防汛搶險長管袋充填機的研制與應用

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搶護方法存在耗用人工多、效率低、成本高、環境效益差，以及勞動強度大、安全性差等問題，通過設備總體功能設計、理論計算與設備選型、主要技術參數選取和生產性試驗驗證，成功研制了環保型防汛搶險長管袋充填機。應用情況試驗表明：該設備充填效率高，操作便利，移動靈活;具備兩套獨立的充填系統，可實現兩條長管袋同時快速充填與定位拋投;滿足野外作業條件，適用于天然防汛搶險材料。經實際應用測算，該設備具有較高的充填、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、經濟效益和環境效益。

關鍵詞：防汛搶險;長管袋充填機;設備選型;功能設計;拋投技術

中圖分類號：TV871.3;TV882.1 文獻標志碼：A

1 研發背景

黃河傳統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，環境效益差，不能適應新形勢下快速、高效搶險的要求[1]。為適應社會發展要求，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、環境效益好的環保型搶險裝備。

防汛搶險長管袋充填機的研發以保護生態環境為原則，利用長管袋裝人砂土料物（以下簡稱“料物”）代替傳統埽工材料搶險，以降低勞動強度、實現機械化充填長管袋為目標，采用人工輔助作業，實現長管袋的快速充填、封口與定位拋投。通過對國內外市場的調研，借鑒防汛搶險聯合裝袋機的研制經驗[2]，經多方案比選、多次試驗改進，其工作效率、設備運行性能、使用方便性等方面均滿足實際搶險需求。該設備以較少的人工、較低的勞動強度，實現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，同時也保護了生態環境。2設備組成及工作原理

防汛搶險長管袋充填機主體部分由承載機構與拖行裝置、儲料下料機構、驅動系統、場地自行機構以及電氣控制系統等組成。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”）和可調節助滑板。

將該設備拖放到距河道工程壩岸出險部位適當距離，使設備與壩岸邊坡坡頂的距離大于水面以上坍塌土體高度，既可保證設備與人員安全，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，料物經下料機構至螺旋機內，再經出料口裝人長管袋中，人工輔助作業將長管袋已充填部分移離出料口，螺旋機連續運轉，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 研發過程

3.1 主要研究內容

3.1.1 設備總體功能設計

防汛搶險長管袋充填機應能適應所有人工裝袋料物，適應野外惡劣作業條件，實現設備輕型化、操作便利化、移動快速化，減少作業人員，減輕勞動強度。

3.1.2 承載機構選型

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

3.1.3 驅動系統選型

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

3.2 技術方案

3.2.1 系統功能描述

（1）作業準備。包括設備就位、空載運行、裝料、擺放拋投平臺等工序。

設備到達作業地點后，首先進行設備就位。接通并啟動外部電源，將支撐機構的4臺升降式電動螺桿支腿升至適當高度。設備就位后，啟動電源，設備進行空載試運行（根據使用情況可啟動1套或2套系統充填長管袋作業）;采用裝載機等機械將料物裝人儲料斗內。所裝料物含有較大塊料導致下料困難時，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部位;固定助滑板;固定拴系留繩的木樁或鋼釬。

（2）充填作業。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系統，兩套系統既可以并行作業，也可以單獨作業。每套作業系統由4名操作人員負責，完成一條長管袋的套袋、充填、封口、拋投等連續作業工序。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下料閘門徐徐落人螺旋輸送機內，隨螺旋管的旋轉進入待裝長管袋內。操作人員輔助引導長管袋在拋投平臺上緩慢移動。待料物充填至袋口處時，關閉下料閘門，關閉螺旋輸送機，完成一條長管袋的充填作業。操作人員手持電動縫包機進行封口作業。

3.2.2 承載機構與拖行裝置

承載機構與拖行裝置包括由4臺電機分別驅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。根據整機質量、設備運輸及作業方式，確定支撐機構技術參數、驅動電機的輸出功率、輸出扭矩等參數。

3.2.3 儲料下料機構

儲料下料機構包括儲料斗和下料機構。儲料斗由中間隔板分隔為2個獨立的料倉，對應料斗下方各懸掛1臺相對獨立的螺旋輸送機。在搶險現場，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。下料機構由驅動電機、減速機、螺旋輸送機等組成。輸送裝料機構包括：用于攪動并輸送出料筒中的料物的螺旋輸送機;用于驅動螺旋輸送機轉動的輸送電機;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。

螺旋輸送機采用懸掛式結構，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 驅動系統

主驅動系統包括螺旋輸送機驅動機構與下料閘門驅動機構，螺旋輸送機驅動機構包括2臺驅動電機及其配套減速機，下料閘門驅動機構包括2臺驅動電機及其配套減速機;附屬驅動機構包括4臺高頻振動器、4臺升降式螺桿支腿驅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

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動電機、2臺螺旋輸送機驅動電機、2臺下料閘門驅動電機、4臺高頻振動電機以及1臺場地短距離自行移動的驅動電機。設置有漏電斷路器，具有漏電保護功能。

3.3 關鍵技術參數選取

通過設備總體功能設計、理論計算與設備選型、關鍵技術參數選取和生產性試驗驗證，合理選取螺旋管出口傾角、螺旋管徑及套袋管長、螺旋軸轉速、驅動電機功率、輸送能力等關鍵技術參數，實現整機高效運行。

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格口徑的長管袋充填，長度要方便人工套袋。經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 螺旋軸轉速

螺旋輸送機工作轉速與料物特性有密切關系，轉速過小則會導致充填效率過低;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。其轉速n不能超過極限轉速n_j[3]：

n≤n_j=A/D^1/2式中：A為料物綜合系數，不同充填料物，其綜合系數不同，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。

經計算，結合實際搶險所用料物，選取螺旋軸轉速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;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;η為驅動裝置總效率，一般取0.90～0.94。

經計算，選取功率為7.5kW的螺旋機驅動電機，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，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，取0.70。

經計算，單機輸送能力為30m³/h，整機輸送能力為60m³/h。

3.4 主要技術參數

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;整機質量3600kg;整機外形尺寸5.00 m×2.50 m×2.50 m（長×寬×高）;設備總功率27.48kW。生產效率（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

長管袋充填并封好口后，操作人員輔助引導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，經助滑板面持續下滑，依靠重力和滑動慣性，定點拋投入水至工程待防護部位。循環上述過程，即可進行連續套袋、充填、封口、拋投作業。

4.1 充填材料及長管袋規格、材質選擇

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格防滑織物土袋[5]以及非標準專用土工織物袋。長管袋規格為直徑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節的拋投平臺和1塊鋪放長度可調節的助滑板，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”無動力平臺結構。每組4節拋投平臺，每節長2.00m，寬1.00m，根據所拋投長管袋規格及拋投場地布置，拋投平臺可選用3～4節。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，每節質量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。

可調節助滑板為復合結構，面層采用可集卷的輕型HDPE材料，規格為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，化學穩定性與耐環境應力開裂性均較好。

4.3 長管袋拋投場地整理

長管袋充填機拋投技術一般應用于黃河控導工程非裹護段及壩檔、灘岸坍塌等河道工程的應急搶護。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，最終穩定在出險部位。

經分析計算和試驗驗證，在適宜坡度范圍內，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。在實際操作過程中，采用在袋口處拴系留繩，配合調整助滑板鋪設長度，用來控制長管袋滑移速度。

5 設備優勢分析

（1）該設備集充填、封口、拋投作業于一體，便于整機快速運輸?？筛鶕煌瑩岆U場地條件靈活布置，快速開展作業。

（2）該設備具備2套獨立的充填系統，既可單獨運行，也可同時運行。每套系統需4人配合操作，2套系統同時工作時可實現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，可確保所裝料物由料斗進入螺旋管內時保持較為松散狀態，避免料物在螺旋管內呈高度擠密狀態而引起堵管，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。經計算，采用傾角為12°的下傾式螺旋充填裝置與同規格水平結構裝置相比，可節約動力8%左右。

（5）拖行機構配備有場地短距離移動的電動自行機構。設置前進擋和后退擋，極大地方便了設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”無動力平臺結構，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，每節質量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）鋪放于坡面的可調節助滑板采用雙層復合結構，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，可適應各種結構和材質的壩坡坡面;整體為輕型材料，可鋪展，可集卷，方便鋪放與運輸。

（8）該設備滿足刮風、揚塵、降雨等各種不利天氣的野外作業條件。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。該設備的成功研制，很大程度上減少了勞動力數量，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。采用黃河傳統埽工搶險技術，以18人為一組進行人工捆拋柳石枕作業，依據水利部黃河水利委員會黃河防洪工程預算定額[7]計算，每捆拋100m³柳石枕耗時17.5h。采用該設備由9人配合進行長管袋充填、拋投作業，經實際應用測算，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）經濟效益。依據水利部黃河水利委員會黃河防洪工程預算定額[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。經實際應用測算，使用該設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）環境效益。傳統搶險所用大量塊石、柳梢等材料的獲取，不可避免地對生態環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傳統埽工材料搶險，屬就地取材的環保型搶險材料，有利于保護生態環境，環境效益顯著。

7 推廣應用

該設備研制成功后，先后在某黃河控導工程非裹護段及壩檔、某黃河灘岸坍塌應急搶護工程等河道工程應急搶護中多次應用。從設備就位、配套裝置擺放、設備調試、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揮了重要作用。

通過對該設備應用現場實際檢測，該設備一次定位可滿足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。該設備能夠滿足刮風、揚塵、降雨等各種不利天氣的野外作業條件，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。

采用該設備充填、拋投的長管袋為順坡立式長管土袋，與傳統拋投柳石枕水平堆放狀態相比，順坡立式長管土袋袋體柔軟、變形能力強，更能適應沖刷變形沉降，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，便于穩定邊坡和河床，對河道工程搶險非常有利。該設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，可避免傳統搶險所用塊石、柳梢等材料對生態環境造成的破壞。利用該設備搶險速度快、效果好，可廣泛應用于抗洪搶險、水利工程施工等現場，推廣應用前景廣闊。

8 結語

防汛搶險長管袋充填機為環保型防汛搶險設備，充填、拋投效率高，操作便利，移動靈活，可實現快速充填長管袋，利用配套裝置可快速定位拋投。該設備極大地降低了搶險作業人員的勞動強度，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，可廣泛應用于抗洪搶險、水利工程施工等現場，具有顯著的社會效益、經濟效益和環境效益，推廣應用前景廣闊。

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）的熱情指導和大力幫助，在此謹表誠摯謝意！

參考文獻：

[1]高興利，劉紅衛，曹克軍，等.現代防洪搶險技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2010：118-119.

[2]劉樹利，李懷前，申黎明，等.防汛搶險聯合裝袋機研制與應用[J].人民黃河，2018，40（4）：94-97.

[3]《運輸機械設計選用手冊》編輯委員會.運輸機械設計選用手冊[M].北京：化學工業出版社，1999：333-338.

[4]國家防汛抗旱總指揮部.防汛儲備物資驗收標準：SL297-2004[S].北京：中國水利水電出版社，2004：1-3.

[5]水利部黃河水利委員會，黃河防汛總指揮部辦公室.防汛搶險技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2000：250-252.

[6]張寶森，朱太順，陳銀太，等.黃河治河工程現代搶險技術研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2004：224-228.

[7]水利部黃河水利委員會.黃河防洪工程預算定額[M].鄭州：黃河水利出版社，2012：26-27.

[8]水利部水利建設經濟定額站.水利工程施工機械臺時費定額[M].鄭州：黃河水利出版社，2002：8-9.