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摘要

岩土容重实验取样仪开发及实验分析

随着工业化、城市化不断推进，我国的土壤资源在数量和质量上均面临着新

的形势与挑战，这就要求我们要提高对土壤地位与重要性的认识，对土壤性质进

行分析，合理利用土壤。为了更好地研究土壤，需要在实验室内进行各类试验，

如岩土容重试验，实验的准确性与真实性决定了我们对土壤认知的准确性与真实

性，而影响实验准确性与真实性的最大因素就是取得土样的质量。因此，本文基

于人工环刀取土实验步骤，结合自动化控制技术，研制一台实验室用环刀取土机。

本文首先对国内外各类取土器的研究进行了介绍，重点介绍了实验室用环刀

取土机的研究现状。通过土力学计算，计算得到管靴入土时的受力变化情况。基

于人工实验步骤，并结合自动化控制技术，对环刀取土机的取土、切割运输、土

样清理等功能及结构进行设计，并完成三维建模。之后，完成环刀取土机控制系

统的搭建，对组成控制系统的硬件进行了选型，设计了供电及控制电路，完成电

控电路的搭建。并根据实际情况确定机器工作流程，编写G代码程序，设计了机

器的人工控制与自动控制模式。

完成整机模型搭建后，在RecurDyn中建立整机的动力学模型，根据已设定

的工作流程，在RecurDyn中进行整机的运动学分析。分析了整机的各运动姿态，

X、Y、Z直线模组和电动推杆的运动曲线，为后续联合仿真提供参考。之后，通

过RecurDyn与EDEM软件的联合仿真，分析了线刀在切土时的受力情况，发现

线刀在运动过程中受力最大值为20.15N，且随着进入土样过程呈现单波状波动；

分析了取土过程中Z直线模组的位移与受力情况，发现Z直线模组受力最大值

为297.161N；分析了电动推杆的位移与受力情况，发现其受力最大值421.57N，

分析认为是由于管靴的存在使得Z直线模组的受力小于电动推杆的受力。在完

成仿真分析后，进行实验样机的组装，并在企业实验室进行取土验证。对比机器

取土与人工取土的样品后，发现其质量与土壤容重值的相对误差小于5%，机器

I

可以大致模拟人工取土，基本能够满足取土要求。通过安装加速度传感器，对机

器运动情况进行实验验证，结果表明，直线模组与电动推杆的运动精确性与稳定

性均可以达到设计要求。

本文设计的环刀取土机是具有我国自主知识产权的取土采样设备，为土壤学

研究提供了一种有效工具，对促进土壤研究与利用具有重要的工程实用价值和良

好的应用前景。

关键词：

环刀取土机，土壤容重实验，动力学仿真分析，EDEM，RecurDyn

II

Abstract

DevelopmentandExperimentalAnalysisoftheExperimentalSa