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。