机械设计制造毕业论文开题报告-王志军-深层土壤样品采集装置设计.doc

毕业设计开题报告理工学院毕业设计开题报告题 目： 深层土壤样品采集装置设计 学生姓名： 王志军 学 号： 08L0501321 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 李文忠（副教授） 2012年03月20日1 文献综述1.1 引言土壤是农业生产的基础，是构成生态系统的基本要素之一，是国家最重要的自然资源之一，也是人类赖以生存的物质基础。土壤环境状况不仅直接影响到国民经济发展，而且直接关系到农产品安全和人体健康。土壤污染问题己经成为影响群众身体健康、损害群众利益的重要因素1。为了满足普查各类地质的需要，需要研制一种采集更深土壤的装置，采集土壤样品，进行土壤分析，了解土壤中的元素组成，从而添加某些元素，促进农业生产。1.2 土壤取样装置发展现状在早期，土壤探测器是用手动按到土壤里的，土壤被收集在这个探测装置内部的核心位置。显然，这种手动的操作是劳力密集的，并且很难插入地面2。现在，国内土壤采样装置主要是沿用国外上世纪中期的技术，没有专业从事土壤采样装置的研究生产单位.通过和欧美著名品牌公司合作生产，开发了适合不同地质地(沉积物、泥炭土、沙土、壤土、粘土、冻土、冰)、不同采样要求(有机物分析采样、重金属分析采样、泥炭采样、容重采样、表层采样、深层采样、剖ICI采样、手动采样、动力采样等)一系列的土壤采样装置3。但是目前我国对于对特定土层的深层土壤的采集并没有达到一定的高度，有的装置对土壤样品的采集还停留在插入土壤，取得样品，或者是插入更深的土壤，采集样品。这样并不能对土壤的机构有更深的了解，而且，目前的采集装置人工取土效率低，质量差，某些装置还需大量劳动力。1.2.1轻便土壤层取样钻机该装置是早期加拿大一家公司研制的一种用于覆盖层取样的轻便钻机，取样效率高。这种钻机并不是像一般钻机一样使用金刚石钻头，它的钻头是一种采用表面硬化的缸套管靴。钻机进行工作时，不需要用水和压缩空气，连钻杆都不转动，其靠声波振动来工作。钻头产生的振动能直接传给钻杆，钻杆又把振动传送给土壤层，从而使钻杆自由推进。在钻进过程中土壤样自动进人钻杆中，形成完整的、不受污染的样品。在潮湿层或湖底取样时，钻杆中的样品变得密实，因为水分被震出。该装置当时在加拿大和南美去的了令人满意的成绩45。1.2.2ETC-300E土壤取样装置ETC-300E是由江苏省金坛市亿通电子有限公司研制的轻便取样装置。该装置能够采集河流、湖泊等地下沉积物（底泥、底质、污泥）、沼泽土、泥灰土。采样管是采用透明有机玻璃制成，采集到的样品清晰可见，便于观察6。装置整体在一个铝箱内，所以携带轻便，取样简单快捷。样品在被采集完后，基本保持原样，并且采样管可迅速更换清洗。这是一种手动装置，取样配置上也大都是是一些小型器材，如：T型手柄、击打手柄、不锈钢土壤钻头、备用活塞等。1.2.3车载液压振动式土壤采集装置 车载液压振动式土壤采集装置是通过液压驱动来控制各个结构的运动来完成土壤的采集。运用系统工程的方法，初步构建了土壤采集信息处理系统的通用设计和开发框架，并在此基础上，利用组件技术开发了车载土壤采集信息处理系统7。装置的动力由柴油机提供，该柴油机是由中液液压机械有限公司生产的CBN-E3齿轮泵。车载装置必然是安装在机动车上，并由机动车带动为整个系统供油。装置配置方面，车上需安装支撑油缸来支撑导向支撑架，导向支撑架上安装减压阀、压力表，液压冲击器、取样管、升降油缸等等。在装置总体方案设计的基础上，采用液压系统设计，特别是液压系统管路优化设计，保证了车载土壤采集装置整体性能与生产经济性。该装置的采样头是有內凸和外凸特征，这种结构能够减小摩擦力。目前有一种龙门式采样头，可直接采样并收回，性能良好8。1.2.4土壤样品的采集方法土壤样品的采集和处理是土壤分析工作的一个重要环节，采集有代表性的样品，是测定结果能如实反映土壤环境状况的先决条件。实验室工作者只能对来样的分析结果负责，如果送来的样品不符合要求，那么任何精密仪器和熟练的分析技术都将毫无意义9。因此，分析结果能否说明问题，关键在于样品的采集和处理。一个土壤样品的化验结果，代表采样单元面积的土壤情况，如果采集的样品没有代表性，实验做的再好也是没用的10。在供试条件下(沉积物母质，平原地区)，用土钻采取30个点的土壤混合组成一个代表性样品的做法，可以在很大程度上克服空间变异性对土壤水化学的干扰11。现在的采样方法基本是对角线，棋盘式，蛇形三种方法，可根据土壤面积的大小来确定。取样田面积较小，采用对角线方法；面积中等则采用棋盘式采样法，面积较大则采用蛇形采样法12。另外要控制人为带来的误差，土壤样品的质量有事也与采样的工具有关，比如：采集测定金属含量的土壤，就不能使用金属制采样工具13。所以，土壤样品的采集方法，样品的保护和制备也是现在需要注意的重要问题，一个好的土壤样品是各个环节谨慎完成的结果。1.3 结语土壤采集装置的研发是目前国内的一个弱项，国内并没有特定的研发中心，而土壤采集装置的机械化程度也需改善。目前大多的装置是土壤取样装置直接插入地面采集样品，并不能实现对某一个土层的采集。还有，目前装置采集土壤时，要求取土深度和采样量要均匀一致，土层的上层与下层的比例要相同14。这样既不能保证土壤样品的质量，又对装置的要求很高。对于中国这样农业大国，土壤对农业的重要性显而易见，所以对于土壤的研究必须得到加强，而目前的土壤取样装置大都目的在于土壤取样，对装置的研究还需上升一个档次，如：上文提到的土壤层取样钻机，虽然效率高，但装置重达400磅，也就是150公斤，若想一个人独立完成，劳力密集程度可想而知，所以一个人仿佛不太现实。液压车载装置的采集技术很好，但由于是车辆带动，所以一些地理条件差的位置并不能够进行采集。而ETC-300E装置对土壤样品的保护不够完善，那么先前的一切努力都是白费的。因此，针对目前的装置有太多局限性，样品的质量也并不能够有所保证，有必要对土壤采集装置进行进一步的优化，以实现对地下土壤的挖掘、运送到地面，解决目前人工取土效率低下，劳动强度大，样品质量差等问题，提高采集质量和效率。参 考 文 献1、邓晓庆, 张妍. 云南省土壤污染状况调查中土壤样品制备. 环境科学导刊, 2007,26(5).2、SOIL SAMPLING DEVICE. Units States Patent. US006360829B1.Mar.26,2002.3、张凯, 刘成良. 车载液压振动式土壤采集装置研究. 南京信息工程大学学自然科学版, 2010, 2(4): 297-301.4、贾书刚, 王淑平, 姚玉霞, 徐冰. 土壤钻取采样器类型的研究. 吉林农业大学学报, 1995, 18(1): 51-55.5、于铭强. 轻便土壤层取样钻机. 国外铀质地质: 科技简讯. 译自The Northern MinerApril 21, 1983: 120.6、/Products/T61/279.html7、陈云坪, 王秀, 赵春江. 基于3S技术的土壤采集信息处理系统的设计与实现. 计算机应用研究, 2007, 24 (6) . 8、陈惠贤, 赵天成. 采样机液压驱动系统的设计. 液压与气动, 2011(1)：66-68.9、李春明. 土壤样品的采集与处理. 西北民族大学学报(自然科学版). 2003, 24(50): 74-75.10、唐雅萍, 李敏. 关于土壤样品规范化管理的探讨. 环境监测管理与技术, 2008, 20(5): 65-66.11、陈同斌, 陈世庆. 土壤水压榨取样技术及其土壤样品采集与保存的研究. 植物营养与肥料学报, 1997, 3(1): 60-64.12、奚廷孔, 张艳新. 土壤样品的采集与处理技术. 广西农学报, 2007, 22(3): 36-38.13、刘玉英. 浅谈土壤测定中的土壤取样. 农业科技与信息, 2007, (11): 32-33.14、张义. 浅谈土壤样品采集的方法及有关注意事项. 黑龙江科技信息: 农林论坛, 108. 2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径2.1 任务分析深层土壤的采集是某一土层的采集，在这一领域，采集装置的研发是比较欠缺的，优缺点比较明显，而这些劣势基本上是人工取土效率低下，劳动强度大，样品质量差，所以本次装置的设计要尽量解决这些人为的问题，即设计一种能够实现对地下土壤的挖掘并运送到地面并能很好解决这些基本问题。这次装置开始的工作便是基本的工作，挖掘。简单来说就是挖一个坑，坑的直径大概在30公分左右，因为是用于科研，所以采集的土壤质量必然要好，不能存在杂质，所以对这个前期的挖掘工作要做到整体挖掘，不能破坏土层的结构，使侧壁光滑整洁，然后土壤取样的过程如下文所述。2.2 技术方案由于要保持侧壁的光滑整洁，所以钻头不可取，可采用切刀进行前期挖掘，切刀的表面应是光滑的。驱动装置可采用发电机，或是液压系统。目前很多装置都采用液压系统，其驱动稳定，不易产生震动，所以也就不会是切刀在挖掘中破坏土层结构，驱动切刀挖掘到给定深度（大于0.5m），然后用切刀壁夹紧带出土壤，即使坑中有残留土壤碎块，也不影响侧壁取样，然后换上土壤探头进行取样。土壤探头是土壤取样的关键部位，探头的材料结构对样品的采集有重要影响。探头要光滑尖锐，就像做某件事，不能拖拖拉拉，要一击即中，土壤的采集要保证深层土壤的整体性，上下层之间不能混淆，所以探头如果不好，深层土壤的结构容易破坏。2.2.1 运动系统驱动系统可采用电动机带动支撑杆的运动，支撑杆上有轴承和导轨，一端连接切刀切刀与支撑杆之间通过轴承连接，并且能够做旋转运动。导轨上的滑块通过一个钢管与驱动端连接，滑块与钢管可通过滚动轴连接，当支撑杆进行挖掘和采集时，滑块是在支撑杆上做竖直方向的运动的，采集工作完成后，滚动轴转动，将支撑杆移动到水平位置，以方便去的土样。驱动切刀进行挖掘时，切刀运动切入是旋转进行的。如果采用电动机带动运动的话会产生震动，并且电压不稳定的话，可能破坏切刀，最主要的是可能破坏深层土层的结构，所以，最好采用液压系统来控制运动，以保证采集工作的平稳进行，这样整个运动系统是比较完善的。2.2.2 夹紧系统由于土壤取样取的是侧壁土层，所以对挖掘的松土没有特定的要求，如果缩回支撑杆，再换上一种特定的手机松土装置，操作不当的话可能会破坏土层，所以，可在切刀尾端与支撑杆连接的部分设计一个横轴，这样，挖掘结束后，收紧切刀把松土带出。这时，切刀不必旋转，只需在竖直方向运动。2.2.3 深层土