防汛抢险长管袋充填机的研制与应用
2018-09-10刘树利李凯刘新宇刘志潜申黎明周跃峰毕巧珍
刘树利 李凯 刘新宇 刘志潜 申黎明 周跃峰 毕巧珍
摘要：针对黄河杭洪抢险采用捆抛柳石枕等传统抢护方法存在耗用人工多、效率低、成本高、环境效益差，以及劳动强度大、安全性差等问题，通过设备总体功能设计、理论计算与设备选型、主要技术参数选取和生产性试验验证，成功研制了环保型防汛抢险长管袋充填机。应用情况试验表明：该设备充填效率高，操作便利，移动灵活;具备两套独立的充填系统，可实现两条长管袋同时快速充填与定位抛投;满足野外作业条件，适用于天然防汛抢险材料。经实际应用测算，该设备具有较高的充填、抛投长管袋速度和效率，可为杭洪抢险争取时间，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益。
关键词：防汛抢险;长管袋充填机;设备选型;功能设计;抛投技术
中图分类号：TV871.3;TV882.1 文献标志码：A
1 研发背景
黄河传统防汛抢险中大多采用以柳料和块石为主要材料的埽工技术来抢护堤坝险情，往往投入人工多、劳动强度大，效率低、成本高，环境效益差，不能适应新形势下快速、高效抢险的要求[1]。为适应社会发展要求，提高机械化抢险水平，急需研制一种减少劳动量、效率高、成本低、抢护效果佳、环境效益好的环保型抢险装备。
防汛抢险长管袋充填机的研发以保护生态环境为原则，利用长管袋装人砂土料物（以下简称“料物”）代替传统埽工材料抢险，以降低劳动强度、实现机械化充填长管袋为目标，采用人工辅助作业，实现长管袋的快速充填、封口与定位抛投。通过对国内外市场的调研，借鉴防汛抢险联合装袋机的研制经验[2]，经多方案比选、多次试验改进，其工作效率、设备运行性能、使用方便性等方面均满足实际抢险需求。该设备以较少的人工、较低的劳动强度，实现了长管袋的快速充填、封口与定位抛投，为机械化抢险提供了有力保障，同时也保护了生态环境。2设备组成及工作原理
防汛抢险长管袋充填机主体部分由承载机构与拖行装置、储料下料机构、驱动系统、场地自行机构以及电气控制系统等组成。其配套抛投装置包括组合式长管袋抛投平台（以下简称“抛投平台”）和可调节助滑板。
将该设备拖放到距河道工程坝岸出险部位适当距离，使设备与坝岸边坡坡顶的距离大于水面以上坍塌土体高度，既可保证设备与人员安全，又便于抢险操作;摆放抛投平台，在岸坡上铺放助滑板。根据出险部位水深确定长管袋长度，人工将长管袋套到螺旋输送机出料口上。利用装载机将砂土料物装人储料斗，采用高频振动装置强制下料，料物经下料机构至螺旋机内，再经出料口装人长管袋中，人工辅助作业将长管袋已充填部分移离出料口，螺旋机连续运转，充填好的长管袋不断加长，直至充满整个袋体。长管袋充填完成后，在抛投平台上进行人工封口并系上留绳，人工将封好口的长管袋从抛投平台引导至出险岸坡的助滑板上，长管袋在助滑板上以可控速度下滑人水至预定抢护部位。长管袋充填、抛投平面示意见图1，长管袋充填、抛投立面示意见图2。
3 研发过程
3.1 主要研究内容
3.1.1 设备总体功能设计
防汛抢险长管袋充填机应能适应所有人工装袋料物，适应野外恶劣作业条件，实现设备轻型化、操作便利化、移动快速化，减少作业人员，减轻劳动强度。
3.1.2 承载机构选型
鉴于该设备为防汛抢险专用设备，使用频率较低，整机自身不设快速自行移动动力机构，移动时由外部牵引车拖动。该设备拖曳机构应具备刹车、转向、信号指示等功能，以满足在运输过程中的安全要求。在抢险现场需要局地移动时，依靠设置的慢速自行移動动力机构进行操作。
3.1.3 驱动系统选型
整机要实现料物输送、充填等功能，需要相应的驱动系统。驱动系统主要由下料闸门驱动电机、螺旋输送机驱动电机、高频振动强制下料电机及场地自行电机等组成。
3.2 技术方案
3.2.1 系统功能描述
（1）作业准备。包括设备就位、空载运行、装料、摆放抛投平台等工序。
设备到达作业地点后，首先进行设备就位。接通并启动外部电源，将支撑机构的4台升降式电动螺杆支腿升至适当高度。设备就位后，启动电源，设备进行空载试运行（根据使用情况可启动1套或2套系统充填长管袋作业）;采用装载机等机械将料物装人储料斗内。所装料物含有较大块料导致下料困难时，可启动振动装置强制下料。人工将抛投平台和助滑板卸车并摆放到作业部位;固定助滑板;固定拴系留绳的木桩或钢钎。
（2）充填作业。包括套袋、充填、封口、抛投等工序。
整机采用两套长管袋充填作业系统，两套系统既可以并行作业，也可以单独作业。每套作业系统由4名操作人员负责，完成一条长管袋的套袋、充填、封口、抛投等连续作业工序。整机电气控制箱由1名电气操作手控制。整机共需9人操作。
充填作业时，人工将长管袋套在螺旋输送机出料口上，首先启动螺旋输送机电机，再启动下料闸门电机，料物从料斗下口处经下料闸门徐徐落人螺旋输送机内，随螺旋管的旋转进入待装长管袋内。操作人员辅助引导长管袋在抛投平台上缓慢移动。待料物充填至袋口处时，关闭下料闸门，关闭螺旋输送机，完成一条长管袋的充填作业。操作人员手持电动缝包机进行封口作业。
3.2.2 承载机构与拖行装置
承载机构与拖行装置包括由4台电机分别驱动的升降式螺杆支腿支撑的承载平台、由4只轮胎支撑的前后桥以及拖曳三角架。根据整机质量、设备运输及作业方式，确定支撑机构技术参数、驱动电机的输出功率、输出扭矩等参数。
3.2.3 储料下料机构
储料下料机构包括储料斗和下料机构。储料斗由中间隔板分隔为2个独立的料仓，对应料斗下方各悬挂1台相对独立的螺旋输送机。在抢险现场，装袋料物往往湿度大、黏性强，为保证下料顺利，安装4套高频振动装置。下料机构由驱动电机、减速机、螺旋输送机等组成。输送装料机构包括：用于搅动并输送出料筒中的料物的螺旋输送机;用于驱动螺旋输送机转动的输送电机;用于盛装螺旋输送机和来自储料斗的料物的出料筒。螺旋输送机包括输送轴、螺旋叶片，螺旋叶片固定在输出轴上;螺旋输送机装设于出料筒中，出料筒一端靠近输送电机，另一端作为长管袋充填机出料口;输送电机输出轴连接输送轴一端，输送轴另一端固定在出料筒端口一侧。
螺旋输送机采用悬挂式结构，由头部轴承、尾部悬挂轴承、螺旋叶片、机壳、盖板及顶部悬挂连接件等组成。
3.2.4 驱动系统
主驱动系统包括螺旋输送机驱动机构与下料闸门驱动机构，螺旋输送机驱动机构包括2台驱动电机及其配套减速机，下料闸门驱动机构包括2台驱动电机及其配套减速机;附属驱动机构包括4台高频振动器、4台升降式螺杆支腿驱动电机及其配套减速机以及1台用于场地短距离自行移动的驱动电机，其行走控制装置采用止锁电机，通过皮带传送动力，具有前进、后退功能。
3.2.5 电气控制系统
由1个电气控制箱集中控制，分别控制4台升降式螺杆支腿驱动电机、2台螺旋输送机驱动电机、2台下料闸门驱动电机、4台高频振动电机以及1台场地短距离自行移动的驱动电机。设置有漏电断路器，具有漏电保护功能。
3.3 关键技术参数选取
通过设备总体功能设计、理论计算与设备选型、关键技术参数选取和生产性试验验证，合理选取螺旋管出口倾角、螺旋管径及套袋管长、螺旋轴转速、驱动电机功率、输送能力等关键技术参数，实现整机高效运行。
3.3.1 螺旋管出口倾角
下倾式螺旋充填装置可节约充填动力消耗。综合考虑采用下倾式螺旋管对整机高度、宽度与充填影响程度，采用出口倾角为12°。
3.3.2 螺旋管管径及套袋管长
螺旋管管径要满足不同规格口径的长管袋充填，长度要方便人工套袋。经理论计算并试验验证，管径为50cm时可以满足直径为70～100cm的长管袋正常充填，长度为50cm的套袋管即可满足长度为5～10m的长管袋进行人工套袋。
3.3.3 螺旋轴转速
螺旋输送机工作转速与料物特性有密切关系，转速过小则会导致充填效率过低;在满足输送能力的条件下也不宜过高，以免料物受过大的切向力而被抛起，以致无法向前输送。其转速n不能超过极限转速nj[3]：
n≤nj=A/D1/2式中：A为料物综合系数，不同充填料物，其综合系数不同，如块状干黏土取15，块状湿黏土取20，粒径<60mm的无磨琢性或半磨琢性块料以及砂性料物取30;D为螺旋管管径，取500mm。
经计算，结合实际抢险所用料物，选取螺旋轴转速n为35r/min。
3.3.4 轴功率及电机功率
螺旋输送机轴功率P0可由下式确定[3]：
P0=Q（ω0L+H）/367式中：Q为输送能力，m3/h;ω0为料物阻力系数;L为螺旋输送机水平投影长度，m;H为螺旋输送机进出口高差，m。
驱动电机功率尸由下式确定[3]：
P=K1P0/η式中：K1为功率备用系数;η为驱动装置总效率，一般取0.90～0.94。
经计算，选取功率为7.5kW的螺旋机驱动电机，即可满足长管袋正常充填需求。
3.3.5 输送能力
确定螺旋管径D及螺旋轴转速n后，输送能力Q采用下式计算[3]：
Q=47D2ntρψC式中：t为螺距，取螺旋管径D的80%，即400mm：ρ为料物松散密度，t/m3;ψ为充填系数，块状干黏土及块状湿黏土取0.125～0.20，粒径<60mm的无磨琢性或半磨琢性块料取0.20～0.25，砂性料物取0.25～0.30;C为输送机倾角系数，取0.70。
经计算，单机输送能力为30m3/h，整机输送能力为60m3/h。
3.4 主要技术参数
储料斗容量4m3;装料高度2.50m;螺旋管直径50cm，螺旋管倾角12°;螺旋输送机驱动电机型号Y132-4，配套减速机型号BWD3-43-7.5，功率7.5kW;整机质量3600kg;整机外形尺寸5.00 m×2.50 m×2.50 m（长×宽×高）;设备总功率27.48kW。生产效率（输送能力）60m3/h，每1h可充填并拋投20条直径0.80m、长度8m的长管袋。
4 长管袋抛投技术
长管袋充填并封好口后，操作人员辅助引导长管袋在抛投平台上以可控速度滑行，长管袋滑移下落到紧贴于坡面的助滑板上，经助滑板面持续下滑，依靠重力和滑动惯性，定点抛投入水至工程待防护部位。循环上述过程，即可进行连续套袋、充填、封口、抛投作业。
4.1 充填材料及长管袋规格、材质选择
适用的充填材料包括干、湿沙土，沙壤土，沙石混合料，粒径10cm以下的块料等天然防汛抢险材料，以及防汛砂料等专用防汛抢险材料[4]。对于少量粒径较大的块料，可在装料前利用装载机铲斗进行压碎处理。
所用长管袋为常用规格防滑织物土袋[5]以及非标准专用土工织物袋。长管袋规格为直径70～100cm、长度5～10m的不同组合形式。
4.2 长管袋抛投装置
整机配套2套抛投装置，每套抛投装置均包括一组3～4节的抛投平台和1块铺放长度可调节的助滑板，以及用于固定助滑板和人水长管袋的留绳、木桩或钢钎等辅助材料。
根据使用便利性的要求，自行研制的轻型组合式长管袋抛投平台采用“托辊+输送皮带”无动力平台结构。每组4节抛投平台，每节长2.00m，宽1.00m，根据所抛投长管袋规格及抛投场地布置，抛投平台可选用3～4节。每组平台顶部高度由0.65m直线渐变至0.20m，其顶面为斜坡式，有利于长管袋顺利滑移、抛投。其主要材料为铝合金型材，每节质量120kg，平台支腿可收放，方便人工装卸车及场地移动，确保放置就位灵活、便捷。
可调节助滑板为复合结构，面层采用可集卷的轻型HDPE材料，规格为4.00m×1.20m ×0.003m（长×宽×厚）。该材料具有较高的刚性和韧性，机械强度高，化学稳定性与耐环境应力开裂性均较好。
4.3 长管袋抛投场地整理
长管袋充填机抛投技术一般应用于黄河控导工程非裹护段及坝档、滩岸坍塌等河道工程的应急抢护。上述河道工程出险后，出险部位边坡通常上缓下陡，直接抛投长管袋较为困难。为便于抛投长管袋，使之达到最佳防护效果，需要对抛投场地及边坡进行初步整理。
4.4 长管袋抛投过程
通过人工助推在抛投平台上充填好的长管袋，袋体开始移动并逐渐加速，位于前部的袋体自然滑落到助滑板上，并继续在助滑板上下滑，滑过助滑板以下坝体部位的自然坡面以后，借助自重和惯性，缓慢下滑人水，整个袋体在自然坡面摩擦力、水体及河床底部泥沙的阻滞作用下逐渐停止滑行，最终稳定在出险部位。
经分析计算和试验验证，在适宜坡度范围内，长管袋借助自重和惯性，可以自行滑移到位，且下滑速度在可控制范围内。在实际操作过程中，采用在袋口处拴系留绳，配合调整助滑板铺设长度，用来控制长管袋滑移速度。
5 设备优势分析
（1）该设备集充填、封口、抛投作业于一体，便于整机快速运输。可根据不同抢险场地条件灵活布置，快速开展作业。
（2）该设备具备2套独立的充填系统，既可单独运行，也可同时运行。每套系统需4人配合操作，2套系统同时工作时可实现2条长管袋的同时装袋、封口与定位抛投。
（3）研制的下料控制机构，可确保所装料物由料斗进入螺旋管内时保持较为松散状态，避免料物在螺旋管内呈高度挤密状态而引起堵管，从而提高装袋效率。
（4）研制的下倾式螺旋充填装置可减少充填动力消耗。经计算，采用倾角为12°的下倾式螺旋充填装置与同规格水平结构装置相比，可节约动力8%左右。
（5）拖行机构配备有场地短距离移动的电动自行机构。设置前进挡和后退挡，极大地方便了设备在抢险场地灵活移动就位。
（6）轻型组合式长管袋抛投平台采用“托辊+输送皮带”无动力平台结构，其顶面为斜坡式，有利于长管袋顺利滑移、抛投;其主要材料为铝合金型材，每节质量120kg，平台支腿可收放，方便人工装卸车及场地移动，确保放置就位灵活、便捷。
（7）铺放于坡面的可调节助滑板采用双层复合结构，面层采用厚度为3mm的HDPE轻型材料，表面高度光滑，有助于长管袋在岸坡顺利下滑;底层采用厚度为0.5mm的金属材料，可适应各种结构和材质的坝坡坡面;整体为轻型材料，可铺展，可集卷，方便铺放与运输。
（8）该设备满足刮风、扬尘、降雨等各种不利天气的野外作业条件。适用于松散土料、沙土及粒径10cm以下的碎石、砂石混合料等天然防汛抢险材料。
6 效益分析
（1）社会效益。该设备的成功研制，很大程度上减少了劳动力数量，降低了劳动强度，缩短了劳动时间，为抗洪抢险争取了大量时间，具有显著的社会效益。采用黄河传统埽工抢险技术，以18人为一组进行人工捆抛柳石枕作业，依据水利部黄河水利委员会黄河防洪工程预算定额[7]计算，每捆抛100m3柳石枕耗时17.5h。采用该设备由9人配合进行长管袋充填、抛投作业，经实际应用测算，每抛投100m3长管袋仅需1.67h，其工效为人工捆抛柳石枕的10余倍。
（2）经济效益。依据水利部黄河水利委员会黄河防洪工程预算定额[7]和水利部水利工程施工机械台时费定额[8]计算，人工捆抛柳石枕费用为235.00元/m3。经实际应用测算，使用该设备充填长管袋费用为62.30元/m3，其费用为人工捆抛柳石枕费用的26.5%。
（3）环境效益。传统抢险所用大量块石、柳梢等材料的获取，不可避免地对生态环境造成一定程度的影响，利用长管袋充填黄河泥沙等料物代替传统埽工材料抢险，属就地取材的环保型抢险材料，有利于保护生态环境，环境效益显著。
7 推广应用
该设备研制成功后，先后在某黄河控导工程非裹护段及坝档、某黄河滩岸坍塌应急抢护工程等河道工程应急抢护中多次应用。从设备就位、配套装置摆放、设备调试、充填到抛投长管袋，仅用时20min左右，做到了快速抛投、快速抢护，为有效防御洪水对河道工程边流淘刷及遏制坝档回流淘刷发挥了重要作用。
通过对该设备应用现场实际检测，该设备一次定位可满足8m宽的最大抛投范围，一般30min左右可完成8m宽出险范围的边坡防护。该设备能够满足刮风、扬尘、降雨等各种不利天气的野外作业条件，适用于松散土料、沙土及粒径10cm以下的碎石、砂石混合料等天然防汛抢险材料，充填长管袋效率达到设计指标，可满足不同河道工程及堤防的长管袋抢险条件。
采用该设备充填、抛投的长管袋为顺坡立式长管土袋，与传统抛投柳石枕水平堆放状态相比，顺坡立式长管土袋袋体柔软、变形能力强，更能适应冲刷变形沉降，不易拉裂，不易走失，在自身荷载作用下可很好地贴附于边坡和河床上，便于稳定边坡和河床，对河道工程抢险非常有利。该设备所用长管袋为工厂化定制，利用黄河泥沙作为充填材料，资源豐富，可避免传统抢险所用块石、柳梢等材料对生态环境造成的破坏。利用该设备抢险速度快、效果好，可广泛应用于抗洪抢险、水利工程施工等现场，推广应用前景广阔。
8 结语
防汛抢险长管袋充填机为环保型防汛抢险设备，充填、抛投效率高，操作便利，移动灵活，可实现快速充填长管袋，利用配套装置可快速定位抛投。该设备极大地降低了抢险作业人员的劳动强度，提高了充填速度和工作效率，为抗洪抢险争取了大量的宝贵时间，可广泛应用于抗洪抢险、水利工程施工等现场，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益，推广应用前景广阔。
致谢：本文在撰写与修改过程中得到了李怀前高级工程师（教授级）的热情指导和大力帮助，在此谨表诚挚谢意！
参考文献：
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