劉樹利 李凱 劉新宇 劉志潛 申黎明 周躍峰 畢巧珍

摘要：針對黃河杭洪搶險采用捆拋柳石枕等傳統(tǒng)搶護方法存在耗用人工多、效率低、成本高、環(huán)境效益差，以及勞動強度大、安全性差等問題，通過設(shè)備總體功能設(shè)計、理論計算與設(shè)備選型、主要技術(shù)參數(shù)選取和生產(chǎn)性試驗驗證，成功研制了環(huán)保型防汛搶險長管袋充填機。應(yīng)用情況試驗表明：該設(shè)備充填效率高，操作便利，移動靈活;具備兩套獨立的充填系統(tǒng)，可實現(xiàn)兩條長管袋同時快速充填與定位拋投;滿足野外作業(yè)條件，適用于天然防汛搶險材料。經(jīng)實際應(yīng)用測算，該設(shè)備具有較高的充填、拋投長管袋速度和效率，可為杭洪搶險爭取時間，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：防汛搶險;長管袋充填機;設(shè)備選型;功能設(shè)計;拋投技術(shù)

中圖分類號：TV871.3;TV882.1 文獻標志碼：A

1 研發(fā)背景

黃河傳統(tǒng)防汛搶險中大多采用以柳料和塊石為主要材料的埽工技術(shù)來搶護堤壩險情，往往投入人工多、勞動強度大，效率低、成本高，環(huán)境效益差，不能適應(yīng)新形勢下快速、高效搶險的要求[1]。為適應(yīng)社會發(fā)展要求，提高機械化搶險水平，急需研制一種減少勞動量、效率高、成本低、搶護效果佳、環(huán)境效益好的環(huán)保型搶險裝備。

防汛搶險長管袋充填機的研發(fā)以保護生態(tài)環(huán)境為原則，利用長管袋裝人砂土料物（以下簡稱“料物”）代替?zhèn)鹘y(tǒng)埽工材料搶險，以降低勞動強度、實現(xiàn)機械化充填長管袋為目標，采用人工輔助作業(yè)，實現(xiàn)長管袋的快速充填、封口與定位拋投。通過對國內(nèi)外市場的調(diào)研，借鑒防汛搶險聯(lián)合裝袋機的研制經(jīng)驗[2]，經(jīng)多方案比選、多次試驗改進，其工作效率、設(shè)備運行性能、使用方便性等方面均滿足實際搶險需求。該設(shè)備以較少的人工、較低的勞動強度，實現(xiàn)了長管袋的快速充填、封口與定位拋投，為機械化搶險提供了有力保障，同時也保護了生態(tài)環(huán)境。2設(shè)備組成及工作原理

防汛搶險長管袋充填機主體部分由承載機構(gòu)與拖行裝置、儲料下料機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、場地自行機構(gòu)以及電氣控制系統(tǒng)等組成。其配套拋投裝置包括組合式長管袋拋投平臺（以下簡稱“拋投平臺”）和可調(diào)節(jié)助滑板。

將該設(shè)備拖放到距河道工程壩岸出險部位適當距離，使設(shè)備與壩岸邊坡坡頂?shù)木嚯x大于水面以上坍塌土體高度，既可保證設(shè)備與人員安全，又便于搶險操作;擺放拋投平臺，在岸坡上鋪放助滑板。根據(jù)出險部位水深確定長管袋長度，人工將長管袋套到螺旋輸送機出料口上。利用裝載機將砂土料物裝人儲料斗，采用高頻振動裝置強制下料，料物經(jīng)下料機構(gòu)至螺旋機內(nèi)，再經(jīng)出料口裝人長管袋中，人工輔助作業(yè)將長管袋已充填部分移離出料口，螺旋機連續(xù)運轉(zhuǎn)，充填好的長管袋不斷加長，直至充滿整個袋體。長管袋充填完成后，在拋投平臺上進行人工封口并系上留繩，人工將封好口的長管袋從拋投平臺引導(dǎo)至出險岸坡的助滑板上，長管袋在助滑板上以可控速度下滑人水至預(yù)定搶護部位。長管袋充填、拋投平面示意見圖1，長管袋充填、拋投立面示意見圖2。

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

防汛搶險長管袋充填機應(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，實現(xiàn)設(shè)備輕型化、操作便利化、移動快速化，減少作業(yè)人員，減輕勞動強度。

3.1.2 承載機構(gòu)選型

鑒于該設(shè)備為防汛搶險專用設(shè)備，使用頻率較低，整機自身不設(shè)快速自行移動動力機構(gòu)，移動時由外部牽引車拖動。該設(shè)備拖曳機構(gòu)應(yīng)具備剎車、轉(zhuǎn)向、信號指示等功能，以滿足在運輸過程中的安全要求。在搶險現(xiàn)場需要局地移動時，依靠設(shè)置的慢速自行移動動力機構(gòu)進行操作。

3.1.3 驅(qū)動系統(tǒng)選型

整機要實現(xiàn)料物輸送、充填等功能，需要相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)主要由下料閘門驅(qū)動電機、螺旋輸送機驅(qū)動電機、高頻振動強制下料電機及場地自行電機等組成。

3.2 技術(shù)方案

3.2.1 系統(tǒng)功能描述

（1）作業(yè)準備。包括設(shè)備就位、空載運行、裝料、擺放拋投平臺等工序。

設(shè)備到達作業(yè)地點后，首先進行設(shè)備就位。接通并啟動外部電源，將支撐機構(gòu)的4臺升降式電動螺桿支腿升至適當高度。設(shè)備就位后，啟動電源，設(shè)備進行空載試運行（根據(jù)使用情況可啟動1套或2套系統(tǒng)充填長管袋作業(yè)）;采用裝載機等機械將料物裝人儲料斗內(nèi)。所裝料物含有較大塊料導(dǎo)致下料困難時，可啟動振動裝置強制下料。人工將拋投平臺和助滑板卸車并擺放到作業(yè)部位;固定助滑板;固定拴系留繩的木樁或鋼釬。

（2）充填作業(yè)。包括套袋、充填、封口、拋投等工序。

整機采用兩套長管袋充填作業(yè)系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)既可以并行作業(yè)，也可以單獨作業(yè)。每套作業(yè)系統(tǒng)由4名操作人員負責，完成一條長管袋的套袋、充填、封口、拋投等連續(xù)作業(yè)工序。整機電氣控制箱由1名電氣操作手控制。整機共需9人操作。

充填作業(yè)時，人工將長管袋套在螺旋輸送機出料口上，首先啟動螺旋輸送機電機，再啟動下料閘門電機，料物從料斗下口處經(jīng)下料閘門徐徐落人螺旋輸送機內(nèi)，隨螺旋管的旋轉(zhuǎn)進入待裝長管袋內(nèi)。操作人員輔助引導(dǎo)長管袋在拋投平臺上緩慢移動。待料物充填至袋口處時，關(guān)閉下料閘門，關(guān)閉螺旋輸送機，完成一條長管袋的充填作業(yè)。操作人員手持電動縫包機進行封口作業(yè)。

3.2.2 承載機構(gòu)與拖行裝置

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

3.2.3 儲料下料機構(gòu)

儲料下料機構(gòu)包括儲料斗和下料機構(gòu)。儲料斗由中間隔板分隔為2個獨立的料倉，對應(yīng)料斗下方各懸掛1臺相對獨立的螺旋輸送機。在搶險現(xiàn)場，裝袋料物往往濕度大、黏性強，為保證下料順利，安裝4套高頻振動裝置。下料機構(gòu)由驅(qū)動電機、減速機、螺旋輸送機等組成。輸送裝料機構(gòu)包括：用于攪動并輸送出料筒中的料物的螺旋輸送機;用于驅(qū)動螺旋輸送機轉(zhuǎn)動的輸送電機;用于盛裝螺旋輸送機和來自儲料斗的料物的出料筒。螺旋輸送機包括輸送軸、螺旋葉片，螺旋葉片固定在輸出軸上;螺旋輸送機裝設(shè)于出料筒中，出料筒一端靠近輸送電機，另一端作為長管袋充填機出料口;輸送電機輸出軸連接輸送軸一端，輸送軸另一端固定在出料筒端口一側(cè)。

螺旋輸送機采用懸掛式結(jié)構(gòu)，由頭部軸承、尾部懸掛軸承、螺旋葉片、機殼、蓋板及頂部懸掛連接件等組成。

3.2.4 驅(qū)動系統(tǒng)

主驅(qū)動系統(tǒng)包括螺旋輸送機驅(qū)動機構(gòu)與下料閘門驅(qū)動機構(gòu)，螺旋輸送機驅(qū)動機構(gòu)包括2臺驅(qū)動電機及其配套減速機，下料閘門驅(qū)動機構(gòu)包括2臺驅(qū)動電機及其配套減速機;附屬驅(qū)動機構(gòu)包括4臺高頻振動器、4臺升降式螺桿支腿驅(qū)動電機及其配套減速機以及1臺用于場地短距離自行移動的驅(qū)動電機，其行走控制裝置采用止鎖電機，通過皮帶傳送動力，具有前進、后退功能。

3.2.5 電氣控制系統(tǒng)

由1個電氣控制箱集中控制，分別控制4臺升降式螺桿支腿驅(qū)動電機、2臺螺旋輸送機驅(qū)動電機、2臺下料閘門驅(qū)動電機、4臺高頻振動電機以及1臺場地短距離自行移動的驅(qū)動電機。設(shè)置有漏電斷路器，具有漏電保護功能。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選取

通過設(shè)備總體功能設(shè)計、理論計算與設(shè)備選型、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選取和生產(chǎn)性試驗驗證，合理選取螺旋管出口傾角、螺旋管徑及套袋管長、螺旋軸轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電機功率、輸送能力等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)整機高效運行。

3.3.1 螺旋管出口傾角

下傾式螺旋充填裝置可節(jié)約充填動力消耗。綜合考慮采用下傾式螺旋管對整機高度、寬度與充填影響程度，采用出口傾角為12°。

3.3.2 螺旋管管徑及套袋管長

螺旋管管徑要滿足不同規(guī)格口徑的長管袋充填，長度要方便人工套袋。經(jīng)理論計算并試驗驗證，管徑為50cm時可以滿足直徑為70～100cm的長管袋正常充填，長度為50cm的套袋管即可滿足長度為5～10m的長管袋進行人工套袋。

3.3.3 螺旋軸轉(zhuǎn)速

螺旋輸送機工作轉(zhuǎn)速與料物特性有密切關(guān)系，轉(zhuǎn)速過小則會導(dǎo)致充填效率過低;在滿足輸送能力的條件下也不宜過高，以免料物受過大的切向力而被拋起，以致無法向前輸送。其轉(zhuǎn)速n不能超過極限轉(zhuǎn)速n_j[3]：

n≤n_j=A/D^1/2式中：A為料物綜合系數(shù)，不同充填料物，其綜合系數(shù)不同，如塊狀干黏土取15，塊狀濕黏土取20，粒徑<60mm的無磨琢性或半磨琢性塊料以及砂性料物取30;D為螺旋管管徑，取500mm。

經(jīng)計算，結(jié)合實際搶險所用料物，選取螺旋軸轉(zhuǎn)速n為35r/min。

3.3.4 軸功率及電機功率

螺旋輸送機軸功率P₀可由下式確定[3]：

P₀=Q（ω₀L+H）/367式中：Q為輸送能力，m³/h;ω₀為料物阻力系數(shù);L為螺旋輸送機水平投影長度，m;H為螺旋輸送機進出口高差，m。

驅(qū)動電機功率尸由下式確定[3]：

P=K₁P₀/η式中：K₁為功率備用系數(shù);η為驅(qū)動裝置總效率，一般取0.90～0.94。

經(jīng)計算，選取功率為7.5kW的螺旋機驅(qū)動電機，即可滿足長管袋正常充填需求。

3.3.5 輸送能力

確定螺旋管徑D及螺旋軸轉(zhuǎn)速n后，輸送能力Q采用下式計算[3]：

Q=47D²ntρψC式中：t為螺距，取螺旋管徑D的80%，即400mm：ρ為料物松散密度，t/m³;ψ為充填系數(shù)，塊狀干黏土及塊狀濕黏土取0.125～0.20，粒徑<60mm的無磨琢性或半磨琢性塊料取0.20～0.25，砂性料物取0.25～0.30;C為輸送機傾角系數(shù)，取0.70。

經(jīng)計算，單機輸送能力為30m³/h，整機輸送能力為60m³/h。

3.4 主要技術(shù)參數(shù)

儲料斗容量4m³;裝料高度2.50m;螺旋管直徑50cm，螺旋管傾角12°;螺旋輸送機驅(qū)動電機型號Y132-4，配套減速機型號BWD3-43-7.5，功率7.5kW;整機質(zhì)量3600kg;整機外形尺寸5.00 m×2.50 m×2.50 m（長×寬×高）;設(shè)備總功率27.48kW。生產(chǎn)效率（輸送能力）60m³/h，每1h可充填并拋投20條直徑0.80m、長度8m的長管袋。

4 長管袋拋投技術(shù)

長管袋充填并封好口后，操作人員輔助引導(dǎo)長管袋在拋投平臺上以可控速度滑行，長管袋滑移下落到緊貼于坡面的助滑板上，經(jīng)助滑板面持續(xù)下滑，依靠重力和滑動慣性，定點拋投入水至工程待防護部位。循環(huán)上述過程，即可進行連續(xù)套袋、充填、封口、拋投作業(yè)。

4.1 充填材料及長管袋規(guī)格、材質(zhì)選擇

適用的充填材料包括干、濕沙土，沙壤土，沙石混合料，粒徑10cm以下的塊料等天然防汛搶險材料，以及防汛砂料等專用防汛搶險材料[4]。對于少量粒徑較大的塊料，可在裝料前利用裝載機鏟斗進行壓碎處理。

所用長管袋為常用規(guī)格防滑織物土袋[5]以及非標準專用土工織物袋。長管袋規(guī)格為直徑70～100cm、長度5～10m的不同組合形式。

4.2 長管袋拋投裝置

整機配套2套拋投裝置，每套拋投裝置均包括一組3～4節(jié)的拋投平臺和1塊鋪放長度可調(diào)節(jié)的助滑板，以及用于固定助滑板和人水長管袋的留繩、木樁或鋼釬等輔助材料。

根據(jù)使用便利性的要求，自行研制的輕型組合式長管袋拋投平臺采用“托輥+輸送皮帶”無動力平臺結(jié)構(gòu)。每組4節(jié)拋投平臺，每節(jié)長2.00m，寬1.00m，根據(jù)所拋投長管袋規(guī)格及拋投場地布置，拋投平臺可選用3～4節(jié)。每組平臺頂部高度由0.65m直線漸變至0.20m，其頂面為斜坡式，有利于長管袋順利滑移、拋投。其主要材料為鋁合金型材，每節(jié)質(zhì)量120kg，平臺支腿可收放，方便人工裝卸車及場地移動，確保放置就位靈活、便捷。

可調(diào)節(jié)助滑板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，面層采用可集卷的輕型HDPE材料，規(guī)格為4.00m×1.20m ×0.003m（長×寬×厚）。該材料具有較高的剛性和韌性，機械強度高，化學(xué)穩(wěn)定性與耐環(huán)境應(yīng)力開裂性均較好。

4.3 長管袋拋投場地整理

長管袋充填機拋投技術(shù)一般應(yīng)用于黃河控導(dǎo)工程非裹護段及壩檔、灘岸坍塌等河道工程的應(yīng)急搶護。上述河道工程出險后，出險部位邊坡通常上緩下陡，直接拋投長管袋較為困難。為便于拋投長管袋，使之達到最佳防護效果，需要對拋投場地及邊坡進行初步整理。

4.4 長管袋拋投過程

通過人工助推在拋投平臺上充填好的長管袋，袋體開始移動并逐漸加速，位于前部的袋體自然滑落到助滑板上，并繼續(xù)在助滑板上下滑，滑過助滑板以下壩體部位的自然坡面以后，借助自重和慣性，緩慢下滑人水，整個袋體在自然坡面摩擦力、水體及河床底部泥沙的阻滯作用下逐漸停止滑行，最終穩(wěn)定在出險部位。

經(jīng)分析計算和試驗驗證，在適宜坡度范圍內(nèi)，長管袋借助自重和慣性，可以自行滑移到位，且下滑速度在可控制范圍內(nèi)。在實際操作過程中，采用在袋口處拴系留繩，配合調(diào)整助滑板鋪設(shè)長度，用來控制長管袋滑移速度。

5 設(shè)備優(yōu)勢分析

（1）該設(shè)備集充填、封口、拋投作業(yè)于一體，便于整機快速運輸。可根據(jù)不同搶險場地條件靈活布置，快速開展作業(yè)。

（2）該設(shè)備具備2套獨立的充填系統(tǒng)，既可單獨運行，也可同時運行。每套系統(tǒng)需4人配合操作，2套系統(tǒng)同時工作時可實現(xiàn)2條長管袋的同時裝袋、封口與定位拋投。

（3）研制的下料控制機構(gòu)，可確保所裝料物由料斗進入螺旋管內(nèi)時保持較為松散狀態(tài)，避免料物在螺旋管內(nèi)呈高度擠密狀態(tài)而引起堵管，從而提高裝袋效率。

（4）研制的下傾式螺旋充填裝置可減少充填動力消耗。經(jīng)計算，采用傾角為12°的下傾式螺旋充填裝置與同規(guī)格水平結(jié)構(gòu)裝置相比，可節(jié)約動力8%左右。

（5）拖行機構(gòu)配備有場地短距離移動的電動自行機構(gòu)。設(shè)置前進擋和后退擋，極大地方便了設(shè)備在搶險場地靈活移動就位。

（6）輕型組合式長管袋拋投平臺采用“托輥+輸送皮帶”無動力平臺結(jié)構(gòu)，其頂面為斜坡式，有利于長管袋順利滑移、拋投;其主要材料為鋁合金型材，每節(jié)質(zhì)量120kg，平臺支腿可收放，方便人工裝卸車及場地移動，確保放置就位靈活、便捷。

（7）鋪放于坡面的可調(diào)節(jié)助滑板采用雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，面層采用厚度為3mm的HDPE輕型材料，表面高度光滑，有助于長管袋在岸坡順利下滑;底層采用厚度為0.5mm的金屬材料，可適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的壩坡坡面;整體為輕型材料，可鋪展，可集卷，方便鋪放與運輸。

（8）該設(shè)備滿足刮風、揚塵、降雨等各種不利天氣的野外作業(yè)條件。適用于松散土料、沙土及粒徑10cm以下的碎石、砂石混合料等天然防汛搶險材料。

6 效益分析

（1）社會效益。該設(shè)備的成功研制，很大程度上減少了勞動力數(shù)量，降低了勞動強度，縮短了勞動時間，為抗洪搶險爭取了大量時間，具有顯著的社會效益。采用黃河傳統(tǒng)埽工搶險技術(shù)，以18人為一組進行人工捆拋柳石枕作業(yè)，依據(jù)水利部黃河水利委員會黃河防洪工程預(yù)算定額[7]計算，每捆拋100m³柳石枕耗時17.5h。采用該設(shè)備由9人配合進行長管袋充填、拋投作業(yè)，經(jīng)實際應(yīng)用測算，每拋投100m³長管袋僅需1.67h，其工效為人工捆拋柳石枕的10余倍。

（2）經(jīng)濟效益。依據(jù)水利部黃河水利委員會黃河防洪工程預(yù)算定額[7]和水利部水利工程施工機械臺時費定額[8]計算，人工捆拋柳石枕費用為235.00元/m³。經(jīng)實際應(yīng)用測算，使用該設(shè)備充填長管袋費用為62.30元/m³，其費用為人工捆拋柳石枕費用的26.5%。

（3）環(huán)境效益。傳統(tǒng)搶險所用大量塊石、柳梢等材料的獲取，不可避免地對生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響，利用長管袋充填黃河泥沙等料物代替?zhèn)鹘y(tǒng)埽工材料搶險，屬就地取材的環(huán)保型搶險材料，有利于保護生態(tài)環(huán)境，環(huán)境效益顯著。

7 推廣應(yīng)用

該設(shè)備研制成功后，先后在某黃河控導(dǎo)工程非裹護段及壩檔、某黃河灘岸坍塌應(yīng)急搶護工程等河道工程應(yīng)急搶護中多次應(yīng)用。從設(shè)備就位、配套裝置擺放、設(shè)備調(diào)試、充填到拋投長管袋，僅用時20min左右，做到了快速拋投、快速搶護，為有效防御洪水對河道工程邊流淘刷及遏制壩檔回流淘刷發(fā)揮了重要作用。

通過對該設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場實際檢測，該設(shè)備一次定位可滿足8m寬的最大拋投范圍，一般30min左右可完成8m寬出險范圍的邊坡防護。該設(shè)備能夠滿足刮風、揚塵、降雨等各種不利天氣的野外作業(yè)條件，適用于松散土料、沙土及粒徑10cm以下的碎石、砂石混合料等天然防汛搶險材料，充填長管袋效率達到設(shè)計指標，可滿足不同河道工程及堤防的長管袋搶險條件。

采用該設(shè)備充填、拋投的長管袋為順坡立式長管土袋，與傳統(tǒng)拋投柳石枕水平堆放狀態(tài)相比，順坡立式長管土袋袋體柔軟、變形能力強，更能適應(yīng)沖刷變形沉降，不易拉裂，不易走失，在自身荷載作用下可很好地貼附于邊坡和河床上，便于穩(wěn)定邊坡和河床，對河道工程搶險非常有利。該設(shè)備所用長管袋為工廠化定制，利用黃河泥沙作為充填材料，資源豐富，可避免傳統(tǒng)搶險所用塊石、柳梢等材料對生態(tài)環(huán)境造成的破壞。利用該設(shè)備搶險速度快、效果好，可廣泛應(yīng)用于抗洪搶險、水利工程施工等現(xiàn)場，推廣應(yīng)用前景廣闊。

8 結(jié)語

防汛搶險長管袋充填機為環(huán)保型防汛搶險設(shè)備，充填、拋投效率高，操作便利，移動靈活，可實現(xiàn)快速充填長管袋，利用配套裝置可快速定位拋投。該設(shè)備極大地降低了搶險作業(yè)人員的勞動強度，提高了充填速度和工作效率，為抗洪搶險爭取了大量的寶貴時間，可廣泛應(yīng)用于抗洪搶險、水利工程施工等現(xiàn)場，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

致謝：本文在撰寫與修改過程中得到了李懷前高級工程師（教授級）的熱情指導(dǎo)和大力幫助，在此謹表誠摯謝意！

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