劉樹利 李懷前 申黎明 李凱 劉新宇 張園園 劉志潛

摘要：針對(duì)目前國內(nèi)抗洪搶險(xiǎn)人工裝袋運(yùn)袋勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全性差的問題，通過設(shè)備總體功能設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化、理論計(jì)算與設(shè)備選型、主要技術(shù)參數(shù)選取和生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證，研制了防汛搶險(xiǎn)聯(lián)合裝袋機(jī)。該機(jī)集裝袋、封口、輸送于一體，具有雙向或單向裝袋、封口、傳輸功能，操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、維修方便，具備2套獨(dú)立的裝袋、封口、輸送系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)1200袋/h土石沙袋的裝袋、封口與輸送；具有自動(dòng)夾袋、自動(dòng)脫袋、自動(dòng)封口、自動(dòng)啟停等功能；滿足野外作業(yè)條件，適用于天然防汛搶險(xiǎn)材料。該機(jī)極大地提高了裝袋速度和效率，為抗洪搶險(xiǎn)爭(zhēng)取時(shí)間，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：設(shè)備選型；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；功能設(shè)計(jì)；裝袋機(jī)；防汛搶險(xiǎn)

中圖分類號(hào)：TV871.3；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.006

1 項(xiàng)目研發(fā)背景

在抗洪搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行筑高堤壩、壓滲反濾、堵塞潰口等險(xiǎn)情搶護(hù)工作時(shí)，需要拋投大量的沙石土袋，如1998年長江、松花江及嫩江抗洪搶險(xiǎn)中，耗用土工編織袋數(shù)量達(dá)5.1億條，且絕大多數(shù)采用人工裝袋、肩挑背扛的傳統(tǒng)作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、速度慢、效率低、安全性差。

防汛搶險(xiǎn)聯(lián)合裝袋機(jī)項(xiàng)目以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)機(jī)械化裝袋為研發(fā)目標(biāo)，采用人工輔助作業(yè)，操作便利，可完成高效裝袋、封口裝車以及快速移動(dòng)。通過對(duì)國內(nèi)外市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，在以往研制的防汛搶險(xiǎn)裝袋設(shè)備基礎(chǔ)上，經(jīng)多方案比選、多次試驗(yàn)修改完善，在智能化程度、工作效率、設(shè)備運(yùn)行性能、使用方便性等方面較前代產(chǎn)品有了較大提升，以較少的人工、較低的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了快速裝袋、封口、裝車等目的，為快速搶險(xiǎn)提供了有力保障。

2 工作原理

利用裝載機(jī)將砂土料物裝人儲(chǔ)料斗，設(shè)置高頻振動(dòng)裝置強(qiáng)制下料，經(jīng)給料皮帶機(jī)將料物傳輸至交替下料的雙出料口，根據(jù)所需裝料體積預(yù)先設(shè)定裝料時(shí)長，料物經(jīng)出料口裝人袋中。達(dá)到設(shè)定時(shí)長后，袋子自動(dòng)脫落至運(yùn)行的封口皮帶機(jī)上。料袋在封口皮帶機(jī)上進(jìn)行白動(dòng)封口，封好口的成品袋由封口皮帶機(jī)傳送至輸送皮帶機(jī)上進(jìn)行裝車。整機(jī)由電氣操作系統(tǒng)進(jìn)行控制。平面布置見圖1。

3 研發(fā)過程

3.1 主要研究內(nèi)容

3.1.1 設(shè)備總體功能設(shè)計(jì)

防汛搶險(xiǎn)聯(lián)合裝袋機(jī)應(yīng)能適應(yīng)所有人工裝袋料物，適應(yīng)野外惡劣作業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕型化、操作自動(dòng)化、移動(dòng)快速化，減少作業(yè)人員，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.1.2 承載機(jī)構(gòu)選型

鑒于該設(shè)備為防汛搶險(xiǎn)專用設(shè)備，平時(shí)使用頻率較低，因此整機(jī)自身不設(shè)自行移動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，使用時(shí)由外部牽引車拖動(dòng)。該機(jī)拖曳機(jī)構(gòu)應(yīng)具備剎車、轉(zhuǎn)向、信號(hào)指示等功能，以滿足在運(yùn)輸及生產(chǎn)過程中的安全要求。

3.1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型

整機(jī)要實(shí)現(xiàn)給料、夾袋、出料、封口、輸送等功能，需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、氣泵、氣缸及相應(yīng)的附件組成。

3.1.4 控制系統(tǒng)的集成開發(fā)與各組成部件間的合理匹配

為減少抗洪搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝袋和運(yùn)袋的勞動(dòng)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，開發(fā)智能化程度較高的氣動(dòng)夾袋、自動(dòng)封口技術(shù)，需要增加控制器的控制功能，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，合理選用控制系統(tǒng)中各組成部件。該機(jī)控制系統(tǒng)中，需要選用的組成部件包括可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器、觸摸屏、接觸器、光電傳感器、繼電器等，并協(xié)調(diào)各組成部件之間的匹配關(guān)系。

3.2 技術(shù)方案

3.2.1 系統(tǒng)功能描述

該設(shè)備由以下部分組成：①承載機(jī)構(gòu)與拖行裝置：②儲(chǔ)料給料機(jī)構(gòu)，包括儲(chǔ)料斗、振動(dòng)電機(jī)、給料皮帶機(jī)等：③雙口交替下料機(jī)構(gòu)；④自動(dòng)封口機(jī)構(gòu)，包括封口皮帶機(jī)、光電傳感器、氣動(dòng)鋼釘封口槍及工作平臺(tái)：⑤輸送皮帶機(jī)：⑥電氣控制系統(tǒng)；⑦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：⑧裝卸架。

（1）作業(yè)準(zhǔn)備。設(shè)備到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)后，利用裝卸架將2臺(tái)輸送皮帶機(jī)卸車并安放到作業(yè)部位，人工將4臺(tái)封口皮帶機(jī)卸車并安放到作業(yè)部位。接通并啟動(dòng)總電源，將支撐機(jī)構(gòu)的4臺(tái)升降式電動(dòng)螺桿支腿升至適當(dāng)高度。采用裝載機(jī)等機(jī)械將砂土料物裝入儲(chǔ)料斗內(nèi)（裝黏土類易黏結(jié)物料時(shí)，可啟動(dòng)振動(dòng)裝置強(qiáng)制下料）。根據(jù)裝袋作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所裝料物種類與所裝成品袋的要求，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置給料皮帶機(jī)運(yùn)行頻率、下料閘門開啟時(shí)長（即下料時(shí)長）等技術(shù)參數(shù)。啟動(dòng)雙口下料裝置、封口裝置、輸送裝置及空壓機(jī)，設(shè)備開始運(yùn)行（根據(jù)使用情況可啟動(dòng)一側(cè)或兩側(cè)裝袋作業(yè)）。

（2）裝袋作業(yè)。整機(jī)采用2套雙口交替出料系統(tǒng)，每套均采用雙口交替下料模式，將套袋與裝袋2個(gè)工序并行重疊交替進(jìn)行。在與2個(gè)出料口對(duì)應(yīng)的兩臺(tái)封口皮帶機(jī)上，料袋隨封口皮帶機(jī)運(yùn)行至預(yù)定封口工位期間，分別采用人工輔助束口，待料袋隨封口皮帶機(jī)運(yùn)行至預(yù)定封口工位時(shí)，傳感器檢測(cè)到料袋就位后封口皮帶機(jī)停止運(yùn)行，封口槍以氣動(dòng)方式在束口處進(jìn)行自動(dòng)封口：封口后皮帶機(jī)自動(dòng)開始運(yùn)行，將封好口的成品袋送至輸送皮帶機(jī)上，進(jìn)而被輸送到運(yùn)輸車輛上。循環(huán)上述過程，即可進(jìn)行連續(xù)套袋、裝袋、封口、輸送作業(yè)。

3.2.2 承載機(jī)構(gòu)與拖行裝置

承載機(jī)構(gòu)與拖行裝置包括由4臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的升降式螺桿支腿支撐的承載平臺(tái)、由4條輪胎支撐的前后橋以及拖曳三角架。根據(jù)整機(jī)質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)輸及作業(yè)方式，確定支撐機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)、4臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率、輸出扭矩等參數(shù)。

3.2.3 儲(chǔ)料給料機(jī)構(gòu)

儲(chǔ)料給料機(jī)構(gòu)主要包括儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)和給料機(jī)構(gòu)。儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)由中間隔板分隔為2個(gè)獨(dú)立的料倉，對(duì)應(yīng)料倉下方各有1臺(tái)獨(dú)立的給料皮帶機(jī)。在搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)，裝袋料物往往濕度大、黏性強(qiáng)，為保證下料順利，安裝2套振動(dòng)裝置，每套均包括2臺(tái)高頻振動(dòng)電機(jī)。給料機(jī)構(gòu)由變頻器控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、主動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒、平托輥、擋輥、給料皮帶等組成。變頻電機(jī)帶動(dòng)皮帶循環(huán)傳動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)料物的輸送。合理選用皮帶機(jī)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試皮帶機(jī)運(yùn)行參數(shù)。給料皮帶機(jī)根據(jù)給料量采用變頻方式運(yùn)行。

3.2.4 雙口交替下料機(jī)構(gòu)

雙口交替下料機(jī)構(gòu)包括雙口料斗、下料閘門、換向翻板、夾袋裝置等。整機(jī)采用2套雙口交替出料斗。在人工套袋的前提下，出料斗實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)夾袋、氣動(dòng)脫袋、可調(diào)節(jié)夾袋行程限位等功能。

3.2.5 封口裝置

與雙口交替下料機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)配置，每套雙口交替下料機(jī)構(gòu)配置2套封口裝置，整機(jī)共配置4套。每套封口裝置均包括由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的封口皮帶機(jī)、氣缸、紅外光電傳感器、可調(diào)節(jié)的氣釘槍支撐機(jī)構(gòu)及其觸發(fā)裝置。封口皮帶機(jī)的運(yùn)行速度應(yīng)滿足不同作業(yè)人員的反應(yīng)速度，其參數(shù)可通過試驗(yàn)確定。

自動(dòng)封口機(jī)包括皮帶機(jī)和封口平臺(tái)，封口平臺(tái)包括可動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)2套Ω形裝置及封口高度調(diào)節(jié)裝置。皮帶機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輥。封口裝置以壓縮空氣為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，采用PLC控制封口動(dòng)作，靈活高效。

3.2.6 輸送裝置

整機(jī)采用2套輸送裝置。每套輸送裝置均包括輸送電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸送皮帶機(jī)，輸送皮帶機(jī)輸送高差≤3m。根據(jù)設(shè)備使用便利性的要求，輸送皮帶機(jī)支架采用可折疊式，支架高度可調(diào)整，且為輕質(zhì)材料。由于輸送皮帶機(jī)傾角較大，因此還需考慮成品袋在輸送皮帶機(jī)上運(yùn)行時(shí)的防滑問題。采用帶有防滾條的PVC粗花紋皮帶，可防止土石沙袋在重力作用下下滑。

3.2.7 電氣控制系統(tǒng)

控制器采用PLC，根據(jù)不同料物與相應(yīng)的含水量，通過控制器觸摸屏設(shè)定裝袋下料時(shí)長，控制器讀取并存儲(chǔ)。達(dá)到裝袋時(shí)長時(shí)，控制單元命令氣動(dòng)夾松開，裝好料物的袋子自動(dòng)脫落。根據(jù)漫反射型紅外光電傳感器發(fā)送的待封口物料袋已到達(dá)封口工位的指令信號(hào)，控制封口皮帶機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)控制氣缸觸發(fā)氣釘槍，對(duì)料物袋進(jìn)行自動(dòng)封口。

3.2.8 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與附屬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括2臺(tái)給料皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、4臺(tái)封口皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2臺(tái)輸送皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和1臺(tái)空氣壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，附屬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括4臺(tái)高頻振動(dòng)電機(jī)和4臺(tái)升降式螺桿支腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.2.9 裝卸架

為適應(yīng)野外條件下的快速作業(yè)準(zhǔn)備，避免使用重型吊裝設(shè)備，減輕人工裝卸勞動(dòng)強(qiáng)度，方便人工裝卸，滿足不同裝車高度條件下的要求，研發(fā)了軌道式可折疊快速裝卸架，用于輸送皮帶機(jī)的快速裝卸。

3.3 總體結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

為充分利用空間，整機(jī)采用的總體結(jié)構(gòu)布置：承載機(jī)構(gòu)支撐的承載平臺(tái)縱向分成兩部分，一部分上方裝設(shè)有儲(chǔ)料斗、振動(dòng)裝置、給料皮帶機(jī)，給料皮帶機(jī)出料口下方設(shè)置出料斗，給料皮帶機(jī)與承載機(jī)構(gòu)之間的承載平臺(tái)上裝設(shè)有2套主（輔）控制箱、氣泵、氣泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、4套封口皮帶機(jī)、給料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及其他電控箱等設(shè)備：承載平臺(tái)縱向另一部分分割為兩層平臺(tái)，最上層平臺(tái)位于儲(chǔ)料斗一側(cè)，用于裝載一臺(tái)輸送皮帶機(jī)，下層平臺(tái)用于裝載另一臺(tái)輸送皮帶機(jī)。為方便使用與檢修維護(hù)，承載平臺(tái)還設(shè)置了縱向軌道，用于裝卸輸送皮帶機(jī)。其他附屬設(shè)備還包括裝卸架、工具箱等。

3.4 組成單元設(shè)備選型、工作參數(shù)選取及優(yōu)化

通過設(shè)備總體功能設(shè)計(jì)、理論計(jì)算與設(shè)備選型、主要技術(shù)參數(shù)選取和生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化給料裝置的給料皮帶機(jī)運(yùn)行頻率、下料閘門開啟時(shí)長、雙口下料裝置的換向翻板動(dòng)作頻率、封口裝置的封口動(dòng)作頻率、輸送裝置的皮帶機(jī)運(yùn)行速度等設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)高效運(yùn)行。

3.5 主要技術(shù)參數(shù)

生產(chǎn)效率1200袋/h，輸送高度3.0m，總功率26kW，儲(chǔ)料斗容量4m3，裝料高度2.8m，整機(jī)質(zhì)量6700kg。工作狀態(tài)下外形尺寸為5.0mx2.5mx2.5m（長×寬×高）。整機(jī)供電電壓為AC（380+10%）V50Hz三相，控制電壓為AC（ 220+10%） V50Hz單相，壓縮空氣氣壓0.6MPa。所用袋子適用于常用規(guī)格（85cmx50cm或95cmx55cm）（長×寬）防汛編織袋和防滑織物土袋以及非標(biāo)準(zhǔn)專用土工織物袋。所裝料物適用于干、濕沙土，黏土、砂石混合料、粒徑5cm以下的塊料等天然防汛搶險(xiǎn)材料，以及粒徑5cm以下的防汛卵礫石和防汛砂料等專用防汛搶險(xiǎn)材料。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）該機(jī)集裝袋、封口、輸送于一體，便于整機(jī)快速運(yùn)輸。可根據(jù)不同搶險(xiǎn)場(chǎng)地條件靈活布置設(shè)備，快速展開作業(yè)。

（2）該機(jī)具備2套獨(dú)立的裝袋、封口、輸送系統(tǒng)，可單獨(dú)運(yùn)行，也可同時(shí)運(yùn)行。每套系統(tǒng)僅需5人配合操作，2套系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)1200袋/h土石沙袋的裝袋、封口與輸送。

（3）研制的雙口交替下料機(jī)構(gòu)，變單下料口工況下套袋、裝袋的串行工作模式為雙下料口工況下套袋、裝袋交替并行的工作模式，實(shí)現(xiàn)了給料皮帶機(jī)不間斷供料，兩個(gè)工位交替下料，縮短了啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)間，極大地提高了裝袋效率。

（4）研制的封口裝置由氣動(dòng)釘槍及其觸發(fā)裝置、氣缸、紅外探頭和封口皮帶機(jī)等組成。在人工輔助束口與PLC作用下，通過紅外探頭實(shí)現(xiàn)土石砂袋在封口皮帶機(jī)上的定位，氣缸推動(dòng)氣動(dòng)釘槍觸發(fā)裝置動(dòng)作，完成自動(dòng)封口作業(yè)。

（5）采用PLC與觸摸屏及變頻器配合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交替下料、自動(dòng)封口、儲(chǔ)料倉溢滿停機(jī)保護(hù)、裝袋速度、裝袋質(zhì)量、翻板動(dòng)作間隔以及封口時(shí)機(jī)等各工藝參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置與調(diào)整，以及給料皮帶機(jī)送料速度調(diào)整、底盤電動(dòng)支腿的單個(gè)或全部同時(shí)升降等功能。

（6）該機(jī)滿足刮風(fēng)、揚(yáng)塵、降雨等各種不利天氣的野外作業(yè)條件。適用于松散土料、砂土及粒徑5cm以下的碎石、砂石混合料等天然防汛搶險(xiǎn)材料，針對(duì)含水量大的黏土，可采用高頻振動(dòng)裝置強(qiáng)制下料。

5 效益分析

（1）社會(huì)效益。該設(shè)備的成功研制，很大程度上減少了勞動(dòng)力數(shù)量、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并極大地提高了裝袋速度、縮短了勞動(dòng)時(shí)間，為抗洪搶險(xiǎn)爭(zhēng)取大量時(shí)間，具有顯著的社會(huì)效益。

（2）經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)水利部水利工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額5-計(jì)算，該機(jī)裝袋費(fèi)用為0.27元/袋左右。該機(jī)每小時(shí)裝袋數(shù)量相當(dāng)于120人同等時(shí)間的裝袋量。

（3）環(huán)境效益。利用編織袋裝砂土料物代替?zhèn)鹘y(tǒng)埽工材料搶險(xiǎn)，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，環(huán)境效益顯著。

6 推廣應(yīng)用

該設(shè)備研制成功后，先后在黃河某控導(dǎo)工程壩襠應(yīng)急搶護(hù)、某灘岸坍塌應(yīng)急搶護(hù)和沁河某涵閘改建工程圍堰應(yīng)急搶護(hù)中得到成功應(yīng)用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，從裝袋機(jī)就位、設(shè)備調(diào)試、裝袋到拋投僅需約30min，大大提高了搶險(xiǎn)及施工效率，為有效遏制壩襠回流淘刷及防御洪水邊流淘刷發(fā)揮了重要作用。該設(shè)備先后取得國家實(shí)用新型專利4項(xiàng)，另有2項(xiàng)發(fā)明專利正在受理。

7 結(jié)語

防汛搶險(xiǎn)聯(lián)合裝袋機(jī)集裝袋、封口、輸送于一體，具有集成度與自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)快速裝袋、自動(dòng)封口、快速將土石沙袋裝入運(yùn)輸車輛，極大地降低了搶險(xiǎn)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，極大地提高了裝袋速度和工作效率，為抗洪搶險(xiǎn)爭(zhēng)取大量的寶貴時(shí)間，可廣泛應(yīng)用于抗洪搶險(xiǎn)、道路搶修、水利工程施工等，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。