CN111537264A - 一种变电站土壤取样的工具及取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤取样技术领域，尤其涉及一种变电站土壤取样的工具及取样方法。一种变电站土壤取样的工具包括支架、主轴、驱动机构、转轴、支板、旋转机构、钻筒、横切刀和调节机构。主轴与支架滑动连接。驱动机构与主轴相连。转轴与主轴转动连接。支板与支架滑动连接，且与转轴转动连接。旋转机构设置在支板上，且与转轴相连。钻筒的第一端与转轴相连，第二端设有纵切刀。横切刀呈弧形，且与钻筒转动连接，用于在伸出状态下切割土壤。调节机构设置在钻筒上，且与横切刀相连，用于驱动横切刀转动。使用该工具对土壤取样时，省时省力，而且对土壤样品的干扰小，有利于土壤样品保持原始状态。

Description

一种变电站土壤取样的工具及取样方法

技术领域

本发明属于土壤取样技术领域，尤其涉及一种变电站土壤取样的工具及取样方法。

背景技术

变电站选址时，土壤的性能是重要的评价指标，因为土壤的孔隙度、含水量、有机质含量等特性直接影响土壤的电阻率以及土壤对接地网的腐蚀性。土壤的电阻率直接影响土壤的导电性，土壤的电阻率越大、导电性能越差，接地效果越差。接地网锈蚀后会导致接触电阻增大，继而导致工频接地短路和雷击电流入地时电位高，严重威胁设备和人身安全。因此，变电站选址时需要对土壤进行取样。

现有技术中，土壤取样时常使用铁铲，在土柱周围挖深坑后，将土柱切断并取出，但该方法费时费力，而且在挖掘过程中，频繁且无规律的振动会破坏土柱的应力平衡，造成土壤的自然结构被破坏，影响土壤样品的实验数据的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种变电站土壤取样的工具及取样方法，旨在解决现有技术中土壤取样时费时费力、且土壤样品的自然结构被破坏导致实验数据不准确的问题。

为达到上述目的，本发明实施例的第一方面，提供了一种变电站土壤取样的工具，包括支架；主轴与所述支架滑动连接；驱动机构与所述主轴相连，且用于驱动所述主轴沿所述主轴的轴向移动；转轴与所述主轴同轴设置，且与所述主轴转动连接；支板与所述支架滑动连接，且与所述转轴转动连接；旋转机构设置在所述支板上，且与所述转轴相连，用于驱动转轴转动；钻筒与所述转轴同轴设置，且第一端与所述转轴相连，且第二端设有纵切刀，用于在转动状态下沿所述钻筒的轴向切割土壤；所述钻筒设有夹缝；横切刀呈弧形，且位于所述夹缝内；所述横切刀与所述钻筒的筒壁转动连接，且用于在伸出状态下沿所述钻筒的径向切割土壤；调节机构设置在所述钻筒上，且与所述横切刀相连，用于驱动所述横切刀、相对于所述钻筒转动。

作为本申请另一实施例，所述驱动机构包括：

齿条，与所述支架滑动连接，且与所述主轴相连，用于带动所述主轴移动；

齿轮，与所述齿条啮合，且用于带动所述齿条移动；和

驱动电机组件，与所述齿轮相连，且用于驱动所述齿轮转动。

作为本申请另一实施例，所述齿条上靠近所述主轴的一端设有支杆；所述支杆与所述支架滑动连接。

作为本申请另一实施例，所述旋转机构包括：

蜗轮，与所述转轴相连，且用于带动所述转轴转动；

蜗杆，与所述蜗轮啮合，且用于带动所述蜗轮转动；和

旋转电机组件，设置在所述支板上，且与所述蜗杆相连，用于驱动所述蜗杆转动。

作为本申请另一实施例，所述钻筒的筒壁上设有通孔；所述通孔的轴线方向与所述钻筒的轴线方向相平行；

所述调节机构包括：

传动杆，穿设于所述通孔内，且第一端与所述横切刀的第一端相连，用于带动所述横切刀、绕所述传动杆的轴线转动；和

传动构件，与所述传动杆的第二端相连，且用于驱动所述传动杆转动。

作为本申请另一实施例，所述传动构件包括：

第一转轮，与所述传动杆相连，且用于带动所述传动杆转动；

第二转轮，与所述第一转轮相连，且用于带动所述第一转轮转动；和

调节电机组件，与所述第二转轮相连，且用于驱动所述第二转轮转动。

作为本申请另一实施例，所述第一转轮和所述第二转轮均为锥齿轮，且所述第一转轮和所述第二转轮相啮合。

作为本申请另一实施例，所述支架设有滑槽；所述滑槽的长度方向与所述主轴的轴向一致；

所述支板设有用于与所述滑槽滑动配合的滑块。

作为本申请另一实施例，所述钻筒设有配重块。

作为本申请另一实施例，所述纵切刀与所述钻筒可拆卸连接。

本发明实施例的第二方面，提供了一种变电站土壤取样方法，包括：

使用上述的一种变电站土壤取样的工具，并开启旋转机构；

开启驱动机构，使主轴移动、至纵切刀与土壤接触；

旋转机构及驱动机构保持开启状态，至纵切刀到达设定的切割深度，关闭驱动机构；

旋转机构保持开启状态，并开启调节机构，至横切刀转动到设定的角度，关闭旋转机构及调节机构；

开启驱动机构，使主轴反向移动、至纵切刀返回地面。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

主轴与支架滑动连接。驱动机构与主轴相连，且用于驱动主轴沿主轴的轴向移动。转轴与主轴同轴设置，且与主轴转动连接。支板与支架滑动连接，且与转轴转动连接。旋转机构设置在支板上，且与转轴相连，用于驱动转轴转动。钻筒与转轴同轴设置，且第一端与转轴相连，且第二端设有纵切刀，用于在转动状态下沿钻筒的轴向切割土壤。钻筒设有夹缝。横切刀呈弧形，且位于夹缝内。横切刀与钻筒的筒壁转动连接，且用于在伸出状态下沿钻筒的径向切割土壤。调节机构设置在钻筒上，且与横切刀相连，用于驱动横切刀、相对于钻筒转动。

使用时，驱动机构驱动主轴移动，主轴通过转轴及钻筒带动纵切刀移动；旋转机构驱动转轴转动，转轴通过钻筒带动纵切刀转动。因此，纵切刀一边切割土壤一边钻入土壤深处。当纵切刀钻入设定的深度时，调节机构驱动横切刀相对于钻筒转动，从而使横切刀处于伸出状态，此时，钻筒带动横切刀旋转时，横切刀沿径向切割土壤，即：将钻筒内的土柱切断。因此，当钻筒返回地面时，即可将完整的土柱样品带回地面。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：使用该工具对土壤取样时，省时省力，而且对土壤样品的干扰小，有利于土壤样品保持原始状态，从而保证实验数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种变电站土壤取样工具的示意图；

图2是本发明实施例提供的主轴、转轴、支板、旋转机构及钻筒的连接示意图；

图3是本发明实施例提供的钻筒及横切刀的仰视图；

图4是本发明实施例提供的钻筒及横切刀的另一状态下的仰视图；

图5是本发明实施例提供的钻筒、横切刀及纵切刀的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的齿条与支撑平台的装配示意图；

图7是本发明实施例提供的支杆、支板及支腿的装配示意图；

图8是本发明实施例提供的钻筒及调节机构的连接示意图。

附图标记说明：

10、支架；11、支撑平台；12、支腿；121、滑槽；20、主轴；21、齿条；211、支杆；2111、导向块；22、齿轮；23、驱动电机组件；30、转轴；31、支板；311、滑块；32、蜗轮；33、蜗杆；34、旋转电机组件；40、钻筒；41、纵切刀；42、配重块；50、横切刀；51、传动杆；52、第一转轮；53、第二转轮；54、调节电机组件。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例提供了一种变电站土壤取样的工具，结合图1、图2、图3、图4和图5所示，一种变电站土壤取样的工具包括支架10、主轴20、驱动机构、转轴30、支板31、旋转机构、钻筒40、横切刀50和调节机构。主轴20与支架10滑动连接。驱动机构与主轴20相连，且用于驱动主轴20沿主轴20的轴向移动。转轴30与主轴20同轴设置，且与主轴20转动连接。支板31与支架10滑动连接，且与转轴30转动连接。旋转机构设置在支板31上，且与转轴30相连，用于驱动转轴30转动。

钻筒40与转轴30同轴设置，且第一端与转轴30相连，且第二端设有纵切刀41，用于在转动状态下沿钻筒40的轴向切割土壤。钻筒40设有夹缝。横切刀50呈弧形，且位于夹缝内。横切刀50与钻筒40的筒壁转动连接，且用于在伸出状态下沿钻筒40的径向切割土壤。调节机构设置在钻筒40上，且与横切刀50相连，用于驱动横切刀50、相对于钻筒40转动。

使用时，驱动机构驱动主轴20移动，主轴20通过转轴30及钻筒40带动纵切刀41移动；旋转机构驱动转轴30转动，转轴30通过钻筒40带动纵切刀41转动。因此，纵切刀41一边切割土壤一边钻入土壤深处。当纵切刀41钻入设定的深度时，调节机构驱动横切刀50相对于钻筒40转动，从而使横切刀50处于伸出状态，此时，钻筒40带动横切刀50旋转时，横切刀50沿径向切割土壤，即：将钻筒40内的土柱切断。因此，当钻筒40返回地面时，即可将完整的土柱样品带回地面。

在实际应用中，变电站的接地体埋深要达到0.6米以上。因为土壤的表层容易干燥，因此土壤的的底层与表层的干湿度差异大，即：表层土壤与底层土壤的接地电阻差异大。如果接地体埋深不够，会影响整个接地***的均压，当发生接地短路时，接地***的表层与底层之间的跨步电压大，会对巡视人员的人身安全构成威胁。在最新设计中，一般将接地体埋入冻土层以下。

因此，在变电站选址时，为准确测试土壤的性能指标，土壤取样的深度要达到0.8米以上，在北方地区冻土层深度较大，取样深度甚至要达到2米。

现有技术中，也会使用土钻进行土壤取样。然而，土钻一般适用于30厘米以内的填土层的、少量的土壤取样。因为填土层的土质较为松软，人工操作较为轻松。该方式一般用于农业领域的土壤取样研究。

然而，变电站选址时的土壤取样，由于取样深度大，底层的粘土、砂岩等质地坚硬，如果采用土钻，在脚踏钻入时，会对土柱造成较大的振动，破坏土柱的应力平衡，造成土壤的自然结构被破坏，影响土壤样品的实验数据的准确性。另外，在实际应用中，利用土钻进行取样时，由于依靠脚踏钻入，难以精确的控制钻入深度。另外，当土钻提起时，土柱与土壤连接，难以完整的将土柱取出，而且取出土柱的过程，经常会造成土柱的碎裂，导致取样失败。

因此，本实施例中，采用纵切刀41与横切刀50相结合的方式，纵切刀41沿竖直方向切割土壤并钻入土壤底层，从而将土柱样品留在钻筒40内。当到达设定深度后，横切刀50沿水平方向将土柱与土壤切断，而且当钻筒40返回地面时，横切刀50能够支撑土柱，从而将将土柱完整的带回地面。

在纵切刀41和横切刀50的切割过程中，对中心部位的土柱影响较小，从而能够使土柱样品保持原始状态，因此，使用本实施例的工具取样省时省力，同时能够保护土壤样品的自然结构，继而保证样品的实验数据的准确性。

具体的，驱动机构可以采用丝杠螺母的传动方式，也可以采用齿轮齿条的传动方式，还可以采用液压缸的传动方式。具体的，旋转机构可以采用锥齿轮的传动方式，也可以采用蜗轮蜗杆的传动方式。具体的，调节机构可以采用蜗轮蜗杆的传动方式，也可以采用锥齿轮的传动方式。具体的，主轴20余转轴30通过轴承连接，转轴30与支板31通过轴承连接，具体的，转轴30与钻筒40固定连接；具体的，转轴30与钻筒40可以采用螺栓连接、螺纹连接或卡接。

作为一种实施例，结合图1所示，驱动机构包括齿条21、齿轮22和驱动电机组件23。齿条21与支架10滑动连接，且与主轴20相连，用于带动主轴20移动。齿轮22与齿条21啮合，且用于带动齿条21移动。驱动电机组件23与齿轮22相连，且用于驱动齿轮22转动。

如果采用液压缸的传动方式，由于钻入深度达到0.8米以上，则缸体的长度相应的要0.4米至0.8米，加工成本及装配成本较高。如果采用丝杠螺母的传动方式，由于钻入深度大，而且丝杠要带动转轴、支板、钻筒及调节机构同时移动，丝杠在长距离重负载的情况下，容易导致整体出现振动、抖动的情况，会破坏土柱的内部机构，影响土壤样品的实验数据的准确性，而且，也容易导致丝杠弯曲、变形、甚至断裂。

而齿轮齿条可以在长距离、重负载的情况下运转，精度高，运行平稳。因此，本实施例中驱动机构采用齿轮齿条的传动方式。具体的，驱动电机组件23可以采用伺服电机，也可以采用普通电机与减速器相结合的方式。在实际应用中，齿条21的速度越慢，对钻筒40内的土柱的影响越小。另外，本实施例中，通过控制驱动电机组件23的运行时间，能够精确控制纵切刀41的钻入深度。

作为一种实施例，结合图1和图7所示，齿条21上靠近主轴20的一端设有支杆211。支杆211与支架10滑动连接。

结合图1所示，支架10包括支撑平台11和支腿12。支撑平台11水平设置，结合图6所示，齿条21与支撑平台11滑动连接。支腿12竖直设置，且设有滑槽121。支杆211上设有用于与滑槽121滑动配合的导向块2111。

作为一种实施例，结合图1和图2所示，旋转机构包括蜗轮32、蜗杆33和旋转电机组件34。蜗轮32与转轴30相连，且用于带动转轴30转动。蜗杆33与蜗轮32啮合，且用于带动蜗轮32转动。旋转电机组件34设置在支板31上，且与蜗杆33相连，用于驱动蜗杆33转动。

由于锥齿轮是滚动接触，而蜗轮与蜗杆是滑动接触，因此，蜗轮蜗杆的传动方式产生的振动小，另外，蜗轮蜗杆的单级速比大、尺寸小，因此，本实施例中选用蜗轮蜗杆的传动方式，整体的振动小，对钻筒40内的土柱的影响小。具体的，旋转电机组件34可以采用伺服电机，也可以采用普通电机与减速器相结合的方式。

作为一种实施例，结合图3、图4、图5和图8所示，钻筒40的筒壁上设有通孔。通孔的轴线方向与钻筒40的轴线方向相平行。调节机构包括传动杆51和传动构件。传动杆51穿设于通孔内，且第一端与横切刀50的第一端相连，用于带动横切刀50、绕传动杆51的轴线转动。传动构件与传动杆51的第二端相连，且用于驱动传动杆51转动。

传动构件驱动传动杆51转动，传动杆51带动横切刀50转动。当横切刀50处于自然状态时，横切刀50位于夹缝内，此时，横切刀50与钻筒40内的土柱不接触。当横切刀50转动时，处于伸出状态，此时，横切刀50与钻筒40内的土柱接触，当钻筒40带动横切刀50旋转时，横切刀50就会切割钻筒40内的土柱。

使用时，当纵切刀41钻入设定深度后，关停驱动机构，从而使纵切刀41停留在设定深度位置；然后开启传动构件，通过传动杆51带动横切刀50转动，同时旋转机构开启，使钻筒40带动横切刀50旋转，从而由外向内的切割土柱。当横切刀50转到设定角度，能够将土柱完全切断，从而便于将土柱完整的带回地面。

作为一种实施例，结合图8所示，传动构件包括第一转轮52、第二转轮53和调节电机组件54。第一转轮52与传动杆51相连，且用于带动传动杆51转动。第二转轮53与第一转轮52相连，且用于带动第一转轮52转动。调节电机组件54与第二转轮53相连，且用于驱动第二转轮53转动。

由于横切刀50具有一定的负载，而且其转动速度缓慢，因此，调节电机组件54可以采用伺服电机，也可以采用电机与减速器相结合的方式。具体的，第一转轮52与第二转轮53可以采用锥齿轮的传动方式，也可以采用皮带轮的传动方式，还可以采用链轮链条的传动方式。

作为一种实施例，结合图8所示，第一转轮52和第二转轮53均为锥齿轮，且第一转轮52和第二转轮53相啮合。相比于皮带轮的传动方式，以及链轮链条的传动方式，锥齿轮的传动更加平稳、传动精度更高，因此，本实施例中采用锥齿轮的传动方式。

作为一种实施例，结合图1和图7所示，支架10设有滑槽。滑槽的长度方向与主轴20的轴向一致。支板31设有用于与滑槽滑动配合的滑块311。

具体的，支腿12设有滑槽121，支板31设有用于与滑槽121滑动配合的滑块311。由于支杆211与支板31同时移动，因此，滑槽121能够同时与支板31及支杆211配合，从而降低加工难度，也节省空间。具体的，滑槽121可以选用燕尾槽，滑块311及导向块2111与滑槽121相适配。

作为一种实施例，结合图2和图8所示，钻筒40设有配重块42。由于钻筒40上设有调节机构，在实际应用中发现钻筒40有偏重的现象，因此，本实施例设置配重块42。配重块42能够使钻筒40保持平衡，运行时更加平稳。

作为一种实施例，结合图5所示，纵切刀41与钻筒40可拆卸连接。由于纵切刀41具有一定的长度，当钻筒40返回地面后，将钻筒40内的土柱取出时，土柱容易磕碰，因此，本实施例中纵切刀41与钻筒40可拆卸连接。

当钻筒40返回地面后，先将纵切刀41拆卸下来，此时工作人员的双手能够直接触碰到钻筒40内的土柱；工作人员手动支撑土柱后，再将横切刀50复位，然后即可完整的将土柱取出。

作为一种实施例，钻筒40为不粘泥土的陶制材料或金属材料。

本发明实施例还提供了一种变电站土壤取样方法，包括：

(1)使用上述的一种变电站土壤取样的工具，并开启旋转机构；

(2)开启驱动机构，使主轴20移动、至纵切刀41与土壤接触；

(3)旋转机构及驱动机构保持开启状态，至纵切刀41到达设定的切割深度，关闭驱动机构；

(4)旋转机构保持开启状态，并开启调节机构，至横切刀50转动到设定的角度，关闭旋转机构及调节机构；

(5)开启驱动机构，使主轴20反向移动、至纵切刀41返回地面。

作为一种实施例，在步骤(3)中，旋转机构高速运行，且驱动机构低速运行，从而使纵切刀41在切割土壤时减小振动，从而降低对钻筒40内的土柱的影响。

作为一种实施例，在步骤(4)中，调节机构低速运行，且旋转机构高速运行，至横切刀50转动到设定角度。横切刀50由外向内缓慢的切割土柱，能够减小振动，从而降低对钻筒40内的土柱的影响。

作为一种实施例，在步骤(5)中，纵切刀41返回地面后，将纵切刀41拆卸下来。支撑住钻筒40内的土柱后，开启调节机构并使横切刀50复位。从而能够完整的将土柱取出。

使用该工具对土壤取样时，省时省力，而且对土壤样品的干扰小，有利于土壤样品保持原始状态，从而保证实验数据的准确性。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种变电站土壤取样的工具，其特征在于：包括支架；主轴与所述支架滑动连接；驱动机构与所述主轴相连，且用于驱动所述主轴沿所述主轴的轴向移动；转轴与所述主轴同轴设置，且与所述主轴转动连接；支板与所述支架滑动连接，且与所述转轴转动连接；旋转机构设置在所述支板上，且与所述转轴相连，用于驱动转轴转动；钻筒与所述转轴同轴设置，且第一端与所述转轴相连，且第二端设有纵切刀，用于在转动状态下沿所述钻筒的轴向切割土壤；所述钻筒设有夹缝；横切刀呈弧形，且位于所述夹缝内；所述横切刀与所述钻筒的筒壁转动连接，且用于在伸出状态下沿所述钻筒的径向切割土壤；调节机构设置在钻筒上，且与横切刀相连，用于驱动横切刀转动。

2.根据权利要求1所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于，所述驱动机构包括：

齿条，与所述支架滑动连接，且与所述主轴相连，用于带动所述主轴移动；

齿轮，与所述齿条啮合，且用于带动所述齿条移动；和

驱动电机组件，与所述齿轮相连，且用于驱动所述齿轮转动。

3.根据权利要求2所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于：所述齿条上靠近所述主轴的一端设有支杆；所述支杆与所述支架滑动连接。

4.根据权利要求1所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于，所述旋转机构包括：

蜗轮，与所述转轴相连，且用于带动所述转轴转动；

蜗杆，与所述蜗轮啮合，且用于带动所述蜗轮转动；和

旋转电机组件，设置在所述支板上，且与所述蜗杆相连，用于驱动所述蜗杆转动。

5.根据权利要求1所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于：所述钻筒的筒壁上设有通孔；所述通孔的轴线方向与所述钻筒的轴线方向相平行；

所述调节机构包括：

传动杆，穿设于所述通孔内，且第一端与所述横切刀的第一端相连，用于带动所述横切刀、绕所述传动杆的轴线转动；和

传动构件，与所述传动杆的第二端相连，且用于驱动所述传动杆转动。

6.根据权利要求5所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于，所述传动构件包括：

第一转轮，与所述传动杆相连，且用于带动所述传动杆转动；

第二转轮，与所述第一转轮相连，且用于带动所述第一转轮转动；和

调节电机组件，与所述第二转轮相连，且用于驱动所述第二转轮转动。

7.根据权利要求6所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于：所述第一转轮和所述第二转轮均为锥齿轮，且所述第一转轮和所述第二转轮相啮合。

8.根据权利要求1所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于：所述支架设有滑槽；所述滑槽的长度方向与所述主轴的轴向一致；

所述支板设有用于与所述滑槽滑动配合的滑块。

9.根据权利要求1所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于：所述钻筒设有配重块。

10.根据权利要求1所述的一种变电站土壤取样的工具，其特征在于：所述纵切刀与所述钻筒可拆卸连接。

11.一种变电站土壤取样方法，其特征在于，包括：

使用如权利要求1至10任一项所述的一种变电站土壤取样的工具，并开启旋转机构；

开启驱动机构，使主轴移动、至纵切刀与土壤接触；

旋转机构及驱动机构保持开启状态，至纵切刀到达设定的切割深度，关闭驱动机构；

旋转机构保持开启状态，并开启调节机构，至横切刀转动到设定的角度，关闭旋转机构及调节机构；

开启驱动机构，使主轴反向移动、至纵切刀返回地面。

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