防汛搶險聯合裝袋機研制與應用

劉樹利 李懷前 申黎明 李凱 劉新宇 張園園 劉志潛

摘要：針對目前國內抗洪搶險人工裝袋運袋勞動強度大、效率低、安全性差的問題，通過設備總體功能設計、總體結構布置優化、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，研制了防汛搶險聯合裝袋機。該機集裝袋、封口、輸送于一體，具有雙向或單向裝袋、封口、傳輸功能，操作簡單、自動化程度高、維修方便，具備2套獨立的裝袋、封口、輸送系統，可實現1200袋/h土石沙袋的裝袋、封口與輸送；具有自動夾袋、自動脫袋、自動封口、自動啟停等功能；滿足野外作業條件，適用于天然防汛搶險材料。該機極大地提高了裝袋速度和效率，為抗洪搶險爭取時間，具有顯著的社會效益、經濟效益和環境效益。

關鍵詞：設備選型；結構優化；功能設計；裝袋機；防汛搶險

中圖分類號：TV871.3；TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.006

1 項目研發背景

在抗洪搶險現場進行筑高堤壩、壓滲反濾、堵塞潰口等險情搶護工作時，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中，耗用土工編織袋數量達5.1億條，且絕大多數采用人工裝袋、肩挑背扛的傳統作業方式，勞動強度大、速度慢、效率低、安全性差。

防汛搶險聯合裝袋機項目以降低勞動強度、實現機械化裝袋為研發目標，采用人工輔助作業，操作便利，可完成高效裝袋、封口裝車以及快速移動。通過對國內外市場進行調研，在以往研制的防汛搶險裝袋設備基礎上，經多方案比選、多次試驗修改完善，在智能化程度、工作效率、設備運行性能、使用方便性等方面較前代產品有了較大提升，以較少的人工、較低的勞動強度，實現了快速裝袋、封口、裝車等目的，為快速搶險提供了有力保障。

2 工作原理

利用裝載機將砂土料物裝人儲料斗，設置高頻振動裝置強制下料，經給料皮帶機將料物傳輸至交替下料的雙出料口，根據所需裝料體積預先設定裝料時長，料物經出料口裝人袋中。達到設定時長后，袋子自動脫落至運行的封口皮帶機上。料袋在封口皮帶機上進行白動封口，封好口的成品袋由封口皮帶機傳送至輸送皮帶機上進行裝車。整機由電氣操作系統進行控制。平面布置見圖1。

3 研發過程

3.1 主要研究內容

3.1.1 設備總體功能設計

防汛搶險聯合裝袋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、操作自動化、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，平時使用頻率較低，因此整機自身不設自行移動動力機構，使用時由外部牽引車拖動。該機拖曳機構應具備剎車、轉向、信號指示等功能，以滿足在運輸及生產過程中的安全要求。

3.1.3 驅動系統選型

整機要實現給料、夾袋、出料、封口、輸送等功能，需要相應的驅動系統。該機驅動系統主要由驅動電機、氣泵、氣缸及相應的附件組成。

3.1.4 控制系統的集成開發與各組成部件間的合理匹配

為減少抗洪搶險現場裝袋和運袋的勞動量，降低勞動強度、提高工作效率，開發智能化程度較高的氣動夾袋、自動封口技術，需要增加控制器的控制功能，并根據現場需求，合理選用控制系統中各組成部件。該機控制系統中，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，并協調各組成部件之間的匹配關系。

3.2 技術方案

3.2.1 系統功能描述

該設備由以下部分組成：①承載機構與拖行裝置：②儲料給料機構，包括儲料斗、振動電機、給料皮帶機等：③雙口交替下料機構；④自動封口機構，包括封口皮帶機、光電傳感器、氣動鋼釘封口槍及工作平臺：⑤輸送皮帶機：⑥電氣控制系統；⑦驅動系統：⑧裝卸架。

（1）作業準備。設備到達作業地點后，利用裝卸架將2臺輸送皮帶機卸車并安放到作業部位，人工將4臺封口皮帶機卸車并安放到作業部位。接通并啟動總電源，將支撐機構的4臺升降式電動螺桿支腿升至適當高度。采用裝載機等機械將砂土料物裝入儲料斗內（裝黏土類易黏結物料時，可啟動振動裝置強制下料）。根據裝袋作業現場所裝料物種類與所裝成品袋的要求，現場設置給料皮帶機運行頻率、下料閘門開啟時長（即下料時長）等技術參數。啟動雙口下料裝置、封口裝置、輸送裝置及空壓機，設備開始運行（根據使用情況可啟動一側或兩側裝袋作業）。

（2）裝袋作業。整機采用2套雙口交替出料系統，每套均采用雙口交替下料模式，將套袋與裝袋2個工序并行重疊交替進行。在與2個出料口對應的兩臺封口皮帶機上，料袋隨封口皮帶機運行至預定封口工位期間，分別采用人工輔助束口，待料袋隨封口皮帶機運行至預定封口工位時，傳感器檢測到料袋就位后封口皮帶機停止運行，封口槍以氣動方式在束口處進行自動封口：封口后皮帶機自動開始運行，將封好口的成品袋送至輸送皮帶機上，進而被輸送到運輸車輛上。循環上述過程，即可進行連續套袋、裝袋、封口、輸送作業。

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條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、4臺驅動電機的輸出功率、輸出扭矩等參數。

3.2.3 儲料給料機構

儲料給料機構主要包括儲料機構和給料機構。儲料機構由中間隔板分隔為2個獨立的料倉，對應料倉下方各有1臺獨立的給料皮帶機。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2套振動裝置，每套均包括2臺高頻振動電機。給料機構由變頻器控制的驅動電機、減速機、主動滾筒與從動滾筒、平托輥、擋輥、給料皮帶等組成。變頻電機帶動皮帶循環傳動，進而實現料物的輸送。合理選用皮帶機，并根據現場實際調試皮帶機運行參數。給料皮帶機根據給料量采用變頻方式運行。

3.2.4 雙口交替下料機構

雙口交替下料機構包括雙口料斗、下料閘門、換向翻板、夾袋裝置等。整機采用2套雙口交替出料斗。在人工套袋的前提下，出料斗實現氣動夾袋、氣動脫袋、可調節夾袋行程限位等功能。

3.2.5 封口裝置

與雙口交替下料機構對應配置，每套雙口交替下料機構配置2套封口裝置，整機共配置4套。每套封口裝置均包括由電機驅動的封口皮帶機、氣缸、紅外光電傳感器、可調節的氣釘槍支撐機構及其觸發裝置。封口皮帶機的運行速度應滿足不同作業人員的反應速度，其參數可通過試驗確定。

自動封口機包括皮帶機和封口平臺，封口平臺包括可動和靜止狀態2套Ω形裝置及封口高度調節裝置。皮帶機采用電機驅動減速機聯軸器驅動主動輥。封口裝置以壓縮空氣為驅動動力，采用PLC控制封口動作，靈活高效。

3.2.6 輸送裝置

整機采用2套輸送裝置。每套輸送裝置均包括輸送電機驅動的輸送皮帶機，輸送皮帶機輸送高差≤3m。根據設備使用便利性的要求，輸送皮帶機支架采用可折疊式，支架高度可調整，且為輕質材料。由于輸送皮帶機傾角較大，因此還需考慮成品袋在輸送皮帶機上運行時的防滑問題。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

控制器采用PLC，根據不同料物與相應的含水量，通過控制器觸摸屏設定裝袋下料時長，控制器讀取并存儲。達到裝袋時長時，控制單元命令氣動夾松開，裝好料物的袋子自動脫落。根據漫反射型紅外光電傳感器發送的待封口物料袋已到達封口工位的指令信號，控制封口皮帶機停止運行，同時控制氣缸觸發氣釘槍，對料物袋進行自動封口。

3.2.8 驅動系統

驅動系統包括主驅動機構與附屬驅動機構，主驅動機構包括2臺給料皮帶機驅動電機、4臺封口皮帶機驅動電機、2臺輸送皮帶機驅動電機和1臺空氣壓縮機及驅動電機，附屬驅動機構包括4臺高頻振動電機和4臺升降式螺桿支腿驅動電機。

3.2.9 裝卸架

為適應野外條件下的快速作業準備，避免使用重型吊裝設備，減輕人工裝卸勞動強度，方便人工裝卸，滿足不同裝車高度條件下的要求，研發了軌道式可折疊快速裝卸架，用于輸送皮帶機的快速裝卸。

3.3 總體結構布置優化

為充分利用空間，整機采用的總體結構布置：承載機構支撐的承載平臺縱向分成兩部分，一部分上方裝設有儲料斗、振動裝置、給料皮帶機，給料皮帶機出料口下方設置出料斗，給料皮帶機與承載機構之間的承載平臺上裝設有2套主（輔）控制箱、氣泵、氣泵驅動電機、4套封口皮帶機、給料皮帶驅動電機以及其他電控箱等設備：承載平臺縱向另一部分分割為兩層平臺，最上層平臺位于儲料斗一側，用于裝載一臺輸送皮帶機，下層平臺用于裝載另一臺輸送皮帶機。為方便使用與檢修維護，承載平臺還設置了縱向軌道，用于裝卸輸送皮帶機。其他附屬設備還包括裝卸架、工具箱等。

3.4 組成單元設備選型、工作參數選取及優化

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，優化給料裝置的給料皮帶機運行頻率、下料閘門開啟時長、雙口下料裝置的換向翻板動作頻率、封口裝置的封口動作頻率、輸送裝置的皮帶機運行速度等設備運行關鍵技術參數，實現了整機高效運行。

3.5 主要技術參數

生產效率1200袋/h，輸送高度3.0m，總功率26kW，儲料斗容量4m3，裝料高度2.8m，整機質量6700kg。工作狀態下外形尺寸為5.0mx2.5mx2.5m（長×寬×高）。整機供電電壓為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格（85cmx50cm或95cmx55cm）（長×寬）防汛編織袋和防滑織物土袋以及非標準專用土工織物袋。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材料。

4 主要創新點

（1）該機集裝袋、封口、輸送于一體，便于整機快速運輸。可根據不同搶險場地條件靈活布置設備，快速展開作業。

（2）該機具備2套獨立的裝袋、封口、輸送系統，可單獨運行，也可同時運行。每套系統僅需5人配合操作，2套系統同時工作時可實現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構，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，實現了給料皮帶機不間斷供料，兩個工位交替下料，縮短了啟動、停機時間，極大地提高了裝袋效率。

（4）研制的封口裝置由氣動釘槍及其觸發裝置、氣缸、紅外探頭和封口皮帶機等組成。在人工輔助束口與PLC作用下，通過紅外探頭實現土石砂袋在封口皮帶機上的定位，氣缸推動氣動釘槍觸發裝置動作，完成自動封口作業。

（5）采用PLC與觸摸屏及變頻器配合，可實現自動交替下料、自動封口、儲料倉溢滿停機保護、裝袋速度、裝袋質量、翻板動作間隔以及封口時機等各工藝參數的現場設置與調整，以及給料皮帶機送料速度調整、底盤電動支腿的單個或全部同時升降等功能。

（6）該機滿足刮風、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、砂土及粒徑5cm以下的碎石、砂石混合料等天然防汛搶險材料，針對含水量大的黏土，可采用高頻振動裝置強制下料。

5 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，并極大地提高了裝袋速度、縮短了勞動時間，為抗洪搶險爭取大量時間，具有顯著的社會效益。

（2）經濟效益。依據水利部水利工程施工機械臺時費定額5-計算，該機裝袋費用為0.27元/袋左右。該機每小時裝袋數量相當于120人同等時間的裝袋量。

（3）環境效益。利用編織袋裝砂土料物代替傳統埽工材料搶險，有利于保護生態環境，環境效益顯著。

6 推廣應用

該設備研制成功后，先后在黃河某控導工程壩襠應急搶護、某灘岸坍塌應急搶護和沁河某涵閘改建工程圍堰應急搶護中得到成功應用。經現場實測，從裝袋機就位、設備調試、裝袋到拋投僅需約30min，大大提高了搶險及施工效率，為有效遏制壩襠回流淘刷及防御洪水邊流淘刷發揮了重要作用。該設備先后取得國家實用新型專利4項，另有2項發明專利正在受理。

7 結語

防汛搶險聯合裝袋機集裝袋、封口、輸送于一體，具有集成度與自動化程度高、操作簡單、實用性強等特點，能實現快速裝袋、自動封口、快速將土石沙袋裝入運輸車輛，極大地降低了搶險作業人員的勞動強度，改善了作業環境，極大地提高了裝袋速度和工作效率，為抗洪搶險爭取大量的寶貴時間，可廣泛應用于抗洪搶險、道路搶修、水利工程施工等，具有顯著的社會效益、經濟效益和環境效益。