取样器11可以通过所述第二接头8和所述固定连接头5021连接，所述第二接头8套在所述固定连接头5021上，再通过螺栓或者插销13固定。
[0037]
本实施例中，请参阅图1-图3，所述取样器11包括取样段111和若干连接段112，所述取样段111和所述连接段112固定连接，可以采用焊接或者螺栓连接，若干连接段112沿轴向固定拼接，相邻的所述连接段112可以采用互相榫接在一起后用螺栓固定，根据取样的深度增加所述连接段112的数量，所述取样段111为一端开口的筒状结构，所述取样段111的开口处设置有环形切刀或者切割齿，旋转取样时采用含有切割齿的取样器11，推进式取样时采用含有环形切刀的取样器11。
[0038]
本实施例中，请参阅图1、图2、图4和图10，所述机架1上设置手持柄14，拆卸掉所述丝杆2和所述花键轴3，将取样器11和花键轴套603直接固定连接，所述旋转驱动器601驱动所述第三齿轮6021旋转，所述第三齿轮6021带动所述第四齿轮6022旋转，所述第四齿轮6022带动所述花键轴3旋转，所述花键轴3带动所述取样器11旋转取样，通过手持取样可以在有一些不方便架设取样设备的地方手持完成取样。
[0039]
一种水平取样土壤钻机的控制方法，包括如下步骤：浅层旋转式取样步骤：将所述取样器11通过所述第二接头8和所述丝杆2固定连接，启动所述旋转驱动器601，所述旋转驱动器601带动所述丝杆2旋转，所述丝杆2带动所述取样器11旋转钻入土壤中，所述取样器11旋转将土壤切开，土壤沿着所述取样器11的取样孔进入到所述取样器11中，通过所述旋转驱动器601控制所述丝杆2反向旋转，所述丝杆2带动所述取样器11脱离土壤完成土壤取样；
浅层推入式取样步骤：将所述取样器11通过所述第二接头8和所述第一连接板502固定连接，启动所述旋转驱动器601，所述旋转驱动器601带动所述丝杆2旋转，所述丝杆2推动所述第一连接板502做直线运动，所述第一连接板502强行将所述取样器11顶推进土壤中，土壤沿着所述取样器11的取样孔进入到所述取样器11中，通过所述旋转驱动器601控制所述丝杆2反向旋转，所述丝杆2带动第一连接板502和所述取样器11脱离土壤完成土壤取样；深层土壤取样步骤：将所述螺旋钻杆9通过第一接头7和所述丝杆2固定连接，启动所述旋转驱动器601，所述丝杆2带动所述螺旋钻杆9运动，所述螺旋钻杆9钻入土壤中取样深度后，拆掉所述第一接头7，通过所述旋转驱动器601控制所述丝杆2反向旋转，所述丝杆2沿着钻进的相反方向运动，所述丝杆2和所述螺旋钻杆9远离，此时在所述螺旋钻杆9中插入所述取样器11，所述取样器11通过所述第二接头8和所述丝杆2固定连接，所述丝杆2驱动所述取样器11沿着钻进方向运动，所述取样器11顶开所述开合钻头10，所述取样器11穿过所述开合钻头10进行取样，取样完成后所述丝杆2反向旋转，所述丝杆2带动所述取样器11反向运动，直到取出土壤样品后，将所述丝杆2再次和所述螺旋钻杆9连接，此时所述开合钻头10在取样器11脱离后自动闭合，所述螺旋钻杆9继续钻进，直到到达下一个取样点。
[0040]
综上所述，所述旋转驱动器601通过所述第二传动组件602带动所述花键轴套603旋转，所述花键轴套603带动所述花键轴3旋转，所述花键轴3通过第一传动组件4带动所述丝杆2旋转，由于所述丝杆2和所述机架1螺纹配合，且所述机架1固定不动，故所述丝杆2在旋转过程中同时沿着轴线方向运动，所述丝杆2可以驱动所述螺旋钻杆9钻孔，同时也可以驱动所述取样器11取样，并且可以实现旋转式取样或者推进式取样，可以浅层地表取样，也可实现深层地层取样，可以架设自动取样，也可以手持取样。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点。
[0041]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。